Giáo trình Giáo trình vật liệu cơ khí (Trình độ Cao đẳng)

ĐẦU Thực hiện chỉ đạo của Ban Giám hiệu Nhà trường về việc biên soạn, chỉnh sửa chương trình, giáo trình theo Luật Giáo dục nghề nghiệp năm 2014 và thông tư hướng dẫn thực hiện số: 03/2017/TT-BLĐTBXH. Khoa Cơ khí đã tiến hành biên soạn lại toàn bộ chương trình và giáo trình môn học, mô đun của các nghề. Giáo trình “Vật liệu cơ khí” được biên soạn trên cơ sở kế thừa các giáo trình trước đây, được lựa chọn những nội dung cơ bản, cốt yếu và bổ sung một số kiến thức mới nhằm phù hợp với chương trình và thời lượng giảng dạy của môn học. Nội dung bao gồm: Chương 1: Khái niệm cơ bản về kim loại và hợp kim Chương 2: Gang-Thép Chương 3: Kim loại màu và hợp kim màu Chương 4: Hợp kim cứng Chương 5: Nhiệt luyện thép Chương 6: Vật liệu phi kim loại Thời gian thực hiện: 30 giờ. Nội dung giáo trình phục vụ cho việc đào tạo Học sinh - Sinh viên hệ Trung cấp và Cao đẳng nghề trong nhóm ngành cơkhí. Mặc dù đã rất cố gắng trong quá trình biên soạn, nhưng giáo trình có thể vẫn còn những sai sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của bạn đọc để cuốn sách hoàn thiện hơn trong các lần xuất bản sau. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ: Khoa Cơ khí trường Cao đẳng Công nghiệp Hải Phòng Xin chân thành cảm ơn! Tổ môn -3- MỤC LỤC TUYÊN BỐBẢN QUYỀN ................................................................................... 1 LỜINÓIĐẦU ........................................................................................................ 2 CHƯƠNG 1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI -HỢP KIM ...................... 7 1. KHÁI NIỆM VỀVẬTLIỆU .......................................................................... 7 1.1. Sơ lược vềvậtliệu .................................................................................... 7 1.2. Vai trò của vật liệu trongcuộc sống ....................................................... 9 1.3. Các tiêu chuẩnvậtliệu ........................................................................... 10 2. CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI -HỢP KIM ................................................... 10 2.1. Kimloại ................................................................................................. 10 2.2. Hợp kim ................................................................................................ 13 3. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀHỢPKIM ............................ 16 3.1. Tính chấtvậtlý ....................................................................................... 16 3.2. Tính chấthóahọc ................................................................................... 18 3.3. Tính côngnghệ ...................................................................................... 18 3.4. Tính chất cơ học (còn gọi làcơtính) ..................................................... 19 3.5. Quan hệ giữa các đặc trưng cơ tính củavậtliệu .................................... 22 3.6. Các phương pháp thửcơ tính ................................................................ 22 CÂU HỎI ÔN TẬPCHƯƠNG1.......................................................................... 27 CHƯƠNG 2. GANG-THÉP ................................................................................ 29 1. GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁIPHAFe-C ........................................................... 29 1.1. Một số khái niệmcơ bản ....................................................................... 29 1.2. Giản đồ pha vàcôngdụng ...................................................................... 30 1.3. Giản đồ phaFe-C (Fe-Fe3C) ................................................................. 30 2. GANG VÀ CÁC LOẠI GANGTHƯỜNGDÙNG ..................................... 35 2.1. Giới thiệu chungvề gang ...................................................................... 35 2.2. Cácloạigang .......................................................................................... 38 3. THÉP VÀ CÁC LOẠI THÉPTHƯỜNGDÙNG ......................................... 44 3.1. Khái niệm chungvề thép ....................................................................... 44 3.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chấtcủathép ........................... 45 3.3. Các phương pháp phânloạithép ............................................................ 46 3.4. Phân loại thép theocôngdụng ............................................................... 47 4. THÉPHỢP KIM ........................................................................................... 50 4.1. Khái niệm théphợpkim ......................................................................... 50 4.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến tính chấtcủathép ............. 51 4.3. Phân loại théphợpkim........................................................................... 52 CÂU HỎI ÔN TẬPCHƯƠNG2...................................................................... 58 CHƯƠNG 3. KIM LOẠI MÀU VÀ HỢPKIM MÀU ........................................ 59 -4- 1. ĐẶC ĐIỂM VÀ TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIMLOẠIMÀU ............... 59 2. ĐỒNG VÀ HỢP KIM ĐỒNG .................................................................... 60 2.1. Đồng nguyênchất .................................................................................. 60 2.2. Hợpkimđồng ......................................................................................... 60 3. NHÔM VÀ HỢPKIM NHÔM .................................................................... 63 3.1. Nhômnguyên chất................................................................................. 63 3.2. Hợpkimnhôm ........................................................................................ 64 4. THIẾC - CHÌ-KẼM ..................................................................................... 66 a. Thiếc ........................................................................................................ 66 b. Chì ........................................................................................................... 66 c. Kẽm .......................................................................................................... 67 5. HỢP KIM LÀMỔ TRƯỢT ......................................................................... 68 5.1. Kháiniệm .............................................................................................. 68 5.2. Yêu cầu đối với hợp kim làmổ trượt .................................................... 68 5.3. Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ nóng chảythấp (babit) ............................. 69 5.4. Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ nóngchảycao ........................................... 69 CHƯƠNG 4. HỢPKIM CỨNG .......................................................................... 71 1. KHÁINIỆM CHUNG.................................................................................. 71 2. PHÂN NHÓM HỢPKIM CỨNG ............................................................... 72 3. CÁC LOẠI VẬT LIỆU CỨNGKHÁC ....................................................... 74 CHƯƠNG 5.NHIỆTLUYỆN .............................................................................. 75 1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀNHIỆTLUYỆN ................................................ 75 1.1. Địnhnghĩa ............................................................................................. 75 1.2. Mụcđích ................................................................................................ 75 1.3. Đặc điểm ............................................................................................... 76 1.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trìnhnhiệt luyện .................................... 76 2. CÁC CHUYỂN BIẾN TỔ CHỨC KHINHIỆTLUYỆN ............................ 76 2.1. Các chuyển biến tổ chức khinungnóng ................................................ 76 2.2. Các chuyển biến xảy ra khigiữnhiệt ..................................................... 79 2.3. Các chuyển biến xảy ra khilàmnguội ................................................... 79 3. CÁC HÌNH THỨCNHIỆTLUYỆN ............................................................ 83 3.1. Phương phápủ ....................................................................................... 83 3.2. Thường hóa........................................................................................... 85 3.3. Phương pháptôi .................................................................................... 85 3.4. Ramthép ................................................................................................ 90 3.5. Các dạng sai hỏng khinhiệtluyện ......................................................... 91 CÂU HỎI ÔN TẬPCHƯƠNG5 ..................................................................... 93 CHƯƠNG 6. VẬT LIỆU PHIKIM LOẠI .......................................................... 94 1. CHẤTDẺO .................................................................................................. 94 -5- 1.1. Khái niệm chung vềchấtdẻo ................................................................. 94 1.2. Phânloại ................................................................................................ 95 2. CAOSU ....................................................................................................... 96 2. VẬTLIỆUCOMPOSITE ............................................................................. 99 3. VẬT LIỆU GỐM –THỦYTINH .............................................................. 101 3.1. Gốm .................................................................................................... 101 3.2.Thủytinh .............................................................................................. 103 4. NHIÊN LIỆUÔTÔ .................................................................................... 104 4.1. Xăng ................................................................................................... 104 4.2. Dầudiezen ........................................................................................... 105 4.3. Dung dịchtrơnnguội ........................................................................... 106 4.4. Dầu-mỡ ................................................................................................... 107 CÂU HỎI ÔN TẬPCHƯƠNG6.................................................................... 108 TÀI LIỆUTHAM KHẢO .................................................................................. 