Giáo trình vật liệu cơ khí (nghề hàn cao đẳng) trường cao đẳng nghề xây dựng (chương trình năm 2019)

BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ XÂY DỰNG

GIÁO TRÌNH
MƠ ĐUN/MƠN HỌC: VẬT LIỆU CƠ KHÍ
NGÀNH/NGHỀ: HÀN
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
(Ban hành kèm theo quyết định số: …. /QĐ … ngày … tháng … năm …
của Hiệu trưởng)

Quảng Ninh, năm 2019



TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN

Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nội bộ 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.

1


LỜI GIỚI THIỆU
Trong thời kỳ cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa của nước ta nói chung và của
Trường Cao đẳng nghề Xây dựng nói riêng. Cơng tác đào tạo nguồn nhân lực
cho xã hội có vai trị hết sức quan trọng, là yếu tố cơ bản để phát triển xã hội,
tăng trưởng nhanh và bền vững.
Quán triệt chủ trương nghị quyết của Tỉnh, Đảng bộ Trường Cao đẳng nghề

Xây dựng về phát triển nguồn nhân lực đáp ứng kịp thời nguồn nhân lực cho
cơng cuộc cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa và nhận thức đúng đắn về tầm quan
trọng của chương trình, giáo trình đối với việc nâng cao chất lượng đào tạo:
Mơn học vật liệu cơ khí là một mơn học có rất nhiều thơng tin về lý thuyết , và
mang tính ứng dụng rất cao trong thực tiễn
Giáo trình này là tài liệu giảng dạy và học tập cho giáo viên và học sinh ngành
cơ khí của Trường Cao đẳng nghề Xây dựng
Giáo trình được biên soạn theo đề cương môn học. Nội dung biên soạn theo
tinh thần ngắn gọn, dễ hiểu, các kiến thức trong chương trình có mối liên hệ chặt
chẽ. Khi biên soạn giáo trình tác giả đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới,
phù hợp với đối tượng học sinh cũng như cố gắng, gắn những nội dung lý thuyết
với những vấn đề thực tế thường gặp trong sản xuất, đời sống để giáo trình có
tính thực tiễn. Giáo trình được thiết kế theo môn học thuộc hệ thống môn học cơ
sở của chương trình đào tạo nghề Hàn, trình độ Cao đẳng, trình độ Trung cấp và
được dùng làm giáo trình cho học sinh trong các khóa đào tạo. Ngồi ra giáo
trình cũng có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo để đào tạo ngắn hạn hoặc
cho các công nhân kỹ thuật các nhà quản lý và người sử dụng nhân lực.
Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo,
đề cương chương trình nhưng do biên soạn lần đầu, thiếu sót là khó tránh. Rất
mong nhận được sự nhận xét, đóng góp ý kiến của q thầy, cơ giáo và bạn đọc
để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hồn thiện hơn.

2


CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC
Tên mơn học: VẬT LIỆU CƠ KHÍ

Mã mơn học: MH08
I. Vị trí, tính chất mơn học:

- Vị trí của mơn học: Mơn học Vật liệu cơ khí thuộc mơn học kỹ thuật cơ sở
ngành.
- Tính chất mơn học: Là môn học lý thuyết cơ sở bắt buộc.
II. Mục tiêu mơn học:
- Kiến thức:
+ Trình bày được các ký hiệu và thành phần hoá học của các loại vật liệu. Thép
các bon, thép hợp kim, gang, kim loại và hợp kim màu.
+ Giải thích đúng các ký hiệu vật liệu ghi trên bản vẽ chi tiết.
- Kỹ năng:
+ Lựa chọn đúng phương pháp và khoảng nhiệt độ nhiệt luyện cho các loại vật
liệu khác nhau.
+ Lựa chọn và sử dụng được các thiết bị đo cơ tính vật liệu.
+ Chọn đúng vật liệu cho kết cấu khi biết yêu cầu sử dụng chúng trong thực tế.
- Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Tinh thần trách nhiệm, tư duy sáng tạo trong
thực tế sản xuất, đảm bảo an tồn lao động và vệ sinh cơng nghiệp.

