Giáo trình Vật liệu công nghệ kim loại – CĐ Giao thông Vận tải

pdf

107

4.7 (
9 lượt)

1072 MB

Nhấn vào bên dưới để tải tài liệu

Đang xem trước 10 trên tổng 107 trang, để tải xuống xem khá đầy đủ hãy nhấn vào bên trên

Chủ đề tương quan

Tài liệu tương tự

Nội dung

ỦY BAN NHÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG CAO ĐẲNG GIAO THÔNG VẬN TẢI
——

Bài Giảng

VẬT LIỆU VÀ CÔNG
NGHỆ KIM LOẠI
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG

Lưu hành nội bộ – Năm 2017

GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ KIM LOẠI
GIỚI THIỆU VỀ MÔN HỌC
a. Vị trí, tính chất môn học
– Môn học được bố trí ở học kỳ 1 của khóa học, có thể bố trí dạy song song với các môn
học, mô đun sau: Cơ kỹ thuật, vẽ kỹ thuật, dung sai lắp ghép và KTĐL, nhiệt kỹ thuật…
– Tính chất môn học: Là môn học cơ sơ nghề bắt buộc, kiến thức cơ bản để phục vụ cho
các môn chuyên ngành.
b. Mục tiêu của môn học:
Kiến thức chuyên môn
– Tr nh bày được đ c điểm, tính chất, k hiệu và phạm vi ứng dụng của một số vật liệu
thư ng d ng: gang, thép các bon, thép hợp kim, hợp kim cứng, kim loại màu, vật liệu bôi
trơn và làm mát, nhi n liệu d ng cho động cơ ô tô.
– Nhận biết được vật liệu b ng các giác quan, màu sắc, t trọng, độ nhám m n, nghe
âm thanh khi g, đập b a, mài xem tia l a
Kỹ năng nghề

– Kỹ năng lắng nghe; kỹ năng làm việc nhóm; kỹ năng lập kế hoạch và tổ chức công
việc;
– Kỹ năng t m kiếm, tổng hợp, phân tích và đánh giá thông tin;
– Kỹ năng s dụng công nghệ thông tin.
Thái độ lao động
– Rèn luyện cho học sinh thái độ nghi m t c, tỉ mỉ, chính xác trong thực hiện công việc.
– Thái độ biết lắng nghe, ham học hỏi, hứng th với công nghệ.
– Thái độ cầu tiến, biết tuân thủ nội quy, quy chế của trư ng, lớp
Các kỹ năng cần thiết khác
B nh tĩnh, tự tin biết kết hợp và làm việc theo nhóm.
Nội dung môn học.
 Chương 1: Kim loại và hợp kim.
 Chương 2: Gang và thép.

 Chương 3: Vật liệu phi kim loại.

LỜI NÓI ĐẦU
Giáo tr nh “VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ KIM LOẠI” được bi n soạn theo
chương tr nh môn học vật liệu và công nghệ kim loại, tài liệu d ng làm tài liệu học
tập cho sinh vi n chuy n ngành Công nghệ Kỹ thuật ôtô. Ngoài ra còn có thể làm tài
liệu tham khảo cho các chuy n vi n và học vi n ngành cơ khí.
Nội dung của giáo tr nh được bi n soạn với những kiến thức cơ bản nhất về cơ
kỹ thuật. Tr n cơ sở mục ti u môn học khi bi n soạn nhóm tác giả đã cố gắng tr nh
bày nội dung giáo tr nh một cách ngắn gọn, dễ hiểu, cuối mỗi chương là tập hợp các
câu hỏi và bài tập gi p ngư i học kiểm tra lại kiến thức đã tr nh bày trong chương đó.
Nhóm tác giả mong r ng với giáo trình này, sinh viên sẽ hiểu được những điều cơ
bản nhất của môn sức bền vật liệu, làm kiến thức nền tảng để học tốt các môn chuyên
ngành.
Giáo trình công nghệ khí nén và thủy lực ứng dụng được biên soạn gồm 3 chương:
Chương 1: Kim loại và hợp kim.
Chương 2: Gang và thép.
Chương 3: Vật liệu phi kim loại.

