Giáo trình Vật liệu cơ khí - Nghề: Sửa chữa máy tàu thủy
CỤC HÀNG HẢI VIỆT NAM
TRƯỜNG CAO ĐẲNG HÀNG HẢI I
GIÁO TRÌNH
MÔN HỌC: VẬT LIỆU CƠ KHÍ
NGHỀ: SỬA CHỮA MÁY TÀU THỦY
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
(Ban hành kèm theo Quyết định số.....QĐ/ ngày......tháng........năm....của ...........)
1
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép
dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh
thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
2
LỜI GIỚI THIỆU
Giáo trình Vật liệu cơ khí là một trong nhưng giáo trình cơ sở của trường Cao
đẳng Hàng hải 1. Giáo trình này được biên soạn theo đề cương chương trình chung
của Tổng cục dạy nghề. Khi biên soạn tác giả chú ý đến cả phần kiến thức lý thuyết
cũng như vận dụng vào việc có thể sử dụng các kiến thức lý thuyết vào việc lựa chọn
vật liệu phù hợp cho các môn học chuyên môn cũng như trong quá trình làm việc cho
sinh viên.
Mặc dù đã rất cố gắng nhưng trong giáo trình không tránh khỏi những khiếm
khuyết. Tác giả mong nhận được những ý kiến đóng góp của đồng nghiệp và các em
sinh viên.
Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các đồng nghiệp trong Khoa Cơ
khí- Trường cao đẳng Hàng hải 1 để có thể hoàn thành giáo trình này
Hải Phòng, ngày 12 tháng 12 năm 2018
Chủ biên Ths. Trịnh Thị Bích Thủy
3
MỤC LỤC
Nội dung
TT
1
Trang
3
Lời giới thiệu
2
4
Mục lục
3
4
5
6
Danh mục hình vẽ
Danh mục bảng, biểu
5
8
8
Chương 1: Khái niệm cơ bản về kim loại, hợp kim
1. Khái niệm cơ bản về kim loại
2. Khái niệm cơ bản về hợp kim
3. Tính chất chung của kim loại, hợp kim
Câu hỏi ôn tập chương 1
Chương 2: Hợp kim Fe-C
1. Khái niệm
2. Hợp kim Fe-C thường dùng
Câu hỏi ôn tập chương 2
Chương 3: Kim loại màu và hợp kim của nó
1. Đồng- Hợp kim đồng
2. Nhôm- Hợp kim nhôm
Câu hỏi ôn tập chương 3
Chương 4: Nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện
1. Nhiệt luyện
17
21
28
29
29
33
46
47
47
48
50
51
51
58
61
62
62
62
63
66
68
69
70
6
7
8
9
2. Hóa nhiệt luyện
Câu hỏi ôn tập chương 4
Chương 5: Vật liệu khác
1. Chất dẻo
2. Cao su
3. Sợi Các bon
4. Sợi thủy tinh
5. Vật liệu Composite
Câu hỏi ôn tập chương 5
Tài liệu tham khảo
10
4
DANH MỤC HÌNH VẼ
Nội dung
Các trạng thái với mức độ ổn định khác nhau của hệ cơ học
Đồ thị thay đổi năng lượng tự do của kim loại lỏng và rắn
theo nhiệt độ
TT
Hình 1.1
Hình 1.2
Trang
9
10
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
11
13
14
Cấu tạo nguyên tử của kim loại
Mô hình mạng tinh thể
Ô cơ bản của mạng tinh thể
Hình 1.6
Hình 1.7
15
15
Mạng lập phương thể tâm và mặt xếp sít của nguyên tử
Mạng lập phương diện tâm và mặt xếp sít của nguyên tử
Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 1.10
Hình 1.11
Hình 1.12
Hình 1.13
Hình 1.14
Hình 1.15
Hình 1.16
Hình 1.17
Hình 1.18
Hình 1.19
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 3.1
Hình 4.1
Hình 4.2
Hình 4.3
16
16
17
18
19
23
23
24
24
25
25
26
30
32
33
34
36
37
38
49
51
52
52
Mạng lục giác xếp chặt và mặt sít chặt của nguyên tử
Mạng chính phương thể tâm và mặt xếp sít của nguyên tử
Chuyển biến thù hình của Fe
Mô hình dung dịch rắn thay thế
Dung dịch rắn xen kẽ
Sơ đồ nén đúng tâm
Sơ đồ đo độ bền kéo
Sơ đồ dầm chịu uốn
Sơ đồ đo độ cứng Brinell
Sơ đồ đo độ cứng Rockwell
Sơ đồ đo độ cứng Vicke
Mẫu và sơ đồ thử độ dai va đập
Giản đồ trạng thái Fe-C
Tổ chức tế vi của thép trên giản đồ
Tổ chức tế vi của gang trên giản đồ
Tổ chức tế vi của gang xám
Tổ chức tế vi của gang cầu
Tổ chức tế vi gang dẻo
Ảnh hưởng của C đến cơ tính của thép
Tổ chức tế vi của hợp kim nhôm đúc
Chuyển biến khi nung thép
Sơ đồ nhiệt độ làm nguội đẳng nhiệt
Đường cong động học chuyển biến thành P khi làm nguội
đẳng nhiệt
Hình 4.4
Hình 4.5
53
54
Đường cong động học chuyển biến thành P khi làm nguội
Đường cong động học chuyển biến Austenit thành Peclit khi
nguội đẳng nhiệt (
) và liên tục (-------- ) của thép
cùng tích
Hình 4.6
Sơ đồ chọn nhiệt độ tôi cho thép
56
5
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Nội dung
Bảng tọa độ các điểm
Bảng phân nhóm thép C
Bảng lượng sợi Các bon dùng trong Composite
TT
Trang
30
Bảng 2.1
Bảng 2.2
Bảng 5.1
40
66
6
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC VẬT LIỆU CƠ KHÍ
Mã số môn học: MH.6840111.10
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học:
- Vị trí: Môn học Vật liệu cần được bố trí học sau khi học xong các môn học chung ở
cuối học kỳ I; đầu kỳ II của khóa học.
