Giáo trình Vật liệu cơ điện - Ngành/nghề: Vận hành nhà máy thủy điện
UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI
TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI
GIÁO TRÌNH
MÔN HỌC/ MÔ ĐUN: Vật liệu cơ điện
NGÀNH/NGHỀ: Vận hành nhà máy thủy điện
( Áp dụng cho Trình độ Cao đẳng)
LƯU HÀNH NỘI BỘ
NĂM 2017
1
LỜI GIỚI THIỆU
Hiện nay ở nước ta hầu hết các hoạt động của xã hội đều gắn với việc sử dụng
điện năng. Điện không những được sử dụng ở thành phố mà còn được đưa về nông
thôn, miền núi hoặc nhờ các trạm phát điện địa phương, máy phát điện hộ gia đình.
Cùng với sự phát triển của điện năng các thiết bị điện dân dụng được sử dụng
ngày càng tăng lên không ngừng. Chất lượng của các vật liệu điện cũng không ngừng
được cải tiến và nâng cao cùng với sự phát triển của công nghệ mới. Vì vậy đòi hỏi
người công nhân làm việc trong các ngành, nghề và đặc biệt trong các ngành nghề
điện, điện tử phải hiểu rõ về bản chất của các vật liệu và ứng dụng của các vật liệu đó,
đồng thời phải hiểu rõ về cấu tạo vật liệu, nắm được các hiện tượng, nguyên nhân hư
hỏng và cách khắc phục để không ngừng nâng cao hiệu quả kinh tế và tiết kiệm điện
năng trong sử dụng.
Nội dung môn học này trang bị cho học viên những kiến thức cơ bản về cấu tạo
vật liệu điện nhằm ứng dụng có hiệu quả trong ngành nghề của mình.
2
MỤC LỤC
TRANG
Lời giới thiệu
2
Chương 1: Những khái niệm cơ bản về kim loại và hợp kim
5
6
1. Khái niệm về kim loại, hợp kim
2. Cấu tạo của kim loại, hợp kim
3. Tính chất chung của kim loại và hợp kim:
10
Chương 2. Gang
14
15
16
1. Giới thiệu chung về gang:
2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất chung của gang:
3. Các loại gang thường dùng:
Chương 3. Thép và vật liệu dẫn từ
1. Thép
21
36
2. Vật liệu dẫn từ
Chương 4. Hợp kim cứng
1. Khái niện chung:
48
48
2. Một số loại hợp kim cứng thường dùng
Chương 5. Kim loại màu và vật liệu dẫn điện
1.Khái niệm và phân loại kim loại
2. Đặc điểm và tính chất chung
3. Vật liệu dẫn điện có điện dẫn cao
4. Vật liệu dẫn điện có điện trở cao
5. Một số vật liệu dẫn điện khác
6. Hợp kim làm ổ trượt
50
50
58
59
60
61
Chương 6. Ăn mòn kim loại
1. Hiện tượng ăn mòn kim loại:
2. Phương pháp chống ăn mòn kim loại
Chương 7. Vật liệu phi kim loại và vật liệu cách điện
1.Khái niệm và phân loại
67
67
68
69
75
77
78
2. Tính chất chung của vật liệu cách điện
3. Vật liệu cách điện thể khí
4. Vật liệu cách điện thể lỏng
5. Vật liệu cách điện thể rắn
3
6. Chất dẻo
86
88
7. Dầu - Mỡ bôi trơn
Chương 8: Vật liệu bán dẫn
1. Khái niệm chung về vật liệu bán dẫn
2. Sự dẫn điện của vật liệu bán dẫn
3. Tiếp giáp điện tử - lỗ trống
4. Một số nguyên tố có tính chất bán dẫn dùng trong kỹ thuật
88
88
90
91
4
Mục tiêu môn học:
* Kiến thức.
- Trình bày được đặc điểm, tính chất, ký hiệu và phạm vi ứng dụng của các loại vật
liệu cơ khí, vật liệu điện như: gang, thép, kim loại màu, các loại dầu bôi trơn, dầu biến
thế và một số loại vật liệu khác được dùng trong các nhà máy Thuỷ điện.
* Kỹ năng.
- Nhận biết được các loại vật liệu thường dùng trong Nhà máy Thuỷ điện và phạm
vi ứng dụng của chúng
* Năng lực tự chủ và trách nhiệm.
- Cẩn thận, nghiêm túc trong học tập và trong công việc.
Nội dung:
Chương 1: Những khái niệm cơ bản về kim loại và
hợp kim
1. Khái niệm về kim loại, hợp kim
1.1. Khái niệm
- Kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao. -
Trong điều kiện thường và áp suất khí quyển hầu hết các kim loại tồn tại ở trạng thái
rắn (ngoại trừ thủy ngân).
- Hợp kim là dung dịch rắn của nhiều nguyên tố kim loại hoặc giữa nguyên tố kim
loại với nguyên tố phi kim. Hợp kim mang tính kim loại (dẫn nhiệt cao, dẫn điện, dẻo,
dễ biến dạng, có ánh kim...). Hợp kim màu, là hợp kim của các kim loại khác ngoài
sắt.
1.2. Đặc tính
1.2.2 Đặc tính kim loại
Đặc tính của kim loại được đánh gía bởi các tính chất vật lý, hóa học, cơ học...
1.2.2 Đặc tính hợp kim
Đặc tính sản phẩm hợp kim giống kim loại thông thường khác với đặc tính của kim
loại hợp thành, đôi khi còn khác hẳn.
Hợp kim luôn cho ta những đặc tính vượt trội so với kim loại nguyên chất hợp
thành. Ví dụ, thép(hợp kim của sắt) có độ bền vượt trội so với kim loại hợp thành của
nó là sắt. Đặc tính vật lý của hợp kim không khác nhiều kim loại được hợp kim hoá,
như mật độ, độ kháng cự, tính điện và hệ số dẫn nhiệt, nhưng các đặc tính cơ khí của
5
hợp kim lại có sự khác một cách rõ rệt, như độ bền kéo, độ bền cắt, độ cứng, khả năng
chống ăn mòn...
Không giống như kim loại nguyên chất, nhiều hợp kim không có một điểm nóng
chảy nhất định. Thay vì, chúng có một miền nóng chảy bao gồm trạng thái các khối
chất rắn hòa lẫn với khối chất lỏng. Điểm nhiệt độ bắt đầu chảy được gọi là đường
đông đặc và hoàn thành việc hóa lỏng hoàn toàn gọi là đường pha lỏng trong giản đồ
trạng thái của hợp kim.
1.3. Vai trò của kim loại, hợp kim trong cuộc sống.
Trong các nhóm vật liệu kể trên thì vật liệu kim loại có vai trò quyết định đến sự
phát triển của xã hội và kỹ thuật. Đó là vật liệu cơ bản để chế tạo ra những máy móc
và những công trình xây dựng. Sự phát triển không ngừng của máy động lực, máy
công cụ gắn liền với sự phát triển của các vật liệu kim loại với tính năng ngày càng
cao.
Mỗi khi con người tìm ra một loại vật liệu mới, với những tính chất ưu việt của nó
là một lần thúc đẩy năng suất lao động phát triển mở ra những ngành khoa học mới
như:
– Sự xuất hiện công nghệ chế tạo nhôm hợp kim cứng Đura (1903) đã giúp cho
ngành công nghiệp hàng không và tên lửa có bước phát triển nhảy vọt.
– Hàng loạt các vật liệu khác cũng được chế tạo và ứng dụng rộng rãi trong ngành
cơ khí như: thép không rỉ austenit (1912), hợp kim titan (1960), thép kết cấu có độ bền
cao (1965), thủy tinh kim loại (1990), kim loại nhớ (1990)…
Ngày nay các nhà khoa học vẫn tiếp tục nghiên cứu nhằm tạo ra những hợp kim
mới có tính năng ngày càng ưu việt hơn về cơ tính cùng một số tính chất vật lý và hóa
học đặc biệt. Những thành công trong nghiên cứu và chế tạo vật liệu mới đã và đang
đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của thế giới.
2. Cấu tạo của kim loại, hợp kim:
2.1. Kim loại:
2.1.1 Cấu tạo nguyên tử
Các kim loại có các tính chất khác nhau là do tổ chức bên trong của chúng khác
nhau.
- Vật chất là do các nguyên tử tạo thành, mỗi nguyên tử là một hệ thống phức tạp
bao gồm: hạt nhân mang điện tích dương ở giữa các điện tử mang điện tích âm quay
xung quanh hạt nhân theo các quỹ đạo khác nhau. Hạt nhân bao gồm Proton và nơtron.
6
Hình 1-1: Sơ đồ phân bố các điện tử trên quỹ đạo
Các điện tử quay xung quanh hạt nhân với vận tốc rất lớn và theo quỹ đạo hình elíp.
Quỹ đạo ngoài cùng có ảnh hưởng nhiều nhất đến tính chất của mỗi chất (hình 1-1).
Đối với kim loại ở quỹ đạo ngoài cùng thường có 1 đến 2 điện tử, các điện tử này dễ
bật đi khỏi quỹ đạo để cho nguyên tử trở thành ion dương và đó là chỗ khác nhau chủ
yếu giữa Kim loại và vật liệu phi kim loại.
- Như Vậy: Kim loại có cấu tạo như là các ion dương, có các điện tử tự do chạy
xung quanh hạt nhân và các điện tử này dễ bật ra khỏi quỹ đạo của nó. Các điện tử tự
do là nguyên nhân tạo ra tính chất dẫn điện, dẫn nhiệt và tính dẻo dai của kim loại.
2.1.2 Cấu tạo mạng tinh thể
Hình 1-2: Cấu tạo mạng tinh thể kim loại nguyên chất
a) Sơ đồ sắp xếp mạng tinh thể lập phương đơn giản; b) ô cơ bản của mạng
Kim loại ở trạng thái rắn có cấu tạo bên trong theo mạng tinh thể, tức là các
nguyên tử của nó sắp xếp trong không gian theo một vị trí hình học nhất định chứ
không hỗn độn như các vật liệu phi kim loại. trong đó các nguyên tử kim loại được
biểu diễn bằng những vòng tròn nhỏ nằm ở các mép của hình lập phương ta gọi là nút
mạng. Phần nhỏ nhất đặc trưng cho một mạng tinh thể nào đó gọi là ô cơ bản. Nếu xếp
liên tiếp các ô cơ bản ta được mạng tinh thể như hình 1-2.
2.1.3 Các kiểu mạng tinh thể thường gặp.
7
Các kiểu mạng tinh thể thường gặp của kim loại.
Mạng tinh thể bao giờ cũng mang tính đối xứng, nó là một trong những đặc điểm
quan trọng thể hiện cả hình dáng bên ngoàcủa
Kim loại. Cấu trúc mạng tinh thể thường mavào
kiểu sắp xếp nguyên tử. Sau đây là một số k
+ Lập phương thể tâm.
Trong ô cơ bản của kiểu mạng này (hình hình
lập phương và ở giữa mỗi hình lập phươgiữa
tâm các nguyên tử kề nhau của ô cơ bản lớn
được đo bằng A0 (đọc là ăng-Trôn), một đCác
kim loại có kiểu mạng này là sắt, crom, Va
+ Lập phương diện tâm.
