Tài liệu Bài báo cáo - vật liệu và cơ tính của vật liệu

CƠ KHÍ ỨNG DỤNG Mã học phần: CH3456 Khối lượng 3(3-1-0-6) TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Bộ môn Máy và Thiết bị Công nghiệp Hóa chất CHƯƠNG 1 VẬT LIỆU VÀ CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU 1.1. Các khái niệm cơ bản về vật liệu chế tạo 1.1.1. Phân loại vật liệu 1.1.2. Cấu trúc của vật liệu 1.1.3. Các tính chất của vật liệu 1.2. Hợp kim đen 1.2.1 Gang 1.2.2 Thép carbon và thép hợp kim thấp 1.2.3 Thép hợp kim cao 1.2.4 Kỹ thuật nhiệt luyện thép 1.2.5 Kỹ thuật hoá nhiệt luyện 1.3. Kim loại màu và hợp kim 1.4. Vật liệu phi kim 1.5. Vật liệu Composite 1 1.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VẬT LIỆU CHẾ TẠO 1.1.1. Phân loại vật liệu Polyme 2 1.1.2. Cấu trúc của vật liệu kim loại a) Cấu tạo và sự kết tinh của kim loại nguyên chất Khác với hầu hết các vật liệu phi kim có cấu trúc vô định hình, kim loại và hợp kim có cấu tạo tinh thể. Trong một đơn tinh thể, các nguyên tử kim loại phân bố theo một qui luật nhất định. - Các nguyên tử kim loại phân bố theo một quy luật nhất định - Nhiều mạng tinh thể sắp xếp thành mạng không gian - Mỗi nút mạng được coi là tâm của các nguyên tử 3 Lập phương đơn giản Lập phương thể tâm Lập phương diện tâm Lục phương Hình thoi 4 Sự kết tinh của kim loại Mỗi kim loại nguyên chất có một đường nguội riêng 5 Sự kết tinh của kim loại Sự kết tinh của kim loại 6 Sự kết tinh của kim loại Sự thay đổi mạng tinh thể trong quá trình kết tinh Dạng ô cơ bản hoặc thông số mạng có thể biến đổi tuỳ theo điều kiện bên ngoài. Ví dụ đối với sắt Fe, trong quá trình làm nguội, mạng tinh thể có thể biến đổi theo nhiều dạng thù hình khác nhau. Đường biến đổi mạng tinh thể của sắt 7 b) Cấu tạo của hợp kim Để phân biệt các hợp kim, cần sử dụng các khái niệm sau: PHA là những phần tử của hợp kim có thành phần đồng nhất ở cùng một trạng thái và ngăn cách với các pha khác bằng bề mặt phân chia (nếu ở trạng thái rắn thì phải có sự động nhất về cùng một kiểu mạng và thông số mạng) Một tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng là hệ hợp kim NGUYÊN là một vật chất độc lập có thành phần không đổi, tạo nên các pha của hệ. Trong một số trường hợp nguyên cũng là các nguyên tố hoá học hoặc là hợp chất hoá học có tính ổn định cao. CÁC TỔ CHỨC HỢP KIM - Hợp kim có nhiều NGUYÊN có thể hình thành từ nhiều tổ chức khác nhau như: dung dịch đặc, hợp chất hoá học và hỗn hợp cơ học. Dung dịch đặc Hai hoặc nhiều nguyên tố có khả năng hoà tan vào nhau ở trạng thái đặc gọi là dung dịch đặc. Có hai loại dung dịch đặc: Dung dịch đặc thay thế Dung dịch xen kẽ - Thay thế các nguyên tử ở nút mạng. - Có thể hoà tan vô hạn - Xen kẽ vào các các lỗ trống giữa các nút mạng. - Hoà tan có hạn 8 Hợp chất hoá học Pha được tạo nên do sự liên kết giữa các nguyên tố khác nhau theo một tỷ lệ xác định gọi là hợp chất hoá học Ví dụ: Hợp chất hoá học Fe3C rất ổn định Hỗn hợp cơ học Những nguyên tố không hoà tan vào nhau cũng không liên kết để