Giáo trình Vật liệu cơ khí

1BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ XÂY DỰNG
BÀI GIẢNG HỌC PHẦN
VẬT LIỆU CƠ KHÍ
(Lưu hành nội bộ)
Người biên soạn: Hoàng Việt Nam
Hoàng Minh Thuận
Uông Bí, năm 2010
2CHƯƠNG I. CẤU TẠO TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU KIM LOẠI
1.1. Khái niệm và đặc điểm của kim loại
1.1.1. Định nghĩa kim loại
Kim loại là do một nguyên tố hoá học tạo nên với tính chất đặc trưng là
dẻo, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và có ánh kim. Hiện nay có trên 85 nguyên tố kim
loại (VD: Sắt Fe; Đồng Cu; Nhôm AL; Kẽm Zn;...)
1.1.2. Đặc điểm cấu tạo nguyên tử của kim loại
* Chất kết tinh và chất vô định hình:
+ Chất kết tinh (chất tinh thể): là những chất kết cấu rắn có dạng hình học
xác định và có những đặc điểm:
- Các nguyên tử sắp xếp có hệ thống;
- Khi nung lên nhiệt độ cao thì chuyển từ thể rắn sang thể lỏng.
+ Chất vô định hình: là những chất có hình dạng không xá định như thuỷ
tinh, keo, sáp, nhựa thông, hắctín, thuỷ ngân,... và có những đặc điểm sau:
- Các nguyên tử sắp xếp không có hệ thống;
- Khi nung lên nhiệt độ cao thì chuyển từ thể rắn sang thể nhão rồi sang
thể lỏng;
- Bề mặt gẫy nhẵn không có dạng hạt.
* Cấu tạo tinh thể của kim loại:
a) b)
Hình 1.1. Ô cơ sở và thông số mạng của mạng vật rắn tinh thể
Tất cả các kim loại ở trạng thái rắn đều là những chất có cấu tạo tinh thể.
Trong các chất có cấu tạo tinh thể, các nguyên tử, ion chiếm những vị trí nhất
định trong không gian hay nói cách khác, chúng sắp xếp theo một trật tự, quy
luật nhất định tạo nên mạng tinh thể.Trong mạng tinh thể, các nguyên tử dao
động xung quanh các nút mạng tinh thể như dao động quanh vị trí cân bằng.
Hình 1.1a biểu diễn một phần của mạng tinh thể (mạng tinh thể lập
phương đơn giản) trong đó các iôn kim loại được biểu diễn bằng những vòng
tròn nhỏ nằm ở các nút của hình lập phương gọi là nút mạng.
Phần nhỏ nhất và đặc trưng cho một loại mạng tinh thể nào đó được gọi
Z
Y
X
b
c
a
3là ô cơ bản (hình 1.1b). nếu xếp liên tiếp các ô cơ bản ta được mạng tinh thể.
Khi nghiên cứu một mạng tinh thể nào đó, ta chỉ cần nghiên cứu một ô cơ
bản là đủ.
Mạng tinh thể thường gặp của kim loại có các kiểu sau:
- Mạng lập phương thể tâm: Trong ô cơ bản của kiểu mạng này, các ion nằm
ở các nút (đỉnh) vàở tâm của hình lập phương; số nguyên tử có trong ô cơ bản là 2.
Hình 1.2. Mạng lập phương thể tâm
- Mạng lập phương diện tâm: Trong ô cơ bản, các ion nằm ở các nút
(đỉnh) của hình lập phương và nằm ở trung tâm các mặt của hình lập phương; số
nguyên tử trong ô cơ bản là 4.
Hình 1.3. Mạng lập phương diện tâm
- Mạng lục giác xếp chặt: Cấu trúc như một lăng trụ lục giác. Hai đáy là
hai tiết diện lục giác đều, trên mỗi đáy có 6 nguyên tử ở 6 đỉnh và một nguyên tử
nằm ở tâm đáy; ngoài ra còn có 3 nguyên tử nằm cách đều nhau và cách đều 2
đáy; số nguyên tử trong ô cơ bản là 6.
Hình 1.4. Mạng lục giác xếp chặt
41.1.3. Liên kết kim loại
Trong kim loại phần lớn các
nguyên tử nhường bớt điện tử để trở
thành ion dương còn các điện tử trở
thành điện tử tự do. Các điện tử này
không bị chi phối bởi một nguyên tử
nào cả. Giữa các ion dương với nhau
và các điện tử với nhau sẽ tồn tại lực
đẩy, giữa ion và điện tử sinh ra lưc
hút. Sự cân bằng giữa các lực này là
cơ sở của liên kết kim loại. Đây là
dạng liên kết quan trọng của kim
loại, nhờ mối liên kết này mà kim
loại có tính dẻo rất cao
1.2. Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại nguyên chất
1.2.1. Các khái niệm về mạng tinh thể
Trong kim loại thực tế các nguyên tử không hoàn toàn nằm ở các vị trí một
cách trật tự như đã nói ở trên mà luôn luôn có một số ít nguyên tử nằm sai vị trí
gây nên sai lệch mạng. Trong thực tế không có kim loại nguyên chất tuyệt đối.
