Bài Giảng Vật Liệu Cơ Khí
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.82 MB, 60 trang )
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
Dự thảo:
Chương trình MĐ09: VẬT LIỆU CƠ KHÍ
Nghề : HÀN
Thời lượng: 45 TIẾT
I/ Vị trí, Tính chất của môn học:
- Môđun được bố trí sau khi hoàn thành các môn học chung, trước các môn học/mô
đun đào tạo chuyên môn nghề.
- Là môn cơ sở bắt buột.
II/ Mục tiêu môn học: hoàn thành môn học, học sinh có khả năng:
- Trình bày được đặc điểm, tính chất, ký hiệu và phạm vi ứng dụng của một số loại
vật liệu thường dùng: Gang, Thép cacbon, Thép hợp kim, các kim loại màu hợp kim
màu, các loại vật liệu phi kim loại.
- Trình bày được một số khái niệm cần thiết về nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện.
- Hiểu được nguyên lý thực hiện cơ bản của các phương pháp gia công cơ khí.
- Nhận biết được vật liệu qua màu sắc, tỷ trọng, độ nhám mịn, âm thanh khi gõ, đập
búa, xem tia lửa khi mài.
- Có thể tự mua các loại vật liệu theo yêu cầu.
III/ Nội dung chi tiết và phân phối thời gian:
Mục
Nội dung
Tổng số
Thời gian (tiết)
LT TH KT
PHẦN I: VẬT LIỆU CƠ KHÍ
Mở đầu
Tầm quan trọng của kim loại và hợp kim
Chương 1 Những khái niệm cơ bản về kim loại và hợp kim
Bài 1
Cấu tạo của kim loại, hợp kim
1
Khái niệm, đặc điểm, phân loại và cấu tạo của kim loại
2
Khái niệm, đặc điểm, phân loại và cấu tạo của hợp kim
Bài 2
Tính chất chung của kim loại, hợp kim
1
Cơ tính
2
Lý tính
3
Hóa tính
4
Tính công nghệ.
5
Hiện tượng biến cứng bề mặt kim loại & hợp kim
Chương 2 Hợp kim Sắt-Cacbon
Bài 1
Khái niệm chung
Bài 2
Giản đồ trạng thái Sắt-Cácbon
1
Khái niệm, ý nghĩa của giản đồ
2
Xây dựng giản đồ.
Bài 3
Tổng quan quá trình sản xuất gang, thép
GV soạn: Hà Minh Tuân
-1-
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài 4
1
2
Bài 5
1
2
Bài 6
Chương 3
Bài 1
Bài 2
Bài 3
Chương 4
Bài 1
Bài 2
Bài 3
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
Gang
Khái niệm, tính chất
Phân loại.
Thép Cacbon
Khái niệm, tính chất
Phân loại.
Thép hợp kim và hợp kim cứng.
Kim loại màu và Hợp kim màu
Nhôm và Hợp kim Nhôm
Đồng và Hợp kim Đồng
Các kim loại và Hợp kim màu khác
Váût liãûu phi kim loaûi
Chất dẻo, Cao su
Gỗ, Dầu nhờn mỡ bôi trơn
Compozit.
Ôn tập-Kiểm tra
PHẦN II: NHIỆT LUYỆN VÀ HÓA NHIỆT LUYỆN
Chương 1 Nhiệt luyện
Bài 1
Khái niệm, ý nghĩa của Nhiệt luyện
Bài 2
Các phương pháp nhiệt luyện
Bài 3
Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện.
Chương 2 Hóa nhiệt luyện và Xử lý bảo vệ bề mặt kim loại
Bài 1
Khái niệm, ý nghĩa của Hóa nhiệt luyện
Bài 2
Các phương pháp hóa nhiệt luyện
Bài 3
Các phương pháp xử lý bảo vệ bề mặt kim loại.
Ôn tập-Kiểm tra
Ôn tập-Kiểm tra Kết thúc môn
45
Tổng cộng
33 4
KHOA CƠ KHÍ - XÂY DỰNG
GIÁO VIÊN SOẠN
8
HÀ MINH TUÂN
GIỚI THIỆU
GV soạn: Hà Minh Tuân
-2-
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
I/ Tài liệu học tập:
1. Vật liêu học – Bộ môn kỹ thuật vật liệu – ĐHKTCN 1993;
2. Thí nghiệm kim loại học và nhiệt luyện – Bm KTVL –
ĐHKTCN 1974.
II/ Tài liệu tham khảo:
1. Vật liệu học – Lê Công Dưỡng – NXB KHKT Hà Nội
1997;
2. Kim loại học và nhiệt luyện – Nghiêm Hùng –Hà Nội
1979;
3. Sách tra cứu thép, gang thông dụng – Nghiêm Hùng –
ĐHBK HN 1999;
4. Công nghệ nhiệt luyện – Phạm Minh Phương, Tạ văn
Thất – NXB GD 2000.
Phần I: VẬT LIỆU CƠ KHÍ
Chương I:
GV soạn: Hà Minh Tuân
NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN & TÍNH
-3-
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI - HỢP KIM
Bài 1: TẦM QUAN TRỌNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
Trong lịch sử phát triển của xã hội loại người, chúng ta đã sử dụng rất nhiều loại vật
liệu khác nhau, với tính năng sử dụng của chúng ngày càng cao hơn. Đầu tiên là thời đại
đồ đá, đến thời kỳ đồ đồng, đồ đá… Cho đến ngày nay là một loạt các loại vật liệu mới:
composit, polyme… Các loại vật liệu này (đặc biệt là kim loại, hợp kim và các loại vật liệu
mới) đã góp phần thúc đẩy sự phát triển của xã hội loài người một cách nhanh chóng.
Đến nay người ta đã tìm ra trên 100 nguyên tố hóa học, trong đó khoảng ¾ là
nguyên tố kim loại, còn lại là phi kim. Từ nguyên tố kim loại cơ bản đó, người ta có thể
nấu luyện ra hàng ngàn loại hợp kim khác nhau. Trong vỏ trái đất kim loại có nhiều nhất là
nhôm: 7%, sắt: 5%.
- Các kim loại (sắt (Fe), đồng (Cu), nhôm (Al), chì (Pb), thiết (Sn), kẽm (Zn), ...) và hợp
kim (gang, thép, hợp kim đồng, hợp kim nhôm...); từ lâu đã được sử dụng rất rộng rãi
trong các ngành kinh tế quốc dân, trong Quốc phòng cũng như trong cuộc sống hàng ngày
của con người. Kim loại và hợp kim đã và đang đóng vai trò rất quan trọng trong sự phát
triển của xã hội loài người. Kim loại và hợp kim đáp ứng được những yêu cầu rất đa dạng
của các ngành công nghiệp. Vì vậy kim loại và hợp kim là các loại vật liệu chủ yếu và
quan trọng nhất đối với ngành công nghiệp hiện đại.
- Một trong những chỉ tiêu để đành giá sự phát triển của một Quốc gia là khối lượng kim
loại và hợp kim được sản xuất và sử dụng trong một năm. Đồng thời để xây dựng và phát
triển nền kinh tế Quốc dân vững mạnh, việc phát triển nền kinh tế công nghiệp nặng không
thể không được tính đến, trong đó việc chế tạo các sản phẩm cơ khí là nhiệm vụ then chốt.
Để có được các sản phẩm cơ khi thì phải có vật liệu mà kim loại và hợp kim là những vật
liệu quan trọng nhất.
- Hàng năm ngành công nghiệp chế tạo các sản phẩm cơ khí sử dụng một khối lượng rất
lớn kim loại và hợp kim. Để lựa chọn đúng các loại vật liệu thích hợp , thảo mãn các yêu
cầu về kỹ thuật và tính kinh tế phục vụ cho việc chế tạo ra các chi tiết thì người công nhân,
người cán bộ kỹ thuật cơ khí phải có kiến thức đầy đủ về các loại kim loại và hợp kim.