109 -6- GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: Vật liệu học Mã môn học: MH 09 1. Vị trí, tính chất, ý nghĩa, vai trò của mônhọc - Vị trí: Môn học được bố trí sau khi người học học xong các môn học chung, trước các môn học/mô đun đào tạo chuyên mônnghề. - Tính chất: Là môn học thuộc các môn học kỹ thuật cơ sở bắtbuộc. - Ýnghĩa:Giúpngườihọcnắmđượccáckiếnthứccơbảnvềvậtliệucơ khí. - Vai trò: Là môn lý thuyết cơ sở cho các môn chuyên ngành nên có vaitrò quan trọng trong chương trình đào tạo nghề. 2. Mục tiêu của mônhọc Sau khi học xong môn học này người học có khả năng: - Kiếnthức: + Trình bày được đặc điểm, tính chất, ký hiệu và phạm vi ứng dụng của các vật liệu thường dùng: Gang, thép cácbon, thép hợp kim, hợp kim cứng, kim loại màu và hợp kim màu, ceramic, vật liệu phi kim loại. + Trình bày rõ một số khái niệm cần thiết về nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện. - Kỹ năng: + Nhận biết vật liệu qua màu sắc, tỷ trọng, độ nhám mịn, âm thanh khi gõ, đập búa, xem tia lửa khi mài. + Chọn và sử dụng đúng quy cách các loại vật liệu thường dùngcho nghề. + Có thể tự mua các loại vật liệu theo yêu cầu của sản xuất. - Tháiđộ: Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động, sáng tạo và tích cực. -7- CHƯƠNG 1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI - HỢP KIM Mã chương: MH 09-01 Giới thiệu: Kim loại và hợp kim được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp để chế tạo các chi tiết, máy móc. Tuy nhiên khi sử dụng chế tạo chúng, cần phải dựa vào các yêu cầu kỹ thuật để lựa chọn cho phù hợp. Muốn vậy phải trang bị được các kiến thức cơ bản về kim loại và hợpkim. Mục tiêu: - Trình bày được khái niệm, vai trò của vậtliệu. - Trình bày được cấu tạo của kim loại và hợpkim. - Phân biệt được các kim loại và hợp kim thường dùng trong ngành cơkhí. - Trình bày được các tính chất cơ lý hoá, tính công nghệ của kim loại và hợp kim. - Rèn luyện cho người học có ý thức trách nhiệm, chủ động họctập. Nội dung: 1. KHÁI NIỆM VỀ VẬTLIỆU 1.1. Sơ lược về vậtliệu Vật liệu ở đây chỉ dùng để chỉ những vật rắn mà con người dùng để chế tạo: Dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng côngtrình... Dựa theo cấu trúc - tính chất đặc trưng, người ta phân biệt bốn nhóm vật liệu chính như sau: - Nhóm 1: Vật liệu kimloại - Nhóm 2: Vật liệu vôcơ - Nhóm 3: Vật liệu hữucơ - Nhóm 4: Vật liệucomposite a. Vật liệu kimloại - Vật liệu kim loại (hình 1-1a) thường là tổ hợp chủ yếu của các nguyên tố kim loại, trong đó nhiều nguyên tử. Các tính chất điển hình của vật liệu kimloại: - Đắt và kháđắt; -8- - Dẫn điện, dẫn nhiệttốt; - Có ánh kim và phản xạ ánh sáng, không cho ánh sáng thường đi qua, dẻo, dễ biến dạngdẻo; - Có độ bền cơ học cao, nhưng kém bền hóahọc; - Nhiệt độ nóng chảy biến đổi trong phạm vi từ thấp đến cao nên đáp ứng yêu cầu đa dạng của kỹthuật. Các vật liệu kim loại điển hình như: Thép, gang, hợp kim đồng, hợp kim nhôm b. Vật liệu vô cơ -Ceramic Vật liệu này (hình 1-1b) có nguồn gốc vô cơ, là hợp chất giữa kim loại, silic với á kim, bao gồm khoáng vật đất sét, xi măng, thủy tinhCác tính chất điển hìnhnhư: - Rẻ và khárẻ; - Khánặng; - Dẫn điện, dẫn nhiệt kém (cách điện và cáchnhiệt); - Cứng, giòn, bền ở nhiệt độ cao, bền hóa học hơn vật liệu kim loại và vật liệu hữucơ. Vật liệu vô cơ điển hình như: Bê tông, xi măng, gạch, đá, thủy tinh, gốm c. Vật liệu hữu cơ -Polyme Vật liệu này (hình 1-1c) phần lớn có nguồn gốc hữu cơ mà thành phần hóa học chủ yếu là cacbon (C), hyđrô và các á kim, có cấu trúc đại phân tử. Các tính chất điển hình của vật liệu hữu cơ – Polyme như: - Rẻ và khárẻ; - Dẫn điện, dẫn nhiệtkém; - Khối lượng riêngnhỏ; - Dễ uốn dẻo, đặc biệt là ở nhiệt độcao; - Bền vững hóa học ở nhiệt độ thường và trong khí quyển; nóng chảy và phân hủy ở nhiệt độ tương đốithấp. Các vật liệu hữu cơ điển hình như: Các loại nhựa, cao su, nilon... d. Composite Vật liệu này (hình 1-1d) được tạo thành do sự kết hợp của hai hay cả 3 loại vật liệu trên, mang hầu như các đặc tính tốt của các vật liệu thành phần.Ví dụ như: Bêtông cốt thép (vô cơ – kim loại) vừa chịu kéo và vừa chịu nén. -9- Hình 1-1. Các dạng vật liệu dùng trong công nghiệp a. Kimloại (thép) b. Vô cơ (sứ cáchđiện) c. Hữucơ(PVC) d. Compozit Ngoài ra có những nhóm vật liệu khó ghép vào một trong bốn nhóm trên. - Bán dẫn, siêu bán dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn nhiệt độ cao, chúng nằm trung gian giữa kim loại và ceramic, (trong đó hai nhóm đầu gần với kim loại hơn, nhóm sau cùng nằm gần ceramichơn). - Silicon nằm trung gian giữa vật liệu vô cơ với hữu cơ, song gần vật liệu hữu cơhơn. 1.2. Vai trò của vật liệu trong cuộcsống Trong các nhóm vật liệu kể trên thì vật liệu kim loại có vai trò quyết định đến sự phát triển của xã hội và kỹ thuật. Đó là vật liệu cơ bản để chế tạo ra 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 càngcao. Mỗi khi con người tìm ra một loại vật liệu mới, với những tính chất ưu việt của nó là một lần thúc đẩy năng suất lao động phát triển mở ra những ngành khoa học mớinhư: - Sự xuất hiện công nghệ chế tạo nhôm hợp kim cứng Đura (1903) đã giúp cho ngành công nghiệp hàng không và tên lửa có bước phát triển nhảyvọt. - 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 nghiên cứu nhằm tạo ra những hợp kim mới có tính năng ngày càng ưu việt hơn về cơ tính cùng một số tính chất vật lý và hóa học đặc biệt. Những thành công trong nghiên cứu và chế tạo vật liệu mới đã và đang đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của thế giới. -10- 1.3. Các tiêu chuẩn vậtliệu Các nước đều đề ra các quy phạm trong việc sản xuất, gia công, chế biến, sử dụng, bảo quản các vật liệu nói chung, đặc biệt là cho các vật liệu kim loại nói riêng. Chúng ta cần biết một số ký hiệu tiêu chuẩnsau: - TCVN: Tiêu chuẩn Việtnam - ГOCT: Tiêu chuẩn của Nga (Liên xô cũ). Được thịnh hành ở nước ta trong những năm trước đó và vẫn còn trong thời gian gầnđây. - Tiêu chuẩn của Hoa kỳ (Mỹ) gồm các tiêu chuẩnsau: + ASTM: American Society for Testing and Metarials + AISI: American Iron and Steel Institute. - JIS: Tiêu chuẩn của Nhật (Japan InternationalSytems) - DIN: Tiêu chuẩn củaĐức. - BS: Tiêu chuẩn củaAnh. - NF: Tiêu chuẩn củaPháp. 2. CẤU TẠO CỦA KIM LOẠI - HỢPKIM 2.1. Kimloại 2.1.1. Địnhnghĩa Kim loại là vật thể sáng, dẻo có thể rèn được, có tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao. 2.1.2. Cấu tạo nguyên tử kimloại - Mỗi nguyên tử là một hệ thống phức tạp (hình 1-2)gồm: + Hạt nhân (có nơtron và prôton) mang điện tích dương. Proton mang điện tích dương, nơtron không mang điện tích. + Các lớp electron (e) mang điện tích âm bao quanh hạt nhân. - Đặc điểm cấutạo: Số electron (e) hóa trị (số e ở lớp ngoài cùng) rất ít, thường chỉ 1 đến 2e hoặc 3e. Những e này dễ bị bứt ra khỏi quỹ đạo và trở thành e tự do, còn nguyên tử trở thành các ion dương. Hoạt động của các e tự do quyết định nhiều đến tính chất đặc trưng của kim loại như: Tính dẻo, tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt, ánh kim. -11- Hình 1-2. Cấu tạo nguyên tử kim loại 2.1.3. Mạng tinh thể của kimloại Trong điều kiện thường và áp suất khí quyển hầu hết các kim loại tồn tại ở trạng thái rắn (ngoại trừ thủy ngân). Kết quả nghiên cứu cho thấy kim loại có cấu tạo mạng tinh thể. Mạng tinh thể là mô hình, hình học mô tả sự sắp xếp có quy luật của các nguyên tử (phân tử) trong không gian (hình1-3a). a. Các khái niệm cơbản: - Mặt tinh thể: Trong kim loại các nguyên tử sắp xếp có trật tự, tức là chúng đều nằm trên những mặt phẳng song song và cách đều nhau gọi là mặt tinh thể. Tập hợp vô số các mặt như vậy tạo nên mạng tinhthể. - Khối cơ sở (còn gọi là ô cơ bản): Là phần nhỏ nhất đặc trưng cho một loại mạng tinh thể. Có thể xem như mạng tinh thể là do vô số các khối cơ sở xếp liên tiếp nhau tạonên. - Thông số mạng (còn gọi là hằng số mạng): Là khoảng cách giữa hai nguyên tử trên một cạnh của khối cơ sở. Đơn vị đo thông số mạng là kx (nanomet) hay ăngstrông (Ao ), với 1kx = 1,00202Ao = 1,00202.10-8cm. Hình 1-3. Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại b. Các kiểu mạng tinh thể thườnggặp * Mạng lập phương tâm khối -12- Hình 1-4. Ô cơ sở mạng lập phương tâm khối - Cấu tạo: Ô cơ sở là hình lập phương với cạnh bằng a, các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và trung tâmkhối. - Thông số mạng: a = b = c (có một thông sốmạng). - Số nguyên tử trong ô cơ bản riêng biệt là 8 + 1 =9. - Số nguyên tử trong ô cơ bản trong mạng tinh thể là 8.1/8 + 1 =2. - Các nguyên tử có kiểu mạng này như: Feα, Cr, W, Mo, Ta, Li, Na,K... * Mạng lập phương tâmmặt Hình 1-5. Ô cơ sở mạng lập phương tâm mặt - Cấu tạo: Ô cơ sở là hình lập phương với cạnh bằng a, các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và tâm cácmặt. - Thông số mạng: a = b = c (có một thông sốmạng). - Số nguyên tử trong ô cơ bản riêng biệt là 8 + 6 =14. - Số nguyên tử trong ô cơ bản trong mạng tinh thể là 8.1/8 + 6.1/2 =4. - Các nguyên tử có kiểu mạng này như: Feγ, Cu, Al, Pb, Ca, Ni, Au, Ag, Ce, Pd,Pt * Mạng lục phương dàyđặc - Cấu tạo: Các nguyên tử nằm ở đỉnh, tâm 2 mặt đáy và 3 nguyên tử nằm ở trung tâm khối lăng trụ tam giác cách đềunhau. -13- Hình 1-6. Ô cơ sở mạng lục phương dày đặc - Thông số mạng: a = b/c (có hai thông số mạng). - Số nguyên tử trong ô cơ bản riêng biệt là 2.6 + 2 + 3 =17. - Số nguyên tử của ô cơ bản trong mạng tinh thể là 12.1/6 + 2.1/2 + 3 =6. - Các nguyên tử có kiểu mạng này như: Be, Mg, Ti,Co, Zn, Cd, La, Re, Tb 2.2. Hợpkim 2.2.1. Địnhnghĩa Hợp kim là vật thể có chứa nhiều nguyên tố và mang tính chất kim loại. Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim loại. Ví dụ: - Thép, gang là hợp kim của sắt, cacbon và một số nguyên tốkhác. - Đồng thau là hợp kim của đồng vàkẽm. 2.2.2. Các đặc tính của hợpkim Sở dĩ hợp kim được sử dụng rộng rãi trong chế tạo cơ khí là vì nó có nhiều mặt nó ưu việt hơn kim loại nguyên chất. a. Hợp kim có cơ tính tổng hợp cao hơn kim loại nguyênchất. Vật liệu chế tạo cơ khí 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 máy làm ra chịu tải lớn hơn, ít bị mài mòn và thời gian sử dụng dài hơn. Còn tính dẻo dai tuy có thấp hơn kim loại nguyên chất song vẫn nằm trong giới hạn thỏa mãn các yêu cầu của chế tạo cơ khí. Đặc biệt, -14- một số hợp kim có những tính chất quý như: Độ bền rất cao, tính cứng nóng cao, chống ăn mòn. Thép hợp kim có hàm lượng Cr 12,5% có khả năng chống ăn mòn tốt (thép không gỉ), thép có hàm lượng Mn 2% chịu va đập tốt, thép có chứa Ni, Co... có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao. b. Hợp kim có tính công nghệtốt Có cơ tính tốt chưa đủ, để chế tạo thành các chi tiết, bộ phận máy, còn cần phải có tính công nghệ tốt. Kim loại nguyên chất có tính dẻo cao dễ gia công áp lực nhưng khó đúc, gia công cắt kém, không hóa bền được bằng nhiệt luyện. Hợp kim có tính công nghệ khác nhau và phù hợp với từng điều kiện gia công: Gia công áp lực ở trạng thái nóng và nguội, đúc, gia công cắt, nhiệt luyện đảm bảo cho chế tạo sản phẩm có năng suấtcao. c. Tính kinh tếcao Về mặt kỹ thuật luyện kim, chế tạo hợp kim thông thường dễ chế tạo hơn do không phải khử bỏ các tạp chất một cách triệt để như kim loại. Vì vậy, sử dụng hợp kim trong chế tạo cơ khí là kinh tếhơn. 