Trong quá trình biên soạn giáo trình nhóm tác giả xin chân thành cám ơn đã nhận
được nhiều ý kiến đóng góp chân thành và vô c ng qu báu của các đồng nghiệp và
các chuy n gia trong và ngoài trư ng. Giáo trình biên soạn không tránh khỏi một số
sai sót nhất đ nh. Chúng tôi rất mong tiếp tục nhận được nhiều ý kiến đóng góp của
qu đồng nghiệp và đọc giả để giáo tr nh được bổ sung, chỉnh s a ngày một hoàn
thiện hơn.
Mục tiêu cần đạt được về kiến thức và kỹ năng sau khi học:
– Về kiến thức: Qua sự đánh giá của giáo vi n và tập thể giáo vi n b ng các bài kiểm
tra viết và trắc nghiệm.
– Về kỹ năng: Đánh giá được kỹ năng của sinh viên trong bài kiểm tra đạt các yêu cầu
sau:
+ Kỹ năng lắng nghe; kỹ năng làm việc nhóm; kỹ năng lập kế hoạch và tổ chức công
việc;
+ Kỹ năng t m kiếm, tổng hợp, phân tích kết quả và đánh giá thông tin;
+ Kỹ năng s dụng công nghệ thông tin.
– Về thái độ: Cẩn thận, nghi m t c, tỉ mỉ, chính xác trong thực hiện công việc.
Giáo tr nh được bi n soạn cho đối tượng là sinh vi n Cao đẳng ngành Công nghệ Ô

tô và cũng là tài liệu tham khảo bổ ích cho học sinh TCCN, CĐN cũng như kỹ thuật vi n
đang làm việc ở các hãng s a chữa và garage ô tô.
Nhóm tác giả xin chân thành cám ơn tập thể cán bộ giảng dạy tại Khoa Kỹ Thuật Ô
tô Trư ng Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải TpHCM đã đóng góp

kiến và kinh nghiệm

để hoàn thiện giáo tr nh này.
M c d đã cố gắng nhưng chắc không tránh khỏi khiếm khuyết. Nhóm tác giả rất
mong nhận được

kiến đóng góp của ngư i s dụng để lần tái bản sau giáo tr nh được

hoàn chỉnh hơn. Mọi

kiến đóng góp xin gởi về Khoa Kỹ Thuật Ô tô Trư ng Cao Đẳng

Giao Thông Vận Tải TpHCM – Số 8 – Nguyễn Ảnh Thủ – P. Trung Mỹ Tây – Q12 –
TpHCM.
Nhóm tác giả

CHƢƠNG 1: KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
I. KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU CƠ KHÍ
1.1. Khái niệm về vật liệu cơ khí:
Vật liệu cơ khí là các vật chất mà con ngư i s dụng trong sản xuất cơ khí để tạo
dựng n n sản phẩm cho cuộc sống như: máy móc, thiết b, xây dựng công tr nh, nhà
c a…
Các nhóm vật liệu phổ biến d ng trong công nghiệp là: vật liệu kim loại, vật liệu vô
cơ – ceramic, vật liệu hữu cơ – polyme, vật liệu kết hợp – compozit. Trong đó:
– Vật liệu kim loại (Hình 1.1 – a): là những vật thể dẫn điện tốt, có ánh kim, có khả
năng biến dạng dẻo tốt ngay cả ở nhiệt độ thư ng, kém bền vững hóa học. Vật liệu kim
loại thông dụng là thép, gang, đồng, nhôm…và các hợp kim của ch ng, đây cũng là
nhóm vật liệu được d ng chủ yếu trong sản xuất cơ khí và là đối tượng chính của môn
học.
– Vật liệu vô cơ – ceramic (Hình 1.1 – b): là các chất dẫn điện kém, không biến
dạng dẻo và rất giòn, rất bền vững hóa học và nóng chảy ở nhiệt độ rất cao. Các vật liệu
ceramic thông dụng là gốm, sứ, thủy tinh, gạch thư ng và gạch ch u l a…
– Vật liệu hữu cơ – polyme (Hình 1.1 – c): là những chất dẫn điện kém, có khả năng
biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao, bền vững hóa học ở nhiệt độ thư ng, nóng chảy ho c
phân hủy ở nhiệt độ tương đối thấp. Hai nguy n tố thành phần chủ yếu trong loại vật
liệu này là cacbon và hydro. Vật liệu hữu cơ tự nhi n thư ng g p là các loại gỗ, cao su
và các loại vật liệu hữu cơ nhân tạo như polyetylen (PE), polyvinylclorua (PVC)…
– Vật liệu kết hợp – compozit (Hình 1.1 – d): là loại vật liệu tạo thành từ sự kết hợp
giữa hai hay nhiều loại vật liệu khác, ví dụ như: b tông cốt thép, vật liệu kết hợp giữa
kim loại và polyme, ho c giữa polyme và ceramic…

