Bài giảng vật liệu học chương 2 lý thuyết chung về vật liệu kim loại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
TPHCM
------O0o------

BÀI GIẢNG
VẬT LIÊU HỌC
GV: NGUYỄN THANH ĐIỂU

03/03/2016 2:36 CH


NỘI DUNG
Tuần thứ 1: 3 tiết
 Giới thiệu về học phần, yêu cầu đối với người học
 Chương 1: Giới thiệu vật liệu cơ khí
Tuần thứ 2 và 3: 6 tiết
 Chương 2: Lý thuyết chung về vật liệu kim loại
Tuần thứ 4 và 5: 6 tiết
 Chương 3: Thép và nhiệt luyện thép

03/03/2016 2:36 CH


NỘI DUNG
Tuần thứ 6: 3 tiết
 Chương 4: Gang Graphite thông dụng
 Chương 5: Kim loại và hợp kim màu
Tuần thứ 7 và 8: 6 tiết
 Chương 6: Chất dẻo
Tuần thứ 9 và 10: 6 tiết
 Chương 7: Vật liệu composite

03/03/2016 2:36 CH


TUẦN THỨ 2 và 3
Nội dung giảng dạy trên lớp(6 tiết)
+ Quá trình kết tinh của kim loại
+ Khái quát về hợp kim
+ Các pha cơ bản trong hợp kim, dung dịch rắn,
pha xen kẽ, pha điện tử; cấu trúc pha và tổ chức tế
vi.
+ Các tính chất cơ học của vật liệu kim loại: độ bền,
độ dẻo, độ cứng, độ dai va đập.
+ Hợp kim Fe-C và giản đồ trạng thái.

03/03/2016 2:36 CH


TUẦN THỨ 2 và 3
Các nội dung cần tự học:
+ Các loại giản đồ pha hai cấu tử cơ bản: loại I, loại II,
loại III,…
+ Quá trình kết tinh của các hợp kim điển hình: trước
cùng tinh, cùng tinh, và sau cùng tinh.
+ Phân loại hợp kim Fe – C ở dựa trên giản đồ pha cân
bằng giả ổn định.
+ Từ các Web sites internet, chọn và tải về ít nhất ba bài
báo liên quan, dịch sang tiếng Việt một trong ba bài đó.

03/03/2016 2:36 CH

TUẦN THỨ 2 và 3
Bài tập, tiểu luận:
+ Bài tập: (1) Từ một trong các giản đồ pha loại I, II, III,
trình bày quá trình kết tinh của hợp kim điển hình khi
làm nguội đủ chậm từ trạng thái lỏng, nêu rõ: đồ thị quá
trình kết tinh, các pha của hợp kim ở nhiệt độ thường, và
tính chất của hợp kim ở trạng thái cân bằng.
+ Tiểu luận: (1) Quá trình kết tinh của các hợp kim Fe –
C, 0.4% C, 0.8% C, và 1.2% C khi làm nguội đủ chậm
từ trạng thái lỏng. Nêu nhận xét về tổ chức tế vi và tính
chất của các hợp kim đó.
+Tiểu luận: (2) Quá trình kết tinh của hợp kim Fe – C
cân bằng giả ổn định, 3.0% C, 4.3%C, và 5.0% C khi làm
nguội đủ nhanh. Nêu nhận xét về tổ chức tế vi và tính
chất của các hợp kim đó.
03/03/2016 2:36 CH


Chương 2: Lý thuyết chung về vật liệu kim loại
I. Sự kết tinh của kim loại nguyên chất


Kết tinh là quá trình chuyển biến của kim loại từ trạng
thái lỏng sang trạng thái rắn. Khi kết tinh có sự biến đổi
từ trạng thái sắp xếp không trật tự thành có trật tự( đó là
cấu trúc tinh thể), nó xảy ra ở mỗi nhiệt độ nhất định đối
với mỗi kim loại.
◦ kim loại( hay hợp kim) được chế tạo ra ở trạng thái

lỏng rồi làm nguội trong các khuôn đúc, tức là kết tinh,
sau đó mới qua các dạng gia công khác nhau( rèn,
dập, cán…) để làm thành bán thành phẩm, sản phẩm.
◦ Kết tinh là bước khởi tạo của sự hình thành tổ chức:
các hạt với cấu trúc tinh thể. Các quy luật chuyển biến
pha ở trạng thái rắn(nhiệt luyện, kết tinh lại) như trạng
thái lỏng.
03/03/2016 2:36 CH