- Tính chất: Đây là môn học kỹ thuật cơ sở này nhằm trang bị cho sinh viên những
kiến thức cơ bản về vật liệu thường dùng trong sản xuất cơ khí.
- Ý nghĩa, vai trò của môn học: Môn học Vật liệu cơ khí đóng vai trò là môn học cơ
sở ngành cho hầu hết các ngành cơ khí, kỹ thuật. Đặc biệt với một số ngành như sửa
chữa máy, lắp ráp máy hoặc công nghệ hàn.
Mục tiêu của môn học:
- Về kiến thức: Trình bày được cấu tạo của kim loại, hợp kim; tính chất và phạm vi
ứng dụng của chúng. Trình bày được các phương pháp nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện
và ứng dụng của từng phương pháp;.
- Về kỹ năng: Phân biệt được các loại vật liệu sử dụng trong cơ khí và cả trong thực
tế; Đọc được mác của các vật liệu; Sử dụng được các phương pháp nhiệt luyện một
cách chính xác;
- Về năng lực tự chủ và chịu trách nhiệm: Có thái độ nghiêm túc trong học tập, nghiên
cứu và tuân thủ nghiêm ngặt nội quy, quy chế trong giáo dục để hoàn thành nội dung
cũng như mục tiêu của môn học.
7
Chương 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
Mã chương: MH.6840111.10.01
Mục tiêu:
- Trình bày được cấu tạo, tính chất cơ bản của kim loại và hợp kim.
- Giải thích được một số tích chất của kim loại và hợp kim. Sử dụng chính xác kiến
thức đã học vào môn học tiếp theo.
- Có thái độ nghiêm túc trong học tập, nghiên cứu, hoàn thành nội dung yêu cầu.
1.1. Khái niệm về kim loại
nguyên tố được phân biệt bởi độ ion hóa và các thuộc tính liên kết của chúng, cùng
đường này là các á kim, đôi khi còn gọi là bán kim loại; các nguyên tố ở bên trái của
đường này là kim loại; các nguyên tố ở góc trên bên phải đường này là các phi kim.
Các phi kim phổ biến hơn các kim loại trong tự nhiên, nhưng các kim loại chiếm
phần lớn vị trí trong bảng tuần hoàn, khoảng 80 % các nguyên tố là kim loại. Một số
1.1.1. Các định nghĩa:
Kim loại là vật thể có mầu sáng, có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, có tính dẻo cao
có thể rèn được.
Tuy nhiên, ngày nay với sự phát triển mạnh của khoa học kỹ thuật người ta tìm
ra được những vật liệu có mầu sáng, có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, nhưng tính dẻo
không cao như Ăngtimon.
Để phân biệt kim loại với á kim người ta dùng khái niệm nhiệt điện trở. Đối với
kim loại, có hệ số nhiệt điện trở dương, nghĩa là khi nhiệt độ của kim loại tăng thì
điện trở của nó cũng tăng theo. Đối với á kim, có hệ số nhiệt điện trở âm, nghĩa là khi
nhiệt độ của á kim tăng thì điện trở của nó cũng giảm.
Ví dụ : Than (ứng dụng làm điện trở than); Ôxy, ni tơ (không khí)
1.1.2. Sự kết tinh của kim loại lỏng
Như đã nói, tuỳ theo điều kiện bên ngoài (nhiệt độ, áp suất), vật chất nói chung
và kim loại nói riêng có ba trạng thái tồn tại là rắn - lỏng - hơi.
Trạng thái rắn: hoàn toàn trật tự (trật tự xa), luôn tồn tại một quy luật xắp xếp
nguyên tử trong toàn bộ thể tích làm cho thể tích ổn định, luôn tồn tại xác suất bắt gặp
nguyên tử bằng một tại các vị trí xác định.
Trạng thái hơi: hoàn toàn hỗn độn, không tồn tại một quy luật xắp xếp không
có phân bố xác suất xác định, thể tích không xác định.
Trạng thái lỏng: giống với trạng thái rắn là có thể tích xác định, còn giống với
trạng thái hơi là không có hình dáng xác định.
8
Trước kia theo các quan điểm cũ, trạng thái lỏng của kim loại được coi là có cấu
tạo gần với trạng thái hơi, không có phân bố xác suất, hỗn độn.Tuy nhiên, hiện nay,
với sự phát triển của khoa học, bằng việc áp dụng các phương pháp nghiên cứu kỹ
thuật cao như phân tích bằng tia Rơnghen, tia , kính hiển vi điện tử ... đã cho thấy
cấu tạo kim loại lỏng có một số đặc điểm sau:
Ở gần nhiệt độ kết tinh, thể tích kim loại ở trạng thái lỏng xấp xỉ với thể tích kim
loại ở trạng thái rắn.
Nhiệt dung riêng đẳng áp của kim loại lỏng xấp xỉ bằng nhiệt dung riêng đẳng áp
cũng của kim loại đó ở trạng thái rắn.