5

1.2. Vai trò của vật liệu cơ khí trong ngành cơ khí chế tạo máy:
Máy móc trong cơ khí được cấu tạo từ nhiều chi tiết và dụng cụ của nó, do điều kiện
làm việc của ch ng khác nhau n n đòi hỏi các y u cầu cơ tính cũng phải khác nhau. Đ c
biệt để đạt tính cạnh tranh trong nền kinh tế hiện nay th các sản phẩm cơ khí này vừa
phải đạt các y u cầu cơ tính đề ra vừa phải đạt tính kinh tế tức là phải chọn công nghệ
có chi phí thấp nhất để hạ giá thành. Song điều quyết đ nh đến cơ tính và tính công nghệ
của vật liệu lại chính là cấu tr c b n trong của nó. Do vậy, mọi yếu tố li n quan đến cấu
tr c b n trong như thành phần hóa học, công nghệ chế tạo vật liệu và gia công vật liệu
thành sản phẩm cơ khí khi s dụng đều ảnh hưởng đến cơ tính và khả năng s dụng của
vật liệu cơ khí được lựa chọn.
Trong các nhóm vật liệu th vật liệu kim loại có vai trò quyết đ nh đến sự phát triển
của xã hội và kỹ thuật. Đó là vật liệu cơ bản để chế tạo ra những máy móc và những
công trình xây dựng. Sự phát triển không ngừng của máy động lực, máy công cụ gắn
liền với sự phát triển của các vật liệu kim loại với tính năng ngày càng cao. Ngày nay,
từ những kỹ thuật thông thư ng như chế tạo công cụ và máy móc nói chung, chế tạo tàu
biển, xe ô tô, xây dựng nhà c a cho đến những kỹ thuật hiện đại như chế tạo máy bay
si u lớn, si u nhẹ, tàu vũ trụ…đòi hỏi các vật liệu ngày càng bền vững và nhẹ hơn.
1.3. Khái quát quá trình phát triển ngành vật liệu cơ khí:
Ứng dụng kỹ thuật cơ khí có thể thấy được qua nhiều thành tựu th i cổ đại và trung
đại. Vào th i Hy Lạp cổ đại, các công tr nh của Archimedes (287-212 BC) có ảnh hưởng
rất lớn đối với cơ học truyền thống phương Tây và Heron (c. 10 – 70 AD) ở Alexandria đã
chế tạo ra động cơ hơi nước đầu ti n (Aeolipile). Ở Trung Quốc, Trương Hành (78 – 139
AD) đã phát minh ra đồng hồ nước và đ a chấn kế. Ma Jun (200 – 265 AD) cũng đã phát
minh ra xe ngựa với bộ truyền bánh răng vi sai. Nhà xác đ nh th i khắc và kĩ sư Trung
Quốc th i trung đại Tô Tụng (1020 – 1101 AD) đã kết hợp cơ cấu con ngựa và tháp đồng
hồ thi n văn của ông ta hai thế kỉ trước khi các thiết b d ng cơ cấu con ngựa được s
dụng trong các đồng hồ của châu Âu th i Trung Cổ. Ông ta cũng được biết đến là ngư i
s dụng bộ truyền xích đầu ti n tr n thế giới.
Vào th i đại hoàng kim của Hồi giáo (thế kỉ VII – thế kỉ XV), các nhà phát minh hồi
giáo đã có nhiều đóng góp đáng ghi nhận. Al-Jazari là một trong số họ. Ông là tác giả của
quyển sách cổ nổi tiếng “Kiến thức về các thiết b cơ khí tinh xảo” vào năm 1206, trong
6