Trong ô cơ bản của kiểu mạng này, các lập
phương và nằm ở trung tâm các mặt của hloại
có kiểu mạng này là: Sắt, đồng, nhôm, nike
+ Lục phương dày đặc.
Trong ô cơ bản của kiểu mạng này, các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình lục
lăng, hai nguyên tử nằm ở trung tâm hai mặt đáy và ba nguyên tử nằm ở trung tâm ba
khối lăng trụ tam giác cách nhau như hình 1-5. Các kim loại có kiểu mạng này gồm
kẽm, côban, magiê….
+ Ngoài ba loại mạng tinh thể thường gặp trên, ta còn gặp kiểu mạng chính phương
thể tâm như hình 1-6. Nó khác mạng lập phương thể tâm ở chỗ ô cơ bản có một
cạnh không bằng hai cạnh kia.
Hình 1-5: Kiểu lục phương dày đặc
a) Ô cơ bản; b) Hình chiếu bằng
Hình 1-6: Ô cơ bản chính
phương thể tâm.
8
2.2. Hợp kim
2.2.1 Dạng dung dịch đặc.
Hợp kim có cấu tạo là dung dịch đặc khi nguyên tử của các nguyên tố có thành
phần kích thước gần giống nhau. Khi kết tinh các hợp kim này tạo thành các mạng tinh
thể trong đó có nguyên tử của các nguyên tố thành phần. Người ta phân biệt có hai loại
dung dịch đặc là: dung dịch đặc thay thế và dung dịch đặc xen kẽ.
- Trong dung dịch đặc thay thế: Nguyên tử nguyên tố này đẩy nguyên tử nguyên tố
kia thay thế vào đó (hình 1-6a). Tức là vẫn có kiểu mạng và số nguyên tử trong ô cơ sở
đúng như cấu tử của dung môi. Về mặt hình học có thể thấy sự thay thế nguyên tử này
bằng nguyên tử khác ít nhiều đều xảy ra sự xô lệch mạng vì không có hai nguyên tố
nào có đường kính nguyên tử hoàn toàn giống nhau. Vì vậy sự thay thế chỉ xảy ra đối
với các nguyên tố có kích thước nguyên tử gần bằng nhau (sai lệch không quá 15%).
Hình 1-6: Các mô hình cấu trúc dung dịch đặc của hợp kim
a) Mô hình dung dịch đặc thay thế; b) Mô hình dung dịch đặc xen kẽ;
c) Mô hình dung dịch đặc tổng hợp
- Trong dung dịch đặc xen kẽ: Nguyên tử của các nguyên tố hòa tan (ví dụ cácbon,
ôxi..) nằm xen kẽ vào các lỗ hổng giữa các nút của mạng tinh thể của nguyên tố cơ bản
(hình 1-1b). Trong dung dịch rắn xen kẽ các nguyên tử hoà tan phải có kích thước bé
hơn hẳn để có thể lọt vào lỗ hổng trong mạng của kim loại chủ, tức là vẫn có kiểu
mạng như kim loại chủ nhưng số nguyên tử trong ô cơ sở tăng lên.
2.2.2. Hợp chất hóa học.
Hợp kim có cấu tạo là hợp chất hóa học khi nguyên tử của các nguyên tố khác nhau
tác dụng hóa học với nhau theo tỉ lệ chính xác giữa các nguyên tử có kiểu mạng xác
định, có thành phần hóa học xácđịnh được biểu diễn bằng một công thức hóa học
9
Ví dụ hợp chất hóa học của sắt và cácbon có công thức hóa học là Fe3C
Đặc điểm chung của hợp chất hóa học là có độ cứng, độ giòn cao
3. Tính chất chung của kim loại và hợp kim
3.1. Tính chất vật lý (tính chất lý học): Là các tính chất đặc trưng như là vẻ sáng
mặt ngoài, tính nóng chảy, tính dẫn nhiệt, tính dãn nở nhiệt, tính dẫn điện..vv.
3.1.1. Vẻ sáng mặt ngoài.
Theo vẻ sáng mặt ngoài của kim loại người ta chia thành hai nhóm là kim loại đen
và kim loại màu.
a. Kim loại đen: Kim loại đen gồm toàn bộ các hợp kim của sắt, tức là các loại
gang và các loại thép.
b. Kim loại màu.
- Kim loại màu là tất cả các hợp kim và kim loại còn lại.
- Kim loại không trong suốt, kể cả những tấm kim loại được cán, dát rất mỏng cũng
không để cho ánh sáng xuyên qua nó được. Tuy nhiên kim loại lại có độ phản chiếu
ánh sáng ở mặt ngoài. Mỗi kim loại sẽ phản chiếu ánh sáng theo một màu sắc riêng mà
ta quen gọi là màu của kim loại.
Thí dụ: Đồng có màu đỏ, Thiếc có màu trắng bạc…
3.1.2. Tính nóng chảy.
Kim loại có tính chảy lỏng khi đốt nóng và đông đặc khi làm nguội. Nhiệt độ ứng
với đúc kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóng chảy (và
ngược lại). Điểm nóng chảy có ý nghĩa rất quan trọng trong công nghệ đúc, vì khi đúc
ta phải nấu chảy lofng kim loại để dát vào khuôn.
