Giáo trình Vật liệu cơ khí (Nghề Lắp đặtvận hànhbảo dưỡng bơm, quạt, máy nén khí Cao đẳng)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (849.7 KB, 82 trang )
TẬP ĐỒN DẦU KHÍ VIỆT NAM
TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ
GIÁO TRÌNH
MƠN HỌC: VẬT LIỆU CƠ KHÍ
NGHỀ: LẮP ĐẶT-VẬN HÀNH-BẢO DƯỠNG BƠM, QUẠT,
MÁY NÉN KHÍ
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
(Ban hành theo Quyết định số 207/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022 của
Trường Cao đẳng Dầu khí)
Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2022
(Lưu hành nội bộ)
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng 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.
Trang 2/82
LỜI GIỚI THIỆU
Giáo trình được biên soạn trên cơ sở thực tiễn của sản xuất cơ khí ở nước ta hiện nay,
có tham khảo kinh nghiệm giảng dạy mơn này của một số trường đại ở trong nước mấy
năm gần đây.
Trong thực tế sử dụng vật liệu, đặc biệt là vật liệu kim loại, không thể lựa chọn một
cách chung chung (ví dụ: thép) mà phải rất cụ thể (ví dụ: thép loại gì, với mác, ký hiệu
nào) theo các quy định nghiêm ngặt về các điều kiện kỹ thuật do các tiêu chuẩn tương ứng
quy định.
Khi giới thiệu cụ thể các thép, gang, giáo trình sẽ ưu tiên trình bày các mác theo tiêu
chuẩn Việt Nam (nếu có) có đi kèm với các mác tương đương hay cùng loại của tiêu chuẩn
Nga do tiêu chuẩn này đã được quen dùng thậm chí đã phổ biến rộng rãi ở nước ta trong
mấy chục năm qua.
Nhằm tạo điều kiện cho người học có một bộ tài liệu tham khảo mang tính tổng hợp,
thống nhất và mang tính thực tiễn sâu hơn. Nhóm người dạy chúng tơi đề xuất và biên soạn
Giáo trình vật liệu cơ khí dành cho người học trình độ Cao đẳng.
Nội dung của giáo trình bao gồm các chương sau:
Chương 1: Tinh chất cơ bản của kim loại và hợp kim
Chương 2: Hợp kim sắt các bon.
Chương 3: Kim loại màu và hợp kim màu.
Chương 4: Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện.
Chương 5: Vật liệu phi kim loại.
Cũng như tên gọi của nó, chúng ta nên coi các điều trình bày trong sách như là phần
kiến thức cơ sở về vật liệu thuờng dùng trong sản xuất cơ khí. Điều đó cũng có nghĩa để
làm tốt hơn các công việc kỹ thuật, cần tham khảo thêm các sách, tài liệu chuyên sâu hơn
về từng lĩnh vực đã đề cập.
Tác giả chân thành cảm ơn các quý độc giả về những đóng góp quý báu cho cuốn sách.
Bà rịa Vũng Tàu, ngày 01 tháng 03 năm 2022
Tham gia biên soạn
1. Chủ biên ThS: Lê Anh Dũng
2. ThS. Trần Kim Khánh
3. ThS. Đỗ Văn Thọ
Trang 3/82
MỤC LỤC
Trang
LỜI GIỚI THIỆU .............................................................................................................. 3
MỤC LỤC .......................................................................................................................... 4
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................. 5
GIÁO TRÌNH MƠN HỌC ............................................................................................... 6
CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM ....................... 12
1.1.
TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM .................................. 13
1.2.
CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM ..................................................... 18
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP
KIM 24
CHƯƠNG 2: HỢP KIM SẮT - CÁC BON ................................................................... 31
2.1.
GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT- CACBON (Fe + C) ........................................ 32
2.2.
THÉP .................................................................................................................. 35
2.3.
GANG ................................................................................................................. 38
2.4.
THÉP HỢP KIM ................................................................................................. 44
2.5.
HỢP KIM CỨNG ............................................................................................... 50
CHƯƠNG 3: NHIỆT LUYỆN VÀ HÓA NHIỆT LUYỆN .......................................... 53
3.1.
NHIỆT LUYỆN .................................................................................................. 54
3.2.
HOÁ NHIỆT LUYỆN KIM LOẠI VÀ HỢP KIM ............................................ 61
CHƯƠNG 4: KIM LOẠI MÀU VÀ HỢP KIM MÀU ................................................. 65
4.1.
ĐẶC ĐIỂM VÀ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI MÀU .................................... 66
4.2.
NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM .......................................................................... 67
4.3.
ĐỒNG VÀ HỢP KIM ĐỒNG ............................................................................ 69
4.4.
CÁC LOẠI KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MÀU KHÁC ....................................... 72
CHƯƠNG 5: VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI ................................................................... 75
5.1.