Do vậy trong kim loại bao giờ cũng có các tạp chất. Kích thước các nguyên tử lạ
này luôn khác nguyên tử kim loại nên gây ra sai lệch trong mạng tinh thể. Sai
lệch mạng tinh thể chiếm số lượng rất thấp (1-2% thể tích mạng) nhưng ảnh
hưởng rất lớn đến cơ tính của kim loại.
1.2.2. Các kiểu mạng tinh thể thường gặp của kim loại
Trong các kim loại thông dụng thường gặp ba kiểu mạng tinh thể sau đây :
1.5
1.6
Hình 1.5. Liên kết kim loại
5a) Lập phương tâm khối (thể tâm A2): Các nguyên tử nằm ở các đỉnh và ở
trung tâm của khối lập phương . Nếu coi các nguyên tử là hình cầu và biểu diễn gần
như thật thì các nguyên tử nằm ở các đỉnh chéo nhau của khối lập phương tiếp xúc
với nhau qua nguyên tử ở trung tâm. Các nguyên tử còn lại không tiếp xúc với
nhau. Kiểu mạng này có trong các kim loại Fea, Cr, Mo,V. Khoảng cách gần
Kiểu mạng này có một thông số mạng là a.
b) Lập phương tâm mặt (diện tâm A1) : Các nguyên tử nằm ở các đỉnh và
tâm của các mặt bên khối lập phương. Nếu coi các n guyên tử là hình cầu và biểu
diễn gần như thật thì nguyên tử nằm ở đỉnh và tâm của các mặt bên thì tiếp xúc
với nhau.Các nguyên tử còn lại không tiếp xúc với nhau. Khoảng cách gần nhất
giữa hai nguyên tử là 2
2ad và 4
2ar 
kiểu mạng này chỉ có một thông số mạng là a. Thường gặp trong các kim loại
Feg, Cu, Ni, Al, Pb...
c) Sáu phương xếp chặt (lục giác xếp chặt A3): Các nguyên tử nằm ở các
đỉnh và ở tâm hai mặt đáy của hình lăng trụ lục giác đều .Ba nguyên tử nằm ở
trung tâm ba lăng trụ tam giác cách nhau.Mạng sáu phương xếp chặt có hai
thông số mạng là a và c, tỷ số c/a gọi là hệ số xếp chặt.
Hình 1.7. Mô hình và cách
sắp xấp nguyên tử trong khối
cơ sở
a) Lập phương tâm mặt
b) Lập phương tâm khối
c) Sáu phương xếp chặt
6Trong trường hợp lý tưởng 633,13
8 a
c .Trong thực tế tỉ số c/a không
đúng là 1,633 mà dao động trong trong khoảng 1,57  1,64 và cũng được coi là
xếp chặt. Các kim loại có kiểu mạng này là: Zn, Cd, Coa, Mg, Ti, Ru...
d) Chính phương tâm khối (thể tâm): Trong tổ chức của thép sau khi tôi
(mactenxit) còn có kiểu mạng chính phương tâm khối . Có thể coi kiểu mạng
này là lập phương tâm khối được kéo dài theo một chiều. Nó có hai thông số
mạng là a và c, tỉ số c/a gọi là độ chính phương.Trong thực tế sự sắp xếp của các
nguyên tử trong kim loại theo xu hướng dày đặc nhất. Do đó không có kim loại
nào có kiểu mạng đơn giản chính phương tâm khối cả .
1.2.3. Tính thù hình của kim loại
a) Khái niệm và ví dụ:
Khá nhiều kim loại có nhiều kiểu mạng tinh thể khác nhau ở các khoảng
nhiệt độ và áp suất khác nhau, tính chất đó gọi là tính đa hìn h. Nhiệt độ mà tại
đó kim loại chuyển từ kiểu mạng này sang kiểu mạng khác gọi là nhiệt độ tới
hạn của chuyển biến đa hình. Nhiệt độ này còn phụ thuộc vào tốc độ nung nóng,
tốc độ làm nguội và trạng thái ban đầu của kim loại. Các dạng đa hình khác nhau
của một nguyên tố đượ c ký hiệu bằng các chữ Hy lạp cổ: , , ... Trong đó a là
ký hiệu cho dạng đa hình ở nhiệt độ thấp nhất, các chữ còn lại ký hiệu lần lượt ở
các nhiệt độ cao hơn.
1.8
7b) Sự thay đổi tính chất khi có chuyển biến đa hình:
Khi có chuyển biến đa hình các kim loại đều có sự thay đổi các tinh chất
của chúng.