Điểm nóng chảy của hợp kim lại khác với điểm nóng chảy của từng kim loại tạo
nên hợp kim đó. Bằng cách pha trộn nhiều kim loại khác nhau, ta có thể tạo được hợp
kim mới có điểm nóng chảy thấp hơn nhiều so với điểm nóng chảy của từng kim loại
riêng rẽ. Trong thực tế người ta có thể pha chế các hợp kim có điểm nóng chảy thấp
(khoảng 60-700C), trong khi điểm nóng chảy của từng kim loại thành phần lớn hơn
2000 C. Ngược lại cũng có thể pha chế các hợp kim có điểm nóng chảy cao hơn điểm
nóng chảy của từng kim loại thành phần.
3.1.3. Tính dẫn nhiệt.
Là tính truyền nhiệt của kim loại khi đốt nóng hoặc làm lạnh.
- Kim loại có tính dẫn nhiệt tốt thì càng dễ nóng chảy nhanh và đông đặc nhanh
- Kim loại có tính dẫn nhiệt kém muốn nung nóng hoàn toàn phải cần nhiều thời
gian, nếu làm nguội quá nhanh dễ gây ra nứt và vỡ.
10
- Tính dẫn nhiệt của kim loại rất cần thiết cho việc nhiệt luyện các kim loại, cho
việc chế tạo các chi tiết máy cần dẫn nhiệt nhanh như píttông, kết nước.
- Tính dẫn nhiệt của mỗi kim loại giảm xuống khi nhiệt độ tăng và tăng khi nhiệt độ
giảm xuống.
Trong ô tô, các chi tiết máy cần có sự truyền nhiệt nhanh như: Piston, cánh tản nhiệt
của két làm mát… thì phải làm bằng các vật liệu có tính dẫn nhiệt tốt như là hợp kim
nhôm, đồng.
Đơn vị đo tính dẫn nhiệt được biểu thị bằng Kilô calo/m.giờ.độ. Tính dẫn nhiệt của
mỗi kim loại giảm xuống khi nhiệt độ tăng.
Thực tế người ta thường so sánh tính dẫn nhiệt của các kim loại khác với bạc vì bạc
có tính dẫn nhiệt tốt nhất. Ví dụ: Nếu lấy bạc có tính dẫn nhiệt bằng một đơn vị thì các
kim loại khác như: Đồng = 0,9; Nhôm = 0,5; Sắt = 0,15…
3.1.4. Tính giãn nở nhiệt.
Khi đốt nóng các kim loại giãn nở ra và khi nguội lạnh nó co lại. Sự giãn nở kim
loại không giống nhau. Để đánh giá sự giãn nở nhiệt của các kim loại khác nhau người
ta đo chính xác độ dãn dài 1mm kim loại đó khi nhiệt độ thay đổi 10. Độ giãn dài đo
được gọi là hệ số giãn nở nhiệt theo chiều dài. Sự giãn nở theo thể tích được tính bằng
3 lần sự giãn nở theo chiều dài.
Trong kỹ thuật để làm các dụng cụ đo lường đảm bảo độ chính xác cao người ta
phải sử dụng các hợp kim có độ giãn nở nhiệt gần bằng 0 ở khoảng nhiệt độ từ - 800
đến 1000 C ( ví dụ như hợp kim Niva).
Cần chú ý rằng hệ số giãn nở nhiệt tuy rất nhỏ, nhưng với các vật có kích thước lớn,
có sự thay đổi nhiệt độ đáng kể, chúng ta phải chú ý tới đặc điểm này. Ví dụ trong
động cơ ô tô phải chú ý đến khe hở giữa piston và xilanh để ở trạng thái nguội vẫn
đảm bảo độ kín cần thiết, ở trạng thái nóng thì piston không bị bó kẹt trong xilanh.
3.1.5. Tính dẫn điện.
Là khả năng dẫn điện của kim loại . Các kim loại khác nhau thì có tính dẫn điện
khác nhau. Kim loại có tính dẫn điện cao tức là kim loại ít cản trở dòng điện (điện trở
của kim loại nhỏ). So sánh tính dẫn điện và tính dẫn nhiệt của kim loại ta thấy kim loại
nào dẫn nhiệt tốt thì cũng dẫn điện tốt và ngược lại.
Các kim loại có tính dẫn điện tốt được dùng trong kỹ thuật là đồng, nhôm… Khi
nhiệt độ tăng lên thì tính dẫn điện giảm đi và ngược lại.
Ở nhiệt độ 00K ( - 2730C) thì điện trở của kim loại gần bằng 0 và tính dẫn điện kim
loại là tốt nhất. Đây chính là hiện tượng siêu dẫn hiện đang được nghiên cứu và ứng
dụng trong thực tế.
11
3.1.6. Nhiệt dung.
Nhiệt dung là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của kim loại lên 10C. Nhiệt
dung của kim loại càng lớn, càng cần tốn nhiều nhiệt lượng mới đốt nóng vật đó lên
được. Đây là một đặc trưng cần biết khi gia công cơ khí bằng các phương pháp gia
công nóng như đúc, hàn…
3.1.7. Tính nhiễm từ.
Là khả năng kim loại bị từ hoá khi được đặt trong một từ trường. Trong thực tế khả
năng nhiễm từ của các kim loại không giống nhau và được chia làm hai nhóm.
- Sắt và hầu hết các hợp kim của sắt đều có tính nhiễm từ và được gọi là chất sắt từ.
- Hầu hết các kim loại khác thì không có tính nhiễm từ.
Tính nhiễm từ của các chất sắt từ phụ thuộc vào thành phần và tổ chức bên trong
của kim loại đó, do vậy tính nhiễm từ không phải là cố định đối với mỗi loại vật liệu.
Thí dụ: Sắt chỉ có tính nhiễm từ ở nhiệt độ 7680 C, ở nhiệt độ lớn hơn sắt không còn từ
tính nữa.
