Chương 1 - Cấu tạo tinh thể của vật liệu

TRƯờng đại học công nghiệp tphcm
VIN K THUT
------O0o------

BàI GIảNG
vật liệu KỸ THUẬT c¬ khÝ
GV: ĐẶNG KHÁNH NGỌC
VIỆN KỸ THUẬT
18/02/2020 12:00 CH


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.

18/02/2020 12:00 CH


NộI DUNG
CHNG 1: cấu trúc tinh thể của vật liệu
ChƯơng 2: cấu tạo pha và giản đồ tT
CHƯƠNG 3: gang

Chơng 4: thép
CHƯƠNG 5: kim loại và hợp kim màu
CHƯƠNG 6: vật liệu phi kim loại
CHƯƠNG 7: Vật liệu bột và composit

18/02/2020 12:00 CH


MỞ ĐẦU
MÔ TẢ MÔN HỌC

- Vật liệu kỹ thuật cơ khí là mơn học khoa học sử
dụng các thành tựu khoa học của hoá học, vật lý, hoá
lý và nhiều ngành khoa học khác để nghiên cứu mối
quan hệ giữa tổ chức và tính chất của vật liệu, từ đó
đề ra phương pháp chế tạo và sử dụng thích hợp.
- Ngày nay, vật liệu kim loại vẫn còn chiếm vị trí chủ
chốt trong ngành chế tạo máy song bên cạnh đó cịn
có các vật liệu khác: ceramic, polyme, composite nên
mơn học này, ngồi gang, thép, kim loại màu cịn đề
cập đến vật liệu phi kim vật liệu kết hợp nhằm cung
cấp thêm cho các em nguồn lựa chọn vật liệu khi thiết
kế, chế tạo chi tiết máy.
18/02/2020 12:00 CH


MỞ ĐẦU
YÊU CẦU MÔN HỌC
-Người học phải dự học đầy đủ các buổi lên lớp và làm bài, học bài

đầy đủ ở nhà
*. Về kiến thức:
- Có kiến thức về cấu tạo tinh thể và bản chất của kim loại, phi kim;
- Phân biệt được các quy trình nhiệt luyện kim loại và hợp kim;
- Giải thích được các hiện tượng thay đổi cơ tính xảy ra khi nhiệt
luyện.
*. Về kỹ năng:
-Chọn được vật liệu khi thiết kế chế tạo máy;
-Lựa chọn được các phương pháp nghiên cứu tổ chức của vật liệu;
- Chọn đúng phương pháp thử cơ tính của vật liệu;
- Sử dụng được phần mềm tra mác vật liệu;
-Lập được quy trình nhiệt luyện chi tiết máy.
18/02/2020 12:00 CH


MỞ ĐẦU
CÁCH TIẾP NHẬN NỘI DUNG MÔN HỌC
- Để học tốt môn học này, sinh viên cần ôn tập các bài đã học, trả lời
các câu hỏi, làm bài tập đầy đủ, đọc trước bài mới và tìm thêm các
thơng tin liên quan đến bài học.
- Đối với mỗi bài học, sinh viên đọc trước mục tiêu, tóm tắt bài học
sau đó đọc nội dung bài học. Kết thúc mỗi bài học, sinh viên trả lời
câu hỏi ôn tập, làm các bài tiểu luận hoặc sưu tầm về vật liệu.
PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MƠN HỌC
Mơn học được đánh giá gồm:
- Điểm quá trình: 30%
- Điểm thi: 70%. + Hình thức thi tự luận, thời gian thi: 90 phút.
+ Nội dung thi: Kiến thức đã học 50% số điểm, 20% dành cho nội
dung vận dụng sáng tạo kiến thức đã học để phân tích, cải tiến chi tiết
máy như thay đổi vật liệu sao cho được các tiêu chí: Rẻ hơn, tốt hơn,

đẹp hơn.......

18/02/2020 12:00 CH


MỞ ĐẦU
KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU
 Dựa vào cấu trúc-tính chất đặc trưng, người ta
phân biệt 4 nhóm vật liệu thường sử dụng trong công
nghiệp hiện nay:
 Vật liệu kim loại
 Vật liệu vô cơ – Ceramic
 Vật liệu hữu cơ – Polyme
 Vật liệu tổ hợp – Compozit

18/02/2020 12:00 CH


KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU


1. Vật liệu kim loại: là tổ hợp chủ yếu của các
nguyên tố kim loại. Các tính chất điển hình VLKL:
◦ - Đắt và khá đắt.
◦ - Dẫn điện, dẫn nhiệt cao.
◦ - Có ánh kim, phản xạ ánh sáng, không cho ánh
sáng thường đi qua, dẻo dễ biến dạng( cán, kéo,
rèn, ép).
◦ - Có độ bền cơ học nhưng kém về hóa học.
VLKL thơng dụng: thép, gang, đồng, nhôm, titan,

niken…., và các hợp kim của chúng

18/02/2020 12:00 CH


KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU


2. Ceramic( Vật liệu vô cơ-VLVC): có nguồn gốc
vơ cơ là hợp chất giữa kim loại, silic với á kim
(oxit, nitrit, cacbit) gồm khoáng vật đất sét, xi
măng, thủy tinh. Các tính chất điển hình của VLVC
ceramic là:
◦ - Rẻ và khá rẻ
◦ - Khá nặng.
◦ - Dẫn điện, nhiệt kém( cách điện, cách nhiệt)
◦ - Cứng, giòn, bền ở nhiệt độ cao