CÁC CHẤT DẺO THƯỜNG DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP ..................... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 82
Trang 4/82
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Trang
Sơ đồ mẫu đo độ bền kéo .................................................................................. 14
Sơ đồ phương pháp đo độ cứng Brinen ............................................................. 15
Sơ đồ sắp xếp các nguyên tử của kim loại ........................................................ 19
Các ô tinh thể cơ bản ......................................................................................... 19
Sơ đồ biểu thị sự biến đổi mạng tinh thể của Fe ............................................... 21
Quá trình kết tinh của kim loại .......................................................................... 21
Cấu trúc của dung dịch đặc ............................................................................... 23
Mẫu thử kéo và sơ đồ nguyên lý máy kéo ........................................................ 25
Biểu đồ quan hệ lực kéo và biến dạng của mẫu .............................................. 25
Sơ đồ đo độ cứng Brinen ................................................................................. 26
Sơ đồ đo độ cứng Rocoen ............................................................................... 27
Sơ đồ đo độ cứng Vicke .................................................................................. 29
Sơ đồ nguyên lý máy và mẫu thử độ dai va đập ............................................. 30
Giản đồ trạng thái Fe - C ................................................................................... 33
Giản đồ quá trình nhiệt luyện kim loại và hợp kim........................................... 54
Nhiệt độ ủ .......................................................................................................... 56
Các phương pháp tôi. ........................................................................................ 58
Thùng thấm cacbon ........................................................................................... 62
Giản đồ trạng thái hệ hợp kim nhôm ................................................................. 69
Trang 5/82
GIÁO TRÌNH MƠN HỌC
1. Tên mơn học: Vật Liệu Cơ Khí
2. Mã mơ đun: MECM53002
3. Vị trí, tính chất, ý nghĩa của mơn học:
3.1. Vị trí: Mơn học “ Vật Liệu Cơ Khí” được bố trí học sau các mơn học chung và học
trước khi học các mô đun đào tạo nghề.
3.2. Tính chất: Giáo trình Vật liệu cơ khí là mơn học kỹ thuật cơ sở của chương trình đào
tạo cao đẳng nghề liên quan đến cơ khí sửa chữa, Vận hành thiết bị khoan khai thác, cơ khí
chế tạo và Hàn.
3.3. Ý nghĩa và vai trị của mơn học: Môn học này trang bị những kiến thức cơ bản về tổ
chức cấu tạo, thành phần và tính chất của một số vật liệu thường dùng trong chế tạo cơ khí
như là gang, thép, hợp kim màu, chất dẻo và cao su, qua đó có cơ sở để chọn lựa và sử
dụng vật liệu cho phù hợp với mục đích. Mơn học cịn cung cấp những tiêu chuẩn về ký
hiệu các loại vật theo TCVN và một số nước khác.
4. Mục tiêu của môn học/mô đun:
4.1. Về kiến thức:
- A1. Trình bày được tính chất chung của kim loại và hợp kim.
- A2. Trình bày được các phương pháp đánh giá tính chất của kim loại và hợp kim để
xác định cơ tính vật liệu.
- A3. Trình bày được thành phần, cấu tạo, tổ chức và tính chất của một số mác thép và
gang.
- A4. Trình bày được các phương pháp nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện kim loại và hợp
kim từ đó áp dụng cho từng trường hợp cụ thể.
- A5. Trình bày được các khái niệm cơ bản về vật liệu phi kim loại như chất dẻo, cao su,
composite.
4.2. Về kỹ năng:
- B1. Nhận biết được ký hiệu, mác thép, gang và hợp kim của kim loại màu.
- B2. Vận dụng được các kiến thức để lựa chọn vật liệu phù hợp với điều kiện làm việc
cụ thể của một chi tiết máy cũng như các phương pháp gia cơng để tạo hình chi tiết.
4.3. Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
C1. Rèn luyện tính cần cù, chăm chỉ trong cơng việc.