- Thể tích riêng thay đổi: Từ Fe sang Fe thể tích của có giảm đi khoảng
1%. Từ Sn sang Sn thể tích tăng lên 25%
- Thay đổi về cơ tính: từ Sn  sang Sn độ bền không còn nữa
- Thay đổi về lý tính: do sự sắp xếp của nguyên tử có thay đổi nên nhiệt
dung, điện trở ... đều biến đổi đi.
Sự thay đổi tính chất của kim loại khi chuyển biến đa hình được nghiên cứu
kỹ lưỡng để tận dụng các tính chất có lợi và ngăn ngừa các mặ t bất lợi. Tính đa
hình của sắt được sử dụng rất nhiều trong nhiệt luyện
1.2.4. Đơn tinh thể và đa tinh thể
a) Tính có hướng của tinh thể: Mạng tinh thể luôn luôn thể hiện tính có
hướng (dị hướng) của nó nghĩa là theo các hướng khác nhau tính chất của mạn g
(cơ ,lý , hóa tính...) khác nhau .Tính có hướng là do cấu tạo mạng tinh thể, các
phương và mặt khác nhau có mật độ nguyên tử không giống nhau. Theo phương
có mật độ nguyên tử lớn liên kết bền hơn nên có độ bền lớn hơn các phương có
mật độ nguyên tử bé .
Ví dụ: Tinh thể đồng theo các phương khác nhau có độ bền kéo thay đổi từ 140
đến 250MN/m2. Tinh thể ma giê (mạng sáu phương xếp chặt) có điện trở: theo
trục a có
 = 4,53.10-6cm, theo trục c có = 3,78.10-6cm .
b) Đơn tinh thể và đa tinh thể :
8Đơn tinh thể: Nếu vật tinh thể có mạng thống nhất và phương không thay
đổi trong toàn bộ thể tích thì gọi là đơn tinh thể.
Để hình dung về đơn tinh thể ta lấy một khối cơ sở và tịnh tiến nó theo ba
trục tọa độ với đoạn bằng chu kỳ tuần hoàn mạng (thông số mạng) sẽ được đơn
tinh thể.
Trong thực tế một số khoáng vật có thể tồn tại các đơn tinh thể tự nhiên.
Với kim loại để có được tinh thể phải áp dụng công nghệ đặc biệt "nuôi" đơn
tinh thể. Ngày nay người ta mới chế tạo được các đơn tinh thể kim loại có kích
thước nhỏ, dài khoảng 3,5cm.
Một số đơn tinh thể, đặc biệt là khoáng vật, có bề mặt ngoài khá nhẵn,
hình dáng xác định, đó là những mặt phẳng nguyên tử giới hạn (thường là các
mặt có mật độ nguyên tử lớn nhất).
Tính chất tiêu biểu của đơn tinh thể là tính có hướn g (dị hướng) do theo
các hướng khác nhau có mật độ nguyên tử khác nhau.
Đơn tinh thể chủ yếu được sử dụng trong công nghiệp bán dẫn và vật liệu
kỹ thuật điện.
Đa tinh thể: là kim loại có cấu tạo gồm nhiều tinh thể. Mỗi tinh thể trong đó
gọi là hạt.
Đa tinh thể có các đặc điếm sau:
- Do sự định hướng mạng tinh thể của mỗi hạt là ngẫu nhiên nên phương
mạng giứa các hạt luôn lệch nhau một góc nào đó.
- Tại vùng biên giới hạt mạng tinh thể bị xô lệch .
- Đa tinh thể có tính đẳng hướng
Do đó trong thực tế các kim loại thường gặp đều có cơ tính đồng nhất theo
mọi phương.
Nếu đem kéo, cán kim loại với mức độ biến dạng lớn thì kim loại lại thể
hiện tính có hướng của nó. Ví dụ: dây thép khi kéo nguội với độ biến dạng rất
lớn (làm các dây cáp cần cẩu, cáp treo, dây phanh xe đạp ...) độ bền theo phương
dọc sợi lớn hơn rất nhiều so với phương ngang sợi.
1.3. Các sai lệch trong mạng tinh thể
1.3.1. Sai lệch điểm
a) Các sai lệch điểm:
Là các sai lệch có kích thước bé theo ba chiều đo (vài thông số mạng), có
dạng điểm hay bao quanh một điểm. Gồm các loại sau đây:
- Nút trống: là các nút mạng không có nguyên tử chiếm chỗ .
- Các nguyên tử nằm xen giữa các nút mạng
- Các nguyên tử lạ nằm trên các nút mạng hay xen giữa các nút mạng.
Do có các sai lệch mạng nên nguyên tử nằm xung quanh sai lệch nằm
không đúng vị trí quy định.
Ví dụ: nút trống làm các nguyên tử xung quanh nó có xu hướng xích lại
gần nhau, nguyên tử xen giữa nút mạng làm các nguyên tử xung quanh có xu
hướng bị dồn ép lại.