đó tr nh bày rất nhiều thiết kế cơ khí. Ông cũng được coi là nhà phát minh của nhiều loại
thiết b cơ khí là căn bản của cơ học hiện nay như trục khu u và trục cam.
Trong cuộc cách mạng công nghiệp vào đầu thế kỉ XIX, máy công cụ được phát
triển ở Anh, Đức và Scotlend đã đưa kỹ thuật cơ khí tách ra thành một lĩnh vực ri ng biệt
trong kĩ thuật. Các máy công cụ được d ng để chế tạo máy và các động cơ để cung cấp
năng lượng cho ch ng. Cộng đồng nghề nghiệp đầu ti n của Kĩ sư Cơ khí là Hiệp hội Kĩ
sư Cơ khí được thành lập và năm 1847. Ba mươi năm sau, các kĩ sư xây dưng cũng sáng
lập n n Hiệp hội Kĩ sư Xây dựng. Ở châu Âu, Johann von Zimmermann (1820 – 1901) đã
xây dựng nhà máy đầu ti n về máy mài ở Chemnitz, Đức và năm 1948.
Ở Mỹ, Hiệp hội Kĩ sư Cơ khí Hoa K (ASME) đươc thành lập vào năm 1880, là hiệp
hội kĩ thuật chuy n nghiệp thứ ba sau Hiệp hội kĩ sư Xây dựng Hoa K (1852) và Viện Kĩ
sư mỏ Hoa K (1871). Những trư ng học đầu ti n ở Mỹ dạy kĩ thuật là Học viện Quân sự
Hoa Kì (năm 1817), tổ chức hiện tại là Đại học Norwich (1819) và viện Bách Khoa
Rensselaer (1825). Việc giảng dạy cơ khí xưa nay luôn dựa tr n nền tảng toán học và
khoa học.
Mỗi khi con ngư i t m ra một loại vật liệu mới, với những tính chất ưu việt của nó là
một lần th c đẩy năng suất lao động phát triển mở ra những ngành khoa học mới như:
–

Sự xuất hiện công nghệ chế tạo nhôm hợp kim cứng Đura (1903) đã gi p cho

ngành công nghiệp hàng không và t n l a có bước phát triển nhảy vọt.
–

Hàng loạt các vật liệu khác cũng được chế tạo và ứng dụng rộng rãi trong ngành

cơ khí như: thép không rỉ austenit (1912), hợp kim titan (1960), thép kết cấu có độ bền
cao (1965), thủy tinh kim loại (1990), kim loại nhớ (1990)…
Ngày nay các nhà khoa học vẫn tiếp tục nghi n cứu nh m tạo ra những hợp kim mới
có tính năng ngày càng ưu việt hơn về cơ tính c ng một số tính chất vật l và hóa học
đ c biệt. Những thành công trong nghi n cứu và chế tạo vật liệu mới đã và đang đóng
một vai trò quan trọng trong sự phát triển của thế giới
II. CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM:
2.1. Kim loại
2.1.1. Khái niệm về kim loại
Kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao.
– Trong điều kiện thư ng và áp suất khí quyển hầu hết các kim loại tồn tại ở
trạng thái rắn (ngoại trừ thủy ngân).
7

2.1.2. Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại:

+ Mạng tinh thể là mô h nh h nh học mô tả sự sắp xếp có quy luật của các
nguy n t (phân t ) trong không gian (H nh 1.2 a).
+ Mạng tinh thể bao gồm các m t đi qua các nguy n t, các m t này luôn
luôn song song cách đều nhau và được gọi là m t tinh thể (H nh 1.2 b).
+ Ô cơ sở là h nh khối nhỏ nhất có cách sắp xếp chất điểm đại diện chung
cho mạng tinh thể (H nh 1.2 c). Trong thực tế để đơn giản chỉ cần biểu diễn mạng tinh
thể b ng ô cơ sở của nó là đủ. Tuỳ theo loại ô cơ bản ngư i ta xác đ nh các thông số
mạng. Ví dụ như tr n ô lập phương thể tâm (H nh 1.3) có thông số mạng là a là chiều
dài cạnh của ô. Đơn v đo của thông số mạng là Ăngstrong (Angstrom), k hiệu: A
 Các kiểu mạng tinh thể thƣờng gặp:
+ Mạng lập phương thể tâm: các nguy n t (ion) n m ở các đỉnh và ở tâm
của khối lập phương.
Các kim loại nguy n chất có kiểu mạng này như: Feα, Cr, W, Mo, V…