Chương 2: Lý thuyết chung về vật liệu kim loại
I. Sự kết tinh của kim loại nguyên chất
I.1. Điều kiện xảy ra kết tinh. Trong tự nhiên mọi quá trình
tự phát đều xảy ra theo chiều giảm năng lượng tự do( theo
chiều có năng lượng dự trữ bé hơn).
- Sự chuyển động của các chất điểm( nguyên tử, ion), năng
lượng dự trữ được đặc trưng bằng năng lượng tự do F

Vậy sự kết tinh thực tế chỉ xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn
nhiệt độ kết tinh lý thuyết Ts

03/03/2016 2:36 CH


Chương 2: Lý thuyết chung về vật liệu kim loại
I. Sự kết tinh của kim loại nguyên chất
I.2 Hai quá trình của sự kết tinh:
I.2.1 Tạo mầm: là quá trình sinh ra các phần tử rắn có cấu trúc
tinh thể với kích thước đủ lớn, được cố định lại trong kim loại
lỏng gọi là mầm.

Mầm tự sinh: là các phần tử rắn được sinh ra ngay trong
kim loại lỏng.
Mầm ký sinh: do sự xuất hiện của các phần tử có sẵn
trong kim loại lỏng( nguyên tố tạp chất khó chảy như oxyt , nitrit,
bụi tường lò hoặc cố ý đưa các phẩn tử rắn vào để giúp kết tinh
nhanh,....)
Tạo mầm ký sinh dể hơn tạo mầm tự sinh, rth (ký sinh)< rth (tự sinh)

.
03/03/2016 2:36 CH


Chương 2: Lý thuyết chung về vật liệu kim loại
I. Sự kết tinh của kim loại nguyên chất
I.2.2 Quá trình phát triển mầm: sau khi tạo được mầm, quá
trình tiếp theo là các mầm này phát triển, lớn lên thành các hạt
tinh thể.
- Khi mầm đạt kích thước tới hạn(rth) mầm sẽ phát triển
lớn lên để giảm năng lượng tự do.
- Các mầm sinh ra không đạt rth sẽ bị tan đi vào kim loại lỏng

03/03/2016 2:36 CH


Chương 2: Lý thuyết chung về vật liệu kim loại
I. Sự kết tinh của kim loại nguyên chất
I.3. Sự hình thành hạt:
 Mỗi mầm lớn lên thành một hạt
 Mầm mới vẫn tiếp tục sinh ra trong khi các mầm
đạt rth đang phát triển đến khi hết kim loại lỏng(các

hạt gặp nhau quá trình kết tinh kết thúc)

03/03/2016 2:36 CH


Chương 2: Lý thuyết chung về vật liệu kim loại
I. Sự kết tinh của kim loại nguyên chất
I.3. Sự hình thành hạt:
Nhận xét:
 Mỗi mầm tạo nên một hạt mà phương mạng của
mầm định hướng ngẫu nhiên nên phương mạng
của các hạt lệch nhau một góc bất kỳ.
 Hạt sinh ra trước sẽ phát triển nhanh hơn hạt
saukích thước các hạt không đồng nhất.
 Biên giới hạt bị xô lệch là nơi các nguyên tử sắp
xếp không trật tự, có nhiệt độ nóng chảy thấp và
chứa nhiều tạp chất.

03/03/2016 2:36 CH


Chương 2: Lý thuyết chung về vật liệu kim loại
I. Sự kết tinh của kim loại nguyên chất
I.3. Sự hình thành hạt:
a. Hình dạng hạt: phụ thuộc vào phương thức nguội
 Nguội đều theo mọi phương hạt có dạng đa cạnh
hay cầu( cơ tính tốt nhất)
 Nguội nhanh theo 1 phương hạt có dạng đũa, cột
hay hình trụ
 Mầm phát triển theo mặt và phương có mật độ

nguyên tử lớn nhất  hạt có dạng nhánh cây(cơ tính
xấu nhất)
b. Kích thước hạt:
* Ảnh hưởng của kích thước hạt đến cơ tính:
Hạt nhỏ cơ tính tăng(tăng độ bền và độ dai va đập)
03/03/2016 2:36 CH