Cả kim loại lỏng và kim loại ở trạng thái rắn vẫn dẫn điện và dẫn nhiệt tốt.
Như đã xét,về mặt cấu trúc, ở gần nhiệt độ kết tinh kim loại lỏng có cấu tạo gần
ở trạng thái rắn. Như vậy, khi kết tinh (chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn),
việc đầu tiên chúng ta thấy, đây là quá trình xảy ra theo sự giảm nhiệt độ và do đó, nó
là một quá trình nhiệt động. Chính vì vậy, để nghiên cứu quá trình kết tinh, chúng ta
sẽ áp dụng các quy luật nhiệt động. Trước hết, chúng ta xét điều kiện năng lượng của
sự kết tinh.
Chúng ta đều biết, mọi hệ vật lý đều có xu hướng tồn tại ở trạng thái có mức
năng lượng tự do thấp, điều này có thể thấy qua một ví dụ với một hệ cơ học đơn giản
như sau:
Trên hình 1.1 viên bi có thể có ba vị
trí tồn tại (I, II, III) và năng lượng tự do của
nó là thế năng của viên bi. Như vậy, tại vị
I
trí I (cao nhất), viên bi sẽ có năng lượng tự
do là lớn nhất, sẽ dễ dàng mất ổn định về
hai vị trí II, III và gọi là trạng thái không ổn
II
định. Tại vị trí III (thấp nhất), viên bi sẽ có
năng lượng tự do là nhỏ nhất, nó có mức độ
ổn định cao (cần năng lượng rất lớn để phá
vỡ sự cân bằng) và được gọi là trạng thái
ổn định. Còn vị trí II ổn định hơn vị trí I
III
Hình 1.1. Các trạng thái với mức độ
ổn định khác nhau của hệ cơ học
nhưng kém ổn định hơn vị trí III, do đó, vị trí II được gọi là vị trí giả ổn định. Như
vậy, xu hướng của nó là chuyển sang trạng thái ổn định III, nhưng khi đó, cần phải
cấp cho nó một năng lượng đủ lớn để vượt qua trạng thái không ổn định. Năng lượng
cần để cấp cho hệ trở về trạng thái ổn định gọi là hàng rào năng lượng.
Hiện nay, quan điểm năng lượng này đã được chứng minh là đúng cho mọi hệ
vật lý, vì vậy, khi xét chiều dương xảy ra của một quá trình bao giờ cũng phải căn cứ
vào điều kiện năng lượng là đầu tiên, điều này chúng ta sẽ còn sử dụng trong tất cả
các quá trình nghiên cứu của khoa học vật liệu.
Với quá trình kết tinh, hầu hết sự kết tinh kim loại lỏng là trong môi trường áp
suất khí quyển và có thể coi là quá trình đẳng áp.
Năng lượng tự do đẳng áp của hệ (năng lượng Gibbs) được tính bằng biểu thức:
9
G = H - T.S
Trong đó:
(1.1)
G: Năng lượng tự do đẳng áp của hệ;
H: Entanpi (nhiệt hàm) của hệ;
T: Nhiệt độ (0K)
S: Entropi của hệ.
Từ phương trình (1.5) với các kim loại ta có đồ thị thay đổi năng lượng tự do
của hai pha lỏng và pha rắn như hình (1.2).
G
GL
GR
T0
TK
T0
Hình 1.2. Đồ thị thay đổi năng lượng tự do của kim loại lỏng và rắn theo nhiệt độ
GL- Năng lượng tự do của kim loại ở trạng thái lỏng
GR- Năng lượng tự do của kim loại ở trạng thái rắn
Trên đồ thị ta thấy hai đường cong cắt nhau tại một điểm có nhiệt độ là T0. Từ đồ
thị này chúng ta thấy rằng: Khi nhiệt độ của hệ nhỏ hơn nhiệt độ T0, lúc đó năng
lượng tự do của pha rắn nhỏ hơn của pha lỏng, vì vậy, trạng thái rắn sẽ là ổn định và
kim loại sẽ tồn tại ở trạng thái rắn. Ngược lại, khi nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ T0, năng
lượng tự do của pha lỏng sẽ nhỏ hơn của pha rắn, do đó, trạng thái lỏng trở nên ổn
định hơn, kim loại sẽ tồn tại ở trạng thái lỏng.
Nhiệt độ T0 gọi là nhiệt độ kết tinh lý thuyết của kim loại. Tại nhiệt độ này tồn
tại trạng thái cân bằng động giữa pha lỏng và pha rắn, chưa xảy ra quá trình kết tinh,
cứ có bao nhiêu phần tử rắn xuất hiện thì lại có sự hoà tan trở lại kim loại lỏng bấy
nhiêu phần tử rắn.
Như vậy, muốn quá trình kết tinh kim loại lỏng xảy ra ta phải có điều kiện năng
lượng:
ΔG = Grắn - Glỏng < 0
(1.2)
Tức là nhiệt độ thực tế của hệ Tk phải thoả mãn:
ΔT = T0 - Tk > 0
(1.3)
Giá trị ΔT gọi là độ quá nguội khi kết tinh. Và như vậy điều kiện kết tinh xảy ra
chỉ khi ΔT > 0. Ta thấy về mặt năng lượng, quá trình kết tinh kim loại lỏng sẽ xảy ra
khi tồn tại độ quá nguội ΔT > 0.