3


Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
* Mục tiêu
- Hiểu được tầm quan trọng của kim loại và hợp kim
- Nêu được tính chất chung của kim loại và hợp kim
- Nhận biết, phân biệt được kim loại và hợp kim.
- Rèn luyện tính tích cực, tư duy, sáng tạo trong học tập
* Nội dung chương: Những khái niệm cơ bản về kim loại và hợp kim
1. Tầm quan trọng của kim loại và hợp kim
Để xây dựng và phát triển nền kinh tế quốc dân vững mạnh cần phải phát
triển công nghiệp nặng , trong đó ngành chế tạo cơ khí là quan trọng nhất .
- Để chế tao các loại máy móc thiết bị cơ khí phải có vật liệu , trong đó kim loại

là vật liêu chủ yếu . Sở dĩ kim loại là vật liệu được sử dụng chủ yếu của ngành
chế tạo cơ khí bởi nó có nhiều tính chất và ưu điểm quan trọng , ưu việt hơn hẳn
so với các loại vật liệu khác .
- Ngày nay , ngành công nghiệp vật liệu phát triển mạnh mẽ với nhiều loại vật
liệu khác nhau như : Gỗ , thuỷ tinh , chất dẻo , ... Với các tính năng ngày càng
tốt và sản lượng ngày càng cao , nhưng vẫn khơng thay thế hồn tồn được cho
kim loại và hợp kim .
- Do đó , bên cạnh việc nghiên cứu thay thế các kim loại và hợp kim bằng các
vật liệu phi kim loại có tính năng thích ứng , người ta vẫn tiếp tục nghiên cứu
để tìm ra những kim loại và hợp kim có những tính năng ưu việt như : Nhẹ , bền
, chịu ăn mòn , chịu nhiệt , chịu va đập , ...
* Việc nghiên cứu và sản xuất các loại gang , thép vẫn là trọng tâm của cơng
nghiệp vật liệu nói riêng và của nền kinh tế quốc dân nói chung đối với tất cả
các nước có nền cơng nghiệp phát triển .
2. Cấu tạo kim loại và hợp kim
Khái niệm về kim loại: Kim loại là vật liệu sáng dẻo có thể rèn được, có tính
dẫn điện, dẫn nhiệt cao. Phương diện hóa học kim loại là nguyên tố dễ nhường
điện tử trong các phản ứng hóa học
2.1. Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại
- Trong kim loại các kim loại được sắp xếp một cách trật tự tuần hồn trong
khơng gian .

4


- Các nguyên tử trong kim loại được sắp xếp một cách có trật tự các nguyên tử
đều nằm trên mặt phẳng song song cách đều gọi là mặt tinh thể , tập hợp vô số
những mặt tinh thể như thế nó lập thành mạng tinh thể .
- Tồn bộ mạng khơng gian có thể xem như được tạo thành những hình khối nhỏ
nhất đơn giản giống nhau mà cách sắp xếp các phân tử là đại diện chung cho

toàn mạng những ô như vậy gọi là ô cơ bản .

Hình 1.1. Cấu tạo mạng tinh thể

2.2. Các kiểu mạng tinh thể thường gặp
a. Mạng lập phương thể tâm

a

Trong các ô cơ bản kiểu mạng này có các
nguyên tử nằm ở các nút (đỉnh) của hình lập phương
và ở giữa mỗi hình lập phương có một ngun tử .
- Khoảng cách a giữa tâm các nguyên tử kề
nhau của ô cơ bản mạng tinh thể, gọi là thông số
mạng. Độ lớn đo bằng A ( Ángtrong ) 1A = 10 cm .
- Các kim loại có kiểu mạng này: Fe, Cr, Mo, W, ...

b.
Hình 1.2. Lập phương thể tâm
b. Mạng lập phương diện tâm

a
a
a

5


- Các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và giữa (tâm) các mặt của hình lập
phương.