tạo thành hợp chất hoá học mà chỉ liên kết với nhau bằng lực cơ học thuần tuý, thì gọi hệ hợp kim đó là hỗn hợp cơ học. Hỗn hợp cơ học không làm thay đổi mạng nguyên tử của các nguyên tố thành phần. 9 Các dạng giản đồ hợp kim hai nguyên 10 1.1.3 Các tính chất của vật liệu xúc tác 1.1.3.1. Một số lý tính quan trọng của vật liệu 11 1.1.3.2. Một số cơ tính quan trọng của vật liệu a. Độ bền Độ bền  là khả năng của vật liệu chịu tác dụng của ngoại lực mà không bị phá huỷ. Tuỳ theo dạng khác nhau của ngoại lực mà ta có các loại độ bền sau: độ bền kéo ( k); độ bền uốn(u); độ bền nén (n) v.v... Ngoại lực P(N) tác dụng trên một thanh kim loại có diện tích tiết diện ngang F0(mm2). Khi P đạt đến một giá trị nào đó làm thanh kim loại bị đứt sẽ ứng với độ bền kéo của vật liệu đó: k   P N / mm 2 F0  Tương tự ta cũng đo được độ bền uốn và độ bền nén.   B T K C B B A  0  0 (a) Vật liệu dẻo (b) Vật liệu ròn * Độ bền của vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc 12 b. Độ cứng Độ cứng là khả năng của vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại lực tác dụng thông qua vật nén. Nếu cùng một giá trị lực nén, lõm biến dạng trên vật đo càng lớn, càng sâu thì độ cứng của mẫu đô càng thấp. Brinell – HB, Rockwell – HR, Vickers - HV Độ cứng Brinell HB - Để đo độ cứng Brinell ta dùng tải trọng P để ấn lên viên bi bằng thép đã nhiệt luyện có đường kính D lên bề mặt vật liệu muốn thử. - Tuỳ theo chiều dày của mẫu thử mà chọn đường kính viên bi D = 10mm, D=5mm hoặc D = 0,25mm, đồng thời tuỳ theo tính chất của vật liệu mà chọn tải trọng P cho thích hợp: + Đối với thép và gang P = 30D2. (Ví dụ viên bi có D = 10mm thì P = 30.102=3000KG). + Đối với đồng và kim loại đồng P = 10D2. + Đối với nhôm, babit và các hợp kim mềm khác P = 2,5D2. Độ cứng Brinell được tính theo công thức [kG/mm2] HB  trong đó P F F D 2 2  D 2 D2  d 2 F là diện tích mặt cầu của vết lõm (mm2) D là đường kính viên bi (mm); d là đường kính của vết lõm (mm). 13 Độ cứng Rockwell - Độ cứng Rockwell được xác định bằng cách dùng tải trọng P ấn lên viên bi bằng thép đã nhiệt luyện có đường kính 1/16” tức là 1,587mm (thang B) hoặc mũi côn bằng kim cương có góc ở đỉnh 1200 (thang C hoặc A) lên bề mặt vật liệu thử. Trong khi thử trị số độ cứng được chỉ trực tiếp ngay bằng kim đồng hồ. - Viên bi thép dùng để thử những vật liệu ít cứng còn mũi côn kim cương dùng để thử các vật liệu có độ cứng cao như thép đã nhiệt luyện. Tải trọng thử được tác dụng hai lần: tải trọng sơ bộ P0=10KG, sau đó đến tải trọng chính P. Đối với viên bi thép thì P=100KG (thang B trên đồng hồ, màu đỏ); còn đối với mũi côn kim cương thì P=60KG (xem thang A trên đồng hồ, màu đen). 14 1.1.3.3. Một số tính chất công nghệ quan trọng  Tính đúc được đặc trưng bởi độ chảy loãng, độ co ngót và tính thiên tích. Độ chảy loãng là khả năng điền đầy khuôn của kim loại và hợp kim. Nếu độ chảy loãng càng cao thì tính đúc càng tốt. Độ co ngót càng lớn thì tính đúc càng kém. Tính thiên tích là sự không đồng nhất về thành phần hoá học của kim loại trong các phần khác nhau của vật đúc. Thiên tích càng lớn thì chất lượng vật đúc càng kém.  