10
Cấu tạo nguyên tử
Vật chất nói chung, kim loại nói riêng
Electron
do các nguyên tử tạo thành. Mỗi nguyên tử
là một hệ thống phức tạp bao gồm: hạt nhân
mang điện dương ở giữa gồm proton và
nơtron là khối lượng chủ yếu của nguyên tử
(vì gấp 1840 lần so với điện tử), và các điện
tử mang điện tích âm quay quanh hạt nhân
với tốc độ rất lớn theo quỹ đạo hình elíp.
Proton
&
Notron
Hình 1.3. Cấu tạo nguyên tử của kim loại
Quá trình chuyển động các điện tử có khả năng phản xạ ánh sáng trong đó có
những áng sáng có bước sóng mà con người nhìn thấy được.
Số lượng điện tử của mỗi nguyên tử bằng số proton ở hạt nhân đó. Các điện tử
này sắp xếp từ trong ra ngoài phụ thuộc vào mỗi chất. Các điện tử ở lớp ngoài cùng có
ảnh hưởng lớn đến tính chất của mỗi chất (0-8 điện tử), nếu có 1-2 điện tử thì dễ
nhường điện tử để cho nguyên tử thành ion dương hay điện tử tự do. Đó chính là sự
khác nhau chủ yếu giữa kim loại và chất phi kim loại. Các điện tử tự do này là nguyên
nhân tạo nên tính chất dẫn điện và dẫn nhiệt cũng như tính dẻo dai của kim loại.
Tuy nhiên, với mô hình đó sẽ gặp khó khăn khi giải quyết một số vấn đề nảy
sinh, đặc biệt là việc xác định chính xác quỹ đạo của điện tử. Để giải quyết các vấn đề
trên, ta áp dụng cơ học sóng để nghiên cứu cấu tạo nguyên tử. Nội dung chính của cơ
học sóng là hệ thức bất định Heisenberg:
x . p h
(1.4)
h
x . v
m
Trong đó:
x: độ bất định trong phép đo tọa độ vi hạt
p: độ bất định trong phép đo xung lượng vi hạt
v: độ bất định trong phép đo vận tốc vi hạt
Áp dụng nguyên lý cho điện tử trong nguyên tử, chúng ta thấy, nếu muốn xác
định vị trí của điện tử thì x 10-4 m (là cỡ kích thước nguyên tử) khi đó v sẽ là
106 m/s tức là lớn hơn tốc độ chuyển động của điện tử trong nguyên tử theo mô hình
cổ điển. Vì vậy, không thể có khái niệm quỹ đạo của điện tử mà chỉ có thể nói đến xác
suất tồn tại nó trong một thể tích nào đó.
Theo quan điểm của cơ học lượng tử, sau khi giải phương trình sóng Schrodinger
với các mô hình nguyên tử cụ thể, đã giải quyết được vấn đề cấu tạo lớp vỏ điện tử
của nguyên tử. Với một nguyên tử cụ thể, theo mô hình, với số điện tử z xác định, có
cấu tạo lớp vỏ điện tử được thể hiện qua bốn số lượng tử là:
Số lượng tử chính n = 1, 2, 3, ... xác định mức năng lượng của lớp vỏ điện tử. Ví
dụ: n = 1 là lớp K, n = 2 là lớp L, n = 3 là lớp M và n = 4 là lớp N.
Số lượng tử phương vị l = 0, 1, 2, ... , n-1 xác định số phân lớp trong cùng một
mức năng lượng. Ví dụ: l = 0, 1, 2, 3 tương ứng với các phân lớp s, p, d , f.
11
Số lượng tử từ m = 0, 1, 2, ... l xác định khả năng định hướng của mô men
xung lượng quỹ đạo theo từ trường bên ngoài.
Số lượng tử Spin S = 1/2 xác định khả năng định hướng ngược chiều nhau của
véc tơ mô men xung lượng. Ngoài ra, việc phân bố các điện tử với một trạng thái (n, l,
m) xác định phải tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli là chỉ có thể có hai điện tử với
Spin ngược nhau. Dựa vào nguyên lý này có thể dự đoán được số điện tử cho phép
trên các mức năng lượng (lớp và phân lớp), qua đó viết được cấu hình lớp vỏ điện tử
của nguyên tử theo số thứ tự z của chúng trong hệ thống tuần hoàn Meldeleev (cũng
là số điện tử của nguyên tử đó trong mô hình lý tưởng).
Ví dụ: Cu có z = 29 ta có cấu tạo lớp vỏ điện tử là:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1
N
K
L
M
Ở đây điện tử vẫn có thể chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng
khác (thuộc lớp hoặc phân lớp). Khi đó chúng sẽ phát ra hoặc thu vào một năng lượng
dưới dạng lượng tử ánh sáng.
Cấu tạo tinh thể của kim loại
Các vật rắn trong tự nhiên hiện nay được phân thành hai nhóm là vật rắn tinh thể
và vật vô định hình. Việc phân loại này để tạo sự thuận lợi cho quá trình mô hình hoá
khi nghiên cứu vật liệu. Các vật liệu kim loại, là loại vật liệu kết cấu cơ bản hiện nay,
chủ yếu là các vật có cấu tạo tinh thể. Do đó, để nghiên cứu về cấu tạo của chúng,
trước hết, chúng ta cần tìm hiểu về khái niệm vật tinh thể và vật vô định hình.