2.2.3. Các dạng tồn tại của hợpkim a. Dung dịchrắn * Khái niệm: Dung dịch rắn là 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 xenkẽ. Trong đó: - A là nguyên tố dung môi; - B là nguyên tố hòatan - Ký hiệu dung dịch rắn là A(B) * Phân loại dung dịchrắn: Có thể chia dung dịch rắn làm hai loại: Dung dịch rắn xen kẽ và dung dịch rắn thay thế. - Dung dịch rắn xen kẽ. Nếu nguyên tử của nguyên tố hòa tan (B) xen kẽ ở khoảng hở của các nguyên tử trong dung môi (A) thì ta có dung dịch rắn xen kẽ. Sự hòa tan xen kẽ bao giờ cũng có giớihạn. - Dung dịch rắn thay thế. Nếu nguyên tử của nguyên tố hòa tan (B) thay thế nguyên tử của nguyên tố dung môi (A) thì ta có dung dịch rắn thaythế. * Các đặc tính của dung dịchrắn: -15- - Có liên kết kim loại như kim loại nguyên chất. Vì vậy, dung dịch rắn vẫn có tính dẻo tốt, tuy không cao bằng kim loại nguyên chất làm dungmôi. - Thành phần hóa học thay đổi trong phạm vi nhất định mà không làm thay đổi kiểu mạng của chất dungmôi. - Mạng tinh thể của dung dịch rắn luôn bị xô lệch, còn lại thông số mạng khác với thông số mạng của dungmôi. Hình 1-7a. Dung dịch rắn xen kẽ Hình 1-7b. Dung dịch rắn thay thế b. Hợp chất hóahọc * Khái niệm: Trong nhiều loại hợp kim, nhiều pha được tạo thành do sự liên kết giữa các nguyên tố khác nhau theo một tỷ lệ nhất định gọi là hợp chất hóa học. Mạng tinh thể của hợp chất khác với mạng thành phần. Hợp chất hóa học trong hệ có tính ổn định cao hoặc có nhiều dạng hợp chất khác nhau. Ví dụ: Fe3C = 3Fe + C; 2Al203 = 4Al + 302 Ký hiệu: AmBn Các hợp chất hóa học có trong hợp kim thường được gọi là pha trung gian. Pha trung gian có mạng tinh thể phức tạp và khác các nguyên tố thành phần. * Các đặc tính của hợp chất hóahọc - Cấu tạo mạng tinh thể khác hẳn với kiểu mạng tinh thể của các nguyên tố tạo nênnó. - Về tính chất: Thường giòn, một số có độ cứng và nhiệt độ chảy rấtcao. - Thành phần không đổi hoặc thay đổi trong phạm vihẹp. c. Hỗn hợp cơ học * Khái niệm: 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 sẽ liên kết với nhau tạo thành mạng tinh thể của nguyên tố đó và tạo thành hỗn hợp cơ học của hai hay nhiều nguyên tố. Ký hiệu: A +B * Đặc điểm của hỗn hợp cơ học -16- - Nếu hợp kim có cấu tạo là hỗn hợp cơ học thì trong hợp kim ít nhất có hai kiểu mạng tinh thể trở lên (hai pha trởlên). Hỗn hợp cơ học có trong các hợp kim A-B có thể là: + Hai pha của kim loại nguyên chất tạo nên. Ví dụ: Hợp kim Au-Pb khi ở trạng thái rắn các nguyên tố Au-Pb không hòa tan và cũng không tác dụng hóa học mà tạo thành hỗn hợp cơ học Au+Pb vì có 2 kiểu mạng tinh thể của Au và Pb. + Hai pha của dung dịch rắn. Ví dụ: Fe-C khi thành phần cacbon = 0,5% ở nhiệt độ là 800C có cấu tạo bên trong là hỗn hợp cơ học gồm FeC+FeC vì thế có hai kiểu mạng tinh thể của Feα và Fe. + Hai pha của dung dịch rắn và hợp chất hóa học. Ví dụ hợp kim Fe-C khi thành phần cacbon = 0,5% ở nhiệt độ thường có cấu tạo bên trong là hỗn hợp cơ học gồm FeαC+ Fe3C vì thế có 2 kiểu mạng của Feα vàFe3C - Cơ tính của hỗn hợp cơ học nói chung phụ thuộc vào cơ tính của các pha tạothành. Hình 1-8. Cấu tạo của hỗn hợp cơ học 3. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠI VÀ HỢPKIM 3.1. Tính chất vậtlý a. Vẻ sáng mặt ngoài (ánhkim) Vẻ sáng của kim loại và hợp kim là do kim loại và hợp kim phản chiếu với ánh sáng, tạo nên những màu đặc trưng của từng kim loại. Ví dụ sắt có màu đen, đồng có màu đỏ hoặc vàng, bạc có màu trắng, vàng có màu vàng... b. Khối lượngriêng Là số đo khối lượng vật chất chứa trong một đơn vị thể tích của vật thể. Kí hiệu:  -17- γ = m (Kg/m3 hoặc g/cm3) V Trong đó: - m là khối lượng của vật thể(Kg) - V là thể tích của vật thể (m3) Ví dụ: nhôm có  = 2,7g/cm3 Sắt có  = 7,85 g/cm3, nhôm có  = 2,7 g/cm3 c. Trọng lượngriêng Là trọng lượng của một đơn vị thể tích của vật thể. d = P (N/m3) V Trong đó: - P là trọng lượng của vật(N). - V là thể tích của vật thể(m3). d. Tính nóngchảy Là tính chất của kim loại, hợp kim sẽ chảy loãng khi nung nóng và đông đặc khi làmnguội. Nhiệt độ nóng chảy là nhiệt độ kim loại và hợp kim chuyển từ trạng thái rắn sang trạng tháilỏng. Ví dụ: Sắt nguyên chất chảy ở nhiệt độ 1539oC, điểm chảy của gang là 11300C 1350oC (do hàm lượng C trong gang quyết định), điểm chảy của thép là 1400oC 1500oC (do hàm lượng C trong thép quyết định). Tính chất này rất quan trọng đối với công nghệ đúc. Nhiệt độ nóng chảy càng thấp thì tính chảy loãng của kim loại, hợp kim càngtốt. Ví dụ: Nhiệt độ nóng chảy của Al2O3 là 20150C, của Cu là 10830C... e. Tính nhiệtnung Là nhiệt lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ của kim loại và hợp kim lên 10C. f. Tính dẫnđiện Là khả năng truyền dòng điện của kim loại và hợp kim. Kim loại và hợp kim đều là vật liệu dẫn điện tốt, nhất là bạc, sau đó đến đồng và nhôm. Nói chung, kim loại nào dẫn nhiệt tốt thì dẫn điện cũng tốt. Hợp kim nói chung có tính dẫn điện kém hơn kim loại.Tính dẫn điện của kim loại được đặc trưng bởi -18- điện trở suất ( ). Kim loại có điện trở suất càng nhỏ thì tính dẫn điện càng lớn và ngược lại. Ví dụ: Cu có = 0,0175 mm2/m Al có = 0,027 mm2/m g. Tính dẫnnhiệt Là khả năng truyền nhiệt của kim loại và hợp kim khi đốt nóng hay khi làm nguội. Tính dẫn nhiệt được thể hiện ở hệ số dẫn nhiệt. Ví dụ: Gang và thép đều có tính dẫn nhiệt tốt nhưng kém xa so với đồng và nhôm. Nếu lấy hệ số dẫn nhiệt của bạc là 1 thì của đồng là 0,9; của nhôm là 0,5 và sắt chỉ có0,15. h. Tính nhiễmtừ Là khả năng bị từ hóa khi được đặt trong từ trường. Sắt, coban, niken và hầu hết các hợp kim của chúng đều có tính nhiễm từ. Tính nhiễm từ của thép và gang phụ thuộc vào thành phần và tổ chức bên trong của kim loại. j. giãn nở nhiệt Là sự thay đổi thể tích của kim loại và hợp kim khi nhiệt độ thay đổi. Kim loại và hợp kim nóng thì nở ra, lạnh thì co lại. 3.2. Tính chất hóahọc a. Kháiniệm Là độ bền của kim loại đối với những tác dụng hóa học của các chất khác như: Ôxy, nước, axit mà không bị phá hủy. b. Các đặctrưng - Tính chống ăn mòn là khả năng kim loại và hợp kim chống lại sự phá hủy của hơi nước hoặc ôxy trong không khí ở nhiệt độ thường và nhiệt độcao. - Tính chịu axit là khả năng kim loại và hợp kim chống lại tác dụng của các môi trường cóaxit. 3.3. Tính côngnghệ 3.3.1. Khái niệm Tính công nghệ của kim loại và hợp kim là khả năng chịu các dạng gia công khácnhau. 3.3.2. Các đặctrưng -19- a. Tính đúc: Được đặc trưng bởi độ chảy loãng, độ co và thiên tích. Độ chảy loãng biểu thị khả năng điền đầy khuôn của kim loại và hợp kim. Độ chảy loãng càng cao thì tính đúc càng tốt. Độ co càng lớn thì tính đúc càngkém. b. Tính rèn: Là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi chịu lực tác dụng bên ngoài mà không bị phá hủy.Thép có tính rèn cao khi được nung nóng ở nhiệt độ phù hợp. Gang không có tính rèn vì giòn. Đồng, nhôm, chì có tính rèn tốt ngay cả ở trạng tháinguội. c. Tính hàn: Là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các phần tử khi nung nóng chỗ hàn đến trạng thái chảy haydẻo. d. Tính cắt gọt: Là khả năng kim loại gia công dễ hay khó, được xác định bằng tốc độ cắt gọt, lực cắt gọt và độ bóng bề mặt kim loại sau khi cắt gọt. Một kim loại hay một hợp kim nào đó mặc dù có những tính chất rất quý nhưng tính công nghệ kém thì cũng khó được sử dụng rộng rãi vì khó chế tạo...Kg/mm2 Ví dụ: Cч24-44 là gang xám, có σk = 24Kg/mm2 hay σk = 240N/mm2, σu = 44Kg/mm2, σu =440N/mm2. Thường dùng các loại gang xám Cч 12-28, Cч15-32, Cч21-40, Cч24-44, Cч36-58 - Theo tiêu chuẩn VN: GX và hai số giống như của Nga.Ví dụ: GX12-28 - Theo tiêu chuẩn củaMỹ: - Theo chuẩn SAE J431 có các mác: G1800, G2500, G3000, G3500, G4000 trong đó các số chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu tính theo đơn vịksi + Ví dụ G3000 là gang xám có số chỉ giới hạn bền tối thiểu 30ksi. + Theo tiêu chuẩn ASTM ta có các mác: 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60. Trong đó các số chỉ có đơn vị là ksi. Ví dụ: 20 là gang xám có số chỉ giới hạn bền tối thiểu là 20ksi. - Theo tiêu chuẩn của Nhật JIS có các mác: FC100, FC150, FC200, FC250, FC300, FC350, trong đó số chỉ giới hạn bền tối thiểu tính theo đơn vị Mpa. Ví dụ: FC100 là gang xám có giới hạn bền tối thiểu 100Mpa. 2.2.3. Gangcầu a. Thànhphần: Thành phần hóa học của gang cầu sau khi biến cứng như sau: C = 3 - 3,6%, Si = 2 - 3%, Mn = 0,5 - 1%, Ni < 2%, Mg = (0,04 - 0,08)%, P < 0,15%, S < 0,03%. b. Tổ chức tếvi Gang cầu có tổ chức tế vi như gang xám (peclit - ferit, peclit), nhưng graphit có dạng thu nhỏ dạng hìnhcầu. + Gang cầu Ferit: Nền kim loại là sắt nguyên chất và grafit cầu. + Gang cầu Ferit – Peclit: Nền kim loại là thép trước cùng tích và grafit cầu + Gang cầu Peclit: Nền kim loại là thép cùng tích và grafit cầu. -41- Hình 2-10. Tổ chức tế vi của gang cầu a. Gang cầu Ferit b. Gang cầu Ferit – Peclit c. Gang cầuPeclit c. Tính chất Vì graphit trong gang ở dạng cầu nên gang cầu có độ bền cao hơn gang xám nhiều, đặc biệt có độ dẻo đảm bảo. Gang cầu vừa có tính chất của thép (tương đương với các mác thép thông thường như C20 - C45) vừa có tính chất của gang. Độ cứng và độ bền của gang cầu có thể tăng cao hơn nữa nếu được nhiệt luyện. Để có tổ chức gang cầu, phải nấu chảy gang xám và dùng phương pháp biến tính đặc biệt gọi là cầu hóa để tạo graphit hìnhcầu. d. Phạm vi sửdụng Do có nhiều ưu điểm về cơ tính nên gang cầu được sử dụng ngày càng nhiều để thay thế cho thép trong trường hợp chi tiết có hình dáng phức tạp, đặc biệt là trục khuỷu các động cơ nhẹ. Do đó giảm được hao phí nguyên vật liệu mà vẫn đảm bảo được điều kiện làm việc. Gang cầu dùng để chế tạo các chi tiết máy trung bình và lớn, hình dạng phức tạp, chịu tải trọng cao, chịu kéo và va đập như các loại trục khuỷu, trục cán a. Trụckhuỷu b. Trụccán Hình 2-11. Sản phẩm làm từ gang cầu -42- e. Ký hiệu - Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1659 - 75 gang cầu ký hiệu gồm 2 phần, các chữ cái chỉ loại gang: GC và hai số tiếp theo chỉ độ bền kéo và độ giãn dài tươngđối. Ví dụ: GC45-15 là gang cầu có giới hạn bền kéo là 45Kg/mm2, độ giãn dài tương đối là 15%. - Theo tiêu chuẩn Liên Xô cũ gang cầu ký hiệu là Bч và các số chỉ độ giãn dài tương tự như trong ký hiệu của ViệtNam. Ví dụ: Bч45-15 - Theo tiêu chuẩn củaMỹ: + Theo chuẩn SAE có các mác: D4018, D4512, D5506, D7003 trong đó hai chữ số đầu chỉ giới hạn bền tối thiểu theo đơn vị ksi, hai chữ số sau chỉ độ giãn dài theo %. + Theo tiêu chuẩn ASTM ta có các mác: 60 - 40 - 18, 60 45 -12, 80 - 60 - 3, 100 - 70 - 3, 120 - 90 – 2. Trong đó số chỉ giới hạn bền tối thiểu tính theo đơn vị MPa - Theo tiêu chuẩn của Nhật JIS có các mác: FCD370, FCD400, FCD450, FCD500, FCD600, FCD700, FCD800, trong đó số chỉ giới hạn bền tối thiểu tính theo đơn vịMPa 2.2.4. Gangdẻo a. Thànhphần C = (2,2 2,8)%; Si = (0,8 1,4)%; Mn ≤ 1,0%; S ≤ 0,1%; P = 0,2%. b. Tổ chức tếvi Khi ủ gang trắng xementit của gang trắng sẽ phân hóa thành graphit, graphit này có hạt nhỏ, sau khi làm nguội chậm ta có gang dẻo hay còn gọi là gang rèn. Tùy theo chế độ ủ ta