Tính rèn là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi chịu tác dụng của ngoại lực để tạo thành hình dạng của chi tiết mà không bị phá huỷ. Thép có tính rèn cao khi nung nóng ở nhiệt độ phù hợp vì khi đó tính dẻo lớn. Gang không có khả năng rèn vì gang giòn. Đồng, chì có tính rèn tốt ngay cả ở trạng thái nguội.  Tính hàn là khả năng tạo sự liên kết giữa các chi tiết hàn khi được nung nóng cục bộ chỗ mối hàn đến trạng thái chảy hay dẻo. 1.2. HỢP KIM ĐEN 15 Xementit là hợp kim Fe-C 6,67% Cứng, giòn, chịu mài mòn, tính công nghệ kém Xementit là hợp kim Fe-C 6,67% Cứng, giòn, chịu mài mòn, tính công nghệ kém Xementit là hợp kim Fe-C 6,67% Cứng, giòn, chịu mài mòn, tính công nghệ kém 16 Ostenit γ : Dung dịch đặc xen kẽ của C trong Fe γ Tại 727oC : 0,8%C Tại 1147oC : 2,14%C - Pha dẻo, dai, dễ biến dạng. Chỉ tồn tại trên 727oC - Chỉ có ý nghĩa khi gia công rèn dập ở nhiệt độ cao Ferit α : Dung dịch đặc xen kẽ của C trong Fe α Tại 727oC hoà tan 0,02%C Nhiệt độ hoà tan giảm tạo ra Fe nguyên chất - Dẻo, Mềm và Độ bền thấp 17 Peclit: (Tổ chức hai pha) Hỗn hợp cơ học: F + XeII cùng kết tinh ở thể rắn (Cùng tích Peclit) Peclit: (Tổ chức hai pha) Hỗn hợp cơ học: F + XeII cùng kết tinh ở thể rắn (Cùng tích Peclit) Cùng tinh Lêđêbuarit (Le) . Hỗn hợp cơ học: γ + Xe I . (1147oC, 4,43%C): γ và Xe cùng kết tinh từ pha lỏng - Độ cứng cao, giòn , (do Xe cao) 18 1.2.1. GANG • Gang là hợp kim của sắt và cacbon, với hàm lượng cacbon lớn hơn 2,14% và cao nhất là 6,67%. Cũng như thép trong gang chứa các tạp chất Si, Mn, S, P và các nguyên tố khác. Trong gang chỉ có 0,8~0,9 % ở dạng liên kết Fe3C còn lại ở dạng graphite tự do • Do có hàm lượng cacbon cao nên đặc tính của gang là cứng và giòn, có nhiệt độ nóng chảy thấp, dễ đúc. Theo tổ chức và cấu tạo của gang người ta chia ra: - Gang trắng - Gang cầu - Gang hợp kim - Gang xám - Gang dẻo Gang trắng - Là loại gang mà hầu hết cacbon ở dạng liên kết Fe3C. Tổ chức xêmentit có nhiều trong gang làm mặt gãy của nó có màu sáng trắng nên gọi là gang trắng. - Gang trắng rất cứng và giòn, tính cắt gọt kém, nên chỉ dùng để chế tạo gang rèn hoặc chế tạo các chi tiết cần tính chống mài mòn cao như bi nghiền, trục cán. - Gang trắng chỉ hình thành khi có hàm lượng C, Mn... thích hợp và với điều kiện nguội nhanh. - Gang trắng không có ký hiệu riêng. 19 Gang xám - Là loại gang mà hầu hết cacbon ở dạng graphít. Nhờ có graphít nên mặt gẫy có mầu xám. Gang xám có độ bền nén cao, chịu mài mòn, đặc biệt là có tính đúc tốt. Gang xám -Gang xám gồm 3~3,6% C. Nhiệt độ nóng chảy khoảng 1250~1280°C, hệ số dẫn nhiệt =25,5~32,5 W/m2,  = 7000~7200kg/m3, nhiệt dung riêng c = 543,4 J/Kg K, E = 1,15~1,6.105 và =0,23~0,27. - Ký hiệu của gang xám: + Theo tiêu chuẩn Liên Xô: Cч21-40 + Theo TCVN: GX21-40 - Các chữ cái chỉ loại gang xám, các nhóm số chỉ độ bền. Trong các ký hiệu trên thì kéo=21KG/mm2, uốn=40KG/mm2. 20