Theo quan điểm của vật lý chất rắn, các vật rắn được gọi là vật tinh thể khi
chúng đồng thoả mãn các điều kiện sau: Là những vật luôn tồn tại với một hình dáng
xác định trong không gian, hình dáng bên ngoài của chúng thể hiện một phần các tính
chất bên trong.Vật tinh thể luôn luôn tồn tại một nhiệt độ nóng chảy (hoặc kết tinh)
xác định. Có nghĩa là khi nung nóng vật tinh thể luôn có một nhiệt độ chuyển biến từ
trạng thái rắn sang trạng thái lỏng xác định. Điều này cũng đúng khi làm nguội vật
tinh thể từ thể lỏng. Vật tinh thể khi bị đập gãy (phá huỷ), sẽ bị gãy theo các mặt xác
định và bề mặt vết gãy không nhẵn bóng. Tính chất này thể hiện rõ rệt sự khác biệt về
tính chất của vật tinh thể với vật vô định hình. Vật tinh thể luôn có tính dị hướng, có
nghĩa là tính chất của nó (cơ, lý, hoá tính) theo các phương khác nhau luôn có sự khác
biệt. Điều này thể hiện rõ sự xắp xếp các nguyên tử trong vật tinh thể là tuân theo một
quy luật xác định.
Ngược lại với vật tinh thể là các vật vô định hình. Vật vô định hình là những vật
không tồn tại một hình dạng xác định trong không gian (có hình dáng là của vật chứa
nó). Không có nhiệt độ nóng chảy hoặc kết tinh xác định, không thể hiện tính dị
hướng ... Một số vật vô định hình tiêu biểu như nhựa đường, parafin, thuỷ tinh
Theo tiêu chuẩn của vật lý chất rắn thì kim loại là những vật liệu có cấu tạo tinh
thể. Cấu trúc của kim loại là mạng tinh thể.Mạng tinh thể là mô hình không gian,
dùng để nghiên cứu quy luật xắp xếp của nguyên tử (hoặc ion, phân tử) trong vật tinh
thể. Từ mô hình này cho phép chúng ta xác định được các đặc trưng cơ bản, định
hướng được tính chất của các vật liệu sử dụng.
12
Trên hình 1.4. giới thiệu mô hình một mạng tinh thể lí tưởng của một kim loại
mạng tinh thể gồm nhiều mặt tinh thể hợp thành, mặt tinh thể (Mtt) là những mặt
phẳng đi qua ít nhất ba điểm; Nhiều ô mạng hợp thành mạng tinh thể.
Phương pháp xây dựng mạng tinh thể:
Để xây dựng mô hình mạng tinh thể trước hết ta chọn một nguyên tử (ion, phân
tử) bất kỳ (từ đây gọi là chất điểm) làm gốc. Từ chất điểm gốc, ta kẻ ba trục toạ độ
qua ba chất điểm gần nhất (không cùng một mặt phẳng) làm ba trục toạ độ. Như vậy,
trên mỗi trục toạ độ của hệ trục toạ độ Decarte thu được sẽ có hàng loạt các chất điểm
cách đều nhau. Qua các chất điểm đó ta dựng các đường thẳng song song với các trục
tọa độ. Các đường thẳng đó cắt nhau tạo thành mô hình mạng tinh thể (hình 1.4).
z
y
b
c
O
x
a
Hình 1.4. Mô hình mạng tinh thể
Với mô hình mạng tinh thể như vậy, chúng ta thấy để xác định một vị trí bất kỳ
trong mạng tinh thể, ta có véc tơ định vị là:
(1.5)
rn m.a n.b j.c
Trong đó:
a
: Véc tơ đơn vị theo trục Ox, có trị số bằng khoảng cách giữa hai chất điểm
gần nhất theo trục Ox
b
c
: Véc tơ đơn vị theo trục Oy
: Véc tơ đơn vị theo trục Oz
m, n, j: Chỉ số theo ba trục toạ độ Ox, Oy, Oz.
Như vậy, một mô hình mạng tinh thể sẽ được xác định khi chúng ta có bộ sáu
a
b c
thông số là ba véc tơ đơn vị , , và ba góc (zOx, yOx), (zOy, yOx), (zOy,
zOx). Từ cách xây dựng như trên, chúng ta thấy mạng tinh thể có các đặc tính cơ bản
sau: Mạng tinh thể là vô tận, không tồn tại khái niệm kích thước mạng mà chỉ có giá
trị xác định là các véc tơ đơn vị và các góc định vị (do số lượng nguyên tử trong vật
rắn là vô tận). Khi dịch chuyển mạng tinh thể đi một khoảng cách bằng khoảng cách
13
giữa hai chất điểm theo phương nối hai chất điểm đó, mạng tự trùng lặp với chính
mình. Khoảng cách đó gọi là chu kỳ lặp của mạng. Nếu khoảng cách đó được đo theo
các trục toạ độ thì được gọi là chu kỳ mạng hay thông số mạng. Mạng tinh thể là mô
hình không gian, tồn tại nhiều yếu tố đối xứng khác nhau. Tuỳ thuộc vào bộ các thông số
a
b c
xác định mạng tinh thể ( , , , , , ) chúng ta có các kiểu mạng khác nhau và do
đó, có các quy luật xắp xếp chất điểm khác nhau.
Mạng tinh thể lý tưởng là mạng mà đáp ứng hoàn hảo các quy luật xắp xếp của
chất điểm tại các vị trí, xác suất bắt gặp chất điểm bằng một, các chất điểm hoàn toàn
giống nhau về kích thước và bản chất.
Đơn vị đo mạng tinh thể
Người ta dùng thông số mạng để
đo mạng tinh thể của kim loại. Thông số
mạng là khoảng cách liền kề của hai
nguyên tử, được kí hiệu A0 (Ăng tron),
1A0 = 10-8cm.