Bài 02: CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
GV soạn: Hà Minh Tuân
-4-
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Menđêleep có hơn 100 nguyên tố hóa học,
trong đó khoảng ¾ là nguyên tố kim loại, còn lại là phi kim. Trong bài này chúng ta
nghiên cứu cấu trúc của mạng tinh thể, sự sắp xếp các nguyên tử và mật độ của chúng
cũng như khoảng cách giữa các mặt tinh thể.
I/ Kim loại:
1) Khái niệm, đặc điểm và phân loại kim loại:
1.1. Định nghĩa: kim loại là vật thể sang, dẻo, có tính ánh kim, có tính dẫn điện và dẫn
nhiệt cao.
Bất cứ kim loại nào có bề mặt chưa bị ôxy hóa đều có vẽ lấp lánh sang mà ta thường gọi
là ánh kim. Hầu hết các kim loại đều dẻo, có thể kéo sợi, dát mỏng dễ dàng. Tuy vậy
không phải vật liệu nào cũng có thể thỏa mãn những tính chất trên.
Ví dụ: - Stibi (Sb) rất dòn không thể rèn được.
- Pradeodim (Pr) dẫn điện rất kém.
* Kim loại là vật thể có hệ số nhiệt điện trở dương (+: khi nhiệt độ tăng thì điện trở
tăng).
* Phi kim có hệ số điện trở âm (-: khi nhiệt độ tăng thì điện trở giảm).
1.2. Đặc điểm của kim loại theo lý thuyết cổ điển:
- Kim loại có tính ánh kim là khi có ánh sang chiếu vào thì điện trở sẽ hấp thụ năng
lượng. Do đó nó có năng lượng cao hơn, bị kích thích và nhảy lên mức năng lượng trên.
Tại mức năng lượng này là không ổn định do đó điện tử chỉ tồn tại một thời gian rất ngắn
và sau đó trở về mức năng lượng củ. Khi đó chúng thải bớt năng lượng dưới dạng bức xạ
và làm cho kim loại có vẽ lấp lánh sang.
- Tính dẫn điện và dẫn nhiệt cũng có thể giải thích tương tự. Còn tính dẻo có thể giải
thích dựa vào liên kết kim loại.
1.3. Phân loại kim loại: trong thực tế tồn tại rất nhiều phương pháp phân loại kim loại,
dưới đây là một số phương pháp thường được áp dụng.
a. Theo khối lượng riêng: được chia thành kim loại nặng và kim loại nhẹ:
GV soạn: Hà Minh Tuân
-5-
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
° Kim loại nặng là các kim loại có khối lượng riêng > 5 g/cm3.
Ví dụ: Sắt : γ = 7,8 g/cm3 ; vàng: γ = 19,5 g/cm3 ; thủy ngân: γ = 13,1 g/cm3
° Kim loại nhẹ là các kim loại có khối lượng riêng < 5 g/cm3
Ví dụ: nhôm: γ = 2,7 g/cm3 ; Titan: γ = 4,5 g/cm3 ; Mangan: γ = 1,73 g/cm3
b. Theo nhiệt độ nóng chảy: được chia thành 2 nhóm.
° Kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao:
Ví dụ: Sắt (1539oC); Titan (1668oC); Vonfram (3410oC); Đồng (1085oC)
° Kim loại có nhiệt độ thấp:
Ví dụ: Nhôm (327oC); Chì (657oC); Stibi (631oC).
c. Theo tính chất hoạt động:
° Kim loại kiềm: Natri; Kali; Liti…
° Kim loại chuyển tiếp: Sắt; Vanadi; Crôm; Mangan…
2) Cấu tạo của kim loại:
2.1. Cấu tạo nguyên tử của kim loại: Vật chất do các nguyên tử tạo thành, mổi vật chất là
một hệ thống phứt tạp gồm:
- Hạt nhân (+): ở giữa có Prôton và Nơtron mang điện tích dương.
- Các hạt điện tử mang điện tích âm quay chung quanh hạt nhân.
* Liên kết kim loại:
Hình 1-2: Liên kết kim loại
Hình 1-3: Cấu tạo mạng tinh thể
Số electron hóa trị ở lớp ngoài cùng rất ít, chỉ có từ 1 đến 2 electron nên dễ bứt đi tạo
thành tự do, còn nguyên tử trở thành Ion dương. Hoạt động của electron tự do quyết định
nhiều đến tính chất đăc trưng của kim loại như: tính dẻo, tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt, ánh
kim…
Trong kim loại có vô số nguyên tử nên có vô số điện tử tự do, nên nó có sự trao đổi về
lực hút giữa nguyên tử này vứi nguyên tử khác làm cho kim loại có tính liên kết tạo nên độ
dẻo cao.
2.2. Mạng tinh thể của kim loại:
a. Định nghĩa: mạng tinh thể là mô hình không gian mô tả quy luật hình học của sự sắp
xếp các chất điểm trong vật tinh thể. Và mạng tinh thể có 3 phần:
GV soạn: Hà Minh Tuân
-6-
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
(a)
(b)
Kiểu mạng này nếu xét trên một ô cơ bản nguyên tử thì
gồm có 8 nguyên tử nằm ở 8 đỉnh của hình lập phương và
1 nguyên tử nằm ở giữa.
Ký hiệu:
•
Các kim loại có kiểu mạng này: Fe -α, Crôm (Cr),
Vônfram (W), Môlipden (Mo), Vanadi (V)… và thường ở
các kim loại kiềm.
Thông số mạng: a = 2,90 Å (có 1 thông số mạng)
a
Hình 1-3
- Mặt tinh thể: là mặt chứa các chất điểm, mặt này luôn luôn song song và cách đều
nhau (hình 1-3a).
- Khối cơ bản: là những hình khối đơn giản nếu xếp liên tiếp theo không gian 3
chiều, nó có cách sắp xếp chất điểm đại diện chung cho mạng tinh thể (hình 1-3b).
- Thông số mạng: là khoảng cách giữa hai tâm của các chất điểm kề nhau. Từ thông
số mạng ta có thể tính ra khoảng cách bất kỳ trong mạng.
Đơn vị đo của thông số mạng là Ăngstron (Å) hoặc Kilôichxi (Kx).
1 Å = 10-8cm ;
1 Kx = 1,00,202 Å
b. Các mạng tinh thể thường gặp:
• Mạng lập phương thể tâm:
a
a
Ô cơcósở12gồm
có 8tử nguyên
tử nằm
ở 8 hình
đỉnh lục
và giác,
6 2
Gồm
nguyên
nằm ở các
đỉnh của
nguyên
mặt2của
nguyên tử
tử nằm
nằm ởở 6giữa
mặthình
đáy lập
và 3phương.
nguyên tử nằm ở trung
Ký
hiệu:
tâm của khối lăng trụ cách đều nhau.
Cáckim
kimloại
loại
kiểu
mạng
là:Beri
Fe γ,(Be),
Đồng
(Cu),(Mg)
Các
có có
kiểu
mạng
nàynày
gồm:
Magiê
Niken
(Ni),Titan
Nhôm
(Al),
Chì (Pb)…
Kẽm (Zn),
(Ti),
Coban
(Co)…
Thông
số
mạng:
a
=
2,90
Å
Ký hiệu:
Thônglục
sốphương
mạng: dày đặt:
• Mạng
- Trong trường hợp lý tưởng:
a
• Mạng lập phương diện tâm:
a
a
c
8
=
= 1,63 Å.
a
3
- Trong thực tế tỉ số đó không đúng mà dao động từ:
GV soạn: Hà Minh Tuân
c
= 1,57 ÷ 1,64 Å
a
-7-
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
c
Trường: TCN Nam Quảng Nam
a
* Quy tắt: khối tinh thể nào có nhiều nguyên tử thì khối ấy có độ bền cao.
3) Tính thù hình của kim loại: là khả năng kim loại có thể thay đổi được kiểu mạng tinh
thể khi điều kiện ngoài thay đổi (áp suất, nhiệt độ…) gọi là tính thù hình. Nghĩa là dạng ô
cơ bản thay đổi hoặc thong số mạng có giá trị thay đổi.