Tính nhiễm từ của kim loại được sử dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật. Trên ô tô nó
được dùng để chế tạo các loại nam châm, các lõi sắt từ của các cuộn cảm, của rơle
trong các thiết bị điện.
3.1.8. Trọng lượng riêng.
Là khối lượng của kim loại trên một đơn vị thể tích (kg/m3), tính chất này dùng để
so sánh khi chọn vật liệu chế tạo các máy móc thiết bị cần quan tâm đến việc giảm nhẹ
khối lượng.
3.1.9. Nhiệt độ nóng chảy.
Kim loại có tính nóng chảy khi đốt nóng và đông đặc khi nguội. Nhiệt độ ứng với
lúc kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn được gọi là nhiệt độ nóng chảy.
Điểm nóng chảy của hợp kim khác với điểm nóng chảy của từng kim loại tạo nên
hợp kim đó. Điểm nóng chảy có ý nghĩa quan trọng trong công nghệ đúc. Vì khi đúc
người ta nấu chảy loãng kim loại để rót vào khuôn.
3.2. Tính chất hoá học
3.2.1. Định nghĩa.
Tính chất hóa học là biểu thị khả năng của kim loại và hợp kim chống lại tác dụng
hóa học của các môi trường có hoạt tính khác nhau. Hầu hết các kim loại và hợp kim
đều bị tác dụng hóa học của môi trường xung quanh.
Ví dụ thép để trong không khí bị gỉ, đồng bị gỉ thành màu xanh..vv.
3.2. 2. Tính chất hóa học của kim loại và hợp kim.
12
a. Tính chống ăn mòn: Là khả năng chống lại sự ăn mòn của hơi nước hay oxi
trong không khí ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao.
b. Tính chịu axít: Là khả năng chống lại tác dụng của các môi trường axít. Khi lựa
chọn vật liệu trong chế tạo máy, người ta phải căn cứ vào tính chất hóa học của vật
liệu để lựa chọn cho phù hợp với điều kiện làm việc của chi tiết máy. Ví dụ: Trên ô tô
người ta phải dùng vật liệu là chì làm các bản cực của các bình ắc quy vì chì không bị
axít ăn mòn.
3.3. Tính chất cơ học
3.3.1. Định nghĩa.
Là khả năng chống lại tác dụng của ngoại lực lên kim loại và hợp kim. Tính chất cơ
học bao gồm nhiều tính chất đặc trưng như: độ đàn hồi, độ bền, độ dẻo, độ cứng..vv.
Để xác định được tính chất cơ học của kim loại người ta phải tiến hành các quá
trình thử trên các mẫu thử được chế tạo theo quy chuẩn bằng các thiết bị thử đặc biệt.
Trong đó thử kéo là quan trọng nhất vì qua đó ta có thể xác định được các cơ tính chủ
yếu của kim loại như: Độ bền, độ đàn hồi, độ dẻo...
Để đánh giá tính chất cơ học của kim loại người ta dùng đơn vị là kG/mm2 .
3.3.2. Các tính chất cơ học chủ yếu.
a. Độ bền. Là khả năng chịu ngoại lực của kim loại ở mẫu thử đó nó không bị phá
hủy. Người ta hay dùng là độ bền kéo, nén và được kí hiệu: σk, σn.
b. Độ cứng. Là khả năng chống lại ngoại lực tác động khi chịư lực ở mẫu thử nó
được xác định là độ biến dạng trong cùng một điều kiện ngoại lực như nhau. Người ta
dùng nhiều đơn vị đo độ cứng như: HB (Brinen), HRA, HRB, HRC (Rốc oen).
c. Độ đàn hồi. Là khả năng biến dạng của vật liệu khi có ngoại lực tác động.
d. Tính biến hình. Là khả năng biến dạng của kim loại so với hình dạng ban
đầu khi ngoại lực tác động, có phương, chiều và trị số khác nhau.
Tính chất cơ học của vật liệu là một trong những đặc trưng quan trọng nhất được
quan tâm khi lựa chọn vật liệu trong chế tạo máy.
3.4. Tính chất công nghệ
3.4.1. Định nghĩa: Là khả năng mà kim loại có thể thực hiện được các phương
pháp công nghệ khác nhau để sản xuất các sản phẩm.
3.4.2. Tính công nghệ.
a. Tính cắt gọt: Là khả năng của kim loại gia công cắt gọt dễ hay khó. Tính cắt gọt
được xác định bằng: tốc độ cắt gọt, lực cắt gọt, độ bóng bề mặt sau khi cắt gọt.
b. Tính hàn: Là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các chi tiết khi nung nóng cục
13
bộ vị trí nối đến trạng thái nóng chảy hoặc biến dạng dẻo.
c. Tính đúc: Là khả năng chảy loãng của kim loại khi nấu chảy kim loại để đổ vào
khuôn đúc. Tính đúc được xác định bởi độ co, ngót và tính thiên tích của kim loại.
d. Tính rèn dập: Là khả nẳng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi có ngoại lực
tác động để tạo thành hình dạng chi tiết mà không bị phá hủy.
e. Tính nhiệt luyện: Là khả năng làm thay đổi độ cứng, độ bền, độ dẻo của kim
loại bằng cách nung nóng kim loại, giữ kim loại ở nhiệt độ đó một thời gian rồi cho
nguội trong các môi trường với tốc độ nguội khác nhau.
Tính chất công nghệ của kim loại cũng là một yếu tố rất quan trọng trong gia công
chế tạo. Nhờ có tính công nghệ có thể chế tạo được các chi tiết có các yêu cầu kỹ thuật
khác nhau trong công nghệ chế tạo máy.