có các loại gang dẻo có nền kim loại là ferit, peclit, hoặc ferit - peclit. Tổ chức tế vi ở dạng cụm bông. Quy trình chế tạo gang dẻo gồm hai bước: - Đúc chi tiết bằng gangtrắng. - Ủ vật đúc ở nhiệt độ (900-1000)0C trong khoảng thời gian (70-100) giờ, sẽ có gangdẻo. -43- Hình 2-12. Tổ chức tế vi của gang dẻo a. Gang dẻo Pheerit b. Gang dẻo Pherit – Peclit c. Gang dẻo Peclit c. Tính chất Thành phần C không cao nên graphit của nó ít và hơn nữa lại tập trung từng cụm nên những ảnh hưởng xấu của nó đến cơ tính rất ít. Lượng graphit trong gang dẻo ít hơn các loại gang khác nên cơ tính của gang dẻo đạt được độ bền kéo tương đối cao (thấp hơn gang cầu nhưng cao hơn nhiều so với gang xám) đặc biệt là có độ dẻo độ daicao. d. Phạm vi sửdụng Gang dẻo ít sử dụng hơn gang xám mặc dù có cơ tính tổng hợp cao, tuy nhiên giá thành gang dẻo khá cao so với gang xám vì công nghệ chế tạo nó phức tạp. Chính vì lý do trên mà gang dẻo chỉ dùng làm vật liệu chế tạo chi tiết máy khi thỏa mãn 3 điều kiện sử dụng sau: - Chịu va đập và chịukéo. - Hình dáng phứctạp. - Chi tiết có dạng thành mỏng (thường là 20 - 30mm, dày nhất là 40 - 50mm). Gang dẻo được dùng làm các chi tiết máy trong các máy nông nghiệp, ô tô, máy kéo, máy dệt e. Ký hiệu - Theo tiêu chuẩn Nga Kч với hai chỉ số giới hạn bền kéo (kg/mm2), độ giãn dài tương đối (đơn vị là%). Ví dụ: Kч33-8 là gang dẻo có σ k = 33(Kg/mm2) hay (330N/mm2); δ = 8% - Tiêu chuẩn nhà nước Việt Nam TCVN 1659 - 75 ký hiệu gang dẻo gồm 2 phần, các chữ cái chỉ loại gang: GZ và hai số tiếp theo chỉ độ bền kéo và độ độ giãn dài tươngđối. -44- Ví dụ: GZ33-8 có nghĩa là: Gang dẻo có độ bền kéo là 33Kg/mm2, độ giãn dài tương đối là 8%. - Theo tiêu chuẩn củaMỹ: + Theo chuẩn SAE có các mác: M3210, M4504, M5003, M7002, M8501 trong đó hai chữ số đầu chỉ giới hạn bền (min) theo đơn vị ksi, hai chữ số sau chỉ độ giãn dài (min) theo%. + Theo tiêu chuẩn ASTM ta có các mác: 32510, 35018, 40010, Trong đó ba số đầu chỉ giới hạn bền kéo (min) theo MPa, hai chữ số sau chỉ δ (min) theo %. - Theo tiêu chuẩn của Nhật JIS có các mác: FCMB270, FCMB340, FCMB360, FCMW330, FCMW370, trong đó số chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu (min) theo Mpa. 3. THÉP VÀ CÁC LOẠI THÉP THƯỜNGDÙNG 3.1. Khái niệm chung vềthép 3.1.1. Định nghĩa và phân nhóm thép a. Định nghĩa Thép là hợp kim của sắt và cacbon với hàm lượng C ≤ 2,14%, ngoài ra còn có một số tạp chất khác như: Mn < 0,8%, Si < 0,5%, P < 0,05%, S <0,05%. b. Phân nhómthép Tùy theo thành phần hóa học của các nguyên tố trong thép mà người ta phân thép thành hai nhóm là thép cacbon và thép hợp kim. Trong đó: - Nhóm thépcacbon: Ngoài sắt và cacbon thì còn một số nguyên tố khác gọi là các tạp chất trong thành phần của thép như: Mn, Si, P,S - Nhóm thép hợpkim: Ngoài sắt, cacbon và các tạp chất, người ta cố tình đưa thêm vào các nguyên tố đặc biệt với một hàm lượng nhất định để làm thay đổi tổ chức và tính chất của thép cho phù hợp với yêu cầu sử dụng. Các nguyên tố được đưa vào thường là Cr, Ni, Mn, W, V, Mo, Ti, Cu, Ta, B,N. 3.1.2. Tính chất chung củathép a. Cơ tính: Thép có cơ tính tốt hơn gang cả về độ bền, độ dẻo, độ chịu đàn hồi và độ chịu vađập. -45- b. Tính công nghệ (so vớigang) - Tính gia công biến dạngtốt. - Tính cắt gọt caohơn. - Dễ hóa bền bằng nhiệtluyện. - Tính hàn tốthơn. - Tính đúc kém hơngang. 3.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chất củathép 3.2.1. Ảnh hưởng của cacbon(C) Ảnh hưởng của C đến cơ tính của thép cacbon ở trạng thái ủ. - C là nguyên tố quan trọng nhất, quyết định chủ yếu đến tổ chức và cơ tính củathép. - KhithayđổilượngC,cơtínhcủathépthayđổirấtnhiều.Quyluậtchung : Khi thành phần C tăng lên, độ bền, độ cứng cũng tăng, còn độ dẻo dai giảm đi. Tuy nhiên riêng độ bền chỉ tăng theo C đến giới hạn (0,8 1%C), vượt quá giới hạn này độ bền lại giảm đi. * Giải thích quy luật trên như sau: Khi tăng hàm lượng C, số lượng pha Xementit cứng, giòn cũng tăng lên tương ứng, lượng pha dẻo giảm đi tương ứng. Do vậy, thép có độ cứng tăng lên, độ dẻo, độ dai giảm đi. Riêng ảnh hưởng của lượng pha Xementit đến độ bền có nét hơi khác. Thoạt tiên, sự tăng lượng pha Xementit với độ cứng cao có tác dụng cản trở sự trượt của Ferit, do đó làm tăng giới hạn bền của thép. Nhưng khi Xementit quá nhiều (C > 0,8%) tạo nên Xementit II ở dạng lưới thì nó lại làm giảm độ bền, do lưới Xementit dễ tạo thành và phát triển vết nứt khi pháhủy. - Thép có % C khác nhau sẽ có cơ tính khác nhau, do đó được dùng vào các mục đích khácnhau: + Thép có C ≤ 0,25%: Tính dẻo dai cao, độ bền thấp, được dùng làm kết cấu xây dựng, các chi tiếtdập. + Thép có C = (0,30,5)%: Độ bền, độ cứng, độ dẻo dai khá cao. Do đó thích hợp cho các chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập. + Thép có C = (0,5 0,65)%: Độ cứng, độ bền cao và giới hạn đàn hồi cao nhất, dùng làm chi tiết yêu cầu độ đàn hồi cao. + Thép có C ≥ 0,7%: Độ cứng và tính chống mài mòn cao, do đó thích -46- hợp cho các loại dụng cụ cắt gọt, dụng cụ đo, khuôn dập. 3.2.2. Ảnh hưởng của Mn, Si, P,S a. Ảnh hưởng củaMn - Mn được đưa vào thép dưới dạng fêrômangan để khử FeO là tạp chất có hại trongthép. FeO + Mn → MnO + Fe - Mn hòa tan vào nền ferit làm tăng độ bền, độ cứng và làm giảm độ giãn dài củathép b. Ảnh hưởng củaSi - Si giảm đưa vào thép dưới dạng fêrôsilic, làm tăng độ bền, độ cứng và làm giảm độ giãn dài củathép. - Tuy nhiên Mn, Si có ít trong thép nên ảnh hưởng của chúng khônglớn. c. Ảnh hưởng của P,S - P là tạp chất có hại, làm cho thép giòn ở nhiệt độ thường, làm giảm tính gia công cắtgọt. - S làm cho thép giòn ở nhiệt độ cao (tính giònnóng). 3.2.3. Ảnh hưởng của các tạp chất khí ôxy, nitơ, hidro. Các nguyên tố này ảnh hưởng xấu đến cơ tính của thép ở chỗ làm giảm độ dẻo, tăng khuynh hướng phá hủy giòn. 3.3. Các phương pháp phân loạithép a. Phân loại theo phương pháp luyệnthép - Thép Mactanh là thép luyện trong lò Mactanh có chất lượng tương đốitốt. - Thép Besme là thép được luyện trong các lò chuyển như lò Betxme, lò Tômat có chất lượng thấp hơn thépMactanh. - Thép lò điện là thép được luyện trong lò điện hồ quang hay lò điện cảm ứng. Đây là loại thép có chất lượng tốt nhất. Phương pháp luyện này thường dùng để luyện các thép hợp kim và thép đặcbiệt. b. Phân loại theo phương pháp khửôxy - Thép sôi là thép không khử được ôxy triệt để, khử bằng fêrômangan, để sản suất thép Cthấp. - Thép lặng được khử ôxy triệt để, dùng chất khử fêrômangan, fêrôsilic, nhôm, chất lượng thép cao, để làm các chi tiếtmáy. -47- - Thép nửa lặng là thép có vị trí trung gian giữa thép sôi và thép lặng. c. Phân loại theo hàm lượngCacbon - Thép cacbon thấp (C 0,25%). Loại này có độ dẻo cao, nhưng độ bền thấp, được dùng làm các chi tiết bằng phương pháp dập hoặc các chi tiết để thấmcacbon. - Thép cacbon trung bình (C = 0,3 0,5%), loại này có cơ tính tổng hợp tốt, thường được dùng làm các chi tiết máy, ví dụ như trục, bánhrăng... - Thép có hàm lượng cacbon tương đối cao (C = 0,55 0,65%), loại này có độ cứng và tính đàn hồi cao, được dùng làm lò xo,nhíp... - Thép cacbon cao (C = 0,7 1,3%), loại này có độ cứng và tính chống mài mòn cao, thường được dùng làm dụng cụ cắtgọt. d. Phân loại theo thành phần nguyên tố hợpkim - Thép hợp kim thấp là loại thép có tổng lượng nguyên tố hợp kim <2,5%. - Thép HK trung bình là loại thép có tổng lượng nguyên tố HK: 2,5 10%. - Thép hợp kim cao là loại thép có tổng lượng nguyên tố hợp kim >10%. e. Phân loại theo chấtlượng Dựa vào lượng tạp chất có hại S, P - Thép có chất lượng thường: Có thể chứa tới 0,06% S và 0,07%P. - Thép có chất lượng tốt: Có thể chứa tới không quá 0,04% S và 0,03%P. - Thép có chất lượng cao: S ≤ 0,015% và P ≤0,025%. f. Phân loại theo công dụng - Thép kết cấu: Dùng làm các kết cấu xây dựng và kết cấu các chi tiết máy đơn giản (thường là thép cacbon thấp và trungbình). - Thép dụng cụ: Dùng làm các loại dụng cụ cắt, dụng cụ đo kiểm (thường là thép có % Ccao). - Thép có công dụng riêng: Đây là thép có tính chất đặc biệt được sử dụng vào những công việc có yêu cầu đặcbiệt. 3.4. Phân loại thép theo côngdụng 3.4.1. Thép cacbon thông dụng (còn gọi là thép cacbonthường) Loại này có cơ tính không cao, dùng để chế tạo các chi tiết máy, các kết cấu chịu tải nhỏ. Thường dùng trong ngành xây dựng, giao thông (cầu, nhà, khung,tháp) -48- Hình 2-13. Các loại thép cacbon thường Thép cacbon thông dụng được chia ra làm ba nhóm A, B, C. Nhóm A chỉ đánh giá bằng các chỉ tiêu cơ tính (độ bền, độ dẻo, độ cứng). Nhóm B đặc trưng bằng thành phần hóa học và nhóm C đặc trưng bằng cả hai chỉ tiêu cơ tính và thành phần hóa học. Khi cần biết cơ tính thì ta sử dụng nhóm A, khi cần tính toán về hàn, nhiệt luyện thì sử dụng nhóm B hoặc C. Theo TCVN 1765 - 75 qui định ký hiệu thép thông dụng là hai chữ CT, sau chữ CT chỉ giới hạn bền tối thiểu, theo đơn vị Kg/mm2 hay N/mm2. Ví dụ: CT38 có giới hạn bền là 38Kg/ mm2 Các nhóm B và C cũng có ký hiệu tương tự như nhóm A nhưng qui ước thêm vào đằng trước chữ CT chữ cái B hay C để phân biệt. Ví dụ: BCT31, CCT31. Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước: - Nga (ГOCT): Ký hiệu CTx trong đó x là các con số từ 0, 1, 2 đến 6 chỉ cấp độ bền (số càng cao thì độ bền càng cao) cũng có các phân nhóm A, Б, C tương ứng với các phân nhóm A, B, C của ViệtNam. - Mỹ (ASTM): Ký hiệu theo các số 42, 50, 60, 65 chỉ giới hạn bền kéo (min) theo đơn vịksi. - Nhật (JIS): Ký hiệu SSxxx; SMxxx hay xxx là các số chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu tính bằng Mpa. Ví dụ: SS400 là thép cacbon thường có bền kéo tối thiểu 400Mpa. 3.4.2. Thép cacbon kếtcấu Nhóm này có chất lượng cao hơn nhóm chất lượng thường thể hiện ở hàm lượng các tạp chất có hại (S < 0,04%, P < 0,035%), hàm lượng cacbon chính xác và chỉ tiêu cơ tính rõ ràng. Thép cacbon kết cấu trong các bảng chỉ dẫn ghi cả thành phần và cơ tính. Thép cacbon kết cấu được dùng trong chế tạo các chi tiết máy chịu lực cao hơn như: bánh răng, trục vít, cam, lò xo -49- Hình 2-14. Các chi tiết máy làm từ thép cacbon kết cấu Theo TCVN ký hiệu thép cacbon kết cấu là chữ C, sau chữ C ghi chỉ số hàm lượng cacbon của thép như: C20, C45, C65 Ví dụ: C45 trong đó chữ C ký hiệu thép cacbon, 45 chỉ phần vạn cacbon trung bình (tương đương với 0,45%C). Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước: - Nga (ГOCT): Ký hiệu xx trong đó xx là số chỉ phần vạn C. Ví dụ mác 40 có 0,4%C. - Mỹ (AISI/SAE): Ký hiệu 10xx trong đó xx là số chỉ phần vạn C. Ví dụ mác 1045 có0,45%C. - Nhật (JIS): Ký hiệu SxxC trong đó xx là các số chỉ phần vạn C. Ví dụ mác S45C có 0,45 Bảng 2-1. Thành phần hóa học và cơ tính của nhóm thép kết cấu 3.4.3. Thép cacbon dụngcụ -50- Là loại thép có hàm lượng cacbon cao (0,7 - 1,4%) có hàm lượng tạp chất S và P thấp (< 0,025%). Thép cacbon dụng cụ tuy có độ cứng cao khi nhiệt luyện nhưng chịu nhiệt thấp nên chỉ dùng làm các dụng cụ như: Đục, dũa, dụng cụ đo hay các loại khuôndập. Theo TCVN ký hiệu thép cacbon dụng cụ là chữ CD, sau chữ CD ghi chỉ số hàm lượng cacbon của thép theo phần vạn như: CD70, CD80,CD100. Ví dụ: CD100 - chữ CD ký hiệu thép cacbon dụng cụ, 100 chỉ phần vạn cacbon trung bình (tương đương với 1%C). Hình 2-15. Các sản phẩm làm từ thép cacbon dụng cụ * Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước: - Nga (ГOCT): Ký hiệu Yxx trong đó xx là số chỉ phần nghìn C. Ví dụ mác Y12 có1,2%C. - Mỹ (AISI): Ký hiệu Wxxx trong đó xxx là số thứ tự. Ví dụW110. - Nhật (JIS): Ký hiệu SKx trong đó x là số thứ tự từ 1 đến7. 