Ví dụ : thông số mạng của mạng
a
kim loại là : a = 1,2A0 = 1,2 . 10-8cm
Hình 1.5. Ô cơ bản của mạnh tinh thể
Các ô mạng thường gặp
Khi nghiên cứu về ô cơ bản của các loại kim loại đã tìm thấy, kim loại học vật lý
đã chỉ ra được 14 kiểu mạng. Điều đó cho thấy, có thể có nhiều kim loại khác nhau sẽ
giống nhau về kiểu mạng, chỉ khác nhau về thông số mạng mà thôi.
Trong kỹ thuật, chúng ta sử dụng nhiều kim loại và hợp kim. Tuy nhiên, các ô
mạng cơ bản thường gặp là:
Mạng lập phương thể tâm (A2)
Trên hình 1.6 trình bày ô mạng lập phươơng thể tâm. Xét ô cơ bản của mạng là
một khối lập phương, các nguyên tử bố trí ở 8 đỉnh và tâm của khối. Số nguyên tử
trong một ô cơ bản (số nguyên tử thuộc khối nV): nnt
1
nnt = nV = 8. 12 (n. tử)
(1.6)
8
Cách sắp xếp của nguyên tử: coi các nguyên tử là các hình cầu rắn tuyệt đối và
các nguyên tử được xếp xít nhau theo đường chéo của khối (hình 1.6)
14
a 2
a
Hình 1.6. Mạng lập phương thể tâm và mặt xếp sít của nguyên tử
Kiểu ô mạng này phổ biến nhiều ở kim loại Fe ở nhiệt độ thường và trong
khoảng nhiệt độ 13920Cđến 15320C, crôm, volfram, molipđen, vanađi…vv.
Mạng lập phương diện tâm (A1)
Trên hình 1.7 trình bày ô mạng lập phương diện tâm. Xét ô cơ bản của mạng là
một khối lập phương, các nguyên tử bố trí ở 8 đỉnh và tâm của 6 mặt bên.
a
a
Hình 1.7. Mạng lập phương diện tâm và mặt xếp sít của nguyên tử
- Số nguyên tử trong một ô cơ bản (số nguyên tử thuộc khối nV): nnt
1
1
(1.7)
8. 6. 4
nnt = nV =
(nguyên tử)
8
2
Cách sắp xếp của nguyên tử: các nguyên tử được xếp sít nhau theo đường chéo
mặt bên của khối (hình 1.7).
Kiểu ô mạng này phổ biến nhiều ở kim loại màu: đồng, nhôm, sắt γ, niken,
coban β, chì, bạc, vàng…vv…..
Lục giác xꢀp chặt (A3):
Trên hình 1.8 trình bày ô mạng lục giác xếp chặt. Xét ô cơ bản của mạng là một
khối hình lục lăng ,các nguyên tử nằm ở góc hình lục lăng, hai nguyên tử nằm ở trung
tâm hai đáy và ba nguyên tử nằm ở trung tâm ba khối lăng trụ tam giác (nằm giữa
15
đường nối trực tân các tam giác) . Kim loại có mạng này là kẽm, coban, magie…vv,
c
1,663
và có độ chính phương
.
a
a
a
Hình 1.8. Mạng lục giác xếp chặt và mặt sít chặt của nguyên tử
Số nguyên tử trong một ô cơ bản (số nguyên tử thuộc khối nV): nnt
1
1
(1.8)
12. 2. 3 6
nnt = nV =
(nguyên tử)
6
2
- Cách sắp xếp của nguyên tử: các nguyên tử được xếp xít nhau theo mặt đáy
và theo chiều cao của khối (hình 1.8).
Mạng chính phương thể tâm
Hình 1.9 trình bày khối cơ bản của mạng chính phương thể tâm, nó giống với
khối cơ bản của mạng lập phương thể tâm nhưng kéo dài ra theo một chiều cạnh của
khối.Tỷ số c/a > 1,001-1,06. Thép sau tôi có mạng tinh thể kiểu này.
a
a
Hình 1.9. Mạng chính phương thể tâm và mặt xếp sít của nguyên tử
Tính thꢁ hình của kim loại
Một đặc tính đặc trưng gặp ở một số kim koại là tính thù hình. Tính thù hình là
sự thay đổi kiểu mạng tinh thể của kim loại theo nhiệt độ. Đây là một đặc điểm rất
quan trọng, nhờ đó mà người ta có thể gia công kim loại và hợp kim của nó một cách
16
dễ dàng để tạo ra các chi tiết máy hoạt động với hiệu suất cao. Mỗi kim loại có tình
thù hình riêng, Fe, Sn, Ti, Co… có thù hình. Al, Cu không có thù hình.
Ví dụ: Fe Sắt Fe có ba thù hình (Hình 1.10).: α, β, γ.
Thông số mạng: aα = 2,9A0. aβ = 2,92A0. aγ = 3,6A0.
0C
Trạng thái lỏng
15390C
Fe(δ)
13920C
Fe(γ)
9100C
Không có từ tính
7680C
Có từ tính
Fe(α)
Hình 1.10. Chuyển biến thù hình của Fe
Khi nhiệt độ < 9100C: tồn tại Fe() có mạng (A2).
Khi nhiệt độ từ (910 1392)0C: tồn tại Fe() (A1).
Khi nhiệt độ từ (1392 1539)0C: tồn tại Fe() (A2)
0
0
910 C
1392 C
Fe() Fe() Fe()
(1.9)
Sự chuyển biến kiểu mạng theo nhiệt độ được gọi là chuyển biến thù hình.