- Kim loại có tính thù hình gồm: Sắt, Thiết (Sn), Ti, Co
- Al, Cu: không có tính thù hình. o T
( C)
Không có
1539o
1392o
911o
Từ tính
Ví dụ: Xét sự thay đổi của nguyên tố
sắt. Theo sơ đồ biểu diễn cho ta thấy
với mổi thang nhiệt độ, sắ có sư thay
đổi không chỉ về cấu tạo (ô cơ bản)
mà còn thay đổi cả tính chất vật lý.
+ To = 0 ÷ 768oC
ký hiệu là: α
o
o
+ T = 768 ÷ 911 C ký hiệu là: β
+ To = 911 ÷ 1392oC ký hiệu là: γ
+ To = 1392 ÷ 1539 ký hiệu là: δ
768o
t
II/ Hợp kim:
1) Khái niệm: hợp kim là vật thể có chứa nhiều nguyên tố, có thể chứa cả kim loại và phi
kim nhưng chủ yếu là kim loại. Hợp kim cũng có ánh kim, dẫn điện, dẫn nhiệt, dẻo…. Hợp
kim được tạo ra bằng phương pháp nấu chảy là chủ yếu và còn được tạo bởi phương pháp
luyện tinh bột.
Các hợp kim thường gặp là: thép, gang, đồng thau, đồng thanh…
GV soạn: Hà Minh Tuân
-8-
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
- Thép, gang: là hợp kim của sắt – cacbon (Fe-C) và một số nguyên tố khác.
- Đồng thau (Latông): là hợp kim của đồng và kẽm.
Thành phần nguyên tố trong hợp kim được biểu thị theo phần trăm khối lượng của mỗi
nguyên tố. Tổng các thành phần trong hợp kim luôn bằng 100%. Đôi khi người ta còn
dung tỉ lệ phần trăm nguyên tử.
2) Cấu tạo của hợp kim: giống như kim loại, hợp kim cũng có cấu tạo tinh thể. Hợp kim
thường được cấu tạo từ các loại tinh thể sau:
Hình 1-4: Hỗn hợp cơ học (a) và dung dịch rắn (b).
2.1. Tinh thể hỗn hợp: gồm những tinh thể của các đơn chất trong hỗn hợp ban đầu, khi
nóng chảy chúng không hòa tan vào nhau.
Khi hai nguyên tố không có khả năng hòa tan vào nhau và không liên kết được với nhau
thì khi đông đặc nguyên tử của cùng một nguyên tố liên kết với nhau tạo thành mạng tinh
thể của nguyên tố đó đồng thời tạo thành hỗn hợp của hai hay nhiều nguyên tố.
2.2. Tinh thể của dung dịch rắn: là những tinh thể được tạo ra sau khi nóng chảy, các đơn
chất trong hỗn hợp tan vào nhau.
Nói cách khác: các pha tinh thể (có thành phần thay đổi) trong đó, các nguyên tử của
nguyên tố thứ nhất (A) vẫn được giữ nguyên kiểu mạng khi nguyên tố thứ hai (B) được
phân bố vào mạng của (A) thay thế hoặc xen kẽ.
a. Dung dịch đặc thay thế: là nguyên tử của nguyên tố hào tan (B) thay thế nguyên tử của
nguyên tố dung môi (A) thì ta có dung dịch đặc thay thế.
GV soạn: Hà Minh Tuân
-9-
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
Ví dụ: Cu + Ni: một số nguyên tử Ni sẽ đẩy một số nguyên tử của nguyên tố Cu ra khỏi
nút mạng và thay thế vào đó.
b. Dung dịch xen kẽ: các nguyên tử của nguyên tố hòa tan (B) nằm ở các lỗ hổng trong
mạng tinh thể của nguyên tố dung môi (A).
Ví dụ: Ôxi, cacbon có thể xen ké vào trong nút mạng của nguyên tố sắt.
2.3. Tinh thể của hợp chất hóa học: là các tinh thể được tạo ra khi nung nóng chảy các
đơn chất trong hỗn hợp. Tỉ lệ nguyên tử của các nguyên tố luôn tuân theo quy tắc hóa trị.
Ví dụ:
Fe3C = 3Fe + C
2Al2O3 = 4Al + 3O2
3) Tính chất của hợp kim:
Trong kỹ thuật, đặc biệt là trong chế tạo cơ khí người ta không dùng kim loại
nguyên chất mà người ta dùng tổ hợp của kim loại và các chất khác. Tổ hợp các chất này
bằng cách nấu chảy rồi pha trộn với nhau theo tỉ lệ đã định, sau đó đem đúc thành sản
phẩm. Tổ hợp đó gọi là hợp kim. Hợp kim có tính chất khác hẳn mà kim loại nguyên chất
không thể có được.
3.1. Hợp kim có cơ tính cao hơn kim loại nguyên chất: Vật liệu dung để chế tạo cơ khí
đòi hỏi phải có cơ tính cao, về phương diện này hợp kim hơn hẳn kim loại nguyên chất.
Kim loại nguyên chất có độ bền, độ cứng thấp, không thích hợp để chế tạo các chi tiết
máy. Còn hợp kim nói chung có độ bền, độ cứng cao hơn, nên chi tiết làm ra chịu tải cao
hơn, ít bị mài mòn và có thời gian sử dụng dài hơn. Tính dẻo, dai của hợp kim tuy thấp
hơn so với kim loại nguyên chất nhưng vẫn nằm trong giới hạn thỏa mãn các yêu cầu của
chế tạo cơ khí. Đặc biệt một số hợp kim có những tính chất quý như: độ bền rất cao, tính
cứng nóng cao, chống ăn mòn tốt, chịu ma sát tốt …
3.2. Hợp kim có tính công nghệ tốt: Một vật liệu chỉ có cơ tính tốt thì vẫn chưa đủ, mà để
chế tạo thành một chi tiết mày, bộ phận máy, còn phải có tính công nghệ tốt. Kim loại
nguyên chất có tính dẻo cao nên dể biến dạng dẻo (kéo sợi, cán thành tấm, thánh lá…)
nhưng có tính đúc và tính gia công cắt gọt kém. Tùy theo thành phần các hợp kim khác
nhau có thể có tính đúc tốt, tính gia công cắt gọt cao và có khả năng hóa bền bằng nhiệt
luyện… Hợp kim có tính công nghệ tốt là hợp kim phải: dễ đúc, dễ gia công áp lực, dễ
hàn, dễ gia công cắt gọt…
3.3. Tính kinh tế: Về mặt kỹ thuật luyện kim, chế tạo hợp kim thông thường dễ hơn chế
tạo kim loại nguyên chất. Với kỹ thuật hiện đại, việc luyện kim loại nguyên chất vẫn còn
gặp rất nhiều khó khăn do phải khử bỏ triệt để các tạp chất. Vì vậy sử dụng hợp kim trong
chế tạo máy có tính kinh tế cao hơn.
Bài 3: TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
GV soạn: Hà Minh Tuân
- 10 -
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
I/ Tính chất vật lý (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 không thay đổi. Lý tính bao gồm:
1) Khối lượng riêng: là khối lượng của một m3 vật chất chứa trong một đơn vị thể tích của
vật thể.
m
γ=v
(kg/m3)
Trong đó:
m: khối lượng riêng của vật chất (kg).
V: thể tích của vật chất (m3).
Ứng dụng của khối lượng riêng rất rộng rãi trong kỹ thuật. Như với những chi tiết rất
lớn, khó có thể cân khối lượng riêng của nó nhưng giựa vào γ và công thức của nó mà ta
có thể tính ra thể tích nên có thể không cần cân.
2) Trọng lượng riêng: là trọng lượng của một đơn vị thể tích của vật thể.
d=
P
(N/mm3)
v
Trong đó:
P: trọng lượng của vật (N)
v: thể tích của vật chất (m3).
3) Nhiệt độ nóng chảy: là niệt độ mà khi nung nóng sẽ làm cho kim loại tưg thể rắn
chuyển sang thể lỏng.