4. THÉP HỢPKIM 4.1. Khái niệm thép hợpkim a. Kháiniệm Thép hợp kim là loại thép trong nó chứa một lượng thành phần các nguyên tố hợp kim thích hợp. Người ta cố ý đưa vào các nguyên tố đặc biệt với một lượng nhất định để làm thay đổi tổ chức và tính chất của thép. Các nguyên tố đặc biệt được gọi là nguyên tố hợp kim: Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Co, Mo, Ti,Cu... Tùy vào từng nguyên tố hợp kim mà người ta quy định hàm lượng như: Mn  0,8 1% W  0,1 0,5% Si  0,5 0,8% Cr  0,5 0,8% Ni  0,5 0,8% Mo  0,05 0,02% Ti 0,1% Cu 0,1% -51- b. Các tính chất của thép hợp kim Chính nhờ các nguyên tố hợp kim đó mà làm cho thép hợp kim nói chung có những ưu điểm vượt trội so với thép cacbon như: - Về cơ tính: Thép hợp kim nói chung có độ bền cao hơn hẳn so với thép cacbon. Điều này thể hiện đặc biệt rõ ràng sau khi nhiệt luyện tôi vàram. - Về tính chịu nhiệt độ cao: Thép hợp kim giữ được cơ tính cao của trạng thái tôi ở nhiệt độ cao hơn 2000C. Muốn đạt được điều này thì thép phải được hợp kim hóa bởi một số nguyên tố với hàm lượng tương đốicao. - Các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt như từ tính, tính giãn nở nhiệt, tính chống ăn mòn 4.2. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến tính chất củathép a. Ảnh hưởng của Crôm(Cr) Cr có tác dụng làm tăng độ cứng, độ bền phần nào làm giảm độ dẻo dai của thép, Cr có tác dụng chống ăn mòn cao, thép chứa Cr có thể làm thép không gỉ và có từ tính ổn định. Cr đưa vào với thành phần khoảng (1,5 - 2,5)%. Ngoài ra tùy vào yêu cầu đặc biệt có thể Cr đưa vào lên tới30%. b. Ảnh hưởng của Niken(Ni) Ni làm tăng độ chịu mài mòn, tăng độ bền, tăng độ dẻo và độ chịu va đập của thép. Ni có ảnh hưởng đến độ giãn dài của thép, thép hợp kim có (35 - 37)% Ni; có độ giản dài 0 ở nhiệt độ (80 100)0C. c. Ảnh hưởng của Vonfram(W) W là nguyên tố quan trọng nhất, nó tồn tại dưới dạng cacbit Vonfram làm tăng độ cứng rất lớn và tăng tính cứng nóng. Thép W rất đắt. d. Ảnh hưởng của Vanadi(V) V tồn tại dưới dạng cacbitvanađi làm tăng độ cứng và khả năng chịu mài mòn nhưng nó làm giảm tính công nghệ mài do đó phải khống chế với lượng V trong một khoảng nhất định. V làm nhỏ hạt thép. e. Ảnh hưởng của Silic(Si) Thép chứa Si (1 1,5)% có độ bền tăng nhưng độ dẻo dai giảm. Khi tăng thành phần Si trong thép sẽ làm tăng điện trở và độ thấm từ của thép, Si làm tăng độ đàn hồi và tính chống ôxi hóa củathép. f. Ảnh hưởng của Mangan(Mn) -52- Mn > 1% nó làm tăng độ cứng, độ chịu mài mòn, sức chịu va đập nhưng không làm giảm độ dẻo dai của thép. g. Ảnh hưởng của Coban(Co) Co làm tăng tính chịu nhiệt, từ tính và sức chịu va chạm của thép. Tăng tính cứng nóng của thépgió. h. Ảnh hưởng của Molipđen(Mo) Mo làm tăng tính chịu nhiệt, tính đàn hồi, giới hạn bền kéo tính chống ăn mòn và tính chống oxi hóa của thép ở nhiệt độ cao. 4.3. Phân loại thép hợpkim 4.3.1. Phân loại theo nồng độ hợp kim trongthép Gồm ba loại: - Thép hợp kim thấp: Có tổng lượng các nguyên tố hợp kim đưa vào < 2,5%. - Thép hợp kim trung bình: Có tổng lượng các nguyên tố hợp kim đưa vào từ (2,5 10)%. - Thép hợp kim cao: Có tổng lượng các nguyên tố hợp kim đưa vào >10%. 4.3.2. Phân loại theo nguyên tố hợpkim Cách phân loại này dựa vào tên của các nguyên tố hợp kim chính của thép. Ví dụ như thép có chứa crôm gọi là thép crôm, thép mangan, thép niken 4.3.3. Phân loại theo côngdụng Đây là cách phân loại chủ yếu. Theo công dụng cụ thể có thể chia hợp kim thành các nhóm sau: a. Thép hợp kim kếtcấu Là loại thép trên cơ sở thép kết cấu cho thêm vào các nguyên tố hợp kim. Loại này có hàm lượng cacbon khoảng (0,1 0,85)% và lượng nguyên tố hợp kim thấp < 5%. Loại thép này được dùng để chế tạo các chi tiết yêu cầu: - Có giới hạn mỏi cao, giới hạn chảy cao, độ dẻo và độ dai tốt, tính chống mài mòncao. - Có khả năng chịu va đậptốt. - Tính cứng nóng cao, tính nhiệt luyệntốt. - Dễ gia công cắtgọt. -53- * Ký hiệu: - Theo TCVN thì thép hợp kim được ký hiệu như sau: Số đầu tiên chỉ hàm lượng C theo phần vạn, sau đó là ký hiệu hóa học của các nguyên tố hợp kim, ngay sau mỗi ký hiệu hóa học của các nguyên tố hợp kim là hàm lượng % của từng nguyên tố. Trường hợp hàm lượng % của các nguyên tố hợp kim gần bằng 1% thì không cần ghi thêm chỉ số. Chữ A nếu có, nằm ở cuối ký hiệu để chỉ thép hợp kim loại tốt. Ví dụ: Các mác thép hợp kim kết cấu thường gặp là: 15Cr, 20Cr, 20CrNi hàm lượng Cr, Ni thường nhỏ hơn 1%, hoặc các loại 12CrNi3A, 12Cr2Ni3A, 12Cr2Ni4A, các chữ số đặt sau nguyên tố hợp kim là hàm lượng nguyên tố đó còn chữ A để chỉ loại tốt. Thép hợp kim có hàm lượng cacbon trung bình có ký hiệu như: 20Cr, 40CrMn, 35CrMnSi. Loại thép có hàm lượng cacbon cao dùng làm thép lò xo như 55Si2, C65Mn,C65Si3. Thép này được hợp kim hóa với lượng hợp kim thấp và được gọi theo chữ viết tắt là HSLA (Hight Strength Low Alloy Steel). Nó được dùng nhiều trong các ngành công nghiệp. Đặc điểm chung của loại thép hợp kim này là có độ bền cao, có tính chống ăn mòn tốt, tính hàn tốt và giá thành rẻ. - Nga (ГOCT): Tương tự như TCVN, ký hiệu của các nguyên tố: X = Cr, H = Ni, B = W, M = M, T = Ti, K = Co, Г = Mn, C = Si,  = V, Д = Cu, Ю = Al, P = B. Ví dụ 12XH3 tương đương với 12CrNi3. - Mỹ (AISI/ SAE): Ký hiệu bằng 4 số xxxx, trong đó 2 số đầu chỉ nguyên tố hợp kim chính, 2 số cuối chỉ hàm lượng cacbon theo phần vạn như bảng 2-2. Bảng 2-2. Bảng ký hiệu thép hợp kim kết cấu theo chuẩn AISI/SAE Tên gọi Ký hiệu Tên gọi Ký hiệu Thép cacbon 10xx Thép niken-crôm- môlipđen(11 loại) 43xx,43BVx x, 47xx, 48xx, 86xx, 87xx, 88xx, 93xx, 94xx, 97xx, 98xx Thép dễ cắt (2 loại) 11xx, 12xx Thép-môlipđen (2 loại) 46xx, 48xx -54- Thép mangan(1-1,765%) 13xx Thép crôm (2 loại) 50xx, 51xx Thép cacbon có hàmlượng Mn cao (1,5%) 15xx Thép crôm với 0,5-1,5%C (3loại) 501xx, 511xx, 521xx Thép niken (2 loại) 23xx, 25xx Thép Vonfram- crôm 72xx Thép niken-crôm (4 loại) 31xx, 32xx, 33xx, 34xx Thép silic-mangan 92xx Thép môlipđen (2 loại) 40xx, 44xx Thép Bo xxBxx Thép crôm-môlipđen 41xx Thép crôm-vanađi 61xx Ví dụ: Mác 5140 là thép crôm có 0,4%C tương ứng với mác 40Cr của Việt Nam. - Nhật (JIS): Ký hiệu bắt đầu bằng chữ S, tiếp theo là các chữ cái biểu thị loại thép hợp kim và cuối cùng là ba số xxx (trong đó hai số cuối chỉ phần vạn cacbon trung bình).Ví dụ: SCr440 là thép crôm có 0,4%C tương đương với mác 40Cr của Việt Nam. b. Thép hợp kim dụngcụ Là thép có độ cứng cao sau khi nhiệt luyện, độ chịu nhiệt và độ chịu mài mòn cao. Hàm lượng cacbon trong hợp kim dụng cụ từ (0,7 1,4)%, các nguyên tố hợp kim cho vào là Cr, W, Si, Mn. Thép hợp kim dụng cụ có tính nhiệt luyện tốt. Sau khi nhiệt luyện có độ cứng đạt (60 62) HRC. Những mác thép thường gặp là 90CrSi, 100CrWMn, 100Cr12, OL100Cr1,5 (thép ổ lăn). Thép hợp kim dụng cụ dùng làm các dụng cụ cắt gọt, khuôn dập nguội hoặcnóng. * Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước: - Nga (ГOCT): Tương tự nhưTCVN. - Mỹ (AISI): Ký hiệu một chữ cái chỉ nhóm thép và số thứ tự như bảng 2-3. Ví dụ: D3 là thép hợp kim dụng cụ làm khuôn dập nguội có hàm lượng crôm và cacbon cao, tương đương với mác 210Cr12 của ViệtNam. - Nhật (JIS): Ký hiệu SKSx, SKDx, SKTx trong đó x là số thứtự. Ví dụ: SKD1 là thép hợp kim dụng cụ tương đương với mác 210Cr12 của Việt Nam -55- Bảng 2-3. Ký hiệu thép hợp kim dụng cụ theo chuẩn AISI c. Thép hợp kim có công dụngriêng * Thép gió Là một dạng thép hợp kim đặc biệt để làm dụng cụ cắt gọt và các chi tiết máy có yêu cầu cao.Trong tổ chức của thép gió có các nguyên tố sắt, cacbon, crom, vonfram, coban, vanadi. Thép gió có độ cứng cao, bền, chịu mài mòn và chịu nhiệt đến 6500C. Trong thép gió có hàm lượng các nguyên tố hợp kim như sau: (8,5 19)% W, (0,7 1,4%) C, (3,8 4,4%) Cr, (1 2,6%) V và một lượng nhỏ Mo hayCo. Những mác thép gió thường dùng theo TCVN có 90W9V2, 75W18V, 140W9V5, 90W18V2 Ký hiệu theo tiêu chuẩn của các nước: - Nga (ГOCT): Tương tự nhưTCVN. - Mỹ (AISI): Ký hiệu một chữ cái M (thép gió molipđen) hoặc T (thép gió vonfram) và số thứ tự theosau. Ví dụ: T1 là thép gió vonfram tương đương với mác 80W18Cr4V của Việt Nam. - Nhật (JIS): Ký hiệu SKHx, trong đó x là số thứtự. Ví dụ: SKH2 là thép gió vonfram tương đương mác 80W18Cr4V của Việt Nam. Hình 2-16. Các dụng cụ cắt gọt -56- * Thép lòxo Yêu cầu của thép lò xo: - Đặc điểm làm việc của lò xo, nhíp và các chi tiết đàn hồi khác là dưới dạng tác dụng của tải trọng tĩnh và va đập lớn mà không biến dạngdẻo. - Phải có giới hạn đàn hồi và giới hạn mỏi cao, độ dai va đập đảmbảo. - Lượng C thích hợp của thép lò xo từ (0,5 0,65)%. - Các nguyên tố hợp kim chủ yếu của thép lò xo là: Mn, Si (1 2)%, ngoài ra còn có Cr, Ni, V, để tăng tính thấm tôi và tính ổn định của sự đànhồi. - Thép lò xo phải được nhiệt luyện bằng phương pháp tôi và ram trungbình. Các số hiệu thép lò xo: - Thép 65, 70, 80, 85, 60Γ, 70Γ dùng để làm lò xothường. - Thép 55C2, 65C2, 70C2, có độ thấm tôi cao, dùng làm nhíp và lò xo có chiều dày lớn tới 18mm trong ôtô, máy kéo, tàu hỏa, tàubiển. - Thép 50X ΓA, 50C2XA, làm việc ở nhiệt độ tới 3000c, dùng làm nhíp ôtô nhỏ, lò xo supat và các lò xo quan trọng khác với các tiết diện khônglớn. - Thép 60C2XA, 60C2H2A, có độ thấm tôi d > 50mm, dùng làm lò xo nhíp lớn chịu tải trọng nặng và đặc biệt quantrọng. * Thép khônggỉ Khái niệm: Thép không gỉ là loại thép có tính chống ăn mòn cao trong khí quyển và trong các môi trường ăn mòn khác. Trong thép không rỉ, hàm lượng crom khá cao (Cr>12%). Theo tổ chức tế vi, thép không rỉ được chia thành bốn loại là: Austenit, ferit, austenit-ferit, mactenxit. Tùy theo mức độ chống rỉ mà chúng được sử dụng trong các môi trường khác nhau như nước biển, hóa chất. Đặc tính chung của thép không gỉ: - Thành phần C thấp: vì thành phần C càng thấp, số lượng pha cacbit trong thép càng ít, dòng điện ăn mòn càng nhỏ, tính chống ăn mòn càng cao. Làm việc trong môi trường ăn mòn càng mạnh, lượng C yêu cầu càng phải giảmthấp. - Thành phần hợp kim cao: Mọi loại thép không gỉ đều chứa > 12% Cr và có thể có một lượng Ti,Nb. Ký hiệu : - Theo TCVN: 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13, 12Cr18Ni9 -57- - Nga (ГOCT): Tương tự như TCVN. Các số hiệu thép không gỉ thường dùng là: + Thép 12X13, 20X13 dùng để chế tạo các chi tiết máy chịu ăn mòn, chịu nhiệt tốt như: Cánh tuốc bin hơi,supap +Thép 30X13, 40X13 sau khi tôi và ram cao thường dùng làm các chi tiết của dụng cụ đo, đồng hồ đo, ổlăn + Thép X17, X25 Γ, X28 dùng chế tạo các chi tiết máy trong công nghệ thực phẩm, hóa học. +Thép X18H9, 12X18H9 dùng rộng rãi trong kỹ thuật, trong công nghệ hóa học, trong các ngành công nghiệp khác và đồ dùng hàng ngày. - Mỹ (AISI): Ký hiệu gồm 3 số xxx, trong đó 2xx và 3xx là thép austenit, 4xx là thép ferit, 4xx và 5xx là thépmactenxit. Ví dụ: 304 là thép không rỉ tương đương với mác 8Cr18Ni10 của Việt Nam. - Nhật (JIS): Ký hiệu SUSxxx, trong đó xxx lấy theoAISI. Ví dụ: SUS304 là thép không rỉ tương đương với mác 304 của Mỹ hoặc mác 8Cr18Ni10 của Việt Nam. * Thép ổlăn Yêu cầu của thép làm ổ lăn: - Phải có độ cứng cao, chịu mài mòntốt. - Là thép có hàm lượng C cao (C ≈1%). - Ítcótạpchấtphikimloại,trongđóS<0,02%,P<0,027%vàkhôngrỗ xốp. - Tổ chức của thép phải đồngnhất. - Thép được hợp kim hóa bằng (0,6 1,5%) Cr, đôi khi có cả Mn, Si đểlàm tăng độ thấm tôi, đảm bảo cơ tính đồng nhất. Kýhiệu: Theo tiêu chuẩn Nga ký hiệu ШX và số kèm theo chỉ lượng Cr tính theo phầnnghìn. Ví dụ: ШX15 là thép ổ lăn có C = 1%, Cr = 1,5% Các số hiệu thường dùng: - ШX6 để chế tạo ổ lăn có đường kính d <15mm. - ШX9 để chế tạo ổ lăn có đường kính d =15mm. -58- - ШX15để chế tạoổlăncóđườngkínhd= 2030mm. - ШX15C để chế tạo ổ lăn có đường kính d >30mm. CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 2 1. Nêu định nghĩa thành phần hóa học và tính chất chung củagang 2. Ảnh hưởng của thành phần hóa học đến tính chất của gang như thếnào? 