C2. Có tính kỷ luật lao động cao, ý thức chấp hành các nội qui về an toàn lao động
Trang 6/82
5. Nội dung của mơ đun:
5.1. Chương trình khung
Thời gian học tập (giờ)
Trong đó
Thực hành/
Kiểm
thực tập/
tra
Lý
thí nghiệm/
thuyết
bài tập/
LT TH
thảo luận
Số
tín
chỉ
Tổng
số
Các mơn học chung/đại
cương
23
465
180
260
17
8
COMP64002
Giáo dục chính trị
4
75
41
29
5
0
COMP62004
COMP62008
Pháp luật
Giáo dục thể chất
Giáo dục quốc phịng và An
ninh
Tin học
Tiếng anh
An tồn vệ sinh lao động
Các môn học, mô đun
chuyên môn ngành, nghề
Môn học, mơ đun cơ sở
Dung sai
Vật liệu cơ khí
Vẽ kỹ thuật 1
Cơ kỹ thuật
Vẽ kỹ thuật 2
Điện kỹ thuật cơ bản
Autocad
Nhiệt kỹ thuật
Môn học, mô đun chuyên
môn ngành,
nghề
Gia công nguội cơ bản
Nguyên lý - Chi tiết máy
Kỹ thuật sửa chữa cơ khí
Cân bằng động
Gia cơng cắt gọt kim loại 1
Sửa chữa - Bảo dưỡng bơm 1
Sửa chữa - Bảo dưỡng Quạt
Sửa chữa - Bảo dưỡng bơm 2
Gia công cắt gọt kim loại 2
2
2
30
60
18
5
10
51
2
0
0
4
4
75
36
35
2
2
3
6
2
75
120
30
15
42
23
58
72
5
0
6
2
2
0
0
69
1740
434
1237
30
39
21
3
3
2
2
2
3
3
3
375
45
45
45
45
45
45
60
45
226
42
42
14
14
14
36
28
36
128
0
0
29
29
29
6
29
6
17
3
3
1
1
1
3
2
3
4
0
0
1
1
1
0
1
0
48
1365
208
1109
13
35
3
2
4
4
4
3
5
3
3
75
45
60
90
120
90
135
75
75
14
14
56
28
6
5
14
14
14
58
29
0
58
110
82
116
58
58
1
1
4
2
0
0
1
1
1
2
1
0
2
4
3
4
2
2
Mã MH/MĐ
/HP
I
COMP64010
COMP63006
FORL66001
SAEN52001
II
II.1
MECM53001
MECM53002
MECM52003
MECM64011
MECM62012
ELEI53055
MECM63013
PETR52002
II.2
MECM53104
MECM62015
MECM64016
MECP64147
MECM54105
MECM53107
MECP65148
MECM63120
MECM63118
Tên môn học, mô đun
Trang 7/82
Mã MH/MĐ
/HP
MECM53108
MECM54109
MECW53161
MECM54210
MECM63222
Tên môn học, mô đun
Thời gian học tập (giờ)
Trong đó
Thực hành/
Kiểm
thực tập/
tra
Lý
thí nghiệm/
thuyết
bài tập/
LT TH
thảo luận
Số
tín
chỉ
Tổng
số
3
90
5
82
0
3
4
120
6
110
0
4
3
4
3
92
75
180
135
2205
14
14
4
614
58
162
128
1497
1
1
0
47
2
3
3
47
Sửa chữa - Bảo dưỡng máy
nén khí
Sửa chữa - Bảo dưỡng động
cơ đốt trong
Kỹ thuật hàn cơ bản
Thực tập sản xuất
Khóa luận tốt nghiệp
Tổng cộng
5.2. Chương Trình chi tiết mơn học
Thời gian (giờ)
Số
TT
Nội dung tổng quát
Tổng
số
Lý
thuyết
Thực
hành, thí
nghiệm,
thảo
luận, bài
tập
Kiểm tra
LT
1
Chương 1: Khái niệm cơ bản về kim
loại và hợp kim
2
Chương 2: Hợp kim sắt – các bon
18
1
3
Chương 3: Nhiệt luyện và hóa
nhiệt luyện.
5
1
4
Chương 4: Kim loại màu – hợp
kim màu.
7
5
Chương 5: Vật liệu phi kim loại.
6
TỔNG CỘNG
TH
9
45
1
42
3
6. Điều kiện thực hiện mơn học:
6.1. Phịng học Lý thuyết: Đáp ứng phòng học chuẩn
6.2. Trang thiết bị dạy học: Projetor, máy vi tính, bảng, phấn
6.3. Học liệu, dụng cụ, mơ hình, phương tiện: Giáo trình, mơ hình học tập,
Trang 8/82
6.4. Các điều kiện khác: Người học tìm hiểu thực tế về công tác xây dựng phương án gia
công, sản xuất tại xí nghiệp.
7. Nội dung và phương pháp đánh giá:
7.1. Nội dung:
- Kiến thức: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức
- Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kỹ năng.
- Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần:
+ Nghiên cứu bài trước khi đến lớp.
+ Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập.
+ Tham gia đầy đủ thời lượng môn học.
+ Nghiêm túc trong quá trình học tập.
7.2. Phương pháp:
Người học được đánh giá tích lũy mơn học như sau:
7.2.1. Cách đánh giá
- Áp dụng quy chế đào tạo Cao đẳng hệ chính quy ban hành kèm theo Thơng tư số
09/2017/TT-LĐTBXH, ngày 13/3/2017 của Bộ trưởng Bộ Lao động – Thương binh và Xã
hội.
