Bài giảng Cơ khí đại cương - Chương 2: Các khái niệm cơ bản về kim loại và hợp kim

Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại Chơng II: Các khái niệm cơ bản về Kim loại và Hợp kim Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại I. Tính chất chung của Kim loại & Hợp kim 1. Cơ tính: là những đặc trng cơ học biểu thị khả năng của kim loại hay hợp kim chịu tác dụng của các loại tải trọng 1.1. Độ bền: là khả năng của vật liệu chịu tác dụng của ngoại lực mà không bị phá huỷ. Độ bền đợc ký hiệu là  Sơ đồ mẫu đo độ bền kéo k k: độ bền kéo n: độ bền nén u: độ bền uốn x: độ bền xoắn )/( 2 0 mmN F P k  ->> Đơn vị đo độ bền đợc tính bằng N/mm2; kN/m2 hay MN/m2 Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại 1.2. Độ cứng: là khả năng của vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại lực tác dụng 1.2.1. Độ cứng Brinen - Brinell: HB [kG/mm2]  Tuỳ theo chiều dày của mẫu thử mà chọn đờng kính viên bi: D = 10mm, D = 5mm hoặc D = 0,25mm  Tuỳ theo tính chất của vật liệu mà chọn tải trọng P cho thích hợp - Gang: P = 30D2 - Đồng và Hợp kim đồng P = 10D2 - Nhôm, batit và các hợp kim mềm khác P = 2,25D2 F P HB  22 2 22 dD DD F   ) )(11 ( 2 2 D dD P HB    Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại 1.2.2. Độ cứng Rôcoen - Rockwell: HRA, HRB, HRC đợc xác định bằng cách dùng tải trọng P ấn viên bi bằng thép đã nhiệt luyện có đờng kính 1,587mm tức là 1/16’’ (thang B) hoặc mũi côn bằng kim cơng có góc ở đỉnh 1200 (thang C hoặc A) lên bề mặt vật liệu thử >> Viên bi thép dùng để thử những vật liệu ít cứng >> Mũi côn kim cơng dùng để thử các vật liệu có độ cứng cao: thép đã nhiệt luyện, ... Tải trọng tác dụng hai lần: - tải trọng sơ bộ P0 = 10kG - tải trọng chính P: + Bi thép: P = 100kG + Mũi kim cơng: P = 150kG - Thang B: giá trị đo đợc ký hiệu HRB (P = 100kG) - Thang C: giá trị đo đợc ký hiệu HRC (P = 150kG) - Thang A: giá trị đo đợc ký hiệu HRA (P = 60kG) Z Giá trị độ cứng Rockwell đợc chỉ thị trực tiếp trên đồng hồ của máy đo Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại 1.2.3. Độ cứng Vicke - Vicker: HV [kG/mm2] Tải trọng P từ 5 – 120kG thờng P = 5; 10; 20; 30;50;100 và 120kG 2 8544,1 d P HV  Z Phơng pháp đo độ cứng Vicke có đo cho cả vật liệu mềm và vật liệu cứng có lớp mỏng của bề mặt sau khi thấm than, thấm nitơ, nhiệt luyện v.v.. Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại 1.3. Độ dãn dài tơng đối %: là tỷ lệ tính theo phần trăm giữa lợng dãn dài sau khi kéo và chiều dài ban đầu %100. 1 11 0 01  l1: chiều dài sau khi kéo [mm] lo: chiều dài ban đầu [mm] 1.4. Độ dai va đập ak: Đơn vị: [J/mm2] hay [kJ/m2] là khả năng của vật liệu chịu đựng đợc các tải trọng va đập mà không bị phá huỷ Đơn vị: [%] Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại 2. Lý tính: là những tính chất của kim loại thể hiện qua các hiện tợng vật lý khi thành phần hoá học của kim loại đó không bị thay đổi. 2.1. Khối lợng riêng: là khối lợng của 1cm3 vật chất ]/[ 3cmg V P  P: khối lợng của vật chất V: thể tích của vật chất 2.2. Nhiệt độ nóng chảy: là nhiệt độ nung nóng đến đó sẽ làm cho kim loại từ thể rắn chuyển sang thể lỏng 2.3. Tính dãn nở: là khả năng dãn nở của kim loại khi nung nóng 2.4. Tính dẫn nhiệt: là khả năng dẫn dòng nhiệt của kim loại 2.5. Tính dẫn điện: là khả năng truyền dòng điện của kim loại 2.6. Từ tính: là khả năng nhiễm từ của kim loại Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại 3. Hoá tính: là độ bền của kim loại đối với những tác dụng hoá học của các chất khác nh ôxy, nớc axit v.vmà không bị phá huỷ 3.1. Tính chịu ăn mòn: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của các môi trờng