3. Hãy phân biệt các loại gang dùng trong cơ khí: Gang xám, gang cầu, gang dẻo theo tổ chức tế vi, cơ tính, ký hiệu, côngdụng. 4. Trình bày thành phần, tổ chức tế vi, tính chất và phạm vi sử dụng của gang trắng 5. Trình bày thành phần, tổ chức tế vi, tính chất và phạm vi sử dụng của gang xám 6. Trình bày thành phần, tổ chức tế vi, tính chất và phạm vi sử dụng của gang dẻo và gangcầu 7. Hãy so sánh tổ chức tế vi và tính chất cơ học của gang xám, gang biến tính, gang dẻo, gangcầu. 8. Giải thích ký hiệu: Cho các mác gang sau Bч 45-15; G2500; FCD370; M3210, GX24-44, GZ37-12,GC42-12 9. Định nghĩa thép cacbon và thép hợp kim. Nêu sự khác biệt giữa 2 loại thép này. 10. Nêu ảnh hưởng của các nguyên tố hóa học đến tính chất củathép. 11. Nêu ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim đến tính chất của thép hợp kim. 12. Cho các mác thép sau: C45, CT38, 80W18Cr4V, CD100, CD120A, 90CrMnSi, 60Si2, 8Cr18Ni9,OL100Cr. Với mỗi mác thép kể trên hãy cho biết tên gọi, ý nghĩa của các chỉ số và công dụng của từng loại. Tìm các mác thép nước ngoài tương ứng. -59- CHƯƠNG 3. KIM LOẠI MÀU VÀ HỢP KIM MÀU Mã chương: MH 09-03 Giới thiệu: Kim loại màu (kim loại không có thành phần sắt): Là tên gọi của tất cả các kim loại và hợp kim, trừ sắt và hợp kim của sắt. Có thể nói rằng không có lĩnh vực nào là không sử dụng kim loại màu: Điện, điện tử, chế tạo máy bay, ôtô, công nghiệp hoá học, giao thông, xây dựng, kỹ thuật mới: Nguyên tử, tên lửa, du hành vũ trụ và công cụ, vật dụng hàng ngày. Ngày nay ở trên thế giới đã sản xuất được hơn 70 kim loại màu và quý hiếm.Trong chương này chúng ta chỉ tìm hiểu về các kim loại màu thông dụng nhất như: Đồng, nhôm, thiếc, chì vàkẽm... Mục tiêu: - Trình bày được tính chất, đặc điểm, ứng dụng của kim loại màu và hợp kimmàu. - Nhận biết được ký hiệu của các loại hợp kimmàu. - Rèn luyện cho người học có ý thức trách nhiệm, chủ động họctập. Nội dung: 1. ĐẶC ĐIỂM VÀ TÍNH CHẤT CHUNG CỦA KIM LOẠIMÀU Trong công nghiệp hiện đại, kim loại màu ngày càng được sử dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng, vì nó có các tính chất đặc biệt mà kim loại đen khó có thể so sánhđược. - Kim loại màu có nhiều nguyên tố có nhiệt độ nóng chảy không cao, nên dễ nấu chảy để đúc thành các chi tiết phứctạp. - Đa số kim loại màu có tính dẻo cao nên dễ gia công áp lực (cán, kéo, rèn, dập). - Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, một số có t...t chi tiết cần tôi. Do hiện tượng cảm ứng điện từ ở lớp bề mặt của chi tiết cần tôi được nung nóng rất nhanh đến nhiệt độ tôi, sau đó phun nước làm nguội nhanh. Phương pháp này có ưu điểm năng suất cao, chất lượng tốt. Tuy nhiên thiết bị đắt tiền nên thường dùng trong sản xuất hàng loạt. c. Tôi bộ phận: Là phương pháp tôi mà chỉ có phần làm việc cần có độ cứng và tính chống mài mòn cao thì tiến hành tôi, còn các phần khác không tôi. Tôi bộ phận thường tiến hành với quá trình tự ram tiếp theo nên còn gọi là tôi tự ram. d. Tôi tự ram: Là phương pháp chỉ cần một lần nung nóng chi tiết để có thể tiến hành được cả hai công việc tôi vàram. Cách tiến hành: Nung toàn bộ chi tiết đến nhiệt độ tôi, giữ nhiệt một thời gian cần thiết rồi nhúng phần cần tôi vào môi trường tôi trong thời gian nhất định đủ để chuyển biến thành Mactenxit. Khi nhiệt độ phần không tôi còn khoảng (300  400)0C thì nhấc chi tiết ra không khí để nhiệt phần nhiệt không tôi truyền xuống nung nóng phần đã tôi. Do đó, chi tiết được ram ngay. Việc xác định nhiệt độ ram để đạt độ cứng theo yêu cầu thường dựa theo sự chuyển màu của chitiết: Bảng 5-1. Quan hệ giữa nhiệt độ ram và màu sắc ôxit Nhiệt độ Màu ram Chiều dày lớp Ôxit( m ) Độ cứng đạt được (HRC) 220 Vàng tươi 0,045 58  55 230 Vàng rơm -90- 240 Vàng đậm 255 Nâu 0,05 54  45 265 Đỏ nâu 275 Đỏ thắm 0,065 4435 285 Tím 300 Xanh biển 0,07 3425 315 Xanh nhạt 3.4. Ramthép Ram là nguyên công bắt buộc sau khi tôi thép thành M. 3.4.1. Địnhnghĩa Ram thép bao gồm qúa trình nung nóng thép đã tôi đến t0< AC1, giữ nhiệt sau đó làm nguội chậm. 3.4.2. Mục đích - Giảm hoặc khử ứng suất bên trong, giảm tính giòn của thép sau khi đãtôi. - Biến đổi tổ chức Mactenxit thành các tổ chức khác có độ dẻo, dai cao hơn nhưng độ cứng, độ bền vẫn phù hợp với điều kiền làm việc của chitiết. * Vậy ram là nguyên công nhiệt luyện sau cùng để điều chỉnh tổ chức và cơ tính của thép tôi theo ý muốn. 3.4.3. Quá trình chuyển biến tổ chức khiram a. Giai đoạn 1 (t0< 2000C) - t0< 800C trong thép chưa có chuyển biến tổchức. - t0 = (80 200)0C M tiết ra C trở thành M ítC. b. Giai đoạn 2 (t0 = 200 2600C) - M tiết ra C gọi làMram - γ chuyển biến thànhMram - C kết hợp Fe tạo thành cacbit sắt (Fe3C) c. Giai đoạn 3 (t0 = 300 4500C) - M tiếp tục tiết ra C →F -91- - Fe3C được giàu thêm C → Xe. Cuối giai đoạn 3 tổ chức của thép là hỗn hợp của F và Xe gọi là Tram d. Giai đoạn 4 (t0 = 500 7000C) Trong thép không có sự chuyển biến tổ chức nào nữa, nhiệt độ ram càng cao thì tổ chức hạt càng thô, to cụthể: - t0 = (500 650)0C - t0 = (650 700)0C 3.4.4. Ram và các phương phápram a. Ramthấp - t0 = (150250)0C - Tính chất giảm ứng suất, giảm tính giòn, độ cứng giảm từ (1 3)HRC còn khoảng (5862HRC),chịumàimòntốt. - Công dụng: Ram các chi tiết, dụng cụ yêu cầu độ cứng cao, chịu mài tốt: Như ổ lăn, dụng cụ cắt, dụng cụđo. b. Ram trungbình - t0 = (300 450)0C - Tổ chức:Tram - Tính chất: Ứng suất hầu như được khử hoàn, độ cứng giảm mạnh nhưng vẫn còn cao (khoảng 40 45HRC), có độ dẻo dai và giới hạn đàn hồi đạt kết quả caonhất. - Công dụng: Ram các chi tiết có độ đàn hồi cao, chịu va đập tốt như: Lò xo, nhíp, khuôn dập nóng, khuônrèn. c. Ramcao - t0 = (500650)0C - Tổ chức:Xram - Ứng suất khử hoàn toàn, độ cứng giảm mạnh (còn khoảng 25 35HRC), độ bền tuy có giảm đi một phần nhưng độ dẻo, dai tăng lên rất mạnh. Do vậy cơ tính tổng hợpcao. - Công dụng: Ram các chi tiết cần độ dẻo và cơ tính tổng hợp cao như: Bánh răng, trụctruyền... 3.5. Các dạng sai hỏng khi nhiệtluyện 3.5.1. Biến dạng và nứt -92- - Nguyên nhân: Do ứng suất sinh ra khi nung nóng hoặc làm nguội quá nhanh. - Ngăn ngừa: Đảm bảo tốc độ nung nóng và làm nguội đúng quyđịnh. - Khắcphục:Tiếnhànhuốnhoặcnắn(trướckhiđóphảiủhoặcthường hóa) 3.5.2. Ôxy hóa, thoátCacbon a. Nguyên nhân - Nhiệt độ nung nóng cao so với quyđịnh. - Xác định nhầm mác nên tính toán sai t0nung. - Môi trường nung chứa nhiều khíôxy. b. Ngănngừa - Xác định nhiệt độ nung đúng với mácthép. - Khử bớt ôxy trong môi trườngnung - Bảo vệ bề mặt chi tiết khinung. c. Khắcphục Tiến hành thường hóa, thấm cacbon và tôi lại. 3.5.3. Độ cứng không đạt yêucầu a. Nguyên nhân - Tốc độ làm nguội khôngđúng. - Xác định nhầm mác nên tính toán sai t0nung. - Nhiệt độ nung nóng quá thấp so với quyđịnh. b. Ngănngừa - Xác định nhiệt độ nung đúng với mácthép. - Đảm bảo tốc độ làm nguội theo đúng quyđịnh. c. Khắcphục Tiến hành tôi lại nhưng trước khi tôi phải ủ thường hóa. 3.5.4. Thépgiòn - Nguyên nhân: Nhiệt độ nung quá cao làm cho hạt γ thôto. - Ngăn ngừa: Nung nóng đến nhiệt độ quyđịnh. - Khắc phục: Ủ làm cho thép nhỏ mịn sau đó tiến hành tôilại. -93- CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 5 1. Định nghĩa, nêu công dụng của nhiệtluyện. 2. Nêu và giải thích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệtluyện. 3. Nêu định nghĩa, mục đích và trình bày các phương phápủ. 4. Nêu định nghĩa, mục đích của tôi thép. Tại sao nguyên công tôi có vai trò quan trọng trong quá trình gia công chitiết? 5. Trình bày các phương pháp tôithép. 6. Nêu định nghĩa và các phương pháp Ramthép. 7. Nêu phương pháp nhiệt luyện và quá trình chuyển biến tổ chức cho một chiếc đục nguội, vật liệu là thép Y9A đạt độ cứng phần lưỡi cắt (58 60) HRC, phầnthânlưỡiđạtđộcứng(4045)HRC. 8. Một bánh răng vật liệu là thép 20 cần gia công nhiệt để đạt độ cứng bề mặt sườn răng là (50 55) HRC, trong lõi đạt (25 30) HRC để vừa chịu mòn vừa chịu xoắn tốt. Hãy xác định phương pháp gia công nhiệt và trình tự tiến hành để đạt yêu cầutrên. 9. Hãy nêu mục đích của nhiệt luyện, trình tự các bước tiến hành khi cần nhiệt luyện một nhíp ôtô vật liệu là thép 65C2 đạt độ cứng (45 48) HRC, có tính đàn hồi cao, chịu va đậptốt. -94- CHƯƠNG 6. VẬT LIỆU PHI KIM LOẠI Mã chương: MH 09-06 Giới thiệu: Ngày nay, theo xu thế phát triển không ngừng của công nghệ, trong thiết bị máy móc, ngoài các chi tiết, linh kiện làm bằng kim loại, người ta còn sử dụng cả các chi tiết và linh kiện làm từ các loại vật liệu khác, không phải là kim loại mà là nhóm vật liệu phi kim. Trong chương này ta nghiên cứu các loại vật liệu không chứa kim loại hay có kim loại nhưng không phải là thành phần chủ yếu như: Chất dẻo, cao su, vật liệu composit, ceramic, thủytinh... Mục tiêu: - Trình bày được đặc điểm, tính chất của các vật liệu phi kim loại như: Chất dẻo, cao su, vật liệu vô cơ, các vật liệu bôi trơn và nhiên liệuôtô. - Nhận biết được các dạng vật liệu phi kimloại. - Nhận biết được phạm vi ứng dụng của các vật liệu phi kim loại vào trong cuộcsống. - Rèn luyện cho người học có ý thức trách nhiệm, chủ động họctập Nội dung: 1. CHẤTDẺO 1.1. Khái niệm chung về chấtdẻo 1.1.1. Địnhnghĩa Chất dẻo là vật liệu nhân tạo, được sản xuất ra từ các chất hữu cơ. Là vật liệu có khả năng bị biến dạng khi chịu tác dụng của nhiệt, áp suất và vẫn giữ được sự biến dạng đó khi thôi tác dụng. 1.1.2. Thành phần của chấtdẻo Chất dẻo là hỗn hợp của nhiều chất: a. Polyme: Là thành phần cơ bản nhất của chấtdẻo. b. Chất hóa dẻo: Được đưa thêm vào với lượng (10÷20)% để tăng tính dẻo và cải thiện tính tạo hình. Thường là các este hoặc polyme có phần tử dẻo dễuốn. -95- c. Chất độn: Được đưa vào với lượng (40÷70)%, để nâng cao cơ tính giảm giá thành sản phẩm và thanh đổi thông số. Chất độn là những chất hữu cơ và vô cơ dạng bột (bột gỗ, bồ hóng, mica, Si02, Ti02, Graphit), dạng sợi (sợi bông, thủy tinh, Amiăng, Polyme), dạng tấm (giấy, vải từ các sợi khác nhau, lớpgỗ). d. Chất ổn định: Là những chất hữu cơ khác nhau để duy trì cấu trúc phân tử và ổn định tính chất, làm cho tính chất lão hóa của chất dẻo chậmlại. e. Các chất phụ gia đặc biệt: Là những vật liệu bôi trơn, tạo màu, chất bảo vệ, chất làm giảm điện tích tĩnh và bắtcháy... f. Chất đóng rắn: Được đưa thêm vào trong chất dẻo nhiệt rắn dễ hóacứng. 