1.2. Khái niệm về hợp kim
Trong thực tế, kim loại nguyên chất chỉ được sử dụng trong các phòng thí
nghiệm để phục vụ cho mục đích nghiên cứu, tạo ra các hợp kim, mặt khác, cơ tính
của chúng thấp, không đáp ứng được yêu cầu làm việc của các chi tiết máy. Hợp kim
của kim loại mới được sử dụng nhiều trong việc chế tạo ra chi tiết máy, vì nó có
những đặc tính ưu việt.
Hợp kim khác hợp chất là : có nguyên tố chủ yếu thường là kim loại, nguyên tố
chiếm tỷ lệ nhỏ có thể là kim loại, cũng có thể là á kim, còn trong hợp hợp chất tỉ lệ
nguyên tố tham gia trong hợp chất là cố định. Ví dụ, một phân tử nước thì phải có 2
nguyên tử Hydro và 1 nguyên tử Ôxy hợp thành.
17
Hợp kim khác với các nguyên tố tạo thành là : có tính trội hơn về cơ tính và
tính công nghệ. Ví dụ : Hợp kim Fe–C gồm hai nguyên tố là sắt và cacbon, khi tồn tại
chúng có cơ tính thấp, tính công nghệ không cao. Khi kết hợp với nhau tạo thành hợp
kim Fe–C thì chúng có cơ tính cao và tính công nghệ tốt (tùy vào % của Cácbon.
1.2.1. Định nghĩa hợp kim
thu được có tính chất trội hẳn với kim loại tạo lên nó.
1.2.2. Cấu tạo của hợp kim
Hợp kim được tạo thành bởi nhiều pha phức tạp. chúng ta chỉ đi sâu nghiên cứu
các pha cơ bản là : dung dịch rắn, pha trung gian, hỗn hợp cơ học.
Dung dịch rắn là một dạng cấu trúc của hợp kim, được tạo bởi hai nguyên, trong đó
một nguyên là kim loại bảo tồn được kiểu mạng khi tạo thành hợp kim gọi là chất dung
môi, nguyên thứ hai hòa tan vào trong kiểu mạng đó gọi là chất tan.
Dựa vào kiểu hòa tan của chất tan trong
mạng dung môi, nghĩa là kiểu sắp xếp
của nguyên tử chất tan trong mạng tinh
. Nguyên tử chất tan B
Nguyên tử dung môi A
thể dung môi thì dung dịch rắn được
phân thành hai dạng: dung dịch rắn thay
thế và dung dịch rắn xen kẽ Dung dịch
rắn thay thế:
Dung dịch rắn thay thế là loại
dung dịch rắn mà các nguyên tử chất tan
(B) đi vào vị trí các lỗ hổng trong mạng
tinh thể dung môi (A) (hình 1.11).
Hình 1.11. Mô hình dung dịch rắn thay thế
Trong hợp kim, dung dịch rắn thay thế thì kiểu mạng của chất dung môi A được bảo
toàn, còn thông số mạng có thể thay đổi, nhưng tạo ra các sai lệch điểm trong mạng
tinh thể và tao nên ứng
suất dư trong mạng. Dấu của ứng suất dư phụ thuộc vào đường kính nguyên tử chất
tan..
Điều kiện tạo dung dịch rắn thay thế: Dung dịch rắn được tạo ra trong hợp kim
cần phải có điều kiện nhất định về kích thước . Điều kiện kích thước:
d
.100% 15%
,
(1.10)
d
Với:
d = dA - dB;
(1.11)
dA dB
d
2
Trong đó:
dA: đường kính nguyên tử của chất dung môi
dB: đường kính nguyên tử của chất chất tan
18
Nếu sai khác đường kính nguyên tử càng nhỏ thì càng dễ tạo dung dịch rắn thay
Trong dung dịch rắn thay thế, ở điều kiện khác nhau sẽ có được hai dạng: dung
thế..
dịch rắn thay thế hòa tan vô hạn và dung dịch rắn thay thế hòa tan hữu hạn. Ở điều
kiện chất dung môi và chất hòa tan có cùng kiểu mạng thì khả năng tạo ra dung dịch
rắn thay thế hòa tan vô hạn là dễ xảy ra. Ví dụ một số hệ hòa tan vô hạn: Au - Cu,
Fe() - Cr, Fe() - Ni, Au - Ni .
Ngoài ra, trong trường hợp này các nguyên tử chất tan được sắp xếp theo một
quy luật xác định sẽ tồn tai dung dịch rắn thay thế có trật tự.
- Điều kiện tạo dung dịch rắn có trật tự:
1
EB (EA EB )
(1.12)
2
Trong đó:
EA: Năng lượng biên của miền Brillouin trong chất tan
EB: Năng lượng biên của miền Brillouin trong dung môi.
Dung dịch rắn xen kẽ
Dung dịch rắn xen kẽ là loại dung dịch rắn mà các nguyên tử chất tan đi vào vị
trí các lỗ hổng trong mạng tinh thể của chất dung môi (hình 1.12).