- Sắt (Fe): nguyên chất cháy ở 1539oC)
- Thép là :1400o ÷ 1500oC
- Gang là:11300 ÷ 1350oC
- Đồng (Cu) = 1083oC
- Nhôm (AL) = 660oC
- Thiếc (Sn) = 232oC
- Chì (Pb) = 327oC
- Kẽm = 410oC
Tính chất này rất quan trọng trong công nghiệp chế tạo máy, vì để chế tạo ra một chi tiết
máy rẻ nhất thì người ta thường dùng phương pháp đúc, mà khi dùng phương pháp này thì
vật liệu cần phải có tính chảy loãng tốt. Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu càng thấp thì tính
chảy loãng của vật liệu đó càng cao.
4) Tính dãn nở: là khả năng dãn nở của kim loại khi nung nóng. Độ dãn nở lớn hay bé
được biểu thị bằng hệ số dãn nở trên chiều dài của một đơn vị (1mm) còn được gọ là hệ số
dãn nở theo chiều dài.
Ví dụ: sắt có hệ số dãn nở là: 0,0000118 ; thép: 0,0000120
5) Tính dẫn điện, dẫn nhiệt và từ tính:
- Tính dẫn điện: là khả năng truyền dòng điện của kim loại và hợp kim. Kim loại và hợp
kim đều là vật dẫn điện tốt, nhất là bạc, sau đó đến đồng, nhôm. Nhưng do bạc đắt tiền nên
ít được sử dụng mà người ta thường dùng đồng và bạc để làm vật dẫn điện. Hợp kim có hệ
số dẫn điện kém hơn kim loại.
- Tính dẫn nhiệt: là khả năng dẫn nhiệt của kim loại và hợp kim. Độ dẫn nhiệt của hợp
kim và kim loại không giống nhau. Nếu lấy hệ số dẫn nhiệt của bạc là 1 thì đồng là 0,9;
nhôm là 0,5; và sắt là 0,15.
- Từ tính: là khả năng dẫn từ của kim loại và hợp kim. Sắt, Niken, Coaban và hợp kim của
chúng đều có từ tính.
6) Vẽ sáng mặt ngoài: được chia làm 2 loại
GV soạn: Hà Minh Tuân
- 11 -
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
- Kim loại đen: Sắt và hợp kim của sắt-cacbon (Fe_C) như: gang, thép.
- Kim loại màu và hợp kim màu: là tất cả các kim loại và hợp kim còn lại.
Mỗi kim loại phản chiếu ánh sáng một màu sắc riêng ta gọi là màu của kim loại.
Ví dụ: Đồng có màu đỏ; Thiếc có màu sáng bạc; Kẽm có màu xám...
II/ Tính chất hóa học: (hóa tính):
1) Khái niệm: là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại tác dụng của hóa học của
môi trường chung quanh mà không bị phá hủy. Hầu hết kim loại và hợp kim đều bị tác
dụng hóa học của môi trường chung quanh.
2) Các đặc trưng của tính chất hóa học:
2.1. Tính chịu ăn mòn: là độ bền của kim loại và hợp kim đối với sự ăn mòn của môi
trường chung quanh.
2.2. Tính chịu nhiệt: là độ bền của kim loại và hợp kim với sự ăn mòn của ôxi trong
không khí ở nhiệt độ cao hoặc đối với tác dụng ăn mòn của một vài thể lỏng và thể khí ở
nhiệt độ cao.
2.3. Tính chịu axit: là độ bền của kim loại và hợp kim đối với sự ăn mòn của axit.
III/ Tính công nghệ:
1) Khái niệm: tính công nghệ của kim loại và hợp kim là khả năng chịu các dạng gia công
khác nhau.
2) Các đặc trưng của tính công nghệ:
2.1. Tính đúc: được đặc trưng bởi độ chảy loãng, độ co và tính thiên tích. Độ chảy loãng
biểu thi khả năng điền đầy khuôn của kim loại và hợp kim, độ chảy loãng cang cao thì tính
đúc càng tốt. Độ co càng lớn thì tính đúc càng kém.
2.2. Tính rèn: là khả năng biến dang vĩnh cửu của kim loại và hợp kim khi chịu tác dụng
cảu ngoại lực để tạo thành hình dạng của chi tiết mà không bị phá hủy.
+ Gang không có tính rèn vì giòn.
+ Đồng và chì có tính rèn ngay cả khi ở trạng thái nguội.
2.3. Tính hàn: là khả năng tạo thành sự lien kết giữa các phần tử hàn khi được nung nóng
toàn bộ chổ mối hàn đến trạng thái chảy hay dẻo.
2.4. Tính cắt gọt: khả năng cắt gọt dễ hay khó của kim loại và hợp kim được xác định bởi
tốc độ cắt, lực cắt, độ bóng bề mặt kim loại sau khi cắt.
2.5. Tính nhiệt luyện: là khả năng thay đổi độ cứng, độ bền, độ dẻo...của kim loại bằng
cách nung nóng đến một nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt độ đó một thời gian rồi làm nguội
theo một chế độ nhất định. Tính nhiệt luyện của mỗi kim loại khac nhau, có kim loại hầu
như không thay đổi, có kim loại thay đổi rất ít, có kim loại thay đổi rất nhiều sau khi nhiệt
luyện.
IV/ Tính chất cơ học (cơ tính): là những đặc trưng cơ học biểu thị khả năng của kim loại
hay hợp kim chống lại tác dụng của ngoại lực mà không bị phá hủy. Nói cách khác, các
tính chất cơ học cho biết khả năng chịu tải của vật liệu trong từng điều kiện cụ thể, là cở sở
để tính toán độ bền khi sử dụng và khi so sánh các vật liệu với nhau.
1) Độ dẻo: là khả năng thay đổi được hình dạng của kim loại và hợp kim mà không bị phá
hủy bởi tác dụng của ngoại lực.
GV soạn: Hà Minh Tuân
- 12 -
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
2) Độ bền: là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại sự phá hủy khi có tác dụng của
ngoại lực.
3) Độ cứng: là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại sự biến dạng dẻo cục bộ của bề
mặt vật thể dưới tác dụng của tải trọng bên ngoài tại chổ ta ấn vào đó một vật cứng hơn.
4) Độ đàn hồi: là khả năng trở lại hình dạng ban đầu sau khi ta bỏ tác dụng của ngoại lực
lên kim loại và hợp kim.
V/ Hiện tượng biến cứng bề mặt của vật liệu: là hiện tượng mà bề mặt của chi tiết có độ
cứng cao hơn so với bên trong.
1) Nguyên nhân:
- Do khi đúc, bề mặt vật có tốc độ nguội nhanh nên trong tổ chức kim loại cácbon tồn tại
dưới dang Xementit (Fe3C).
- Do hiện tượng thoát cácbon trên bề mặt phôi khi đúc hoặc rèn làm xuất hiện ứng suất
dư trên bề mặt vật.
- Khi rèn, nhiệt độ rèn và nhiệt độ phôi rèn thấp hay quá nhiệt độ quy định làm mạng
tinh thể bị xô lệch quá giới hạn cho phép làm xuất hiện ứng suất dư trên bề mặt vật liệu.
- Do trong quá trình nấu luyện hợp kim, lượng tạp chất trong thép hoặc gang không đúng
tỷ lệ nhất định gây nên biến thiên thể tích trong vật liệu làm xuất hiện ứng suất dư.
2) Hậu quả của biến cứng bề mặt vật liệu;
- Gây khó khăn cho quá trình cắt gọt kim loại.
- Làm vở, mẻ dụng cụ cắt; gây rung động hề thống công nghệ làm cho độ bền của máy
và dụng cụ cắt giảm.
3) Biện pháp ngăn ngừa và khắc phục:
- Ngăn ngừa: thực hiện đúng quy trình công nghệ khi hàn hoặc rèn.
- Khắc phục: nếu kim loại hay hợp kim bi biến cứng bề mặt, cần phải tiến hành thường
hóa hoặc ủ trước khi gia công cắt gọt.