1.1.3 Tính chất chung của chấtdẻo - Nhẹ (khối lượng riêng: γ = (0,9÷2)g/cm3. - Cách điện, cách nhiệt, cách ẩmtốt. - Độ bền cơ học khácao. - Bền vững về mặt hóa học, chịu được axit,bazơ. 1.1.4. Công dụng Chất dẻo được sử dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống hằng ngày. - Trong lĩnh vực điện và vô tuyến điện: Được sử dụng nhiều vì có tính cách điệntốt. - Trong ngành chế tạo chi tiết máy có độ bền vừa phải, nhẹ và không bị ăn mòn như: Bình chứa, các bộ phận của băng truyền, cánh bơm, bánh răng, bánh vít, phanh hãm, ổ trượt Ngoài ra chất dẻo còn dùng để phủ lên kim loại nhằm chống ăn mòn kimloại. - Trong đời sống hằng ngày: Chế tạo đồ dùng sinh hoạt gia đình như dép, áo mưa, chậu,bát 1.2. Phânloại 1.2.1. Chất dẻo mềm nhiệt (polyme chấtdẻo) Là loại chất dẻo có thể làm nóng chảy và tạo hình lại được, bao gồm: - Poly etylen (PE): Được sản xuất ra từ khí Etylen, là loại chất dẻo không dẫn điện và nhiệt, không thấm nước. Được dùng để bao dây điện, chai, lọ, màng bao gói, áo đimưa -96- - Poly vinil clorua (PVC): Được sản xuất ra từ clorua vinyl. Là chất dẻo bền với axit và kiềm.Thường dùng sản xuất vải giả da, dép nhựa, ống nhựa, hoa nhựa - Pôly Prôpilen (PP): Được sản xuất từ Prôpilen nhờ có chất xúc tác đặc biệt. Có tính chất chịu ăn mòn hóa học tương tự như Pôlyêtylen nhưng có độ bền cơ học và tính chịu nhiệt cao hơn. Dùng chế tạo các loại ống, cách quạt bơm nước ly tâm, các dụng cụ y tế, điện tử, vô tuyếnđiện. 1.2.2. Chất dẻo cứng nhiệt (polyme nhiệtrắn) a. Chất dẻo Fenol (Bakêlit): Được sản xuất từ Fenol - Fomanđêhit. Có độ bền cơ học khá cao, chịu nhiệt, chịu axit và kiềm rất tốt. Được dùng nhiều trong công nghiệp điện và điệntử. b. Chất dẻo có thớ Tectolit và Hetinac: Bằng cách tẩm nhựa Fênol Fomanđêhit vào sợi bông hoặc sợi vải tổng hợp, để tăng tính dẫn nhiệt và chống mòn có thể cho thêm chất độn Graphit và Tectôlit. Tectôlit được dùng chế tạo bánh răng, bạc lót. Hetinac được dùng sản xuất bằng cách tẩm nhựa FenolFomanđêhit vào giấy. Hetinac hơn hẳn Tectôlit ở chỗ có tính cách điện cao và chịu ẩm tốt. Được dùng làm vật liệu cách điện, kể cả với điện áp caoáp. 2. CAOSU 2.1. Khái niệm chung về caosu 2.1.1. Khái niệm Cao su là một polyme hữu cơ mà ở nhiệt độ thường nó có tính đàn hồi cao, chịu kéo tốt, chịu nén kém, không thấm khí, nước, ổn định trong các môi trường tẩy rửa, cách điện tốt. Về cấu tạo: Cao su là một polyme có các phân tử vô giới hạn, có một mối nối đôi giữa các cacbon trong mạch nguyên tử của đại phân tử. Hình 6-1. Công thức cấu tạo của cao su -97- Về tính chất: Cao su là polyme nhiệt dẻo. Khi cho lưu huỳnh vào cao su, các nguyên tử lưu huỳnh hóa trị hai tách mối nối giữa hai nguyên tử cacbon trong mạch chính để nối các mạch cao su với nhau theo hướng cắt ngang. Nguyên tử lưu huỳnh có vai trò như cầu nối giữa các phân tử cao su do đó nhận được các mạch không gian gọi là cao su được lưu hóa. Với hàm lượng từ (1÷5)% lưu huỳnh cao su có mạch lưới thưa, mềm và đàn hồi cao. Khi mà hàm lượng lưu huỳnh cho vào tối đa 30% cao su bão hòa lưu huỳnh trở nên cứng và không đàn hồi được, gọi làebonit 2.1.2. Phânloại Có hai loại cao su là cao su thiên nhiên và cao su nhân tạo. - Cao su thiên nhiên được lấy từ nhựa cây cao su. Khi mới lấy ra có màu trắng đục, nếu để lâu ngoài ánh sáng sẽ biến thành màunâu. - Cao su nhân tạo là những vật liệu polyme tương tự cao su thiên nhiên, do con người điều chế từ các chất hữu cơ đơn giản, thường bằng các phản ứng trùng hợp.Ví dụ: Cao su Butadien (cao su Buna), cao su Isopren. Cao su thường dùng trong công nghiệp là cao su đã lưu hóa tức đã pha thêm (1÷2)% lưu huỳnh, nhằm tăng tính đànhồi. 2.1.3. Tínhchất Tính chất nổi bật của cao su là tính đàn hồi. Cao su lưu hóa giữ được tính đàn hồi ở khoảng nhiệt độ 200C 1000C. Cao su có một số tính chất quý khác như: Độ bền khá cao, chịu mài mòn rất tốt, không thấm nước và khí, có khả năng dập tắt các rung động, cách điện, cách nhiệt tốt, chịu được tác dụng hóa học của axit, kiềm, khối lượng riêngnhỏ. Nhược điểm của cao su: Bị giảm dần cơ tính khi chịu tác dụng của ánh sáng và nhiệt độ, bị hòa tan trong một số dung môi hữu cơ như xăng,dầu... 2.1.4. Công dụng Cao su được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống. Trong ngành cơ khí, cao su được dùng rộng rãi để chế tạo các sản phẩm sau : - Đai truyền chuyển động, đai truyền vận chuyển (băng tải vận chuyển cát, đá,than...) - Vòng đệm làm kín bề mặt tiếp xúc giữa các chi tiết máy nhằm tránh chảy dầu, nước, tránh dò khí, tránhbụi... -98- - Ống dẫn chất lỏng, chất khí chịu áp suấtthấp. - Chế tạo các vật phẩm cáchđiện. 2.2. Phânloại 2.2.1. Cao su thiênnhiên Cao su thiên nhiên được lấy từ nhựa của một loài cây có nguồn gốc từ các rừng nhiệt đới châu Mỹ Latinh và châu Á, tên gọi là hêvêa. Nhựa cây hêvêa chảy ra có tên gọi là latex. Latex là hỗn hợp màu trắng, đục có khoảng 40% hạt cao su khô nằm lơ lửng trong nước, có chứa một số chất hòa tan. Latex chỉ ổn định sau khi chảy ra khỏi cây trong một thời gian ngắn, sau đó bắt đầu keo tụ, hạt cao su tách ra khỏi pha lỏng và có mùi hôi. Để ngăn ngừa sự keo tụ ta cho thêm vào latex 0,15% NH3 và nó sẽ ổn định lâudài. Tính chất chung của cao su thiên nhiên: - Tỷ trọng: (0,91 ÷0,93) g/cm3 - Nhiệt dung:0,45-0,5cal/g.0C Ở nhiệt độ (80-100)0C trở nên dẻo, -700C bị dòn và bị phân hóa ở 2000C 2.2.2. Cao su tổng hợp (nhântạo) a. Cao su divinyl(C4H6)n Còn gọi là butadien là tên gọi của monome ban đầu để tổng hợp thành butadien. Cao su divinyl ít bị mài mòn hơn cao su thiên nhiên, nhưng độ bền nhiệt, tính chịu nhiệt lạnh và chống xé rách kém hơn. Công dụng: Làm lốp xe oto, xe máy, xe đạp, áo mưa, găng tay, các sản phẩm công nghiệp, Hình 6-2. Công thức cấu tạo của cao su divinyl b. Cao su cloropren (buna-C) Nguyên liệu để sản xuất từ axetylen trùng hợp thành monome cloropren. Tính chất: -99- - Khối lượng riêng  = (1,21÷1,25)g/cm3 - Giới hạn bền kéo:(2÷2,65)g/cm3 - Độ dãn dài tương đối:(600÷750) - Nhiệt độ làm việc:(100÷130)0C - Nhiệt độ chịu lạnh:-340C. Cao su cloropren không ăn mòn đồng, chống lão hóa ozon tốt, đàn hồi tốt, chống rung tốt, ổn định trong dầu mỡ, nhiên liệu. Tính chịu nhiệt và chịu lạnh kém. Công dụng: Làm bọc dây điện, dây cáp cao áp. c. Cao su chống mài mòn(adipren) Cao su này có tính chống mài mòn cao, độ bền cao, độ đàn hồi tốt, ổn định trong dầu mỡ, ổn định bức xạ. Nhiệt độ làm việc từ 100÷1300C. Công dụng: Làm làm xe ôtô, xe tải, gót giày d. Cao su chịunhiệt Được sản xuất từ cao su silicon chưa lưu hóa có cấu tạo mạch thẳng. Thường dùng nhất là cao su dimetyl siloxan. Nhiệt độ làm việc từ (-55 ÷250)0C, tính bám dính kém, bị nở trong các môi trường dung môi, độ bền thấp, tính thấm khí cao, chống mài mòn kém. Tính chất: Khối lượng riêng = 2,13 g/cm3, điện trở riêng: 9,4.1014 Ω.m Công dụng: Làm các chi tiết chịu nhiệt độ khá cao trong các bộ phận của máy móc. 2. VẬT LIỆUCOMPOSITE 2.1. Khái niệm chung về vật liệucomposite 2.1.1. Địnhnghĩa Compozit là vật liệu tổ hợp từ hai vật liệu có bản chất khác nhau.Vật liệu tạo thành có đặc tính trội hơn đặc tính của từng thành phần khi xác định riêng rẽ. 2.1.2. Đặc tínhchung - Một vật liệu Compozit gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liêntục. - Khi vật liệu gồm nhiều pha gián đoạn còn gọi là Compozit hỗn tạp. Pha gián đoạn thường có cơ tính trội hơn pha liêntục. - Pha liên tục được gọi lànền. -100- - Pha gián đoạn được gọi là cốt hay vật liệu tăngcường. - Cơ tính của vật liệu Compozit phụ thuộcvào: + Cơ tính của vật liệu thành phần. + Luật phân bố hình học của vật liệu cốt. + Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần. 2.1.3. Phân loại vật liệu Compozit a. Phân loại theo hìnhdạng Theo hình dạng của vật liệu thành phần. Compozit được phân thành hai loạilớn. - Vật liệu Compozit cốt sợi: Khi vật liệu cốt ở dạng sợi, sợi được sử dụng có thể dưới dạng liên tục, gián đoạn, sợi ngắn,vụn - Người ta có thể điều khiển việc phân bố phương của sợi để có vật liệu dị ứng theo ýmuốn. - Vật liệu Compozit cốt hạt: Khi vật liệu có dạng hạt, hạt khác sợi ở chỗ, nó không có kích thước ưutiên. b. Phân loại theo bản chất vật liệu thànhphần Dựa vào bản chất của vật liệu nền có : - Compozit nền hữu cơ, có nhiệt độ từ(200÷300)0C. - Compozit nền kim loại (hợp kim titan, hợp kim nhôm) chịu được nhiệt độ6000C. - Compozit nền khoáng (gốm): Có thể chịu được nhiệt độ trên10000C. 2.2. Phânloại 2.2.1. Compositehạt Cấu tạo gồm các phần tử cốt dạng hạt đẳng trục phân bố đều trong nền. Các phần tử cốt là các pha cứng và bền hơn nền. - Composite hạt thô nền polyme: Hạt cốt là thạch anh, thủy tinh, oxit nhôm... được sử dụng phổ biến trong sinh hoạt: Cửa, tường ngăn, trầnnhà, - Composite hạt thô nền kim loại: Hạt cốt là các phần tử cứng W, Ti, Ta nền là Co dùng làm các dụng cụ cắt, khuôn kéo, khuôndập,... - Composite hạt thô nền gốm: Điển hình là bê tông. Cốt là tập hợp các hạt rắn: Đá, sỏi, liên kết với nền là xi măng. -101- - Composite hạt mịn: Các phần tử cốt có kích thước rất nhỏ, cứng và ổn định nhiệt cao, phân bố trên nền kim loại hay hợp kim, đượ sử dụng trong lĩnh vực nhiệt độ cao. a) b) Hình 6-3. Sơ đồ phân bố cốt và sợi: a) Một chiều songsong b) Ngẫu nhiên, rối trong mộtmặt 2.2.2. Composite dạng sợi Đây là loại vật liệu liên kết quan trọng nhất, hiện dang nghiên cứu và sử dụng phổ biến. Cấu tạo của nó gồm cốt dạng sợi phân bố trong nền theo quy luật đã thiết kế. Gồm các loại sau đây: - Composite sợi thủy tinh: Hiện tại là vật liệu thông minh nhất, cốt là sợi thủy tinh, nền là polieste, đôi khi dùng nhựabakelit. Công dụng: Làm mui xe hơi, thùng xe lạnh, sitec, mũi may bay, . - Composite sợi cacbon: Cốt là sợi cacbon hay sợi cacbon thủy tinh. Nền là epoxi-phenol hay polieste haycacbon. Công dụng: Thân máy bay quân sự, phần lái cánh tàu bay, thùng xe hơi, công nghiệp tàu thủy, đĩa ma sát, - Compostie hữu cơ: Cốt là các sợi polime, nền là polime. Công dụng: Vật liệu cách điện, cách nhiệt, các kết cấu oto, máybay. 