- Trong mạng tinh thể gồm 14 nguyên tử trong đó 8 nguyên tử nằm ở nút mạng,
6 nguyên tử nằm ở giữa các mặt.
- Số nguyên tử trong ô cơ bản riêng biệt: 8 + 6 = 14
Các kim loại: Feγ, Cu, Ni, Al, Pb… có kiểu mạng lập phương diện tâm.
c. Mạng lục phương dày đặc

c

a

Hình 1.4. Mạng lục giác xếp chặt

Bao gồm 12 nguyên tử nằm ở các đỉnh, 2 nguyên tử nằm ở giữa 2 mặt
đáycủa hình lăng trụ lục giác và 3 nguyên tử nằm ở khối trung tâủ khối lăng trụ
tam giác cách nhau.
Khối cơ bản kiểu mạng này như gồm bởi 3 lớp nguyên tử xếp sít nhau, các ngtử
lớp đáy dưới xếp sít nhau rồi đến 3 ngtử ở giữa xếp vào khe lõm của lớp đáy do
đó chúng cũng xếp sít nhau, các ngtử lớp đáy trên lại xếp vào các khe lõm của
lớp giữa nhưng có vị trí trùng với vị trí lớp đáy dưới
- Số nguyên tử trong ô cơ bản riêng biệt: 2.6 + 2 + 3 = 17
- Số nguyên tử của ô cơ bản trong mạng tinh thể: 12.1/6 + 2.1/2 + 3 = 6
- Các kim loại có kiểu mạng này là: Be, Mg, Ti, Co...
2.3. Hợp kim
a. Định nghĩa
Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy hay thiêu kết (luyện tinh bột) của 2 hay
nhiều nguyên tố mà nguyên tố chủ yếu là kim loại để được vật liệu mới có tính
kim loại.
Ví dụ:
- Thép, gang là hợp kim của Sắt, Các bon và một số nguyên tố khác
- Đồng thau là hợp kim của Đồng và Kẽm.

6


b. Các đặc tính của hợp kim
Sở dĩ hợp kim được sử dụng rộng rãi trong chế tạo cơ khí là vì nhiều mặt nó có
ưu việt hơn kim loại ngun chất.
- Hợp kim có cơ tính cao hơn kim loại ngun chất: Vật liệu chế tạo cơ khí phải
có cơ tính cao, về phương diện này là hợp kim hơn hẳn kim loại nguyên chất.
Kim loại nguyên chất có độ bền, độ cứng thấp, khơng thích hợp để chế tạo các
chi tiết máy. Cịn hợp kim nói chung có độ bền, độ cứng cao hơn, ít bị mài mịn,
có thời gian sử dụng dài hơn. Đặc biệt một số hợp kim có những tính chất q
như: Độ bền rất cao, tính cứng nóng cao, chống ăn mịn…
- Hợp kim có tính cơng nghệ tốt: Có cơ tính tốt chưa đủ, để chế tạo thành các chi
tiết, bộ phận máy cịn phải có tính cơng nghệ tốt. Kim loại ngun chất có tính
dẻo cao dễ biến dạng dẻo (kéo sợi, cán thành tấm, lá…) nhưng tính đúc, gia
cơng cắt gọt kém. Tùy theo các thành phần hợp kim khác nhau có thể có tính
đúc tốt, tính gia cơng cắt gọt cao và có khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện…
- Tính kinh tế cao: Về mặt kỹ thuật luyện kim, chế tạo hợp kim thông thường dễ
nấu hơn kim loại nguyên chất. Với kỹ thuật hiện đại, việc luyện kim loại ngun
chất vẫn cịn gặp nhiều khó khăn do phải khử bỏ triệt để các tạp chất. Vì vậy sử
dụng hợp kim trong chế tạo cơ khí là kinh tế hơn.
3. Tính chất chung của kim loại và hợp kim
3.1. Tính chất vật lý
a. Vẻ sáng mặt ngồi: Chia ra làm 2 loại: Kim loại màu và kim loại đen
- Kim loại màu và hợp kim đen: Là Fe và hợp kim của Fe với C (thép, gang ).
- Kim loại màu và hợp kim màu: Là tất cả các kim loại và hợp kim còn lại.
b. Khối lượng riêng: Là số đo khối lượng vật chất chứa trong một đơn vị thể tích
của vật thể
γ=