- Hướng dẫn thực hiện quy chế đào tạo áp dụng tại Trường Cao đẳng dầu khí như sau:
Điểm đánh giá
Trọng số
+ Điểm kiểm tra thường xuyên (Hệ số 1)
40%
+ Điểm kiểm tra định kỳ (Hệ số 2)
+ Điểm thi kết thúc môn học
60%
7.2.2. Phương pháp đánh giá
Phương pháp Phương pháp
đánh giá
tổ chức
Hình thức
Chuẩn đầu ra
Số
Thời
kiểm tra
đánh giá
cột
điểm
kiểm tra
Thường xuyên Viết/
Tự luận/
A1, A2, A3,
Trắc nghiệm/ B1, B2, B3,
1
Sau 15
giờ.
Trang 9/82
Định kỳ
Thuyết
Báo cáo/trả
trình/Câu hỏi
lời câu hỏi
Viết/
Tự luận/
Thuyết
Trắc nghiệm/
trình/Trắc
Báo cáo/Thực
nghiệm
hành
C1, C2
A4, B4, C3
1
Sau 15
giờ
A1, A2, A3, A4,
Kết thúc mơn
học
Viết/thuyết
trình/Trắc
nghiệm
Tự luận và
trắc
nghiệm/Thực
hành
A5,
B1, B2, B3, B4,
B5,
1
Sau 45
giờ
C1, C2, C3,
7.2.3. Cách tính điểm
- Điểm đánh giá thành phần và điểm thi kết thúc môn học được chấm theo thang
điểm 10 (từ 0 đến 10), làm trịn đến một chữ số thập phân.
- Điểm mơn học là tổng điểm của tất cả điểm đánh giá thành phần của môn học nhân
với trọng số tương ứng. Điểm mơn học theo thang điểm 10 làm trịn đến một chữ số thập
phân, sau đó được quy đổi sang điểm chữ và điểm số theo thang điểm 4 theo quy định của
Bộ Lao động Thương binh và Xã hội về đào tạo theo tín chỉ.
8. Hướng dẫn thực hiện môn học
8.1. Phạm vi, đối tượng áp dụng: Đối tượng Cao đẳng, trung cấp nghề sửa chữa thiết bị
chế biến dầu khí.
8.2. Phương pháp giảng dạy, học tập mơn học
8.2.1. Đối với người dạy
* Lý thuyết: Áp dụng phương pháp dạy học tích cực bao gồm: thuyết trình ngắn, nêu vấn
đề, hướng dẫn đọc tài liệu, bài tập tình huống, câu hỏi thảo luận
* Bài tập: Phân chia nhóm nhỏ thực hiện bài tập theo nội dung đề ra.
* Thảo luận: Phân chia nhóm nhỏ thảo luận theo nội dung đề ra.
* Hướng dẫn tự học theo nhóm: Nhóm trưởng phân cơng các thành viên trong nhóm tìm
hiểu, nghiên cứu theo yêu cầu nội dung trong bài học, cả nhóm thảo luận, trình bày nội
dung, ghi chép và viết báo cáo nhóm.
Trang 10/82
8.2.2. Đối với người học: Người học phải thực hiện các nhiệm vụ như sau:
- Nghiên cứu kỹ bài học tại nhà trước khi đến lớp. Các tài liệu tham khảo sẽ được
cung cấp nguồn trước khi người học vào học môn học này (trang web, thư viện, tài liệu)
- Tham dự tối thiểu 70% các buổi giảng lý thuyết. Nếu người học vắng >30% số tiết
lý thuyết phải học lại mơn học mới được tham dự kì thi lần sau.
- Tự học và thảo luận nhóm: là một phương pháp học tập kết hợp giữa làm việc theo
nhóm và làm việc cá nhân. Một nhóm gồm 4-6 người học sẽ được cung cấp chủ đề thảo
luận trước khi học lý thuyết, thực hành. Mỗi người học sẽ chịu trách nhiệm về 1 hoặc một
số nội dung trong chủ đề mà nhóm đã phân cơng để phát triển và hồn thiện tốt nhất tồn
bộ chủ đề thảo luận của nhóm.
- Tham dự đủ các bài kiểm tra thường xuyên, định kỳ.
- Tham dự thi kết thúc mô đun.
- Chủ động tổ chức thực hiện giờ tự học.
9. TÀI LIỆU THAM KHẢO:
[1]. Trần Mão, Phạm Đình Sùng-Vật liệu cơ khí -NXBGD 1998.
[2]. Hoàng Trọng Bá-Vật liệu phi kim loại -NXBGD2007
[3].Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đình Đức-Vật liệu Composite - NXBKH&KT-2002.