Số lượng các nút trống và nguyên tử xen giữa nút mạng có xu hướng phụ
thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ càng tăng số lượng của chúng càng nhiều, tuy nhiên
9không vượt quá 1-2% Kim loại càng bẩn thì khả năng nguyên tử lạ chui vào
mạng tinh thể càng nhiều và do đó số lượng sai lệch điểm tăng.
1.3.2. Sai lệch đường
Là các sai lệch có kích thước lớn theo một chiều đo và bé theo hai chiều đo còn lại.
Nó có dạng đường thẳng, đường cong, đường xoắn ốc. Bao gồm các loại sau :
- Một dãy các nút trống hay các sai lệch điểm khác
- Lệch: là dạng sai lệch đường quan trọn g nhất và có tính ổn định cao.
1.3.3. Sai lệch mặt
là các sai lệch có kích thước lớn theo hai chiều đo và bé theo chiều đo còn
lại. Nó có dạng mặt cong, mặt phẳng. Gồm các loại sau: biên giới giữa các hạt,
các mặt trượt, các mặt song tinh, mặt ngoài tinh thể.
1.4. Các phương pháp nghiên cứu kim loại và hợp kim
1.4.1. Phương pháp mặt gẫy
Đây là phương pháp đơn giản nhất. Ta quan sát bề mặt kim loại tại nơi gãy
vỡ có thể phát hiện được các vết nứt lớn, xác định được độ hạt các lẫn xỉ lớn ...
Từ đó có thể sơ bộ k ết luận được chất lượng của kim loại
1.4.2. Phương pháp tổ chức thô đại
Bẻ gãy mẫu kim loại rồi mài phẳng trên giấy mài. Trên bề mặt mặt của nó có
thể phát hiện được: bọt khí, rỗ nứt, lẫn xỉ. Nếu cho ăn mòn nhẹ bằng các hóa
chất thích hợp có thể thấy được tổ chức thớ, nhánh cây, hạt lớn, sự phân bố của
phôt pho, lưu huỳnh trong thép. Thường dùng để phát hiện tổ chức thớ trong vật
cán rèn, sự phân bố của các vùng tinh thể trong thỏi đúc
10
CHƯƠNG II. HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI
2.1. Khái niệm về hợp kim
2.1.1. Định nghĩa hợp kim
Hợp kim là vật thể của nhiều nguyên tố và mang tính kim loại (dẫn điện,
dẫn nhiệt cao, dẻo, dễ biến dạng, có ánh kim ...).
Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim loại. Hợp kim có thể được
tạo nên giữa các nguyên tố kim loại với nhau, hay giữa nguyên tố kim loại và
phi kim loại.
Ví dụ: - Thép các bon là hợp kim của nguyên tố kim loại và phi kim loại (Fe + C)
- La tông là hợp kim của hai nguyên tố kim loại (Cu + Zn)
Thành phần của các nguyên tố trong hợp kim được biểu th ị theo phần trăm
khối lượng mỗi nguyên tố. Tổng các thành phần trong hợp kim luôn luôn bằng
100%. Đôi khi người ta còn dùng tỷ lệ phần trăm nguyên tư
2.1.2. Các đặc tính của hợp kim
Đặc tính sản phẩm hợp kim giống kim loại thông thường khác với đặc tính
của kim loại hợp thành, đôi khi còn khác hẳn.
Hợp kim luôn cho ta những đặc tính vượt trội so với kim loại nguyên chất
hợp thành. Ví dụ, thép(hợp kim của sắt) có độ bền vượt trội so với kim loại hợp
thành của nó là sắt. Đặc tính vật lý của hợp kim không khác nhiều kim loại được
hợp kim hoá, như mật độ, độ kháng cự, tính điện và hệ số dẫn nhiệt, nhưng các
đặc tính cơ khí của hợp kim lại có sự khác một cách rõ rệt, như độ bền kéo, độ
bền cắt, độ cứng, khả năng chống ăn mòn...
Không giống như kim loại nguyên chấ t, nhiều hợp kim không có một điểm
nóng chảy nhất định. Thay vì, chúng có một miền nóng chảy bao gồm trạng thái
các khối chất rắn hòa lẫn với khối chất lỏng. Điểm nhiệt độ bắt đầu chảy được
gọi là đường đông đặc và hoàn thành việc hóa lỏng hoàn toàn gọi là đường pha
lỏng trong giản đồ trạng thái của hợp kim
2.1.3. Các khái niệm về hợp kim
a) Cấu tử (còn gọi là nguyên): là các nguyên tố (hay hợp chất hóa học bền
vững) cấu tạo nên hợp kim. Chúng là các thành phần độc lập.
b) Hệ (đôi khi còn gọi là hệ thống): là một tập hợp vật thể riêng biệt của
hợp kim trong điều kiện xác định.
c) Pha: là tổ phần đồng nhất của hệ (hợp kim) có cấu trúc và các tính chất
cơ, lý, hóa xác định, giữa các pha có bề mặt phân cách.