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1
Câu 1: Hãy nêu tầm quan trọng của kim loại và hợp kim trong sản xuất công
nghiệp?
Câu 2: Trình bày cấu tạo của kim loại?
Câu 3: Thế nào là hợp kim? Cho biết cấu tạo của hợp kim?
Câu 4: Trình bày các tính chất chung của kim loại và hợp kim?
Chương 2. Gang
1. Giới thiệu chung về gang
1.1. Khái niệm: Gang là hợp kim Sắt - Cácbon (Fe - C), trong đó lượng C = 2,14%,
nhưng không lớn hơn 6,67%. Ngoài ra còn có các nguyên tố như Mn, S. P, Si và một
số tạp chất khác.
1.2. Thành phần hoá học và kết cấu mạng tinh thể
a. Tổ chức tế vi: Đặc điểm về tổ chức tế vi quan trọng nhất chi phối các đặc điểm
khác là phần lớn hay toàn bộ các bon trong các gang chế tạo máy ở dạng tự do hay
Graphit (rất ít hoặc không có các bon ở dạng liên kết hay cacbít).
Tổ chức tế vi của gang được chia thành hai phần: phần phi kim loại là Graphit hay
cacbon tự do và phần còn lại là nền kim loại với các tổ chức khác nhau:
- Pherit: khi toàn bộ C ở trạng thái tự do.
- Pherit – Peclit: Khi phần lớn C ở trạng thái tự do và rất ít C ở dạng liên kết. Các
gang khác nhau chỉ là ở dạng của graphit.
+ Graphit có dạng tấm, phiến, lá: Là dạng tự nhiên khi đúc (gang xám).
14
+ Graphit có dạng quả cầu tròn: phải qua biến tính đặc biệt (gang cầu).
+ Graphit có dạng cụm (tụ tập lại thành đám) qua phân hoá từ Xêmentit ( gang dẻo).
Chính sự khác nhau của dạng Graphit mà gang có cơ tính và công dụng khác nhau.
b. Thành phần hoá học: Để có được graphit và graphit với các dạng khác nhau.
Mỗi loại gang phải có những đặc điểm riêng về thành phần hoá học và cách chế tạo.
Bảng 2-1. Thành phần hoá học của gang.
Loại Gang
Trắng
Xám
C
Si
Mn
S
P
3,3 – 3,6
3,0 – 3,7
3,0 – 4,0
2,0 – 2,6
0,4 – 1,2
1,2 – 2,5
1,8 – 3,0
1,0 – 1,6
0,25 – 0,8
0,25 – 1,00
0,10 – 0,80
0,20 – 1,00
0,06 – 0,20
< 0,12
0,05
0,05
< 0,01
< 0,20
–
–
< 0,03
Cầu
Dẻo
0,04 – 0,20
- Thành phần hoá học: Bản thân cacbon cũng là yếu tố thúc đẩy sự tạo thành
graphit. Trong số các nguyên tố trong gang, nguyên tố silic có ảnh hưởng mạnh nhất
đến sự tạo thành graphit. Lượng silic càng nhiều thì sự graphit hoá càng mạnh, cacbon
liên kết (Xêmentit) càng ít hoặc thậm chí không có. Vì vậy về cơ bản người ta coi
gang là hợp kim của ba cấu tử Fe – C – Si.
Trong gang cũng còn có các nguyên tố khác thúc đẩy tạo thành cacbit (còn gọi là
gây hoá trắng gang) hay chống lại graphit hoá. Chúng được đưa vào có chủ định hoặc
chúng là các tạp chất.
1.3. Tính chất của gang: Gang có một số tính chất quan trọng sau đây:
-Tính điền đầy khuôn trong gang, nhất là gang xám, tính chất này của gang rất quan
trọng. Vì vậy các chi tiết máy không có yêu cầu đặc biệt thì thường dùng phương pháp
đúc để tạo hình. Người ta dùng phương pháp đúc trong khuôn kim loại, đúc áp lực.
Các phương pháp đúc này có thể tạo được các chi tiết có hình dạng, kết cấu phức tạp
mà không cần gia công lại. Ví dụ đúc thân máy, nắp máy… động cơ ôtô.
- Độ bền cơ, bền nhiệt: Các loại gang, như gang cầu, gang hợp kim đều có độ bền
cơ, bền nhiệt cao. Vì vậy người ta thường dùng gang chế tạo các chi tiết máy có yêu
cầu cao về độ chịu mài mòn, ma sát, độ gifn nở vì nhiệt thấp. Ví dụ: Làm bánh đà
động cơ ôtô, các xilanh lực của hệ thống thủy lực…
Tuy nhiên gang cũng có nhược điểm như tính hàn, tính cắt gọt kém, dẫn điện kém,
độ bền mỏi nhỏ. Như vậy các chi tiết chịu lực dễ bị mỏi người ta không dùng gang.
2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất chung của gang:
2.1 ảnh hưởng của cácbon
15
Nếu các bon chứa trong gang dạng hợp chất hóa học Xementít thì gang đó gọi là
gang trắng, nếu C ở trạng thái tự do thì gang đó gọi là gang xám(Grafít). Sự tạo thành
các loại gang khác nhau phụ thuộc vào thành phần hóa học và tốc độ nguội của nó .
Nếu tốc độ nguội nhanh thì được gang trắng, tốc độ nguội chậm thì được gang xám.
2.2 ảnh hưởng của các Mn, Si, P, S
- Silic (Si): Là nguyên tố ảnh hưởng nhiều nhất đến cấu trúc tinh thể của gang vì nó
thúc đẩy sự tạo thành Grafít trong gang xám, do vậy thành phần Si thường cao (1 đến
4,25%).