18/02/2020 12:00 CH


KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU


3. Polyme( Vật liệu hữu cơ) có nguồn gốc hữu cơ
mà thành phần chủ yếu là cacbon, hydro và các á
kim có cấu trúc đại phân tử:
◦ - Rẻ và khá rẻ
◦ - Dẫn nhiệt và dẫn điện kém
◦ - Khối lượng riêng nhỏ

◦ - Dễ uốn dẻo đặc biệt ở nhiệt độ cao
◦ - Bền hóa học ở nhiệt độ thường và khí quyển,
nóng chảy và phân hủy ở nhiệt độ thấp.
4. Compozit: được tạo thành do sự kết hợp của 2
hoặc 3 loại vật liệu trên.
Ví dụ: KL- polyme; KL-Ceramic; polyme-ceramic
18/02/2020 12:00 CH


CHƢƠNG 1: cÊu tróc tinh thĨ cđa vËt liƯu

I. CẤU TRÚC VÀ LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ
1.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẤU TẠO NGUYÊN TỬ
- Nguyên tử là hệ thống gồm hạt nhân (mang điện tích
dương) và các điện tử bao quanh (mang điện tích âm)
mà ở trạng thái bình thường được trung hịa về điện.
Hạt nhân gồm prơtơn (điện tích dương) và nơtrơn
(khơng mang điện). Các điện tử phân bố quanh hạt
nhân tuân theo các mức năng lượng từ thấp đến cao.
-

18/02/2020 12:00 CH


CHƢƠNG 1: cÊu tróc tinh thĨ cđa vËt liƯu

I. CẤU TRÚC VÀ LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ
1.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẤU TẠO NGUYÊN TỬ
- Cấu hình điện tử chỉ rõ: số lượng tử chính (1, 2, 3...),
ký hiệu phân lớp (s, p, d...), số lượng điện tử thuộc

phân lớp (số mũ trên ký hiệu phân lớp).
-Ví dụ: Cu có Z = 29 có cấu hình điện tử là
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1, qua đó biết được số điện
tử ngồi cùng (ở đây là 1, hóa trị 1).
- Fe có Z = 26 có cấu hình điện tử là
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 (trong trường hợp này
phân lớp 3d bị thiếu, chỉ có 6, nếu đủ phải là 10 như
trường hợp của Cu.
18/02/2020 12:00 CH


CHƢƠNG 1: cÊu tróc tinh thĨ cđa vËt liƯu

I. CẤU TRÚC VÀ LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ
1.2. CÁC DẠNG LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ TRONG
CHẤT RẮN
a - Liên kết đồng hóa trị:

b) - Ge
c) - CH4
a) - Clo
Sơ đồ biểu diễn liên kết đồng hóa trị
18/02/2020 12:00 CH


I. CẤU TRÚC VÀ LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ
1.2. CÁC DẠNG LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ TRONG
CHẤT RẮN
a - Liên kết đồng hóa trị: Liên kết này tạo ra khi hai
(hoặc nhiều) nguyên tử góp chung nhau một số điện

tử hóa trị để có đủ tám điện tử ở lớp ngồi cùng. Có
thể lấy ba ví dụ như sau (hình 1.1).
• Clo có 7 điện tử ở lớp ngồi cùng, mỗi ngun tử
góp chung 1 điện tử nên một phân tử gồm hai nguyên
tử clo sẽ chung nhau 2 điện tử làm cho lớp điện tử
ngoài cùng của nguyên tử nào cũng đủ 8 (hình 1.1a).
18/02/2020 12:00 CH


I. CẤU TRÚC VÀ LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ




1.2. CÁC DẠNG LIÊN KẾT NGUN TỬ TRONG CHẤT RẮN

• Giecmani (Ge) có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng (4s2,
4p2), mỗi nguyên tử góp chung 1 điện tử, nên một
nguyên tử đã cho cần có bốn nguyên tử xung quanh
để tạo nên cấu trúc bền vững với 8 điện tử (hình
1.1b
• Mêtan (CH4). Cacbon chỉ có 4 điện tử ở lớp ngồi
cùng như vậy là nó thiếu tới 4 điện tử để đủ 8.
Trong trường hợp này nó sẽ kết hợp với bốn
ngun tử hyđrơ để mỗi ngun tử này góp cho nó 1
điện tử làm cho lớp điện tử ngồi cùng đủ 8. Đó là
bản chất lực liên kết trong phân tử mêtan (CH4)
như biểu thị ở hình 1.1c.
18/02/2020 12:00 CH

CHƢƠNG 1: cÊu tróc tinh thĨ cđa vËt liƯu

I. CẤU TRÚC VÀ LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ
1.2. CÁC DẠNG LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ TRONG
CHẤT RẮN
b - Liên kết ion: Nguyên tử có ít điện tử hóa trị dễ cho
bớt điện tử đi để tạo thành cation(ion dương) với
nguyên tử có nhiều điện tử hóa trị dễ nhận thêm điện
tử để tạo thành anion (ion âm) KL ion thể hiện tính
giịn cao.