Ví dụ: Gang sau khi đúc bị biến cứng bề mặt. Ta tiến hành ủ như sau:
u~
Fe3C t o = (850 o ÷ 900 o )C 3Fe + C (Graphit)
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG I
Câu 1: Hãy cho biết tầm quan trọng của kim loại và hợp kim đối với xã hội loại người.
Câu 2: Hãy nêu khái niệm của kim loại? Hãy phân loại kim loại và cho biết thế nào là
mạng tinh thể và các mạng tịnh thể thường gặp?
Câu 3: Hãy nêu khái niệm, tính chất và cấu tạo của hợp kim?
Câu 4: Hãy so sánh tính chất giữa kim loại và hợp kim?
Câu 5: Cho biết nguyên nhân, hậu quả và cách khắc phục hiện tượng biến cứng bề mạt
kim loại và hợp kim?
Chương II
Bài 3:
GV soạn: Hà Minh Tuân
KIM LOẠI VÀ HỢP KIM ĐEN
GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT – CACBON
- 13 -
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
I/ Khái niệm về giản đồ trạng thái sắt – cacbon (Fe-C):
1) Định nghĩa:
Là biểu đồ chỉ rỏ sự phụ thuộc của tổ chức hợp kim Fe-C mà cụ thể là gang và thép
vào thành phần hóa học và nhiệt độ.
2) Ý nghĩa của giản đồ trạng thái Fe-C:
- Biết được quy luật về sự kết tinh và chuyển biến tổ chức của hợp kim Fe-C khi nung
nóng và làm nguội.
- Xác định được nhiệt độ nung nóng cho từng loại thép khi rèn, dập và nhiệt luyện kim
loại và hợp kim.
- Và là giản đồ không thể thiếu đối với những người làm công tác nhiệt luyện.
3) Đặc điểm của Fe-C:
3.1. Sắt:
a. Đặc điểm:
+ Sắt là kim loại thuộc nhóm VIII của hệ thống tuần hoàn, nó thuộc nhóm kim loại
chuyển tiếp.
+ Rất khó luyện ra sắt nguyên chất tuyệt đối. Sắt nguyên chất kỹ thuật chứa 99,3 ÷
99,9% còn lại 0,1 ÷ 0,7% là tạp chất có trong nó.
b. Về cơ tính: sắt là kim loại dẻo, dai song kém bền. Các đặt điểm cơ tính của sắt:
+ Giới hạn bền kéo: δb = 250 N/ mm2;
+ Giới hạn chảy: δ00,2 = 120 N/ mm2;
+ Độ dãn dài tương đối: δ = 50%;
+ Độ co thắt tương đối: ψ = 85%;
+ Độ dai va đập : ak = 3000 KJ/ m2;
+ Độ cứng HB = 80.
c. Sắt làδ kim loại có tính thù hình gồm:
D (16000C)
δ+
o
o
o
phương thể tâm: tồn tại ở 910 C (Feα) và 1392 C ÷ 1539 C (Feδ);
15390 +A Mạng lập
L
o
o
0
B
1499 +HMạng lập phương diện tâm: tồn tại ở 991 C ÷ 1392 C (Feγ)
L(Láng)
0
Cácbon là nguyên tố á kim thuộc
nhóm IV của hệ thống tuần hoàn. Nó tồn
J
13923.2.
N Cacbon:
tại dưới các dạng sau:
+ Lthan đá.
- δ+
Vôγđịnh hình như: than γgỗ,
L + Xe
Austenit
(γ) với kiểu mạng kim cương rất cứng. Đó là dạng Ithù hình không0 ổn
- Kim
cương
c
E
F (1147 C)
0
định.
Ở nhiệt độ và áp suất cao kim cương trở lên ổn định,
1147
- Graphit Acm
với kiểu mạng lục giác xếp theo lớp. Khoảng cách giữa các lớp khá xa nên
0
911
G
Le+XeI
γ + Le+Xe
)
AC3giữa chúng γyếu
+ và rất dễ tách
lực liên kết
lớp. Graphit
rất mềm.
II
S
II/ Dạng giản đồ:
P
F+XeIII
P+
F
Peclit
F
P
A1
P +Le+XeII
P+XeII
GVQsoạn:0,02
Hà Minh
0,8 Tuân
0,006
2,14
%C
Lª®ªburi
t
γ +F
7270
4,3
K (7270C)
Le+XeI
6,67
- 14 -
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
Hình 2-1: Giản đồ trạng thái sắt – cacbon
1) Các nhiệt độ trên giản đồ:
ĐIỂM
NHIỆT ĐỘ
%C
ĐIỂM
NHIỆT ĐỘ
%C
ĐIỂM
NHIỆT ĐỘ
%C
A
B
H
J
N
1539
1499
1499
1499
1392
0
0,51
0,5
0,16
0
E
C
Q
F
D
1147
1147
200
1147
1600
2,14
4,3
0
6,67
6,67
G
P
S
K
911
727
727
727
0
0,02
0,8
6,67
2) Các tổ chức của hợp kim Fe-C:
2.1 Xementit (Fe3C, Xê): là hợp chất hóa học của sắt và cácbon có độ cứng rất cao
(700HB).
+ XêmentitI: kết tinh từ pha lỏng. được tạo thành từ dung dịch lỏng theo đường DC từ
16000C đến 11470C vớit tinh thể thớ to. Xêmentit thứ nhất chỉ được tạo thành khi %C >
4,3%.
+ XêmentitII: kết tinh từ pha rắn.
Được tạo thành từ dung dịch rắn Austenit theo đường ES trong khoảng nhiệt độ từ
11470 đến 7270C.
Khi độ hoà tan của Cacbon trong Fe giảm từ 2,14% đến 0,8% . XeII chỉ được tạo
thành khi %C > 0,8%. XeII thường có dạng mạng lưới bao quanh hạt Feclit làm giảm
mạnh độ dẻo, độ dai.
+ XêmentitIII: Tiết ra từ dung dịch rắn Ferit. Cũng được tạo thành từ dung dịch rắn Feclit
theo đường PQ, ở nhiệt độ < 7270C, Khi độ hoà tan của Cacbon trong Feclit giảm từ 0,02
đến 0,006%.
GV soạn: Hà Minh Tuân
- 15 -
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
XeIII được tạo thành rất ít với lượng nhỏ nên có thể bỏ qua.
2.2. Ferit (F): Là dung dịch rắn xen kẽ của Cacbon trong Feα, có mạng lập phương thể
tâm trên giản đồ trạng thái Ferit có ở vùng GPQ. Độ hoà tan của Cacbon trong Feα rất
nhỏ: ở 7270C là 0,02%, còn ở 00C là 0,006%. Bởi vậy có thể coi Ferit là sắt nguyên chất .
Ferit là pha dẻo và dai.
2.3. Austenit: (cũng được gọi là Ôstenit (Ô))
+ Là dung dịch rắn xen kẽ của Cacbon trong Fe, có dạng lập phương diện tâm. Độ hoà
tan của Cacbon trong Fe ở 11470C là 2,14% và ở 7270C là 0,8%.
+ Austenit là pha dẻo dai song nó chỉ tồn tại ở nhiệt độ lớn hơn 7270C.
+ Tổ chức Austenit là các hạt sáng đa cạnh có song tinh (thỉnh thoảng có hai đường
song song cắt ngang hạt). Rất ít khi quan sát được tổ chức này vì nó ở nhiệt độ cao. Chỉ
khi lượng Mn hoặc Ni lớn mới làm Austenit tồn tại ở nhiệt độ thường.
2.4. Peclit (P):
+ Là hỗn hợp cơ học cùng tích của Ferit và Xêmentit (F +Xe). Khi thành phần hoá học
của Austenit là 0,8%C sẽ xảy ra chuyển biến cùng tích ở 7270C:
Fe(C)0,8
[F +Xe]
Austenit
Peclit
+ Gồm Peclit tấm và Peclit hạt.
+ Peclit tấm là tổ chức có Xêmentit ở dạng tấm. Khi quan sát tổ chức tế vi sẽ thấy các
vạch Xêmentit tối trên nền Peclit sáng.
- Peclit hạt là tổ chức có Xêmentit ở dạng hạt.
Trong Peclit: F có 88% và Xê có 12%, có tính cắt gọt tốt. P có 2 loại:
+ P dạng tấm: Xê ở dạng tấm, phiến, HB = 200 ÷ 220.
+ P dạng hạt: Xê ở dạng hạt có HB = 180 ÷ 200.
2.5. Lêđêburit (Lê): là hỗn hợp cơ học cùng tinh của Ô và Xê (ở t o > 727oC) hoặc hỗn hợp
cơ học của P và Xê (ở to > 727oC). Lê rất cứng.
+ Khi thành phần Cacbon trong hợp kim lỏng là 4,3%C và ở 11470C thì xẩy ra chuyển
biến cùng tinh:
L4,3 → (γ + Xe)
+ Tiếp tục làm nguội hợp kim xuống dưới 7270C thì có phản ứng cùng tích γ chuyển
thành Péclít. Bởi vậy ở t0 < 7270C:
Le → (P + Xe)
+ Phân tích đến cùng thì Lêđêburít cũng là hỗn hợp Ferit và Xêmentít. Trong đó
Xêmentít nhiều nên Lêđêburít rất cứng và dòn.
Le → (F + XeI) + XeII
2.6. Pha lỏng: là ký hiệu L, là dung dịch lỏng của Fe và C, chúng hoàn toàn tan lẫn vào
nhau
III/ Điểm tới hạn của hợp kim Fe-C:
1) Định nghĩa: Các điểm tới hạn là các nhiệt độ bắt đầu hoặc kết thúc quá trình chuyển
biến ở trạng thái rắn của hợp kim Cácbon và được ký hiệu bằng chữ A.
Ở đây ta chỉ xét 3 điểm tới hạn có liên quan đến nhiệt luyện là A1, A3 và Acm.
GV soạn: Hà Minh Tuân
- 16 -
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
2) Các điểm tới hạn trên giản đồ:
2.1. Điểm tới hạn A1: (to = 727oC): là điểm chuyển biến cùng tích của thép, nghĩa là:
- Khi nung nóng: P → Austenit.
- Khi làm nguội: Austenit → P (F + Xê)
2.2. Điểm tới hạn A3: (911 " 727oC): là điểm chuyển biến bắt đầu tiết ra F từ Ô khi làm
nguội hoặc kết thúc sự hòa tan F vào Ô khi nung nóng.
2.3. Điểm tới hạn Acm (1147 " 727oC): là điểm chuyển biến bắt đầu tiết ra Xê từ Ô khi
làm nguội hoặc kết thúc sự hòa tan Xê vào Ô khi nung nóng.
* Chú ý: Các nhiệt độ A1, A3, Acm trên giản đồ chỉ dùng trong điều kiện tốc độ nung nóng
và làm nguội vô cùng chậm mà trong thực tế sản xuất không thể đạt được như vậy. Do đó
khi nung nóng nhiệt độ chuyển biến bao giờ cũng lớn hơn và khi làm nguội bao giờ cũng
thấp hơn các nhiệt độ trên giản đồ. Người ta ký hiệu:
- Điểm tới hạn khi nung nóng: Ac.
- Điểm tới hạn khi làm nguội: Ar.
Vì vậy: Ac1 < A1 < Ac1 ;
Ar3 < A3 < Ac3 ; Arcm < Acm < Accm
o
Ví dụ: Thép 40 có A3 = 820 C nhưng trong thực tế: Ar3 = 805 ÷ 810oC; Ac3 = 830 ÷ 835oC
Bài 2:
GANG
I/ Giới thiệu chung về gang:
1) Định nghĩa:
Gang là hợp kim của sắt và cacbon với lượng C = (2,14 ÷ 6,67)%. Ngoài ra còn có
một số tạp chất như: Mangan (Mn), Silic (Si), Photpho (P), Lưu huỳnh (S). Trong đó Mn
GV soạn: Hà Minh Tuân
- 17 -
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
và Si là hai nguyên tố có tác dụng tạo thành Graphit và cơ tính của gang, còn P và S là hai
nguyên tố có hại nên có càng ít càng tốt.
2) Thành phần hóa học và tổ chức tế vi:
2.1. Tổ chức tế vi:
+ Cacbon ở trạng thái liên kết hợp chất hóa học (Fe3C), thường gặp trong gang trắng.
+ Cacbon ở trạng thái tự do (Graphit) với các dạng tấm, phiến, cụm bông, cầu, thường
gặp trong gang xám, gang dẻo, gang cầu.
2.2 Thành phần hóa học:
+ C = (2,14 ÷ 6,67)%, thường dùng gang có C = (3 ÷ 4)%
+ Si = (1 ÷ 1,25)%.
+ Mn + (2 ÷ 2,5)% trong gang trắng, Mn < 1,3% trong gang xám.
+ S ≤ 0,15%.
3) Cơ tính và công nghệ:
3.1. Cơ tính:
+ Nhìn chung, gang là loại vật liệu có độ bền thấp, độ dòn cao.
+ Trong gang xám, gang dẻo, gang cầu, tổ chức Graphit tồn tại như những lỗ hổng có
sẵn trong gang, là nơi tập trung ứng suất lớn, làm gang kém bền.
Tuy nhiên, Graphit có ảnh hưởng tốt đến cơ tính như: tăng khả năng chống mài mòn do
ma sát làm tắt rung động và dao động cộng hưởng vì bản thân Graphit có tính tự bôi trơn,
thêm vào đó có “lỗ hổng”, Graphit là nơi chứa dầu bôi trơn.
3.2. Tính công nghệ:
+ Tính đúc tốt do có nhiệt độ nóng chảy thấp và tính chảy loãng cao.
+ Tính gia công cắt gọt tốt, vì độ cứng thấp, phoi dễ gãy vụn.
+ Gang không thể rèn được.
4) Công dụng: nhìn chung, gang có tính tổng hợp không cao như thép, nhưng có tính đúc
tốt, dễ cắt gọt, chế tạo đơn giản hơn và rẻ. Vì vậy các loại gang có Graphit dùng rất nhiều
trong chế tạo cơ khí, dùng để chế tạo các loại chi tiết chịu tải trọng tĩnh và ít chịu va đập
như: bệ máy, vỏ...
II/ Ảnh hưởng của nguyên tố hóa học đến tính chất của gang:
1) Cacbon (C):
+ Cacbon ở dạng hợp chất hóa học Xementit thì gang đó gọi là gang trắng.
+ Cacbon ở dạng Graphit thì là gang xám.
+ Ngoài ra sư hình thành thành các loại gang phụ thuộc vào thành phần hóa học và tốc
độ làm nguội khi chế tạo.
* Khi gang ở trạng thái rắn: Graphit tạo thành do ủ gang trắng.
u?
Fe3C o
3Fe + C (Graphit)
t = (850 ÷ 900) o C
2) Silic (Si): là nguyên tố ảnh hưởng nhiều nhất đến cấu trúc tinh thể của gang, vì nó thúc
đẩy sự tạo thành Graphit hóa.
3) Mangan (Mn): Mn trong gang thúc đẩy sự tạo thành gang trắng và ngăn cản Graphit
hóa.
GV soạn: Hà Minh Tuân
- 18 -
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
4) Phốt pho (P): là nguyên tố có hại trong gang, làm giảm độ bền, tăng độ dòn của gang,
nhưng P làm tăng tính chảy loãng của gang, thường được dùng trong việc đúc tượng, trang
trí mỹ thuật hoặc đúc những chi tiết mỏng.
5) Lưu huỳnh (S): là nguyên tố có hại trong gang, làm giảm tính đúc và cơ tính của gang,
giảm độ bền và làm cho gang dòn.
6) Ảnh hưởng của tốc độ nguội: tốc độ làm nguội ảnh hưởng rất lớn đến quá trình
Graphit hóa. Tốc độ làm nguội càng chậm thì quá trình hình thành Graphit hóa càng thuận
lợi. Tổ chức gang trong thực tế luôn thấy có thành phần cacbon tự do dưới dạng Graphit.