- Mangan (Mn): Nó thúc đẩy sự tạo thành gang trắng và ngăn cản quá trình
Grafít hóa vì vậy lượng Mn trong gang trắng thường cao (từ 2 đến 2,5%).
- Phốt pho (P): Là nguyên tố có hại trong gang, nó làm giảm độ bền, tăng độ giòn
của gang. Tuy nhiên P lại làm tăng tính chảy lofng của gang khi đúc.
- Lưu huỳnh (S): Là nguyên tố có hại trong gang, nó làm giảm tính đúc, giảm độ
bền, làm cho gang giòn. Do đó thành phần của S trong gang thường nhỏ hơn 0,15%.
3. Các loại gang thường dùng
3.1. Gang trắng
a. Thành phần và tổ chức C
- Thành phần : C = (3,3 ÷ 3,6) %
Si = (0,4 ÷ 1,2 )%
Mn= (0,25 ÷ 0,8)%
S = (0,06 ÷ 0,2)%
P = (0,05 ÷ 0,1) %
- Tổ chức C : Tồn tại ở dạng sắt Fe3C pha này chiếm tỷ lệ rất lớn (50% trong tổ
chức của gang)
b. Tính chất.
- Lý tính: Trên bề mặt gãy của gang có màu sáng trắng do Cacbon ở dạng hợp chất
hóa học Fe3C do đó gọi là gang trắng
- Cơ tính: Do Cacbon ở dạng Fe3C nên gang rất cứng (650÷700)HB và giòn. Do đó
không thể gia công cắt gọt, không thể dùng gang trắng để làm các chi tiết máy có độ
chính xác cao
+ Độ dẻo, dộ bền thấp
+ Có khả năng chịu mài mòn tốt
- Tính kinh tế. Phương pháp chế tạo gang trắng đơn giản, giá thành rẻ
c. Công dụng.
16
- Do gang trắng rất cứng và có tính chống mài mòn tốt nên được dùng làm các chi
tiết yêu cầu độ cứng cao ở bề mặt làm việc trong điều kiện chịu mài mòn như: bi
nghiền, bề mặt trục cán, mép lưỡi cày, bề mặt vành bánh xe lửa…
- Cần chú ý là không làm toàn bộ chi tiết bằng gang trắng, vì như vậy dễ bị gãy, vỡ,
nên chỉ tạo cho lớp bề mặt là gang trắng còn lõi vẫn là gang Graphit. Muốn bề mặt bị
biến trắng, người ta làm nguội nhanh bề mặt vật đúc.
- Phần lớn gang trắng được dùng để sản xuất thép, một phần được dùng để ủ thành
gang dẻo
3.2. Gang xám
a.Thành phần và tổ chức C
- Thành phần. C = (3 ÷ 3,7)%
Si = (1,2 ÷ 2,5 )%
Mn = (0,25÷1,0)%
S < 0,12%
P = (0,05÷ 1,0) %
- Tổ chức tế vi: Gang xám là loại gang mà phần lớn Cacbon ở dạng tự do (gọi là
Graphit). Graphit trong gang xám có dạng tấm (hay phiến) cong tự nhiên. Do graphit
có màu xám nên mặt gãy của gang có màu xám
b. Phân loại: Tùy theo mức độ tạo thành Graphit mạnh hay yếu, gang xám được
chia ra các tổ chức sau :
- Gang xám Ferit: Có mức độ tạo thành Graphit mạnh nhất, tất cả Cacbon đều ở
dạng tự do, không có xementit, chỉ có 2 pha: Graphit và nền kim loại là Ferit
- Gang xám Ferit - Peclit: Có mức độ tạo thành Graphit mạnh, lượng Cacbon liên
kết (Fe3C) chỉ khoảng 0,1 ÷ 0,6% tạo ra nền kim loại Ferit - Peclit
- Gang xám Peclit: Có mức độ tạo thành Graphit bình thường, lượng Fe3C khoảng
0,6 ÷ 0,8 % tạo nên nền kim loại Peclit
c. Tính chất.
- Lý tính.
+ Dẫn điện, dẫn nhiệt kém hơn so với thép
+ Nhiệt độ nóng chảy thấp
- Cơ tính.
+ Do Graphit có độ cứng, độ bền thấp hơn Xementit nên gang xám có độ cứng, độ
bền thấp hơn gang trắng nhiều (150 ÷ 250) HB; (150 ÷ 400) N/mm2
+ Độ dẻo, độ bền thấp hơn thép.
17
+ Không chịu nhiệt, biến dạng và va đập
- Tính công nghệ.
+ Có tính cắt gọt cao, cho phoi vụn
+ Tính đúc tốt hơn thép
+ Có khả năng khủ cộng hưởng và tự bôi trơn tốt (hệ số ma sát nhỏ)
- Tính kinh tế. Chế tạo gang xám đơn giản hơn so với thép
d. Phạm vi sử dụng: Dùng để chế tạo các sản phẩm đúc có đặc điểm: Kích thước
sản phẩm lớn, kết cấu phức tạp, các chi tiết không chịu va đập khi làm việc mà chịu
nén là chủ yếu, các chi tiết cần giảm rung động khi làm việc và có khả năng tự bôi
trơn. VD: Thân, bệ máy, các ổ trượt, bánh răng chịu tải trọng nhỏ.
d. Ký hiệu.