18/02/2020 12:00 CH


CHƢƠNG 1: cÊu tróc tinh thĨ cđa vËt liƯu

I. CẤU TRÚC VÀ LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ
c - Liên kết kim loại
- Là liên kết giữa mạng ion
dương xác định với các điện
tử tự do. Năng lượng liên kết
là tổng hợp lực đẩy và lực hút
tĩnh điện giữa các ion dương
và mây điện tử tự do.
- kim loại thể hiện
tính dẻo cao.

18/02/2020 12:00 CH

I. CẤU TRÚC VÀ LIÊN KẾT NGUYÊN TỬ

c - Liên kết kim loại
Đặc điểm:
+ Kim loại có màu sắc đặc trưng.
+ Dẻo, dể biến dạng: uốn, dập, dát mỏng...
+ Dẫn điện và dẫn nhiệt tốt.
+ Có hệ số nhiệt điện trở dương: tức là khi tăng nhiệt
độ, điện trở sẽ tăng lên, đối với á kim thì hệ số này là
âm.

18/02/2020 12:00 CH


CHƢƠNG 1: cÊu tróc tinh thĨ cđa vËt liƯu

II. MẠNG TINH THỂ
2.1. KHÁI NIỆM VỀ MẠNG TINH THỂ
- Mạng tinh thể là mơ hình khơng gian biểu diễn quy
luật hình học của sự sắp xếp nguyên tử.
Phần lớn vật liệu có cấu trúc, tính chất rất đa dạng
phụ thuộc vào kiểu mạng

18/02/2020 12:00 CH


CHƢƠNG 1: cÊu tróc tinh thĨ cđa vËt liƯu

II. MẠNG TINH THỂ

2.1 KHÁI NIỆM VỀ MẠNG TINH THỂ
a. Mặt tinh thể: là mặt phẳng đi qua một số chất
điểm trong mạng tinh thể.
- Đặc điểm: các mặt tinh thể song song nhau có
có tính chất giống nhau
b. Phƣơng tinh thể:
Là đường thẳng đi qua một
số các chất điểm trong mạng
tinh thể
- Đặc điểm: phương
tinh thể song song nhau
có tinh chất giống nhau
Vidu: phuong tinh thể
AB,CD

18/02/2020 12:00 CH


CHƢƠNG 1: cÊu tróc tinh thĨ cđa vËt liƯu

II. MẠNG TINH THỂ
c. Ơ cơ sở
- Là hình khối nhỏ nhất có cách sắp xếp ngun tử đại
diện cho tồn bộ mạng tinh thể.
Do tính chất đối xứng từ một ơ cơ sở tịnh tiến theo
3 chiều trong không gian sẽ được mạng tinh thể.

18/02/2020 12:00 CH

CHƢƠNG 1: cÊu tróc tinh thĨ cđa vËt liƯu

II. MẠNG TINH THỂ
d. Thơng số mạng(hằng số mạng)
-là kích thước của ơ cơ sở từ đó có thể tính ra được
khoảng cách giữa hai nguên tử bất kỳ trong mạng.
( a,b,c ) đơn vị đo là A0 :Angstrong (1A0  108 cm)
(  ,  ,  ) đơn vị đo là độ hay Radian

18/02/2020 12:00 CH


CHƢƠNG 1: cÊu tróc tinh thĨ cđa vËt liƯu

II. MẠNG TINH THỂ
e. Điểm trống (lỗ hổng) : Kim loại cấu tạo bởi các
nguyên tử hình cầu vì vậy giữa các quả cầu ln có những
khoảng trống. Hình dạng điểm trống được tạo bởi các đa
diện cong. Để dễ nghiên cứu người ta coi kích thước điểm
trống là một qủa cầu nội tiếp trong khoảng trống đó.
Ý nghĩa: cho phép sự xâm nhập khuếch tán của vật chất
trong tinh thể để cho phép tạo ra hợp kim.

18/02/2020 12:00 CH


CHƢƠNG 1: cÊu tróc tinh thĨ cđa vËt liƯu

III. MẠNG TINH THỂ ĐIỂN HÌNH
Một số mạng tinh thể thƣờng gặp.

+ Mạng lập phƣơng tâm khối (thể tâm)A2
+ Mạng lập phƣơng tâm mặt(diện tâm) A1
+ Mạng sáu phƣơng(lục giác) xếp chặt A3
+ Mạng chính phƣơng thể tâm

18/02/2020 12:00 CH


Mạng lập phương
Mạng lập phương
Mạng sáu phương
tâm khối(thể tâm)A2 tâm mặt(diện tâm)A1 (lục giác) xếp chặt A

18/02/2020 12:00 CH