[4]. Hồng Tùng – Vật liệu & công nghệ kim loại – NXB GD 09-2005
Trang 11/82
CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
❖ GIỚI THIỆU CHƯƠNG 1
Chương 1 là chương giới thiệu tính chất cơ bản của kim loại, hợp kim từ đó giúp
người học dễ dàng tiếp cận nội dung môn học ở những chương tiếp theo.
❖ MỤC TIÊU CHƯƠNG 1
Sau khi học xong chương này, người học có khả năng:
➢ Về kiến thức:
-
Trình bày được tính chất chung của kim loại và hợp kim
-
Trình bày được cấu tạo của kim loại và hợp kim.
-
Trình bày được các phương pháp đánh giá tính chất của kim loại và hợp kim
➢ Về kỹ năng:
- Nhận diện được các phương pháp đánh giá tính chất của kim loại, hợp kim
- Vận dụng được kiến thức đã học vào thực tế.
➢ Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
- Ý thức được tầm quan trọng và ý nghĩa thực tiễn của công tác đánh giá tính chất
của kim loại và hợp kim
- Tuân thủ nội quy, quy định nơi làm việc.
❖ PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP CHƯƠNG 1
-
Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn
đáp, dạy học theo vấn đề); yêu cầu người học thực hiện câu hỏi thảo luận và bài tập
chương 1 (cá nhân hoặc nhóm).
-
Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (chương 1) trước buổi học; hồn
thành đầy đủ câu hỏi thảo luận và bài tập tình huống chương 1 theo cá nhân hoặc
nhóm và nộp lại cho người dạy đúng thời gian quy định.
❖ ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN CHƯƠNG 1
-
Phịng học chun mơn hóa/nhà xưởng: Khơng
-
Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu và các thiết bị dạy học khác
-
Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Chương trình mơn học, giáo trình, tài liệu tham
khảo, giáo án, phim ảnh, và các tài liệu liên quan.
-
Các điều kiện khác: Khơng có
❖ KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ CHƯƠNG 1
-
Nội dung:
Trang 12/82
✓ Kiến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức
✓ Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kĩ năng.
✓ Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần:
+ Nghiên cứu bài trước khi đến lớp
+ Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập.
+ Tham gia đầy đủ thời lượng mơn học.
+ Nghiêm túc trong q trình học tập.
-
Phương pháp:
✓ Điểm kiểm tra thường xuyên: 1 điểm kiểm tra (hình thức: hỏi miệng)
✓ Kiểm tra định kỳ lý thuyết: không có
❖ NỘI DUNG CHƯƠNG 1
1.1. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
Kim loại và hợp kim được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp để chế tạo
các chi tiết máy, máy móc.
Tuy nhiên, khi sử dụng chế tạo chúng cần phải dựa vào các yêu cầu kỹ thuật để lựa
chọn kim loại và hợp kim thích hợp, bảo đảm chất lượng và tính kinh tế của sản phẩm.
Muốn vậy phải nắm được các tính chất của chúng. Thông thường kim loại và hợp
kim được đánh giá bằng các tính chất cơ bản sau đây.
1.1.1. Cơ tính
Là những đặc trưng cơ học biểu thị khả năng của kim loại hay hợp kim chịu được tác
động của các loại tải trọng.
Các đặc trưng đó bao gồm:
Độ bền:
Là khả năng của kim loại chịu được tác động của ngoại lực mà không bị phá hủy. Độ
bền được ký hiệu bằng chữ (xích ma).
Tùy theo dạng khác nhau của ngoại lực ta có các độ bền sau: độ bền kéo (k), độ bền
nén (n), độ bền uốn (u)
Khi chế tạo ra một loại vật liệu, độ bền được xác định ngay trong phịng thí nghiệm
theo các mẫu ứng với các tải trọng tác động.
Trên hình 1.1 giới thiệu sơ đồ mẫu đo độ bền kéo khi đặt ngoại lực P (N) lên một
thanh kim loại có tiết diện mặt cắt ngang Fo (mm2).
Trang 13/82
Lực P tăng dần đến khi mẫu đứt, khi đó.
Sơ đồ mẫu đo độ bền kéo
Giá trị độ bền được tính theo cơng thức.
k =
P
(N/mm2)
F0
Như vậy tại thời điểm khi lực P đạt đến một giá trị nào đó làm cho thanh kim loại bị
đứt sẽ ứng với giới hạn bền kéo của vật liệu đó.
Tương tự ta có thể đo được độ bền nén và độ bền uốn.
Đơn vị đo độ bền được tính bằng: N/mm2; KN/m2; MN/m2
Độ cứng:
Là khả năng của vật liệu chống lại sự biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại lực tác dụng
lên kim loại thông qua vật nén. Nếu cùng một giá trị lực nén, vết lõm biến dạng trên mẫu
đo càng lớn, càng sâu thì độ cứng của mẫu kim loại đó càng kém.