Ví dụ: - Ta có một hệ gồm nước đá và nước. Hệ này chỉ có một cấu tử đó là
hợp chất H2O nhưng có hai pha: rắn (nước đá), lỏng (nước)
- Một chi tiết bằng la tông một pha: Hệ này có hai cấu tử là Cu và Zn
nhưng chỉ có một pha (dung dịch rắn của hai cấu tử trên).
d) Trạng thái cân bằng (ổn định): Hệ ở trạng thái cân bằng khi các pha của
nó đều có năng lượng tự do nhỏ nhất trong các điều kiện về nhiệt độ, áp suất và
thành phần xác định. Tức là các đặc tính của hệ không biến đổi theo thời gian.
Thông thường hệ với các pha ở trạng thái cân bằng bao giờ cũng có độ bền, độ
cứng thấp nhất, không có ứng suất bên trong, xô lệch mạng tinh thể thấp nhất và
được hình thành với tốc độ nguội chậm.
11
e) Trạng thái không cân bằng (không ổn định): Khi thay đổi nhiệt độ và
áp suất làm tăng năng lượng tự do và hệ trở nên trạng thái khôg cân bằng. Lúc
này hệ có thể chuyển biến sang trạng thái cân bằng mới có năng lượng tự do nhỏ
hơn. Nói chung trạng thái không cân bằng là không ổn định, luôn có xu hướng
tự biến đổi sang trạng thái cân bằng, ổn định. Trong thực tế một số trạng thái
không cân bằng vẫn tồn tại lâu dài, do ở nhiệt độ thường chuyển biến xảy ra rất
chậm hầu như không nhìn thấy được. Trạng thái không cân bằng thường có độ
bền, độ cứng cao hơn nên được sử dụng khá nhiều trong t ... húng quá nhỏ
(10 ÷ 20 m) vì vậy cần phải trộn sợi với nhựa polyme (nền) để được vật liệu
composit cốt sợi. Nền có chức năng liên kết, bảo vệ và truyền lực cho sợi. Vấn
đề quan trọng là phải tìm được các vật liệu vừa có mô đun cao, khối lượng riêng
nhỏ và giá thành hợp lý.
10.3.2.Nền:
Nền có vai trò sau đây:
- Liên kết toàn bộ các phần tử cốt thành một khối composit thống nhất.
105
- Tạo khả năng để tiến hành các phương pháp gia côngvật liệu composit
thành các chi tiết thiết kế.
- Che phủ, bảo vệ cốt tránh các hư hỏng do tác dụng của môi trường. Vật
liệu nền: polyme, kim loại, gốm và hỗn hợp.
10.3.3.Các loại vật liệu composit thông dụng:
a) Composit hạt: 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: ô xyt, nitrit, các bit...
- Composit hạt thô nền polyme: hạt cốt là thạch anh, thủy tinh, stêalit, ô xyt
nhôm...Được sử dụng phổ biến trong đời sống: cửa, tường ngăn, trần nhà..
- Composit hạt thô nền kim loại: hạt cốt là các phần tử cứng: WC, TiC, TaC
nền là Co dùng làm dụng cụ cắt gọt, khuôn kéo, khuôn dập...Ngoài ra còn có các
hợp kim giả: W-Cu, W-Ag, Mo-Cu, Mo-Ag...sử dụng trong kỹ thuật điện.
- Composit hạt thô nền gốm: điển hình là bê tông. Cốt là tập hợp các hạt rắn:
đá, sỏi... liên kết bởi nền là xi măng.
Bê tông at phan (nền là xi măng atphan) dùng rải đường, làm cầu, cống...Bê
tông với nền là xi măng pooc lăng sử dụng rộng rãi trong xây dựng nhà cửa, các
công trình...
- Composit hạt mịn: các phần tử cốt có kích tước rất nhỏ < 0,1 m m, cứng và
ổn định nhiệt cao, phân bố trên nền kim loại hay hợp kim, được sử dụng trong
lĩnh vực nhiệt độ cao.
b) Composit sợi: Đây là loại vật liệu kết cấu quan trọng nhất, hiện đang
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:
- Composit sợi thủy tinh: hiện tại là loại vật liệu thông dụng nhất, cốt là sợi
thủy tinh, nền là polieste, đôi khi dùng bakêlit. Công dụng:mui xe hơi, cửa,
thùng xe lạnh, sitec, mũi máy bay, vỏ bảo vệ buồng lái tàu vũ trụ.