Chương 2: Lý thuyết chung về vật liệu kim loại
I. Sự kết tinh của kim loại nguyên chất
I.4. Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc:
a. Nguyên lý: kích thước hạt phụ thuộc vào hai quá
trình là: tạo mầm và phát triển mầm.
Số mầm càng nhiềuhạt càng nhỏ(QT tạo mầm)
Tốc độ phát triển mầm càng chậmhạt càng nhỏ(QT
phát triển mầm).
Công thức thực nghiệm:
+ A: kích thước hạt; a hệ số
+ n: tốc độ tạo mầm
+ v: tốc độ phát triển mầm
Vậy nguyên lý tạo hạt nhỏ khi đúc là → tăng n và giảm v
03/03/2016 2:36 CH


Chương 2: Lý thuyết chung về vật liệu kim loại
I. Sự kết tinh của kim loại nguyên chất
I.4. Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc:
b. Các phương pháp làm nhỏ hạt:
* Nguội nhanh:
∆T tăng(độ quá nguội) số mầm(n) và tốc độ phát

triển mầm(v) đều tăng, nhưng n tăng nhanh hơn v
làm nhỏ hạt
Giải pháp: thay khuôn cát bằng khuôn kim loại.
Nhược điểm: Gây ứng suất nhiệt lớn nứt chi tiết,
không có hiệu quả với chi tiết lớn.

03/03/2016 2:36 CH


Chương 2: Lý thuyết chung về vật liệu kim loại
I. Sự kết tinh của kim loại nguyên chất
I.4. Các phương pháp tạo hạt nhỏ khi đúc:
* Biến tính:
- Làm tăng số lượng mầm ký sinh bằng việc sử dụng
các chất biến tính.
Ví dụ: cho bột Al (lượng nhỏ) vào thép lỏng để kết hợp
với Oxy, nitơ  Al2O3 , nitrit(AlN) khó chảy tạo nên các
phần tử rắn nhỏ mịn, lơ lững, phân tán đều giúp tạo
mầm ký sinh dễ dàng.
*Tác động vật lý:
Rung siêu âm bẻ gãy tinh thể hạt nhỏ
Đúc ly tâm hạt nhỏ
03/03/2016 2:36 CH


Chương 2: Lý thuyết chung về vật liệu kim loại
II. Sự kết tinh của kim loại nguyên chất
(SV tư đọc phần này)
II.5. Cấu tạo thỏi đúc:
a. Ba vùng tinh thể của thỏi đúc

Các thỏi đúc thường có tiết diện
tròn hoặc vuông, chúng được
đúc trong khuôn kim loại, đôi khi
khuôn được làm nguội bằng
nước, chúng thường có
cấu trúc 3 vùng điển hình.
+ vùng ngoài cùng
+ vùng 2
+ vùng 3
03/03/2016 2:36 CH


Chương 2: Lý thuyết chung về vật liệu kim loại
II. Sự kết tinh của kim loại nguyên chất
II.5. Cấu tạo thỏi đúc:
a. Ba vùng tinh thể của thỏi đúc
+ Vùng ngoài cùng là lớp hạt nhỏ
đẳng trục: do kim loại lỏng tiếp
xúc với thành khuôn nguội nên
được kết tinh với độ quá nguội
∆T lớn, mặt khác do tác dụng của
bề mặt khuôn nên hạt tạo thành khá nhỏ mịn.
+ Vùng 2: vuông góc với thành khuôn, do thành khuôn
mới bắt đầu nóng lên
- ∆T ↓, hạt lớn hơn và phát triển mạnh theo phương
tiếp tuyến với thành khuôn là phương truyền nhiệt hạt
hình trụ.
03/03/2016 2:36 CH

Chương 2: Lý thuyết chung về vật liệu kim loại
II. Sự kết tinh của kim loại nguyên chất
II.5. Cấu tạo thỏi đúc:
a. Ba vùng tinh thể của thỏi đúc
+ Vùng 3: Kim loại lỏng ở giữa kết thúc sau cùng,
thành khuôn đã nóng lên nhiều do đó:
- ∆T↓  hạt lớn
- Nhiệt tản đều theo mọi phương đẳng trục