m
(Kg/m 3 )
V

Trong đó:

m - Khối lượng của vật thể ( Kg )
V - Thể tích của vật thể ( m3 )
c. Trọng lượng riêng: Là trọng lượng của một đơn vị thể tích của vật thể.
d=

P
( KG/mm3 hoặc N/mm3 )
V

Trong đó: P - Trọng lượng của vật ( KG, 1KG ~ 10N )
d. Tính nóng chảy: Là tính chất của kim loại sẽ chảy lỗng khi nung nóng và
khi làm nguội.
e.Tính dẫn điện: Là khả năng dẫn điện của kim loại và hợp kim
f. Tính truyền nhiệt: Là khả năng truyền nhiệt của kim loại và hợp kim khi đốt
nóng và khi làn nguội.
7


g. Tính nhiệt nung: Là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của kim loại
lên 10C.
3.2. Tính chất hóa học
a. Khái niệm: Tính chất hố học là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại
tác dụng hóa học của mơi trường xung quanh.
b. Các đặc trưng:

Tính chất hóa học của kim loại và hợp kim biểu hiện ở hai dạng chủ yếu sau:
- Tính chống ăn mòn: Là khả năng chống lại sự ăn mòn của H2O và O2 của
khơng khí ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao .
- Tính chịu axít: Là khả năng chống lại tác dụng của mơi trường axít.
3.3. Tính cơ học
a.Khái niệm: Tính cơ học của kim loại hay cịn gọi là cơ tính là khả năng chống
lại tác dung của lực bên ngoài lên kim loại.
b.Các đặc trưng cơ bản của cơ tính:
- Độ dẻo: Là khả năng thay đổi được hình dáng của kim loại và hợp kim mà
không bị phá huỷ dưới tác dụng của ngoại lực.
- Đô bền: Là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại sự phá huỷ khi có
ngoại lực tác dụng.
- Độ cứng: Là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại sự biến dạng dẻo cục
bộ của kim loại và hợp kim dưới tác dụng của tải trọng bên ngồi tại chổ ta ấn
vào đó một vật cứng hơn.
- Độ đàn hồi: Là khả năng của kim loại và hợp kim có thể trở lại hình dáng hoặc
trạng thái ban đầu sau khi bỏ lực tác dụng.
3.4. Tính cơng nghệ
a. Khái niệm: Tính cơng nghệ của kim loại và hợp kim là khả năng mà chúng có
thể thực hiện được các phương pháp công nghệ để sản xuất các sản phẩm khác
nhau.
b. Các đặc trưng: Tính đúc, tính hàn, tính gia cơng cắt gọt, gia cơng áp lực, tính
nhiệt luyện.
Một kim loại hay hợp kim nào đó mặc dù có những tính chất rất quan trọng
nhưng tính cơng nghệ kém thì cũng rất khó được sử dụng rộng rãi vì khó chế tạo
thành phẩm.
Cơ tính của kim loại và hợp kim có thể xác định được bằng cách thí nghiệm các
mẫu vật trên các thiết bị chuyên dùng như: Máy thử kéo nén, máy thử độ cứng.
4. Hợp kim và biến đổi tổ chức
4.1. Cấu trúc tinh thể của hợp kim

- Hợp kim là vật thể có chứa nhiều nguyên tố và mang tính chất kim loại.
Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim loại.
8