Đo độ cứng là phương pháp thử đơn giản và nhanh chóng để xác định tính chất của
vật liệu mà khơng cần phá hỏng chi tiết.
Độ cứng có thể đo bằng nhiều phương pháp, nhưng đều dùng tải trọng nén thông qua
viên bi bằng thép đã nhiệt luyện cứng hoặc mũi kim cương hình nón hay hình chóp ép lên
bề mặt của vật liệu muốn thử, đồng thời xác định kích thước vết lõm in trên bề mặt vật liệu
đó.
VD: đo độ cứng bằng viên bi (gọi là phương pháp Brinen).
Để đo độ cứng Brinen người ta dùng tải trọng P để ấn biên bi bằng thép đã nhiệt
luyện, có đường kính D lên bề mặt vật liệu muốn thử (hình 1.2)
Trang 14/82
Sơ đồ phương pháp đo độ cứng Brinen
Độ cứng Brinen được tính theo cơng thức:
HB =
Trong đó:
P
F
F - diện tích mặt cầu của vết lõm (mm2)
P - tải trọng nén vào viên bi (N)
HB - Độ cứng Brinen (N/mm2)
Độ cứng HB dùng kiểm tra các vật liệu có độ cứng không lớn hơn 450 (kN/m2)
Độ giãn dài tương đối (δ%):
Là tỷ lệ tính theo phần trăn giữa lượng giãn dài sau khi kéo và chiều dài ban đầu.
= (l1 - l0)/ l0 100%
- đọc là denta (%)
- lo là chiều dài ban đầu (mm)
- l1 chiều dài tính tốn sau của mẫu thử (mm)
Vật liệu có độ giãn dài càng lớn thì càng dẻo và ngược lại
Độ dai va chạm (ak).
Có những chi tiết máy khi làm việc phải chịu các tải trọng thay đổi đột ngột (hay gọi
là tải trọng va đập).
Khả năng chịu đựng của vật liệu bởi các tải trọng đó mà khơng bị phá hủy gọi là độ
dai va chạm.
Ký hiệu là ak đơn vị là (J/mm2) hay (kJ/m2).
1.1.2. Lý tính
Là những tính chất của kim loại thể hiện qua các hiện tượng vật lý khi thành phần
hóa học của kim loại đó khơng thay đổi.
Lý tính cơ bản của kim loại gồm có : khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, tính dãn
nở, tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện và từ tính.
Khối lượng riêng: là khối lượng của 1 cm3 vật chất.
Nếu gọi m là khối lượng của vật chất, V là thể tích của vật chất, là khối lượng riêng
của vật chất, thì ta có cơng thức:
=
m
(g /cm3)
V
Trang 15/82
Ứng dụng của khối lượng riêng trong kỹ thuật rất rộng rãi, nó khơng những dùng để
so sánh kim loại nặng nhẹ để tiện việc lựa chọn vật liệu, mà cịn giải quyết được một số
vấn đề thực tế.
Ví dụ, những vật lớn như thép đường ray, thép hình rất khó cân được khối lượng,
nhưng vì biết được khối lượng riêng và có thể đo được kích thước mà tính ra thể tích nên
có thể khơng cần cân chỉ dùng cơng thức tính ra khối lượng của chúng.
Nhiệt độ nóng chảy:
Là nhiệt độ nung nóng đến đó thì làm cho kim loại từ thể rắn trở thành thể lỏng.
Sắt nguyên chất chảy ở nhiệt độ 15390C.
Điểm chảy của gang là 1130-13500C (do hàn lượng C trong gang quyết định).
Điểm chảy của thép là 1400- 15000C (do hàn lượng C trong thép quyết định).
Tính chất này rất quan trọng đối với cơng nghiệp chế tạo cơ khí, vì phương pháp chế
tạo các chi tiết máy rẻ nhất là phương pháp đúc, nhưng khi dùng phương pháp đúc thì kim
loại cần có tính chảy lỗng tốt.
Tính chảy lỗng của kim loại ở thể lỏng tốt hay xấu do nhiệt độ nóng chảy của kim
loại quyết định, nhiệt độ nóng chảy của kim loại càng thấp thì kim loại có tính chảy lỗng
càng tốt.
Tính giãn nở nhiệt:
Là khả năng giãn nở của kim loại khi nung nóng.
Độ giãn nở lớn hay bé có thể biểu thị bằng hệ số giãn nở trên chiều dài của đơn vị
(1mm) gọi là hệ số giãn nở theo chiều dài. Ví dụ, hệ số dãn nở theo chiều dài của sắt nguyên
chất là 0,0000118, của thép là 0,0000120.
Tính dẫn nhiệt:
Là khả năng dẫn nhiệt của kim loại.