- Composit sợi các bon: Cốt là sợi các bon, hay sợi các bon thủy tinh. Nền là
êpôxiphê non, polieste hay các bon. Công dụng: thân máy bay quân sự, phần lái
Hình 10.2 – Sơ đồ phân bố cốt sợi
a) Một chiều song song
b) Ngẫu nhiên, rối trong một mặt
c) Dệt hai chiều vuông góc trong
một mặt
d) Đan, quấn 3 chiều vuông góc
106
cánh tàu bay, thùng xe hơi, công nghiệp tàu thủy, vật liệu cách nhiệt của động
cơ, đĩa ma sát...
- Composit sợi hữu cơ: Cốt là các sợi polime, nền là polime. Công dụng: vật
liệu cách nhiệt, cách điện, các kết cấu ô tô, máy bay...
10.4. Vật liệu Ceramic
10.4.1.Khái niệm: là vật liệu vô cơ được chế tạo bằng cách dùng nguyên liệu
ở dạng hạt (bột) ép thành hình và thiêu kết để tạo thành sản phẩm (luyện kim
bột). Sau khi thiêu kết vật liệu céramic đã có ngay các cơ lý hóa tính cân thiết.
10.4.2.Đặc điểm: Trong vật liệu céramic bao giờ cũng tồn tại ba pha:
- Pha tinh thể (pha hạt) ở dạng hợpü chất hóa học hay dung dịch rắn, là pha
chủ yếu quyết định các tính chất của vật liệu. Pha tinh thể thường dùng là: ôxýt,
nitrit, borit, cácbit hay kim loại nguyên chất.
- Pha thủy tinh (vô định hình) là chất liên kết các hạt lại với nhau, chiếm tỷ lệ
từ 140% thể tích.
- Pha khí: do được chế tạo bằng luyện kim bột nên trong sản phẩm bao giờ
cũng có lỗ xốp nhất định, trong đó chứa các khí và tạo thành pha khí. Pha này
ảnh hưởng rất lớn đến một số tính chất của vật liệu. (độ bền kéo, uốn). Pha khí
thường gặp là các lỗ xốp hở. Nếu là các lỗ xốp kín sẽ làm giảm mạnh độ bền.
10.4.3.Các loại vật liệu céramic thông dụng:
a) Céramic xốp làm tấm lọc:
Thông dụng nhất là loại céramic xốp với hạt hình cầu, có độ xốp 30  40% có
khả năng lọc các tạp chất cỡ hạt đến 10 m. Nếu dùng loại hạt không phải hình
cầu độ xốp đạt được 60  70% lọc được tạp chất cỡ 1  2 m.
Công dụng:
- Các lọc trên cơ sở brông: lọc nhiên liệu lỏng, dầu, không khí, nước.
- Các lọc bằng thép không rỉ: lọc khí lò cao, không khí, a xit, kiềm.
- Các lọc bằng titan: lọc a xit acétit, nước cường toan, các khí cháy.
- Các lọc bằng tantan: lọc a xit sunphuríc, nitrit, clohydrit.
b) Céramic xốp công dụng đặc biệt:
Là céramic trên cơ sở bột thép không rỉ Cr12Ni9 và các hợp kim trên cơ sở Ni,Co, W, Mo dùng để chống đóng băng trên đuôi và cánh của máy bay. Do vậy
làm tăng thêm công suất động cơ từ 0,5  1,5%.
c) Céramic xốp chống ma sát:
Các ổ trượt chế tạo từ céramic xốp rẻ tiền hơn các loại babit. Đặc điểm của cé
ramic xốp chống ma sát là do có các lỗ xốp (20  35% thể tích) chứa dầu bôi
trơn, ổn định trong suốt quá trình làm việc. Với áp lực không lớn và tốc độ vòng
nhỏ, dầu chứa trong các lỗ xốp đủ đảm bảo cho máy làm việc lâu dài mà không
cần cho thêm dầu mỡ.
Công dụng: sử dụng chủ yếu trong công nghiệp dệt và thực phẩm. Gồm có
các loại sau:
- Hợp kim trên cơ sở sắt (bạc sắt xốp): chủ yếu dùng bột sắt, trộn thêm 0,3
3% graphit ngoài ra có thể cho thêm: bột can xi (2,5  10%) hay lưu huỳnh
107
(0,81%), 4% ZnS hay 3,5% CuS. Sau khi thiêu kết xong đem ngâm trong dầu
nóng với thời gian từ 4090 giờ tùy theo yêu cầu độ ngấm dầu.
- Hợp kim trên cơ sở đồng (đồng dầu) : thường dùng hợp kim Cu -Sn, Cu-Sn-
Pb-Zn. Phổ biến nhất là loại hợp kim Cu-Sn: dùng 90% bột đồng trộn với 10%
bột thiếc, cho thêm 1  3% graphit để giảm ma sát.