03/03/2016 2:36 CH


Chương 2: Lý thuyết chung về vật liệu kim loại
II. Sự kết tinh của kim loại nguyên chất
II.5. Cấu tạo thỏi đúc:
Trong 3 vùng:
 Vùng ngoài cùng luôn là lớp
vỏ mỏng, 2 vùng sau phụ thuộc
vào điều kiện làm nguội khuôn.
 Nguội mãnh liệt thì vùng 2 sẽ
Lấn át vùng 3, thậm chí mất vùng 3(Hb) tổ chức này
gọi là xuyên tinh khó biến dạng dẻo, không phù hợp
với thỏi cán.
 Nguội chậm thì vùng 3 lại lấn át vùng 2 tinh thể có
dạng hình cầu thỏi đúc trở nên dể cán.(Hc)
03/03/2016 2:36 CH


Chương 2: Lý thuyết chung về vật liệu kim loại


03/03/2016 2:36 CH


Chương 2: Lý thuyết chung về vật liệu kim loại
II.5. Cấu tạo thỏi đúc:
b. Các khuyết tật của vật đúc:
Rỗ khí:
Khí hoà tan trong kim loại lỏng thoát ra không kịp rỗ khí
hay bọt khí trong vật đúc.
Tác hại: Làm mất tính liên tục của vật đúc và tạo các vùng
tập trung ứng suất, khi cán không thể hàn kín được( lớp oxyt
ngăn cản khuếch tán làm liền chổ bẹp), làm cho cơ tính của
vật đúc giảm mạnh, gây ra tróc hoặc nút khi sử dụng.



Khắc phục: Tăng cường quá trình thoát khí khi kết tinh
bằng cách tạo ra sự lưu động của kim loại lỏng, khử khí
tốt trước khi rót khuôn, sấy khô khuôn cát và mẻ nấu
phải được sấy khô trước khi nấu luyện hoặc đúc trong
chân không.
03/03/2016 2:36 CH


Chương 2: Lý thuyết chung về vật liệu kim loại
II.5. Cấu tạo thỏi đúc:
b. Các khuyết tật của vật đúc:
Thiên tích: Là sự không đồng nhất về thành phần và tổ
chức của sản phẩm đúc do tích tụ tạp chất gồm có

thiên tích vùng, thiên tích hạt.
- Thiên tích vùng: là sự không đồng nhất về thành phần hoá
học trong toàn bộ thể tích vật đúc.
- Thiên tích hạt: là sự không đồng nhất về thành phần hoá
học trong nội bộ hạt kim loại.
Nguyên nhân: Do sự khác nhau về nhiệt độ nóng chảy,
khối lượng riêng và hệ số khuếch tán của các nguyên tố.
Tác hại: Tạo ra các vùng không đồng đều về cơ tính làm
giảm độ tin cậy của sản phẩm đặc biệt là các vật đúc có
khích thước lớn.
Khắc phục: lựa chọn hợp lý các nguyên tố khi tạo hợp



kim.

03/03/2016 2:36 CH


Chương 2: Lý thuyết chung về vật liệu kim loại
III. Hợp kim:
III.1. Khái niệm về hợp kim:
- Hợp kim là vật liệu mang tính kim loại, bao gồm hai
hay nhiều nguyên tố, trong đó nguyên tố chính là kim
loại, nguyên tố phụ có thể là kim loại hay á kim.
- Thành phần nguyên tố hoá học trong hợp kim thường
được biểu thị bằng % trọng lượng, cũng có khi biểu
thị bằng % nguyên tử.
-Ví dụ:
La tông là hợp kim của 2 nguyên tố kim loại (Cu+Zn)

Thép 40 có 0,4%C;
Thép 40X có 0,4%C và 1%Cr
03/03/2016 2:36 CH


III. Hợp kim:
III.1. Khái niệm về hợp kim:
 Đặc điểm:
+ Cơ tính cao: Độ bền, độ cứng, giới hạn chảy, đàn
hồi của hợp kim cao hơn hẳn so với kim loại nguyên
chất, còn độ dẻo, độ dai vẫn đủ cao.
+ Tính công nghệ phù hợp với chế tạo cơ khí như:
tính đúc, tính gia công cắt gọt, có thể hoá bền bằng
nhiệt luyện v.v…
+ Tính kinh tế: rẻ hơn và kinh tế hơn nhiều so với kim
loại nguyên chất.
- Do luyện hợp kim không cần phải khử triệt để tạp
chất, mà chỉ cần khống chế chúng ở mức độ nào đó.
-

03/03/2016 2:36 CH