Độ dẫn nhiệt của các kim loại và hợp kim không giống nhau. Kim loại có tính chất
dẫn nhiệt tốt thì càng dễ đốt nóng nhanh và đồng đều, cũng như càng dễ nguội nhanh.
Các vật có tính dẫn nhiệt kém muốn đốt nhanh hoàn toàn phải mất nhiều thời gian và
nếu làm nguội q nhanh thì có thể gây ra nứt vỡ.
Đơn vị đo tính dẫn nhiệt được biểu thị bằng kcalo/m/giờ độ. Trong thực tế người ta
thường so sánh tính dẫn nhiệt giữa kim loại này với một kim loại khác lấy làm tiêu chuẩn.
Ví dụ : Bạc là kim loại có tính dẫn nhiệt tốt nhất lấy là 1 đơn vị, thì các kim loại khác có
thể so sánh như sau
Trang 16/82
Ag
Cu
Al
Fe
Hg
1
0,9
0,5
0,15
0,02
Al, Cu có tính dẫn nhiệt gần băng nhau, gấp 2 lần nhơm, gấp 6 lần sắt.
Tính dẫn điện:
Tính dẫn điện là khả năng truyền dòng điện của kim loại.
Kim loại đều là vật dẫn điện tốt, nhất là bạc sau đó đến đồng và nhơm.
Nhưng do bạc là ngun tố đắt tiền nên trong kỹ thuật kim loại được dùng nhiều nhất
để làm dây dẫn điện là đồng và nhơm.
Các kim loại có tính dẫn điện nhiệt tốt thì dẫn điện cũng tốt.
Hợp kim nói chung có tính dẫn điện kém hơn so với kim loại.
Nhiệt dung:
Là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của kim loại lên một độ C.
Nhiệt dung của kim loại càng lớn tức là tốn nhiệt lượng cần nhiều mới đốt nóng vật
đó lên được.
Tính nhiễm từ:
là khả năng dẫn từ của kim loại.
Chỉ có một số kim loại có từ tính, tức là nó bị từ hóa sau khi đặt trong một từ trường.
Fe, Ni và Co và hầu hết các hợp kim nó đều có từ tính thể hiện rất rõ rệt nên được gọi là
kim loại từ tính. Cịn hầu hết các kim loại khác khơng có tính nhiễm từ.
1.1.3. Tính chất hóa học:
Là độ bền của kim loại và hợp kim đối vói những tác dụng hóa học của các chất khác
như: oxi, nước, axit v.v mà không bị phá hủy.
Tính chất hóa học cơ bản của kim loại và hợp kim được biểu thị ở 3 dạng chủ yếu
sau.
Tính chịu ăn mịn: Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mịn của mơi trường xung
quanh như: hơi nước hay oxy của khơng khí ở nhiệt độ thường hoặc ở nhiệt độ cao.
Tính chịu axít: Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của axít.
Tính chịu nhiệt: Là độ bền của kim loại đối với sự ăn mịn của ơxi trong khơng khí ở
nhiệt độ cao hoặc đối với tác dụng ăn mòn của một vài thể lỏng hoặc thể khí ở nhiệt độ
cao.
Trang 17/82
1.1.4. Tính cơng nghệ:
Là khả năng thay đổi trạng thái của kim loại và hợp kim bằng các phương pháp cơng
nghệ để sản xuất các sản phẩm, tính cơng nghệ bao gồm:
Tính cắt gọt: Là khả năng của kim loại gia cơng cắt gọt dễ hay khó, được xác định
bằng tốc độ cắt gọt, lực cắt gọt và độ bóng bề mặt kim loại sau khi cắt gọt.
Tính hàn: Là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các phần tử hàn khi nung nóng cục
bộ tại chỗ mối hàn cho đến trạng thái chảy hoặc dẻo.
Tính rèn: Là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi chịu lực tác dụng bên
ngồi để tạo thành hình dạng của chi tiết mà khơng bị phá hủy.
Tính đúc: Xác định bởi độ chảy loãng của kim loại khi nấu chảy để đổ đầy vào khn
đúc, độ co và tính thiên tích (thiên tích là độ khơng đồng nhất về thành phần hóa học trong
từng phần của vật đúc và trong nội bộ của kim loại và hợp kim)
Tính nhiệt luyện: Là khả năng làm thay đổi độ cứng, độ bền, độ dẻo . . . của kim loại,
bằng cách nung nóng kim loại tới nhiệt độ nhất định giữ ở nhiệt độ đó một thời gian, rồi
sau đó làm nguội kim loại theo một chế độ nhất định.