+ Tốc độ nguội nhanh thì ta được gang trắng.
+ Tốc độ nguội càng chậm thì ta được gang xám.
III/ Các loại gang thường dùng:
1) Gang trắng: không có ký hiệu riêng.
1.1. Thành phần: Trong gang trắng không tồn tại Graphit. Tổ chức hoàn toàn phù hợp với
trạng thái ổn định Fe-Xe. Thành phần chứa một ít Si và các nguyên tố làm tăng khả năng
Graphit hóa.
+ Pha Fe3C chiếm tỷ lệ 50% trong tổ chức của gang trắng.
+ C = (3,5 ÷ 4,3)%
1.2. Tính chất:
a. Cơ tính: do C ở dạng Fe3C nên gang trắng rất cứng (650 ÷ 700)HB và giòn. Do đó
không thể gia công cắt gọt, không thể dùng gang thuần trắng để làm các chi tiết máy có độ
chính xác cao mà thường chỉ sử dụng gang trắng ở dạng vật đúc.
+ Độ dẻo, độ bền thấp.
+ Có khả năng chịu mài mòn tốt.
b. Tính kinh tế: Phương pháp chế tạo gang trắng đơn giản, có giá thành rẻ.
c. Lý tính: Gang trắng thì mặt gãy của gang có màu trắng, do C hòa tan liên kết với Fe tạo
thành Xe.
3) Công dụng: hầu hết gang trắng dùng để làm nguyên liệu luyện thép. Do gang trắng rất
cứng và có tính chống mài mòn tốt nên thường được dùng làm các chi tiết yêu cầu độ cứng
cao ở bề mặt làm việc trong điều kiện chịu mài mòn như: bi nghiền, bề mặt trục cán, mép
lưỡi cày, bề mặt vành bánh xe lu, vành ngoài bánh xe lửa...
* Chú ý: không làm toàn bộ chi tiết bằng gang trắng, vì như vậy sẽ dễ bị gãy, vỡ mà chỉ
tạo cho lớp bề mặt là gang trắng, còn lõi vẫn là gang Graphit. Muốn cho bề mặt bị biến
thành gang trắng người ta làm nguội nhanh bề mặt vật đúc.
2) Gang xám:
2.1. Tổ chức tế vi:
GV soạn: Hà Minh Tuân
- 19 -
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
Gang xám cũng như các loại gang Graphit
khác, có tổ chức tế vi chia làm hai phần rỏ
rệt: nền kim loại và Graphit (với gang xám:
tổ chức tế vi = nền kim loại + Graphit tấm).
* Graphit tấm và nền kim loại : Tuỳ thuộc vào lượng Xementit nhiều hay ít mà phần tổ
chức chứa Xementit có khác nhau
` - Ferit khi không có Xementit (Fe3C);
- Ferit + Feclit khi có ít Fe3C (khoảng 0,1 - 0,6%);
- Peclit khi có khá nhiều Fe3C (khoảng 0,6 – 0,8%).
⇒ Phần tổ chức có chứa Ferit, Ferit + Peclit hoặc Peclit gọi là nền kim loại.
2.2. Các loại gang xám:
- Gang xám Ferit – có tổ chức tế vi là grafit tấm phân bố trên nền Ferit;
- Gang xám Peclit – có tổ chức tế vi gồm grafit tấm phân bố trên nền kim loại Ferit +
Peclit, lượng Fe3C (khoảng 0,1 - 0,6%);
- Gang xám Peclít – có tổ chức tế vi gồm grafit tấm phân bố trên nền kim loại Peclit,
lượng Fe3C (khoảng 0,6 – 0,8%).
2.3. Thành phần hoá học:
+ Cacbon
- Lượng Cacbon càng nhiều khả năng grafit hoá càng mạnh, nhiệt độ chảy thấp nên dễ
đúc, cơ tính kém;
- Lượng Cacbon được khống chế vào khoảng 2,8 ÷ 3,5%.
+ Silic
- Là nguyên tố thúc đẩy sự tạo thành grafit trong gang. Silic là nguyên tố quan trọng sau
Fe và C;
- Hàm lượng khống chế trong khoảng 1,5 ÷ 3%.
+ Mangan : Là nguyên tố cản trở sự tạo thành grafit;
- Làm tăng độ cứng, độ bền của gang;
- Hàm lượng khống chế trong khoảng 0,5 ÷ 1,0%.
+ Phốtpho
- Làm tăng độ chảy loãng;
- Làm tăng tính chống mài mòn;
- Lượng P được khống chế vào khoảng 0,1 ÷ 0,2% đến 0,5%. Hàm lượng quá nhiều P
gang sẽ giòn.
GV soạn: Hà Minh Tuân
- 20 -
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
+ Lưu huỳnh: Là nguyên tố cản trở mạnh sự tạo thành grafit;
- Làm xấu tính đúc, giảm độ chảy loãng;
- Là nguyên tố có hại, lượng S khống chế trong khoảng 0,06 ÷ 0.12%.
Ngoài ra còn có một số nguyên tố khác như Cr, Ni, Mo,…có tác dụng riêng.
2.4. Cơ tính, các yếu tố ảnh hưởng và những biện pháp nâng cao cơ tính:
a, Cơ tính
- Độ bền rất thấp: σk = 150 ÷ 400MPa (= ½ thép thông dụng);
- Độ cứng thấp trong khoảng 150 ÷ 250HB;
- Độ dẻo, độ dai đều thấp;
- Chống mài mòn tốt;
- Graphit có khả năng làm tăt dao động.
+ Gang xám có tổ chức grafit mềm.
b, Các yếu tố ảnh hưởng đến cơ tính
Grafit : Số lượng, độ lớn, hình dạng và sự phân bố của grafit.
Nền kim loại: Nền kim loại có cơ tính cao thì gang xám cũng có cơ tính cao;
gang xám Ferit.
gang xám Ferit - Peclit
gang xám Peclit
Độ cứng
c, Các biện pháp nâng cao cơ tính
- Giảm lượng cacbon của gang (2,2 ÷ 2,5%);
- Làm nhỏ mịn grafit bằng phương pháp biến tính;
- Hợp kim hoá;
- Nhiệt luyện.
2.5. Ký hiệu và công dụng:
- Theo tiêu chuẩn ГОСТ của Liên Xô: CЧxx – xx;
- Theo tiêu chuẩn TCVN của Việt Nam: GXxx – xx.
+ Chỉ số xx thứ nhất: chỉ giới hạn bền kéo: σ k
+ Chỉ số xx thứ hai: chỉ giới hạn bền uốn: σ u
Ví dụ:
GX15 – 32 hoặc CЧ15-32
σk = 150N/mm2
σu = 320N/mm2
GV soạn: Hà Minh Tuân
- 21 -
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
- Các mác có độ bền thấp, σk = 100 ÷ 150MPa
Gồm: GX10 ÷ GX15 (CЧ10 ÷ CЧ15) – Gang xám Ferit: Dùng để làm chi tiết vỏ,
nắp không chịu lực.
- Các mác có độ bền trung bình, σk = 150 ÷ 250MPa
Gồm: GX15 ÷ GX25 (CЧ15 ÷ CЧ25).– Gang xám Ferit - Peclit: Dùng làm các chi
tiết chịu tải nhẹ: vỏ hộp giảm tốc, mặt bích,...
- Các mác có độ bền tương đối cao, σk = 250 ÷ 300MPa
Gồm: GX25 ÷ GX30 (CЧ25 ÷ CЧ30).– Gang xám Peclit với grafit nhỏ mịn: Dùng
làm các chi tiết chịu tải trọng cao: bánh răng, bánh đà, thân máy quan trọng, xéc măng,...
- Các mác có độ bền cao, σk ≥ 300MPa
Gồm: GX30 ÷ GX40 (CЧ30 ÷ CЧ40).– gang xám Peclit với grafit rất nhỏ mịn:
Dùng làm các chi tiết chịu trọng cao, chịu mài mòn như bánh răng chữ V, trục chính, vỏ
bơm thuỷ lực ,...