+ Lập phương diện tâm: các nguy n t (ion) n m ở các đỉnh và giữa (tâm)
các m t của h nh lập phương.
Các kim loại nguy n chất có kiểu mạng này như: Feg, Cu, Ni, Al, Pb…

8

+ Lục giác xếp ch t: bao gồm 12 nguy n t n m ở các đỉnh, 2 nguy n t
n m ở giữa 2 m t đáy của h nh lăng trụ lục giác và 3 nguy n t n m ở khối tâm của 3
lăng trụ tam giác cách đều nhau
Các kim loại nguy n chất có kiểu mạng này như: Mg, Zn…

Như vậy có thể xem một khối kim loại nguy n chất là tập hợp vô số các
mạng tinh thể (hạt tinh thể) được sắp xếp hỗn độn, mạng tinh thể lại gồm vô số các ô cơ
sở và dạng của từng ô cơ sở t y thuộc vào kiểu mạng của kim loại đó.

9

 Tính thù hình của kim loại:


Định nghĩa: Là một kim loại có thể có nhiều kiểu mạng tinh thể khác nhau

tồn tại ở những khoảng nhiệt độ và áp suất khác
nhau.


Đặc tính thù hình
– Các dạng th h nh khác nhau được

k hiệu b ng các chữ cái Hy Lạp theo nhiệt độ từ
thấp đến cao: α, β, γ, δ…
– Khi có chuyển biến th h nh th kim
loại có sự thay đổi thể tích và tính chất b n trong.
Đây là đ c tính quan trọng khi s dụng chúng.
Ví dụ: Khi nung nóng sắt ngư i ta thấy
ở trạng thái rắn sắt thay đổi ba kiểu mạng tinh thể ở ba khoảng nhiệt độ khác nhau (≤
9110C, 911 – 13920C, ≥ 13920C). Vậy sắt có ba dạng th

h nh được k

hiệu là:

Feα, Feg, Feδ. Ta thấy sắt có ba kiểu mạng tinh thể khác nhau do đó tính chất của sắt ứng
với từng kiểu mạng cũng khác nhau.
2.2. Hợp kim
2.2.1. Khái niệm về hợp kim
Hợp kim là vật thể có chứa nhiều nguy n tố và mang tính chất kim loại. Nguy n
tố chủ yếu trong hợp kim là nguy n tố kim loại.
2.2.2. Đặc tính của hợp kim:
Trong lĩnh vực cơ khí, hợp kim được s dụng rộng rãi v các ưu điểm sau:


Cơ tính hợp kim ph hợp với vật liệu chế tạo cơ khí: đối với ngành cơ

khí vật liệu s dụng phải có các y u cầu như độ bền cao, tuổi thọ s dụng lâu. Về m t
này th hợp kim hơn hẳn kim loại nguy n chất, ch ng có độ cứng, độ bền cao hơn hẳn
trong khi độ dẻo và độ dai vẫn đủ cao.


Tính công nghệ thích hợp: kim loại nguy n chất có tính dẻo cao dễ gia

công áp lực nhưng khó đ c, gia công cắt kém, không hóa bền được b ng nhiệt luyện.
Hợp kim có tính công nghệ khác nhau và ph hợp với từng điều kiện gia công: gia công
áp lực ở trạng thái nóng và nguội, đ c, gia công cắt, nhiệt luyện… đảm bảo cho chế tạo
sản phẩm có năng suất cao.


Giá thành hạ hơn: dễ chế tạo hơn do không phải kh bỏ các tạp chất một

10

Source: https://suanha.org
Category : Vật Liệu