- Vật liệu xốp kim loại -chất dẻo:
Bằng cách tẩm các chất dẻo: flo, teflon, fluoran lên bề mặt các ổ trượt bằng
latông, thép không rỉ...Công dụng: làm ổ trượt không cần bôi trơn trong môi
trường không khí, nước, xăng dầu, một số loại a xit.
d)Vật liệu céramic đặc:
Loại vật liệu này có mật độ cao và độ bền cao gần xấp xỉ vật liệu rèn, đúc. Ưu
điểm nổi bật của nó là có thể sản xuất hàng loạt các chi tiết phức tạp, có dung sai
nhỏ và không cần gia công tiếp sau đó. Công dụng: chế tạo bánh răng, cam,
bánh cóc, vòng bi, mâm bơm cánh quạt, đai ốc đặc biệt... Gồm các loại sau:
- Vật liệu trên cơ sở sắt: Dùng bột sắt thuần túy hay hợp kim sắt các bon, pha
thêm các nguyên tố Cu, Ni, Cr, P. Thông dụng nhất hiện nay là hợp kim Fe -Cu,
Fe-Ni không có các bon.
- Vật liệu trên cơ sở kim loại màu: Céramic trên cơ sở kim loạimàu thông
dụng nhất là trên cơ sở Cu-Al. Trong các lĩnh vực đặc biệt còn sử dụng trên cơ
sở Ti, Zr, Be, U..
- Vật liệu trên cơ sở bột đồng: dùng bột đồng hay la tông, brông có pha thêm
stêarat Li, stêarat Zn. Công dụng: làm các chổi điện, tiếp điểm, màng lọc, chi tiết
chịu ma sát và chống mài mòn.
- Vật liệu trên cơ sở bột chì: loại này có khối lượng riêng lớn, chống ăn mòn cao,
cách âm tương đối tốt. Công dụng: làm các chi tiết cách âm trong máy bay, bánh đà
máy in nhỏ...
10.5. Vật liệu thông minh
+ Vật liệu có thể thay đổi độ cứng và co dãn: Các nhà khoa học đã lấy
bột thạch cao mịn, bột đá vôi và than mịn, trộn vào dầu ô liu và một ít nước rồi
cho vào máy lắc, lắc đều và lắc thật lâu, khiến cho dầu và nước là hai thứ vốn
không chịu hòa hợp với nhau thì nay phải xen kẽ đều vào nhau, hòa quyện vào
nhau để trở thành một thể dung dịch nhớt - dẻo mà vẫn lỏng.
Người ta cho dung dịch này đi qua một điện trường mạnh để biến thành thể
rắn. Tùy theo cường độ điện trường mạnh hay yếu mà dung dịch này biến thành
thể rắn nhanh hay chậm. Hiện tượng này cũng diễn ra theo chiều ngược lại.
Hiện tượng vật lý nói trên gọi là “điện lưu biến”. Người ta nghĩ ngay đến
việc dùng điện lưu biến để chế tạo bộ phanh của ôtô. Nếu dùng bộ phanh thắng
điện lưu biến này thì người lái xe chỉ cần bấm nút điện để tạo ra từ trường cho
dung dịch, thì xe phanh lại chỉ sau vài phần ngàn giây. Vật liệu điện lưu biến có
thể thay đổi độ cứng, có thể co, dãn giống như bộ cơ của động vật mỗi khi điện
trường thay đổi. Tính chất này mở ra triển vọng lớn cho ngành hàng k hông và
vũ trụ trong tương lai.
+ Vật liệu biết trước sự cố công trình xây dựng: Trong quá trình xây
dựng nhà cao tầng, cầu cống, thân đập thủy điện... người ta gắn vào kết cấu của
108
chúng những sợi cáp quang nhạy cảm với áp lực cơ học để theo dõi diễn biến
thường xuyên của công trình. Nếu có biểu hiện sụt, lún, nghiêng... cáp quang sẽ
báo trước cho người sử dụng biết để phòng tránh và có biện pháp gia cố kịp thời.
Trường hợp này người ta quen gọi đó là bộ “dò tì m” để gắn vào mạng cung cấp
nhiệt, trạm mạng điện, hệ thống đường ống dẫn dầu khí, hoặc trong hệ thống tự
động của dây chuyền sản xuất... Thông tin của các “bộ dò tìm” được kết nối với
máy tính, có chức năng phân tích thông tin và tự động chọn giải pháp xử lý
trước những thay đổi của môi trường nơi đó.
+ Vật liệu dẫn đường: Người ta bôi chất đổi màu lên khung đường viền
của đường bộ. Chất này sẽ biến thành màu đỏ khi thời tiết xấu để cảnh báo cho
lái xe biết khúc đường này đang trong tình trạng trơn, dễ trư ợt, dễ lật đổ xe. Khi
không còn nguy cơ trơn trượt nữa, chất này lại trở về màu xám tro cũ của mình
+ Vải không bám bụi: Nhà khoa học Wihenlm Harthlott nhờ khám phá
cơ chế tẩy rửa bụi và không dính nước của lá sen đã chế tạo ra loại vải thông
minh không bám bụi, không bị ướt... Ông hy vọng một ngày nào đó, nhờ cơ chế
này mà loài người sẽ xây dựng được những ngôi nhà không bám bụi, những mặt
kính không bị bụi ngăn cản ánh sáng.