1.2. CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
1.2.1. Cấu tạo của kim loại nguyên chất
Khác với vật liệu phi kim loại có cấu tạo định hình, kim loại có cấu tạo tinh thể. Trong
một đơn vị tinh thể xét ở trạng thái rắn, các nguyên tử kim loại phân bố theo một quy luật
nhất định. Tùy thuộc vào kim loại và các điều kiện bên ngoài, mỗi đơn tinh thể đặc trưng
cho kim loại đó có các nguyên tử sắp xếp theo một trật tự riêng dưới dạng hình học xác
định. Người ta gọi đó là mạng tinh thể.
Nhiều mạng tinh thể sắp xếp thành mạng không gian. Mỗi nút mạng được coi là tâm
của các nguyên tử (hình 1.3). Mạng tinh thể khơng gian đó gọi là đơn tinh thể.
Mỗi mạng tinh thể có đặc trưng riêng. Để phân biệt người ta lấy ra phần không giân
nhỏ nhất của mạng và gọi là ô cơ bản.
Trang 18/82
Sơ đồ sắp xếp các nguyên tử của kim loại
Các kiểu mạng tinh thể thường gặp tương ứng có các ô cơ bản như:
Lập phương thể tâm (hình 1.4a), lập phương diện tâm (hình 1.4b), và lục phương dày
đặc (hình 1.4c). Tùy theo loại ô cơ bản người ta xác định các thơng số mạng. ví dụ trên ơ
lập phương diện tâm có thơng số mạng a = b = c là giá trị đo theo chiều các cạnh của ô cơ
bản. Đơn vị đo bằng A0 (đọc là Angstrong). 1A0 = 10-8cm.
Các ô tinh thể cơ bản
a. Lập phương thể tâm
Trong ơ cơ bản của kiểu mạng này có các nguyên tử nằm ở nút mạng (đỉnh của hình
lập phương), và trung tâm của khối lập phương, Các nguyên tử ở đỉnh không tiếp xúc trực
tiếp với nhau mà tiếp xúc nhau qua các nguyên tử nằm ở trung tâm của hình lập phương.
Các kim loại có kiểu mạng tinh thể này là: Fe , Cr, Vônfram, Môlipđen, Vanadi.
b. Lập phương diện tâm
Trong ô cơ bản kiểu mạng này các nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình lập
phương và các nguyên tử nằm ở trung tâm các mặt bên của hình lập phương.
Các nguyên tử ở đỉnh không tiếp xúc trực tiếp với nhau mà tiếp xúc với nhau qua các
nguyên tử nằm ở trung tâm các mặt bên.
Các kim loại có kiểu mạng này là: Fe, đồng, cơban, niken, chì , bạc.
c. Lục phương dày đặc
Trong ô cơ bản của kiểu mạng này các nguyên tử nằm ở nút mạng của hình lục giác.
Hai nguyên tử nằm ở trung tâm hai mặt đáy và 3 nguyên tử nằm ở trung tâm của 3 khối
lăng trụ tam giác cách đều nhau.
Các kim loại này gồm: kẽm, coban, magiê.
Trang 19/82
Ngồi 3 mạng tinh thể thường gặp trên ta cịn gặp nhiều kiểu mạng như chính phương
thể tâm, nó chỉ khác lập phương thể tâm ở chỗ ô cơ bản có một cạnh khơng bằng hai cạnh
kia.
1.2.2. Sự biến đổi mạng tinh thể của kim loại
Ở trạng thái rắn, khi điều kiện ngoài thay đổi (áp suất, nhiệt độ v.v) tổ chức kim loại
sẽ thay đổi theo. Nghĩa là dạng ô cơ bản thay đổi hoặc thông số mạng có giá trị thay đổi.
Người ta gọi đó là sự biến đổi mạng tinh thể.
Ví dụ, xét sự biến đổi của nguyên tố Fe (hình 1.5). Sơ đồ biểu diễn cho ta thấy ở mỗi
thang nhiệt độ, Fe sẽ có sự thay đổi không chỉ về cấu tạo (ô cơ bản) mà cịn thay đổi cả
tính chất vật lý.
Trên nhiệt độ 1539oC Fe bắt đầu kết tinh và ta có đoạn thẳng nằm ngang đầu tiên sau
khi nguội kim loại tạo thành tổ chức lập phương thể tâm gọi là sắt đenta có thơng số mạng
là 2,93 Ao.
Tổ chức tinh thể này giữ đến nhiệt độ 1392oC sau đó có tổ chức là gama có dạng lập
phương diện tâm với thơng số mạng là: 3,26 Ao.
Dưới nhiệt độ 911oC, tổ chức là sắt gama Fe không bền vững và chuyển thành sắt
bêta (Fe) hoặc sắt anpha khơng từ tính có tổ chức mạng lập phương diện tâm với thông số
mạng 2,9 Ao
Dưới nhiệt độ 768oC sắt bêta chuyển thành sắt anpha có từ tính. Mạng tinh thể của
sắt anpha(Fe) và Fe khác nhau ở thông số mạng.
Trang 20/82