3. VẬT LIỆU GỐM - THỦYTINH 3.1. Gốm 3.1.1. Bản chất và phân loạigốm Gốm là vật liệu nhân tạo có sớm nhất trong lịch sử loài người. Khởi đầu khái niệm gốm được dùng để chỉ vật liệu chế tạo từ đất sét, cao lanh (gồm đất nung). Về sau, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, khía niệm này được -102- mở rộng và bao gồm thêm các đồ sứ và các loại vật liệu trên cơ sở oxyt và các chất vô cơ không phải là oxyt. Phương pháp chế tạo gốm điển hình là phương pháp thiêu kết bột như hợp kim bột. Tạo hình nguyên liệu dạng bột có liên kết tạm thời, sau đó được nung lên nhiệt độ cao để liên kết khối. Theo thành phần hóa học có thể gồm các loại gốm sau: gốm silicat, gốm oxyt, gốm chịu lửa. 3.1.2. Gốmsilicat Gốm silicat còn gọi là gốm truyền thống là loại chế tạo từ các vật liệu silicat thiên nhiên độ sạch thấp, chủ yếu từ đất sét và cao lanh để tạo nên các sản phẩm gốm xây dựng ( gạch, ngói, ống dẫn, sứ vệ sinh,..), gốm gia dụng ( ấm chén, bát đĩa) và gốm công nghiệp ( cách điện, bền hóa,nhiệt) a. Đất sét: Là silicat nhôm gồm có Al203. Si02 và nước ngậm. Tính chất của nó biến đổi phụ thuộc vào lượng tạp chất mà chủ yếu là các oxit (Fe, Ba, Ca, Na, K) và một ít hữu cơ. Khi hòa tan đất sét vào nước thì tạo ra hỗn hợp có độ dẻo cao. b. Cao lanh: Là khoáng phổ biến nhất của đất sét có công thức Al203. Si02.H20. Ngoài đất sét, cao lanh còn dùng các nguyên liệu phụ như thạch anh SiO2 làm chấtđộn. Quy trình sản xuất gốm silicat như sau: - Gia công, tuyển chọn nguyên liệu: Quặng thô được nghiền mịn, sàng để có được độ hạt theo yêucầu. - Cân, trộn phốiliệu. - Nhào luyện phối liệu (đưa thêm nước vào với lượng khác nhau để tạo ra độ dẻo thíchhợp) - Tạo hình sản phẩm theo 3 cách tùy thuộc vào độẩm: + Phương pháp bán khô nếu phối liệu có độ ẩm từ 8÷12% được đầm nén trong khuôn. + Phương pháp dẻo với phối liệu có độ ẩm 12÷25%, tính dẻo cao được tạo dáng bằng tay hay dụng cụ, máy chuyên dùng. + Phương pháp đúc rót với phối liệu có hàm lượng nước cao, phối liệu có dạng hồ được rót vào khuôn thạch cao, khuôn sẽ hút nước để lại sản phẩm mộc. -103- - Sấy. - Nung đến nhiệt độ từ 900÷14000C hay cao hơn tùy thuộc vào thành phần, cơ tính yêu cầu của sản phẩm: gạch ở nhiệt độ ở 9000C, sứ: 14000C, gốm cao alumin: 16000C. Trong quá trình nung mật độ của gốm tăng lên và cơ tính được cải thiện. Khi gốm được nung đến nhiệt độ cao có xảy ra một số phản ứng trong đó đáng quan tâm nhất là sự thủy tinh hóa: Sự hình thành dần dần thủy tinh lỏng, chảy điền kín các lỗ hổng và sản phẩm được co thêm. Khi nguội, pha nóng chảy đông đặc lại tạo ra nền liên kết bền, chắc sảnphẩm. 3.1.3. GốmOxyt Gốm oxyt là gốm có thành phần hóa học là các đơn oxyt (Al2O3, TiO2) hoặc một hỗn hợp oxyt xác định khác (ví dụ: MgO. Al2O3, BaO.TiO2) và như vậy trong thành phần không có TiO2. Khác với gốm silicat, gốm oxyt có độ tinh khiết hóa học cao hơn hẳn (tỷ lệ tạp chất rất thấp ) và tỷ lệ pha tinh thể cũng cao hơn hẵn. Ứng dụng để làm vật liệu kỹ thuật có độ bền nhiệt và độ bền cơ học rất cao. Có thể chia thành các nhómsau: - Gốm oxyt trên cơ sở các oxyt có nhiệt độ nóng chảy cao. Tiêu biểu là Al2O3 (2050 0C), MgO (28500C), ZrO2 (2500÷2600 0C), MgO.Al2O3(2135 0C) bằng công nghệ gốm tinh, được thiêu kết ở nhiệt độ cao với tổ chức tinh mịn và hầu như toàn bộ là tổ chức 1 pha. Ứng dụng: Được dùng làm chén, nồi nấu kim loại, dùng làm vật liệu cắt, hạt mài, - Gốm trên cơ sở TiO2có các tính chất đặc biệt (điện môi, sắt từ, áp điện) được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện và điệntử. - Gốm trên cơ sở là Fe2O3 và các oxyt kim loại nặng. Gốm trên cơ sở Fe2O3 và các oxyt kim loại nặng khác thuộc nhóm Fe tạo ra các vật liệu bán dẫn và vật liệutừ. - Gạch chịu lửa Vật liệu chịu lửa là các loại vật liệu để xây các lò như: Luyện kim, thủy tinh, hơi, nung kim loại, nhiệt luyện, Có khả năng chịu được nhiệt độ cao lớn hơn 15000C. Các loại gạch chịu lửa thường dùng: Dinat (Silica với SiO2 lớn 93%), Samit (là gốm thô Al2O3-SiO2), gạch kiềmtính,. 3.2. Thủy tinh 3.2.1. Cấu tạo của thủytinh Trạng thái thủy tinh hóa là một dạng riêng của trạng thái vô định hình của vật chất. Khi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn vô định hình trong -104- quá trình nguội nhanh và tăng độ nhớt thì tổ chức không trật tự, đặc trưng của trạng thái lỏng là giữ nguyên lại trong trạng thái rắn. Trong thành phần thủy tinh vô cơ gồm có: Oxyt Silic (SiO2), B2O2, MgO, NaO... Ngoài ra còn có các oxyt nhôm, sắt, chì, titan, Be, 3.2.2. Phân loại thủytinh a. Phân loại theo bản chất hóahọc - Thủy tinh alumosilicat(Al2O3.SiO2) - Thủy tinh Bosilicat(B2O2.SiO2) - Thủy tinh alumobosilicat(Al2O3.B2O2.SiO2) - Thủy tinh alumophotphat(Al2O3.P2O5) b. Theo côngdụng - Thủy tinh kỹ thuật (thủy tinh quang học, kỹ thuật điện, thínghiệm) - Thủy tinh xây dựng (làm cửa, kính, gạch thủytinh) - Thủy tinh sinh hoạt (chậu, bát, đĩa, gươngsoi) 3.2.3. Tính chất của thủytinh - Thủy tinh có tính chất vô hướng. - Cơ tính: Có độ bền nén cao (50÷200)kg/mm2, giới hạn bền kéo rất thấp (3-9)kg/mm2, modun đàn hồi cao, độ dai va đậpthấp. - Tính chất quang học: Tính trong suốt, phản xạ, tán xạ, hấpthụ. - Hệ số giãn nở nhiệt nhỏ, tính chịu nhiệt tương đốicao. 4. NHIÊN LIỆU ÔTÔ 4.1. Xăng 4.1.1. Đặcđiểm Xăng là loại nhiên liệu dùng cho động cơ đốt trong, được đốt cháy bằng tia lửa điện (gọi là động cơ xăng). Ngoài ra xăng còn dùng để hoà tan một số hoá chất khác, gọi là xăng hoà tan. - Xăng là nhiên liệu lỏng, dễ bốc hơi, dễ bốc cháy và có mùi đặctrưng. - Xăng không hoà tan trong nước, có khối lượng riêng  =0,7g/cm3. - Trong xăng có chứa khoảng 86% cacbon và 14% hiđrô, ngoài ra còn có các tạp chất khác vời lượng không đáng kể, như: Oxy, nitơ và lưuhuỳnh... 4.1.2. Tínhchất -105- - Tính bốc hơi tốt để máy khởi động được dễ dàng và đảm bảo cho động cơ làm việc được liêntục. - Tính chống kích nổ tốt. Sự kích nổ là hiện tượng cháy nổ bình thường của xăng, gây tiếng nổ trong kim loại, trong động cơ làm cho động cơ bị nóng, gây mòn nhanh. - Để đảm bảo được tính cháy nổ tốt, yêu cầu xăng phải có chỉ số ôctan cao, xăng sẽ khó kích nổ máy chạy hơn và phát ra công xuất lớn. Muốn vậy, ta phải pha thêm một lượng chì rất nhỏ vào xăng (gọi là xăngchì). - Có sự ổn định cao về hoáhọc. - Không tạo lớp nhựa bị biến chất, hoặc tạo nên lớp muội than, trong buồng cháy của động cơ không lẫn tạp chất ăn mòn, không lẫn cặn bẩn, không làm han gỉ các chi tiết của độngcơ. 4.1.3. Công dụng Xăng được dùng chủ yếu cho động cơ đốt trong, ngoài ra còn có loại để hòa tan cao su, cũng có loại xăng dùng để tách dầu mỡ động vật và thựcvật. 4.1.4. Cách bảoquản Xăng dễ bốc hơi, dễ bốc cháy, dễ gây nổ. Do đó rất nguy hiểm, cho nên trong qua trình bảo quản xăng phai luôn cẩn thận và chu đáo, và có những phương thức bảo quản an toàn: - Để trong thùng kín, không bị dò rỉ, không để lẫn vào nước và tạpchất. - Để nơi thoáng mát và tuyệt đối cấmlửa. - Khi mở lắp thùng xăng phải nhẹ nhàng, không được gõ mạnh hay quăng quật, không được dùng miệng hút xăng vì trong thành phần xăng có chứa chì, là nguyên tố độc hại cho conngười. 4.2. Dầudiezen a. Đặc điểm Dầu diezen là nhiên liệu dùng cho động cơ diezen. Nhiên liệu được phun vào buồng cháy dưới dạng sương mù, gặp không khí nén có áp suất và nhiệt độ cao nhiên liệu tự bốc cháy. Diezen là chất lỏng trong suốt. Khối lượng riêng  = (0,78÷0,86) g/cm3. Thành phần gồm có: C = (86÷87)%; H2 = (12÷14)%, còn lại là oxy và các tạp chất khác. -106- b. Tính chất Đảm bảo chỉ số xetan, vì xetan đặc trưng cho sự cháy chậm của nhiên liệu diêzen trong buồng cháy của động cơ. Nếu xetan càng lớn thì sự cháy chậm càng nhỏ, động cơ diêzen càng dễ nổ và làm việc càngêm. - Độ nhớt: Phải đảm bảo có độ nhớt trong dầu diêzen theo quy định, để đảm bảo được nhiệm vụ bôi trơn cho chi tiết của bơm cao áp và vòi phun nhiên liệu. - Hàm lượng chất dính: Biểu thị khả năng chống lại sự tạo thành của muội than trong quá trìnhcháy. c. Côngdụng Dầu diêzen được dùng cho các loại động cơ diêzen (ôtô, máy kéo, côngtennơ) Dầu diêzen được kí hiệu là chữ kèm theo chữ số đằng sau để chỉ vùng sử dụng hoặc mùa sử dụng. d. Cách bảoquản Việc bảo quản nhiên liệu điêzen ít nguy hiểm hơn bảo quản xăng, nhưng nó cũng đầy đủ các quy định như quá trình bảo quản xăng. 4.3. Dung dịch trơnnguội a. Tác dụng của dung dịch trơnnguội Các dung dịch trơn nguội được sử dụng trong khi cắt gọt kim loại để tưới lên dao cắt và vật gia công. Dung dịch trơn nguội có tác dụng như sau: - Làm nguội dao cắt và vật gia công, nhờ đó làm tăng tuổi thọ của dao và góp phần làm tăng độ chính xác của chitiết. - Làm cho sự biến dạng dẻo của kim loại khi cắt gọt được dễ dàng hơn, nhờ đó làm giảm công tiêu hao của máy cắt để cắtgọt. - Bôi trơn: Làm giảm ma sát giữa dao và phôi, nhờ đó làm giảm được sự mòn dao trong quá trình giacông. - Đẩy phôi kim loại ra khỏi vùng cắtgọt. b. Các dung dịch trơn nguội thườngdùng Các dung dịch trơn nguội thường dùng: Nước xà phòng, sunfuaphendon, natricacbonnat, êmuxi, dầu nhờn...Trong đó êmuxi được dùng nhiều nhất vì rẻ tiền và hiệu quả làm trơn nguội khá tốt. Êmuxi là hỗn hợp của nước, dầu khoáng vật, xà phòng natricacbonnat. -107- Việc lựa chọn dung dịch trơn nguội phụ thuộc vào phương pháp công nghệ cắt gọt kim loại, loại dụng cụ cắt và vật liệu gia công. 4.4. Dầu-mỡ a. Tác dụng của dầumỡ - Làm giảm ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc của chi tiết máy, nhờ đó làm giảm sự mài mòn chi tiết và sự tiêu hao năng lượng vì masát. - Làm mát các chi tiết trong quá trình máy làm việc, nhất là dầu vì dầu có tác dụng truyền dẫn nhiệt ra ngoài nhờ hệ thống dẫn dầu chuyển động liêntục. - Làm sạch các bề mặt của các chi tiết máy, nhờ đó hạn chế được sự mài mòn của chi tiếtmáy. - Tạo lớp bảo vệ chống ăn mòn kimloại. b. Dầunhờn Dầu nhờn được chế biến từ dầu mỏ, có màu đen, màu lục hoặc màu nâu. Dầu nhờn được phân thành các nhóm chủ yếu sau: - Dầu nhờn cho động cơ (bôi trơn cho động cơ máy bay, các cầu của ô tô, máykéo...) - Dầu truyền động (dùng bôi trơn các hộp số, hộp giảmtốc...) - Dầu côngnghiệp. - Dầu đặc biệt. c. Mỡ Mỡ là chất bôi trơn thể đặc, có màu vàng nhạt, nâu sẫm hoặc đen. Mỡ thường dùng để bảo quản dụng cụ, chi tiết máy trong lúc vận chuyển hoặc chờ sử dụng. Mỡ được sử dụng để bôi trơn các bộ phận khó giữ dầu, khó tra dầu, hoặc lâu mới phải thay dầu bôi trơn.Vídụ: - Mỡ để bảo quản kim loại, chi tiết máy, dụng cụ thường dùng loại CΠ - 11, CΠ - 2 hoặc YCT -1. - Mỡ bôi trơn bánh răng cầu trục, bánh răng tốc độ chậm. Thường dùng mỡ Graphit(YCA) - Mỡ bôi trơn trục động cơ điện, máy phát điện, trục cán. Dùng mỡ Côngsstalin ITB-1 -13. -108- CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 6 1. Nêu định nghĩa, tính chất và phạm vi sử dụng của chấtdẻo. 2. Kể tên những loại chất dẻo thườnggặp. 3. Nêu công dụng và kể tên các dụng cụ trơnnguội. 4. Nêu công dụng và yêu cầu của các chất bôi trơn. Kể tên các loại dầu mỡ bôi trơn thườngdùng. 5. Nêu định nghĩa, tính chất và phân loại vật liệucompozit. 6. Nêu tính chất chung và yêu cầu đối với dầumỡ. 7. Nêu đặc điểm, công dụng và cách bảo quảnxăng. 8. Nêu đặc điểm, công dụng và cách bảo quản dầuđiêzen. -109- TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nghiêm Hùng (2002). Giáo trình vật liệu học cơ sở. Nhà XB Khoa Học Kỹ Thuật HàNội. 2. Nghiêm Hùng, Nguyễn Văn Tư. Giáo trình vật liệu học. Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. 3. Ths. Châu Minh Quang. Giáo trình vật liệu cơ khí. Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM. 4. KS. Nguyễn Thị Yên (2005). Giáo trình vật liệu cơ khí. Nhà Xuất Bản Hà Nội.