Nguyên tử chất tan B
Nguyên tử dung môi A
Hình 1.12. Dung dịch rắn xen kẽ
Đặc điểm của dung dịch rắn xen kẽ: Trong dung dich rắn xen kẽ, kiểu mạng của
chất dung môi được giữ nguyên, tồn tại các sai lệch điểm tại nút xen kẽ, tạo ra trường
ứng suất lớn hơn do kích thước lỗ hổng nhỏ hơn nhiều so với đường kính nguyên tử;
không thể xảy ra dạng dung dịch rắn hòa tan vô hạn. Dung dịch rắn xen kẽ có độ bền
và độ cứng cao hơn so với dung dịch rắn thay thế do mức độ xô lệch mạng lớn hơn.
Dung dịch rắn xen kẽ chỉ có loại hòa tan có hạn, dB càng lớn thì mức độ hòa tan càng
giảm.Điều kiện tạo dung dịch rắn xen kẽ:
dB
0,59
Điều kiện kích thước:
(1.13)
dA
Nếu sai khác nguyên tử càng lớn thì càng dễ tạo ra dung dịch rắn xen kẽ. Điều
kiện năng lượng là hệ số khuếch tán của chất tan đủ lớn.
Dung dịch rắn mang tính kim loại rõ rệt do giữ nguyên kiểu mạng kim loại, tỷ lệ
% của nguyên tố kim loại là chủ yếu (tính dẻo của dung dịch rắn là đảm bảo).
19
Dung dịch rắn thay thế: mức độ ảnh hưởng của chất tan nhỏ hơn do đó dung dịch
rắn thay thế có tính dẻo và các tính chất gần với kim loại dung môi (độ bền, độ cứng
tăng nhưng không đáng kể). Vì vậy, ít sử dụng với mục tiêu hóa bền mà chủ yếu là
tiết kiệm kim loại đắt tiền bằng cách thay bởi kim loại rẻ tiền.
Dung dịch rắn xen kẽ: mức độ ảnh hưởng lớn hơn, khi nồng độ hòa tan tăng lên,
ứng suất dư tăng làm tăng độ bền và độ cứng của vật liệu, nhưng giảm độ dẻo và độ
dai. Vì vậy, có thể sử dụng với mục tiêu hóa bền, đặc biệt là tạo trạng thái quá bão
hòa chất tan.
Các pha trung gian là dạng cấu trúc hợp kim tạo bởi các cấu tử có kiểu mạng riêng
biệt của mình, không phụ thuộc vào kiểu mạng của các nguyên tạo ra nó. Các pha trung
gian có rất nhiều loại khác nhau phụ thuộc vào kích thước nguyên tử tương đối giữa
các nguyên, hóa trị của các nguyên và vị trí của các nguyên trong bảng hệ thống tuần
hoàn là pha được tạo thành trên cơ sở các nguyên tố có tính chất hóa học khác nhau
theo liên kết hóa trị (Fe2O3, FeO, Al2O3, SiO2...) theo một tỉ lệ xác định (theo nguyên
tắc đồng hoá trị). Hợp chất hoá học trong hệ có tính ổn định cao hoặc có nhiều dạng
hợp chất hoá học khác nhau. Ví dụ: Nguyên tố Fe và C tạo lên hợp chất Fe3C rất ổn
định, nhưng nguyên tố Cu với Zn có thể cho ta nhiều hợp chất như: CuZn; CuZn3;
Cu3Zn13..
Hỗn hợp cơ học là các tổ chức của hợp kim có những nguyên tố không hoà tan và
cũng không liên kết tạo thành hợp chất hoá học mà chỉ liên kết với nhau bằng lực cơ
học thuần tuý, thì gọi hợp kim đó là hỗn hợp cơ học. Như vậy, hỗn hợp cơ học không
làm thay đổi mạng nguyên tử của các nguyên tố thành phần và tồn tại cạnh nhau bởi
lực cơ học và phân cách bằng bề mặt phân pha..
Trong hợp kim, tồn tại hai loại hỗn hơp cơ học là hỗn hợp cơ học cùng tinh và
hỗn hợp cơ học cùng tích.
Hỗn hợp cơ học cùng tinh: là dạng hỗn hợp cơ học cùng một lúc kết tinh ra hai
pha từ thể lỏng.
L [A + B]
T = 2 - 3 + 1 = 0 (T là bậc tự do của hệ)
(1.14)
Phản ứng cùng tinh xảy ra ở nhiệt độ và thành phần xác định. Đặc điểm của
hỗn hợp cơ học cùng tinh là có nhiệt độ nóng chảy thấp nên có tính đúc tốt, nhưng lại
có tính giòn cao dẫn đến khó gia công áp lực. Hỗn hợp cơ học cùng tích: là dạng hỗn
hợp cơ học tiết ra cùng một lúc ở thể rắn.
RA [RB + RC]
T = 0
(1.15)
Phản ứng cùng tích xảy ra ở nhiệt độ và thành phần xác định. Đặc điểm của hỗn
hợp cùng tích là có độ bền và độ cứng cao thích hợp với việc sản xuất các sản phẩm
yêu cầu cơ tính tốt. Tuy nhiên, do độ cứng cao dẫn đến khó gia công áp lực.
1.2.3. Đặc tính của hợp kim
Hợp kim dễ sản xuất hơn so với kim loại nguyên chất : quá trình tạo ra kim loại
nguyên chất là quá trình lâu dài và phức tạp vì kim loại nguyên chất không tồn tại
trong tự nhiên mà nó tồn tại dưới dạng quặng. Muốn tách chúng ra khỏi quặng ta phải
20
Tải về để xem bản đầy đủ
70 trang
26/03/2022
7000
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Vật liệu cơ khí - Nghề: Sửa chữa máy tàu thủy", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_vat_lieu_co_khi_nghe_sua_chua_may_tau_thuy.pdf