- Theo tiêu chuẩn Nga gang xám được ký hiệu bằng hai chữ CЧ : Với 2 số chỉ giới
hạn bền kéo và giới hạn bền uốn, đơn vị l KG/mm2
VD : CЧ 24-44 là gang xám có giới hạn bền kéo σk = 24 KG/mm2 (240N/mm2); Gới
hạn bền uốn бu = 44 KG/mm2 (440N/mm2)
- Thường dùng các loại gang xám CЧ 12-28 ; CЧ 15-32; CЧ 21-40; CЧ 24-44
- Theo tiêu chuẩn Việt Nam: gang xám được ký hiệu bằng hai chữ GX và 2 số
giống tiếp theo giống như ký hiệu của Nga.
Bảng 2-2. Cơ tính của gang xám (Theo TCVN 1659 - 75)
Giới hạn
bền kéo
Giới hạn
bền uốn
Giới hạn
bền nén
Độ
Số hiệu
Độ giãn
cứng
dài (δ%)
gang
GX 12 - 28 12
GX 18 - 36 18
GX 28 - 48 28
GX 35 - 56 35
GX 38 - 60 38
3.3. Gang dẻo
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
28
36
48
56
60
50
70
100
110
110
143 - 259
170 - 229
170 - 241
197 - 269
270 - 269
a. Thành phần và tổ chức C, phương pháp chế
tạo.
- Thành phần:
C = (2,0 ÷ 2,6)%;
Si = (1,0 ÷ 1,6)%;
Mn = (0,2 ÷ 1,0)%;
S < 0,03%;
P = 0,2 %
Hình 2-2. Gang dẻo.
18
- Tổ chức tế vi ở dạng cụm bông
- Phương pháp chế tạo: Ủ gang trắng thành gang dẻo
Gang lỏng
Đúc
Gang trắng Fe3C
Nguội nhanh
o
0
Gang trắng
Ủ
dẻo
b. Tính chất: Do Graphit tập trung đều, gọn hơn nên gang dẻo có độ dẻo cao và
bền hơn gang xám (σk = 300 ÷ 600N/mm2; δ= 5 ÷ 10%)
c. Phạm vi sử dụng:
- Gang dẻo có cơ tính tổng hợp tốt hơn gang xám nhưng đắt do quá trình nấu luyện
chế tạo lâu, tốn nhiệt và thời gian ủ nên gang dẻo chủ yếu được dùng làm chi tiết máy,
đồng thời thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Hình dạng phức tạp
- Tiết diện (thành) mỏng
- Chịu va đập
d. Ký hiệu.
- Theo tiêu chuẩn Nga: Gang dẻo được ký hiệu bằng hai chữ KЧ tiếp theo là hai
số cách nhau bằng gạch nối, mỗi số gồm hai chữ số . Số thứ nhất biểu hiện giá trị bền
kéo giới hạn ( kG/mm2 ) , số thứ hai biểu thị giá trị độ dãn dài tương đối ( % ). Các
loại gang dẻo thường dùng: KЧ 4 30-06, KЧ 4 33-08, KЧ 4 37-12, KЧ 45-12, KЧ 56-
04
- Theo tiêu chuẩn Việt Nam: Gang dẻo được ký hiệu bằng hai chữ GZ và 2 số
giống tiêu chuẩn Nga.Ví dụ GZ 33 - 08 gang dẻo có độ bền kéo giới hạn бk = 33
kG/mm2 và độ dãn dài tương đối là δ = 0,8% .
Bảng 2-4. Cơ tính của gang dẻo (Theo TCVN 1661 - 75)
Độ cứng
Giới hạn bền Độ giãn dài
Số hiệu gang
kéo (kG/mm2)
(δ%)
HB
GZ 30 - 06
GZ 33 - 08
GZ 35 - 10
GZ 37 - 12
GZ 45 - 06
30
6
163
33
35
37
45
50
8
163
163
163
241
264
10
12
6
GZ 50 - 04
4
3.4. Gang cầu
19
a. Thành phần và tổ chức C
- Thành phần:
C = (3,0 ÷ 4,0%);
Si = (1,8 ÷ 3,0)% ;
Mn = (0,10 ÷ 0,8)%;
S < 0,03% ;
P < 0,2% ;
- Tổ chức tế vi: Graphit thu nhỏ, hình cầu do có chất biến tính Mg hoặc Ce (Xeri)
Hình 2-1. Gang cầu.
-Chế tạo gang cầu:
Gang lỏng (0,05 -1)% Mg hoặc Ce (Xêri)
b. Tính chất.
Gang cầu .
- Có độ dẻo dai và cấu trúc bền chặt vì nền kim loại ít bị chia cắt (Graphit hình cầu
dạng thu gọn nhất).
- Có cơ tính tổng hợp cao gần như thép
- Gang cầu vừa có tính chất của gang, vừa có tính chất của thép
- Các chi tiết máy làm bằng gang cầu có thể làm việc và bền vững ở nhiệt độ 400oC
c. Phạm vi sử dụng: Để chế tạo các chi tiết máy quan trọng thay cho thép như trục
cán, thân tuốc-bin, trục khuỷu và các chi tiết quan trọng khác
d. Ký hiệu.
- Theo tiêu chuẩn Nga, BЧ 38-17 là gang cầu có σk = 380N/mm2, δ = 17%
- Theo TCVN: GC và 2 số tương ứng như tiêu chuẩn Nga
- Các loại gang cầu thường dùng BЧ 38-17; BЧ 42-12
Bảng 2-3. Cơ tính của gang cầu (Theo TCVN 1660 - 75)
20
Tải về để xem bản đầy đủ
93 trang
19/04/2022
1100
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Vật liệu cơ điện - Ngành/nghề: Vận hành nhà máy thủy điện", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_vat_lieu_co_dien_nganhnghe_van_hanh_nha_may_thuy_d.pdf