+ Vải điều hòa nhiệt độ: Tự sưởi nóng cho người mặc khi băng giá, tự
làm mát khi nóng bức, thay đổi được kích cỡ khi nhiệt độ thay đổi (ví như loại
vải có pha trộn niken, titan và ni-lông, khi nóng bức, cánh tay áo của loại vải
này tự co lại lên đến khuỷu tay, khi nhiệt độ tụt xuống vài độ, tay áo lại được
trải dài ra).
109
PHỤ LỤC
CHƯƠNG I. CẤU TẠO TINH THỂ CỦA VẬT LIỆU KIM LOẠI.................... 1
1.1. Khái niệm và đặc điểm của kim loại ........................................................ 2
1.2. Cấu tạo mạng tinh thể của kim loại nguyên chất ..................................... 4
1.3. Các sai lệch trong mạng tinh thể .............................................................. 8
1.4. Các phương pháp nghiên cứu kim loại và hợp kim ................................. 9
CHƯƠNG II. HỢP KIM VÀ GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI .................................. 10
2.1. Khái niệm về hợp kim .............................................................................. 10
2.2. Các pha và tính chất các pha trong hợp kim ............................................ 11
2.3. Giản đồ trạng thái của hệ hợp kim hai nguyên......................................... 13
2.4. Giản đồ trạng thái sắt – các bon ............................................................... 14
CHƯƠNG III. CÁC CHUYỂN BIẾN PHA KHI NHIỆT LUYỆN ................... 20
3.1. Khái niệm về nhiệt luyện.......................................................................... 20
3.2. Các chuyển biến khi nung nóng thép ....................................................... 21
3.3. Chuyển biến xảy ra khi làm nguội chậm .................................................. 23
3.4. Chuyển biến xảy ra khi làm nguội nhanh – chuyển biến Mactenxit........ 28
3.5. Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi – chuyển biến khi ram............... 30
CHƯƠNG 4. CÔNG NGHỆ NHIỆT LUYỆN THÉP ........................................ 33
4.1. Ủ và thường hoá ....................................................................................... 33
4.2. Tôi thép..................................................................................................... 35
4.3. Ram thép................................................................................................... 41
4.4. Tôi bề mặt thép ......................................................................................... 42
4.4. Tôi bề mặt thép ......................................................................................... 46
CHƯƠNG V. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ GANG ............................................. 49
5.1. Khái niệm chung....................................................................................... 49
5.2. Gang trắng ................................................................................................ 49
5.3. Gang xám.................................................................................................. 49
5.4. Gang cầu ................................................................................................... 51
5.5. Gang dẻo................................................................................................... 52
5.6. Gang hợp kim ........................................................................................... 54
5.7. Nhiệt luyện gang....................................................................................... 54
CHƯƠNG VI. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THÉP .............................................. 55
6.1. Khái niệm về thép cacbon ........................................................................ 55
6.2. Khái niệm về thép hợp kim ...................................................................... 59
CHƯƠNG VII. THÉP KẾT CẤU....................................................................... 64
7.1. Khái niệm chung về thép kết cấu ............................................................. 64
7.2. Thép thấm cacbon..................................................................................... 66
7.3. Thép hoá tốt .............................................................................................. 68
7.4. Thép đàn hồi ............................................................................................. 70
CHƯƠNG VIII. THÉP HỢP KIM DỤNG CỤ VÀ THÉP HỢP KIM CÓ TÍNH
CHẤT ĐẶC BIỆT............................................................................................... 71
8.1. Thép và hợp kim làm dao cắt ................................................................... 71
8.2. Thép làm khuôn dập ................................................................................. 76
110
8.3. Thép không gỉ ........................................................................................... 78
8.4. Thép và hợp kim làm việc ở nhiệt độ cao (Thép bền nóng) .................... 80
8.5. Thép chống mài mòn ................................................................................ 81
CHƯƠNG IX. KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MẦU THÔNG DỤNG ................... 81
9.1. Nhôm và hợp kim nhôm........................................................................... 81
9.2. Đồng và hợp kim đồng ............................................................................. 86
9.3. Hợp kim ổ trượt ........................................................................................ 88
CHƯƠNG X........................................................................................................ 91
CÁC VẬT LIỆU KHÁC DÙNG TRONG CHẾ TẠO MÁY ............................. 91
10.1. Vật liệu thiêu kết .................................................................................... 91
10.2. Vật liệu chất dẻo (POLYME)................................................................. 95
10.3. Vật liệu Compozit (Vậtliệu kết hợp) .................................................... 102
10.4. Vật liệu Ceramic ................................................................................... 106
10.5. Vật liệu thông minh .............................................................................. 107