xung quanh 3.2. Tính chịu nhiệt: 3.3. Tính chịu axit: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của ôxy trong không khí ở nhiệt cao hoặc hoặc đối với tác dụng ăn mòn của một vài thể lỏng hoặc thể khí đặc biệt ở nhiệt độ cao là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của axit Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại 4. Tính công nghệ: là khả năng của kim loại và hợp kim cho phép gia công nóng hay gia công nguội 4.1. Tính đúc: đặc trng bởi độ chảy loãng, độ co và tính thiên tích - Độ chảy loãng biểu thị khả năng điều đầy khuôn của kim loại và hợp kim - Độ co biểu thị sự co ngót của kim loại khi kết tinh từ lỏng sang đặc - Tính thiên tích là sự không đồng nhất về thành phần hoá học của kim loại trong các phần khác nhau của vật đúc 4.2. Tính rèn: là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi chịu tác dụng của ngoại lực để tạo thành hình dạng của chi tiết mà không bị phá huỷ 4.3. Tính hàn: là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các chi tiết hàn khi đ- ợc nung nóng cục bộ chỗ mối hàn đến trạng thái chảy hay dẻo Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại II. Cấu tạo và sự kết tinh của kim loại: 1. Cấu tạo của kim loại: Một số chi tiết máy bằng kim loại Cấu trúc của kim loại Cấu trúc KL nhìn qua kính hiển vi điện tử Liên kết kim loại nhờ đám mây điện tử Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại Sơ đồ mạng tinh thể của KL Ghi nhớ: - Các nguyên tử KL phân bố theo một quy luật nhất định - Nhiều mạng tinh thể sắp xếp thành mạng không gian - Mỗi nút mạng đợc coi là tâm của các nguyên tử  Kim loại có cấu tạo tinh thể Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại 1.1. Ô cơ bản: là phần không gian nhỏ nhất của mạng tinh thể đặc trng cho mạng không gian Ô cơ bản của mạng tinh thể KL Mạng tinh thể của KL nhìn dới kính hiển vi điện tử Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại 1.2. Các kiểu Ô cơ bản: 1.2.1. Lập phơng thể tâm: 1.2.2. Lập phơng diện tâm: Ký hiệu: Ký hiệu: Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại 1.2.3. Lục phơng dày đặc : Ký hiệu: Ký hiệu: Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại  Tuỳ theo loại ô cơ bản ngời ta xác định các thông số mạng Thông số mạng là giá trị độ dài đo theo chiều cạnh của ô cơ bản  Đơn vị đo của thông số mạng là ăangstrong (Ao): 1Ao = 10-8cm 2. Sự biển đổi mạng tinh thể của kim loại : Khi điều kiện ngoài thay đổi (áp suất, nhiệt độ, v.v..) tổ chức kim loại sẽ thay đổi theo Dạng ô cơ bản thay đổi Thông số mạng có giá trị thay đổi  Sự biển đổi mạng tinh thể - Mạng lập phơng: chỉ có một thông số mạng là a - Mạng lục giác: có 2 thông số mạng là a và c Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại Đờng nguội: Đờng nguội toC  (s)  tn Tốc độ nguội 0 T1 T2 CR = tg  Đối với mỗi kim loại nguyên chất, bằng thí nghiệm ngời ta xác định đợc một đờng nguội nhất định Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại 3. Sự kết tinh của kim loại Khi kim loại ở trạng thái lỏng chuyển sang trạng thái rắn đợc gọi là sự kết tinh Trung tâm kết tinh – tâm mầm Quá trình kết tinh phát triển Kết thúc quá trình kết tinh  Kim loại kết tinh theo một quá trình gồm nhiều giai đoạn Tâm mầm: - có thể là các phân tử tạp chất không nóng chảy nh bụi tờng lò - chất sơn khuôn v.v - tâm mầm tự sinh hình thành ở những nhóm nguyên tử có trật tự đạt đến kích th- ớc đủ lớn  Tuỳ theo vận tốc nguội khác nhau mà lợng tâm mầm xuất hiện nhiều hay ít, sự kết tinh sẽ tạo ra số lợng đơn tinh thể (hay hạt) nhất định toC  (s) Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại Nhiệt độ kết tinh toC  (s) Pha lỏng Pha rắn Các giai