Giáo trình Vật liệu kỹ thuật

LỜI MỞ ĐẦU Trong lịch sử phát triển của xã hội loài người chúng ta đã sử dụng rất nhiều loại vật liệu khác nhau, với tính năng sử dụng của chúng c àng ngày càng cao hơn. Đầu tiên là thời kỳ đồ đá, sau đó tiến đến thời đại đồ đồng, đồ sắt.v .v. Cho đến ng ày nay là một loạt các loại vật liệu mới như: composit, ceramit, pôlyme. v.v. Các lo ại vật liệu này (đặc biệt là kim loại & hợp kim, cùng với các loại vật liệu mới) đã góp phần thúc đẩy sự phát triển của x ã hộ loài người một cách nhanh chóng. Ngày nay trong các lĩnh vực công nghiệp, quốc phòng, đời sống... đòi hỏi vật liệu sử dụng cần phải có rất nhiều tính chất khác nhau. Ví dụ: khi th ì cần có tính dẫn điện rẩt cao để dùng trong ngành điện lực, lúc lại yêu cầu có độ cứng lớn để làm các loại dụng cụ cắt gọt kim loại, khi lại cần có độ bền lớn để l àm các cấu kiện xây dựng, hoặc phải có tính dẻo cao để cán, dập, kéo nguội, hay cần độ bền cao nh ưng khối lượng riêng nhỏ để dùng trong công nghiệp hàng không... Tất cả các yêu cầu này đều có thể được đáp ứng bởi vật liệu kim loại cũng như các loại vật liệu mới. Môn vật liệu học sẽ trang bị cho sinh vi ên những kiến thức cơ bản của các loại vật liệu chính: tinh thể, các hợp kim, bán dẫn và ion, cộng hóa trị ... cũng như kiến thức về xử lý nhiệt của chúng. Mục đích của môn học này giúp cho sinh viên hiểu rõ các loại vật liệu khác nhau dựa trên mối quan hệ giữa cấu trúc (liên kết hóa học, kiểu mạng tinh thể) và cơ lý tính, thực hành được các thí nghiệm cơ bản để xác định cơ tính của vật liệu và biết lựa chọn vật liệu phù hợp nhất đáp ứng nhu cầu sử dụng sau n ày. Khi nghiên cứu một vật liệu bất kỳ chúng ta đều dựa vào bốn cực cơ bản sau đây: Kết cấu của cấu trúc, các tính chất, sự tổng hợp các phương pháp gia công và hiệu quả sử dụng của nó. Một sản phẩm có thể gồm hàng chục loại vật liệu khác nhau tạo nên. Ví dụ ô tô RENAULT CLIO 1,2 RN của Pháp cần mười một loại vật liệu: 1- Thép tấm 40,9% 2-Thép hình 10,9% 2- Gang 11,3% 4-Hợp kim nhôm 4,2% 5- Các kim loại màu khác 3,9% 6- Chất dẻo 10,2% 7-Chất dẻo đàn hồi 3,4% 8- Vật liệu hữu cơ khác 3,4% 9- Thủy tinh 4,2% 10-Sơn 1,7% 11- Chất lỏng 5,9% Yêu cầu của một cán bộ kỹ thuật, ngoài khả năng hiểu biết về chuyên môn sâu của ngành học, còn phải nắm được những tính chất cơ bản của các loại vật liệu để từ đó có thể sử dụng một cách hợp lý nhất nhằm nâng cao tuổi thọ của máy móc, công trình, hạ giá thành sản phẩm ... Môn học này kế thừa kiến thức của khá nhiều các lĩnh vực khác nhau: tinh thể học, cơ lượng tử, vật lý tia rơn ghen, ăn mòn và bảo vệ kim loại ... do đó khối lượng kiến thức khá lớn và có nhiều mặt. Vì vậy đòi hỏi người học phải nắm vững các kiến thức c ơ bản về vật liệu và thực hành nghiêm túc các thí nghiệm. Khi nghiên cứu môn học này phải nắm chắc mối quan hệ giữa thành phần hóa học, cấu trúc và tính chất của vật liệu. Bất kỳ sự thay đổi nào của thành phần hóa học và cấu trúc sẽ dẫn tới sự biến đổi của tính chất vật liệu. 2MỤC LỤC TỔNG QUAN ................................ ................................ ................................ ............................ 7 CHƯƠNG 1................................ ................................ ................................ .............................. 13 CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ SỰ HÌNH THÀNH ................................ ................................ ... 13 1.1. Cấu tạo và liên kết nguyên tử................................ ................................ ......................... 13 1.1.2. Các dạng liên kết nguyên tử trong chất rắn ................................ ............................. 13 1.2.1. Chất khí................................ ................................ ................................ .................... 14 1.3. Khái niệm về mạng tinh thể ................................ ................................ ........................ 15 1.3.1. Tính đối xứng ................................ ................................ ................................ .......... 15 1.3.2. Ô cơ sở - ký hiệu phương, mặt tinh thể ................................ ................................ ... 16 1.3.3. Mật độ nguyên tử................................ ................................ ................................ ..... 17 1.4. Cấu trúc tinh thể điển h ình của chất rắn ................................ ................................ ........ 18 1.4.1. Chất rắn có liên kết kim loại (kim loại nguyên chất) ................................ .............. 18 1.4.2. Chất rắn có liên kết đồng hóa trị................................ ................................ .............. 20 1.4.3. Chất rắn có liên kết ion ................................ ................................ ............................ 21 1.4.4. Cấu trúc của polyme ................................ ................................ ................................ 21 1.4.5. Dạng thù hình ................................ ................................ ................................ .......... 22 1.5. Sai lệch mạng tinh thể ................................ ................................ ................................ .... 22 1.5.1. Sai lệch điểm ................................ ................................ ................................ ........... 22 1.5.3. Sai lệch mặt ................................ ................................ ................................ ............. 24 1.6. Đơn tinh thể và đa tinh thể................................ ................................ ............................. 24 1.6.1. Đơn tinh thể ................................ ................................ ................................ ............. 24 1.6.2. Đa tinh thể ................................ ................................ ................................ ............... 24 1.6.3. Textua ................................ ................................ ................................ ...................... 26 1.7. Sự kết tinh và hình thành tổ chức của kim loại ................................ .............................. 26 1.7.1. Điều kiện xảy ra kết tinh ................................ ................................ .......................... 26 1.7.2. Hai quá trình của sự kết tinh ................................ ................................ .................... 26 1.7.3. Sự hình thành hạt ................................ ................................ ................................ ..... 27 1.7.4. Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc ................................ ................................ ..... 28 1.7.5. Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc ................................ ................................ ................... 28 CHƯƠNG 2................................ ................................ ................................ .............................. 31 BIẾN DẠNG DẺO VÀ CƠ TÍNH................................ ................................ ........................... 31 2.1. Biến dạng dẻo và phá hủy ................................ ................................ .............................. 31 2.1.1. Khái niệm ................................ ................................ ................................ ................ 31 2.1.2. Trượt đơn tinh thể................................ ................................ ................................ .... 32 2.1.3. Trượt đa tinh thể: ................................ ................................ ................................ ..... 33 2.1.4. Phá hủy................................ ................................ ................................ ...................... 34 2.2.3. Độ dai và đập:................................ ................................ ................................ .......... 38 2.2.4. Độ dai phá hủy biến dạng phẳng (plane - strain fracture toughness), KIC ............. 38 2.2.5. Độ cứng ................................ ................................ ................................ ................... 40 2.3. Nung kim loại đã qua biến dạng dẻo - Thải bền - Biến dạng nóng ................................ .... 41 2.3.1. Trạng thái kim loại đã qua biến dạng dẻo................................ ................................ ... 41 2.3.2. Các giai đoạn chuyển biến khi nung nóng ................................ ................................ .. 41 2.3.3. Biến dạng nóng ................................ ................................ ................................ ........ 42 2.4. Ăn mòn và bảo vệ kim loại: ................................ ................................ ........................... 42 2.4.1. Phân loại: Theo cơ chế xảy ra ăn mòn:................................ ................................ .... 43 32.4.2. Cơ chế của quá trình ăn mòn kim loại:................................ ................................ .... 43 2.4.5. Chống ăn mòn kim loại ................................ ................................ ........................... 45 PHẦN II ................................ ................................ ................................ ................................ ... 47 HỢP KIM VÀ BIẾN ĐỔI TỔ CHỨC ................................ ................................ ..................... 47 CHƯƠNG 3................................ ................................ ................................ .............................. 47 HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ PHA................................ ................................ ................................ 47 3.1. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA HỢP KIM ................................ ................................ ..... 47 3.1.1. Khái niệm về hợp kim ................................ ................................ ............................. 47 3.1.2 DUNG DỊCH RẮN ................................ ................................ ................................ .. 48 3.2. GIẢN ĐỒ PHA CỦA HỆ HAI CẤU TỬ ................................ ................................ ...... 50 3.2.2. Quy tắc đòn bẩy ................................ ................................ ................................ ....... 51 3.2.3. Giản đồ loại I ................................ ................................ ................................ ........... 51 3.2.4. Giản đồ loại II ................................ ................................ ................................ .......... 52 3.2.5. Giản đồ loại III ................................ ................................ ................................ ........ 52 3.2.6. Giản đồ loại IV ................................ ................................ ................................ ........ 53 3.2.7. Các giản đồ pha với các phản ứng khác ................................ ................................ .. 53 3.2.8. Quan hệ giữa dạng giản đồ pha và tính chất của hợp kim ................................ ....... 54 3.3. GIẢN ĐỒ PHA Fe – C (Fe - Fe3C) ................................ ................................ .............. 55 3.3.1. Tương tác giữa Fe và C ................................ ................................ ........................... 55 CHƯƠNG 4................................ ................................ ................................ .............................. 60 NHIỆT LUYỆN THÉP ................................ ................................ ................................ ............ 60 4.1. KHÁI NIỆM VỀ NHIỆT LUYỆN THÉP ................................ ................................ ..... 60 4.1.1. Sơ lược về nhiệt luyện thép ................................ ................................ ..................... 60 4.2. CÁC TỔ CHỨC ĐẠT ĐƯỢC KHI NUNG NÓNG VÀ LÀM NGUỘI THÉP ............ 61 4.2.1. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo thành austenit ....................... 61 4.2.2. Mục đích của giữ nhiệt ................................ ................................ ............................ 62 4.2.3. Các chuyển biến khi làm nguội ................................ ................................ ............... 62 4.2.4. Chuyển biến của austenit khi làm nguội nhanh - Chuyển biến mactenxit (khi tôi) 64 4.2.5. Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi (khi ram) ................................ ................... 65 4.3. Ủ VÀ THƯỜNG HÓA THÉP ................................ ................................ ....................... 66 4.3.1. Ủ thép ................................ ................................ ................................ ...................... 66 4.3.2. Thường hóa thép ................................ ................................ ................................ ...... 67 4.4. TÔI THÉP ................................ ................................ ................................ ...................... 68 4.4.1. Định nghĩa và mục đích ................................ ................................ ........................... 68 4.4.2. Chọn nhiệt độ tôi thép ................................ ................................ ............................. 68 4.4.3. Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi................................ ................................ ............. 69 4.4.4. Các phương pháp tôi thể tích và công dụng. Các môi trường tôi ............................ 70 4.5.RAM THÉP ................................ ................................ ................................ .................... 73 4.5.1. Mục đích và định nghĩa ................................ ................................ ........................... 73 4.5.2. Các phương pháp ram thép cacbon ................................ ................................ ......... 73 4.6. CÁC KHUYẾT TẬT XẢY RA KHI NHIỆT LUYỆN THÉP ................................ ...... 74 4.6.1. Biến dạng và nứt ................................ ................................ ................................ ...... 74 4.6.2. Ôxy hóa và thoát cacbon ................................ ................................ ......................... 75 4.6.3. Độ cứng không đạt: ................................ ................................ ................................ . 75 4.6.4. Tính giòn cao ................................ ................................ ................................ ........... 75 44.6.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ và tầm quan trọng của kiểm nhiệt ................................ .... 75 4.7. HOÁ BỀN BỀ MẶT ................................ ................................ ................................ ...... 76 4.7.1. Tôi bề mặt nhờ nung nóng bằng cảm ứng điện (tôi cảm ứng) ................................ . 76 4.7.2. Hóa - nhiệt luyện ................................ ................................ ................................ ..... 77 PHẦN III ................................ ................................ ................................ ................................ .. 82 VẬT LIỆU KIM LOẠI ................................ ................................ ................................ ............ 82 CHƯƠNG 5................................ ................................ ................................ .............................. 82 THÉP VÀ GANG................................ ................................ ................................ ..................... 82 5.1. KHÁI NIỆM VỀ THÉP CACBON VÀ HỢP KIM ................................ ....................... 82 5.1.1. Thép cacbon................................ ................................ ................................ ............. 82 5.1.2. Thép hợp kim................................ ................................ ................................ ........... 85 Trong kỹ thuật dùng ngày càng nhiều thép hợp kim vào các mục đích quan trọng. ......... 85 5.2. THÉP XÂY DỰNG ................................ ................................ ................................ ....... 91 5.2.1. Đặc điểm chung - phân loại ................................ ................................ ..................... 91 5.2.2. Thép thông dụng ................................ ................................ ................................ ...... 91 5.2.3. Thép hợp kim thấp độ bền cao HSLA (High Strength Low Alloy steel) ................ 92 5.2.4. Thép làm cốt bêtông ................................ ................................ ................................ 92 5.2.5. Các thép khác................................ ................................ ................................ ........... 93 5.3. THÉP CHẾ TẠO MÁY (Thép kết cấu)................................ ................................ ......... 93 5.3.1. Các yêu cầu chung ................................ ................................ ................................ ... 93 5.3.2. Thép thấm cacbon................................ ................................ ................................ .... 93 5.3.3. Thép hóa tốt ................................ ................................ ................................ ............. 95 5.3.4. Các chi tiết máy điển hình bằng thép ................................ ................................ ...... 97 5.3.5. Thép đàn hồi ................................ ................................ ................................ ............ 97 5.3.6. Các thép kết cấu có công dụng riêng................................ ................................ ....... 99 5.4. Thép dụng cụ................................ ................................ ................................ ................ 100 5.4.1. Các yêu cầu chung ................................ ................................ ................................ . 100 5.4.2. Thép làm dụng cụ cắt................................ ................................ ............................. 101 5.4.3. Thép làm dụng cụ đo ................................ ................................ ............................. 105 5.5. Thép hợp kim đặc biệt (có tính chất vật lý - hóa học đặc biệt)................................ .... 108 5.5.1. Đặc điểm chung và phân loại ................................ ................................ ................ 108 5.5.2. Thép không gỉ ................................ ................................ ................................ ........ 108 5.5.3. Thép bền nóng (Heat - Resistant Steel) ................................ ................................ . 110 5.5.4. Thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao dưới tải trọng và đập (thép Hadfield) . 111 5.6. GANG ................................ ................................ ................................ .......................... 111 5.6.2. Gang xám................................ ................................ ................................ ............... 112 5.6.3. Gang cầu ................................ ................................ ................................ ................ 113 5.6.4. Gang dẻo................................ ................................ ................................ ................ 114 CHƯƠNG 6................................ ................................ ................................ ............................ 116 HỢP KIM MÀU VÀ BỘT ................................ ................................ ................................ ..... 116 6.1. Hợp kim nhôm (Al) ................................ ................................ ................................ ...... 116 6.1.1. Nhôm nguyên chất và phân loại hợp kim nhôm ................................ .................... 116 6.1.2. Nhôm và hợp kim nhôm biến dạng không hóa bền được bằng nhiệt luyện .......... 117 6.1.3. Hợp kim Al biến dạng hóa bền được bằng nhiệt luyện ................................ ......... 118 6.1.4. Hợp kim Al đúc................................ ................................ ................................ ....... 119 6.2. Hợ