Kết luận
- Gang xám dùng làm các chi tiết chịu nén, tránh dùng vào các bộ phận chịu kéo cao;
- Dùng làm ổ trượt vì grafit có tính bôi trơn tốt.
- Gang xám biến trắng: Gang có bề mặt của chi tiết bị biến trắng, một số chi tiết cần tính
chống mài mòn ở lớp bề mặt cao như bi nghiền, trục cán, trục nghiền,...
3) Gang cầu:
3.1. Tổ chức tế vi:
- Gang cầu là một loại gang có tổ chức nền kim loại và grafit. grafit của nó có dạng quả
cầu tròn.
- Tổ chức tế vi của gang cầu có ba loại nền kim loại
là: Ferit, Ferit – Peclit và Peclit.
- Tương cũng có ba loại gang cầu Ferit, gang cầu
Ferit – Peclit và gang cầu Peclit.
3.2. Thành phần hoá học:
GV soạn: Hà Minh Tuân
+ Dùng Mg hoặc Ce cho vào gang xám lỏng để tạo ra
gang cầu .
⇒ Có thành phần hoá học giống gang xám
+ Chất biến tính cần khống chế với lượng nhỏ: 0,04 ÷
0,08%;
+ Các nguyên tố cản trở sự cầu hoá khoảng ở mức ≤
0,01% (S).
- 22 -
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
3.3. Cơ tính và biện pháp nâng cao cơ tính
a. Cơ tính: Gang cầu có cơ tính cao hơn gang xám nhiều;
+ Độ bền: σ k = 400 ÷ 1000MPa; σ 0,2 = 250 ÷ 600MPa
+ Độ dẻo, dai: δ = 5 ÷ 15%; ak = 300 ÷600 KJ/m2
+ Độ cứng khoảng 200HB
b. Các biện pháp nâng cao cơ tính
- Dùng Niken để hoá bền pha Ferit;
- Tôi đẳng nhiệt để biến thành Bainit.
3.4. Ký hiệu và công dụng:
- Theo tiêu chuẩn ГОСТ của Liên Xô: BЧxx – xx;
- Theo tiêu chuẩn TCVN của Việt Nam: GCxx – xx.
Ví dụ:
BЧ45–5 (GC45–5 )
Có: σk = 450MPa; δ = 5%
+ Gang cầu Ferit:
- BЧ38–17; BЧ42–12 (GC38–17; GC42–12);
- Có độ bền thấp ⇒ ít dùng.
+ Gang cầu Peclit:
- BЧ50–2; BЧ60–2 (GC50–2; GC60–2).
- Có độ bền tốt chủ yếu dùng làm trục khuỷu, trục cán,…
+ Gang cầu Peclit:
- BЧ50–2; BЧ60–2 (GC50–2; GC60–2).;
- Có độ bền tốt chủ yếu dùng làm trục khuỷu, trục cán,…
+ Gang cầu nhiệt luyện – Bainit:
- BЧ70–3; BЧ100–4 (GC38–17; GC42–12);
- Có độ bền cao ⇒ dùng làm các chi tiết quan trọng.
4) Gang dẻo:
4.1. Tổ chức tế vi:
- Gang dẻo là một loại gang có tổ chức nền kim loại và grafit. grafit của nó có hình dạng
cụm như cụm bông .
- Gang dẻo có 3 loại là:
+ Gang dẻo Ferit;
+ Gang dẻo Ferit – Peclit;
+ Gang dẻo Peclit.
GV soạn: Hà Minh Tuân
- 23 -
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
4.2. Thành phần hoá học: Gang dẻo được ủ từ gang trắng nên thành phần hoá học cơ bản
cũng giống gang trắng.
+ Lượng cacbon trong gang dẻo khoảng 2,2 ÷ 2,8% ⇒ ít grafit hoá ⇒ tính dẻo cao.
+ Lượng Silic có thể lấy từ 0,8 ÷ 1,4%.
4.3. Cơ tính:
+ Độ bền: σ k = 300 ÷ 600MPa; σ 0,2 = 200 ÷ 450MPa
+ Độ dẻo: δ = 5 ÷ 15%.
4.4. Ký hiệu và công dụng:
- Theo tiêu chuẩn ГОСТ của Liên Xô: КЧxx – xx;
- Theo tiêu chuẩn TCVN của Việt Nam: GZxx – xx.
+ Chỉ số xx thứ nhất: chỉ giới hạn bền kéo: σ k
+ Chỉ số xx thứ hai: chỉ độ giản dài tương đối: δ
Ví dụ:
КЧ45–6 (GZ45–6 )
Có: σk = 450MPa; δ = 6%
4.5. Các mác thông dụng:
+ КЧ30–6; КЧ33–8; КЧ35–10; КЧ37–12 Gang dẻo Ferit
+ КЧ45–7; КЧ50–5; КЧ55–4; КЧ60–3 Gang dẻo Peclit
4.6. Công dụng: Gang dẻo để chế tạo các chi tiết đòi hỏi đồng thời các tính chất sau:
+ Hình dạng phức tạp;
+ Tiết diện thành mỏng;
+ Chịu va đập.
⇒ Được sử dụng nhiều làm các chi tiết trong ô tô, các máy nông nghiệp, máy kéo, máy
dệt.
Bài 3:
THÉP CAC BON VÀ THÉP HỢP KIM
I/ Khái niệm chung về thép:
1) Khái niệm về thép cacbon:
- Phân biệt thép Cacbon và thép hợp kim về thành phần hoá học, tổ chức tế vi, cơ tính và
công dụng;
- Tác dụng của Cacbon và các nguyên tố đến tổ chức, cơ tính và khả năng nhiệt luyện của
thép;
- Cách phân loại, ký hiệu thép của Liên Xô và Việt Nam .
2) Thành phần hoá học
Thép Cacbon là thép thông thường gồm các nguyên tố:
+ C ≤ 2,14%; Mn ≤ 0,8%; Si ≤ 0,4%; P ≤ 0,05%; S ≤ 0,05%.
+ Cr, Ni, Cu ≤0,3%; Mo, Ti ≤ 0,05%.
GV soạn: Hà Minh Tuân
- 24 -
Trường: TCN Nam Quảng Nam
Bài giảng: Vật liệu cơ khí
3) Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tổ chức và tính chất
3.1. Cacbon
+ Tổ chức tế vi
- C < 0,8% tổ chức Ferit + Peclit – thép trước cùng tích;
- C = 0,8% tổ chức Peclit – thép cùng tích;
- C > 0,8% tổ chức Peclit + XeII – thép sau cùng tích.
+ Về cơ tính
- Thép Cacbon thấp: C ≤ 0,25%, có độ dẻo, độ dai cao, độ bền, độ cứng thấp.
Dùng làm kết cấu xây dựng, làm lá thép, tấm để dập nguội,...
- Thép Cacbon trung bình: C = 0,3 ÷ 0,5%, có độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai đều khá
cao.
Dùng làm chi tiết máy chịu tải, va đập như: trục, bánh răng,...
- Thép Cacbon tương đối cao: C = 0,55 ÷ 0,65%, có độ cứng cao, giới hạn đàn hồi cao
nhất.
Dùng làm các chi tiết đàn hồi: lò xo, nhíp,...
- Thép Cacbon cao: C ≥ 0,7%, có độ cứng và tính chống mài mòn cao nhất.
Dùng làm dụng cụ như dao cắt, khuôn rập, dụng cụ đo,...
+ Ảnh hưởng của Cacbon đến cơ tính của thép.
3.2. Mangan
- Mn có tác dụng để khử Oxy
FeO + Mn → MnO + Fe
- Mn hòa tan vào Ferit, nâng cao độ bền, cứng;
- Hàm lượng: (0,5 ÷ 0,8)%.
3.3. Silic
- Si có tác dụng để khử Oxy
2 FeO + Si → SiO2 + 2Fe
- Si hòa tan vào Ferit, nâng cao độ bền, cứng;
GV soạn: Hà Minh Tuân
- 25 -