đoạn của Quá trình kết tinh Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại Hớng kết tinh Kết tinh kiểu nhánh cây Biên giới hạt Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại III. Khái niệm cơ bản về hợp kim: Một số khái niệm: 1. Pha là những phần tử của hợp kim có thành phần đồng nhất ở cùng một trạng thái và ngăn cách với các pha khác bằng bề mặt phân chia (nếu ở trạng thái rắn thì phải có sự đồng nhất về cùng một kiểu mạng và thông số mạng)  Một tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng gọi là hệ hợp kim 2. Nguyên là một vật chất độc lập có thành phần không đổi, tạo nên các pha của hệ Trong một số trờng hợp nguyên cũng là các nguyên tố hoá học hoặc là hợp chất hoá học có tính ổn định cao 3. Các tổ chức của hợp kim 3.1. Dung dịch đặc: Hai hoặc nhiều nguyên tố có khả năng hoà tan vào nhau ở trạng thái đặc gọi là dung dịch đặc Có hai loại dung dịch đặc: - dung dịch đặc thay thế - dung dịch đặc xen kẽ Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại - Dung dịch đặc thay thế - Dung dịch đặc xen kẽ  Sự hoà tan xen kẽ bao giờ cũng có giới hạn B Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại 3.2. Hợp chất hoá học: Pha đợc tạo nên do sự liên kết giữa các nguyên tố khác nhau theo một tỷ lệ xác định gọi là hợp chất hoá học Ví dụ: Hợp chất hoá học Fe3C (rất ổn định) 3.3. Hỗn hợp cơ học: Những nguyên tố không hoà tan vào nhau cũng không liên kết để tạo thành hợp chất hoá học mà chỉ liên kết với nhau bằng lực cơ học thuần tuý, thì gọi hệ hợp kim đó là hỗn hợp cơ học  hỗn hợp cơ học không làm thay đổi mạng nguyên tử của các nguyên tố thành phần Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại Cấu trỳc của hợp kim: Nguyên tử Hydro Nguyên tử Titan Nguyên tử Sắt Nguyên tử Sắt Nguyên tử Titan Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại Cách xây dựng Giản đồ trạng thái của hệ Hợp kim 4. Giản đồ trạng thái của hợp kim: là sự biểu diễn quá trình kết tinh của hệ hợp kim  Xây dựng giản đồ trạng thái bằng phơng pháp phân tích nhiệt, nghĩa là thiết lập các đờng nguội Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại  Quá trình kết tinh phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ của các chất tạo thành Các đờng nguội của các hợp kim chì - antimon: 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1’ 2 2 2’ 2 2 2’ 2’ 2’ 3 3 3 3 3 toC toC toC t oC toC      200 246 325 375 100%Pb 95%Pb 5%Sb 90%Pb 10%Sb 87%Pb 13%Sb 75%Pb 25%Sb Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại  Giản đồ trạng thái chỉ rõ cả tổ chức của hợp kim trong các điều kiện cân bằng  Dựa vào các đờng nguội, ta xác định đợc các điểm tới hạn của mỗi hợp kim  Đa tất cả các điểm tới hạn lên 1 giản đồ tổng hợp, ta có giản đồ trạng thái của hệ hợp kim Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim chì - antimon ACB: đờng lỏng DCE: đờng đặc DCE: đờng cùng tinh Pha lỏng A C B D E 246 375 toC toC Pb + Lỏng Sb + Lỏng [P b + S b ] Pb + [Pb + Sb] Sb + [Pb + Sb] 200 5 10 13 0 25 40 60 80 100% Sb 95 90 87 100% Pb 75 60 40 20 0 Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại toC toC 0 100% B 100% A 0 Pha lỏng toC toC A + L B+L [A + B ] A + [A+B] B + [A+B] 0 100% B 100% A 0 Cỏc loại giản đồ trạng thỏi của hợp kim 2 nguyờn: Loại I Loại II Pha lỏng   + L Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology Faculty of Mechanical Engineering Welding Engineering and Metals´ Technology CƠ KHÍ ĐẠI CƯƠNG Bộ mụn HÀN & CNKL Biờn soạn: ThS. Vũ Đỡnh Toại Pha lỏng toC t oC [A m B m ] 0 100% B 100% A 0 Loại III Loại IV Pha lỏng toC toC [ +  ] 0 100% B 100% A 0 AmBm L +    L +  Cỏc loại giản đồ trạng thỏi của hợp kim 2 nguyờn: