Đang tải... (xem toàn văn)
Giáo trình vật liệu cơ khí, CẤU TRÚC TINH THỂ ,CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU
Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở Chương 1 CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU 1.1 Cấu trúc của vật liệu 1.1.1 Khái niệm chung *Vật rắn trong tự nhiên tồn tại 2 dạng: Vật rắn vô dịnh hình và vật rắn tinh thể Vật rắn vô định hình: là những vật rắn có cấu tạo mà các nguyên tử (phân tử, ion) trong nó không có sắp xếp trật tự, không theo một qui luật nào Ví dụ : Than đá, thủy tinh, nhựa hữu cơ…( thường là các phi kim loại) Vật rắn tinh thể: là những vật rắn có cấu tạo mà các nguyên tử (phân tử, ion) có sắp xếp trật tự theo một qui luật nào đó Ví dụ: Ferit ( FeS2); Hematit (FeO3)… thường là những vật kim loại Các nhóm vật liệu thường sử dụng trong công nghiệp hiện nay: - Vật liệu kim loại; - Vật liệu vô cơ – Ceramic; - Vật liệu hữu cơ – Polyme; - Vật liệu tổ hợp – Compozit Vật liệu cơ khí được phân làm 2 loại: kim loại và hợp kim Kim loại là loại vật thể sáng , Hình 1.1 Sơ đồ minh họa các dẻo, có thể luyện, rèn được, có tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao và do một nguyên tố nhóm vật liệu và quan hệ giữa chúng hoá học tạo nên Hiện nay có trên 85 1 Bán dẫn; 2 Siêu dẫn; 3 nguyên tố kim loại Silicon; 4 Polyme dẫn điện VD:Fe; Cu; AL; Zn; Hợp kim là sản phẩm của sự nấu chảy hay thiêu kết của 2 hay nhiều nguyên tố (nguyên tố chủ yếu là kim loại) để vật liệu mới có tính chất kim loại.Vídụ: 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) Kim loại và hợp kim được sử dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp để chế tạo các chi tiết máy, máy móc, … 1.1.2 Cấu trúc tinh thể của vật liệu cơ khí 1.1.2.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử trong vật liệu cơ khí a Cấu tạo: Nguyên tử = hạt nhân + electron = (Proton + nơtron) + electron Nơtron không mang điện tích, electron mang điện tích âm và proton mang điện tích dương có trị số bằng điện tích của electrong nên nguyên tử trung hòa về điện Cấu hình electron chỉ rõ: số lưởng tử chính (1,2,3, ), ký hiệu phân lớp (s,p,d, ), số lượng electron thuộc phân lớp(số mũ trên ký hiệu phân lớp) Ví dụ Cu có Z = 29 có cấu hình electron là 1s22s22p63s23p63d104s1 ta biết được số electron ngoài cùng là 1 nên hóa trị của Cu là 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 1 Môn học: Vật liệu cơ khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở b Liên kết nguyên tử trong vật liệu cơ khí: Trong nguyên tử kim loại số điện tử ở lớp ngoài cùng rất ít, thường chỉ 1 đến 2 electron Những điện tử này liên kết yếu với các hạt nhân nên dễ dàng bị bứt ra khỏi nguyên tử để trở thành điện tử tự do các nguyên tử trở thành ion dương Điện tử tự do quyết định tính chất của kim loại - Liên kết đồng hóa trị: là liên kết của 2 (hoặc nhiều) nguyên tử góp chung nhau một số electron hóa trị để có đủ 8 electron Hình 1.2 Sơ đồ biểu diễn liên ở lớp ngoài cùng kết đồng hóa trị phân tử clo Ví dụ: Clo có Z = 17 (1s22s22p63s23p5) có 7 electron ngoài cùng, 2 nguyên tử clo, mỗi nguyên tử góp chung một electron để lớp ngoài cùng có 8e - Liên kết ion: Liên kết ion càng mạnh khi lớp ngoài cùng chứa ít electron, nhận càng gần hạt nhân Hình 1.3 - Liên kết kim loại: Là liên kết trong đó các cation kim loại nhấn chìm trong đám mây electron tự do Liên kết này tạo cho kim loại các tính chất điển hình: ánh kim, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt và tính dẻo dai cao - Liên kết hỗn hợp: Thực ra các liên kết trong các chất, vật liệu thông dụng thường mang tính hỗn hợp của nhiều Hình 1.4 loại Ví dụ: Na và Cl có tính âm điện lần lượt là 0,9 và 3,0 vì thế liên kết giữa Na và Cl trong NaCl gồm khoảng 52% liên kết ion và 48% liên kết đồng hóa trị 1.1.2.2 Khái niệm về mạng tinh thể Ở trên chúng ta biết kim loại là vật tinh thể Các nguyên tử (phân tử, ion) của nó luôn ở những vị trí nhất định, có qui luật theo những hình dạng hình học nhất định Để nghiên cứu cấu trục của nguyên tử (phân tử) này, các nhà bác học đã mô tả lại sự sắp xếp của chúng ở những vật tinh thể bằng những mô hình hình học trong không gian a Tính đối xứng là tính chất ứng với một biến đổi hình học, các điểm, đường, mặt tự trùng lặp lại gồm có: - Tâm đối xứng: bằng phép nghich đảo qua tâm chúng trùng lại nhau TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 2 Môn học: Vật liệu cơ khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở - Trục đối xứng: Các điểm có thể trùng lặp nhau bằng cách quay quanh trục một góc - Mặt đối xứng: bằng phép phản chiếu gương qua một mặt phẳng, các mặt sẽ trùng lặp nhau b Định nghĩa mạng tinh thể Ở điều kiện nhiệt độ thường và áp suất khí quyển, hầu hết các kim loại tồn tại ở trạng thái rắn tinh thể – các nguyên tử (ion kim loại) sắp xếp theo những trật tự nhất định trong không gian – kiểu mạng tinh thể nhất định Mạng tinh thể là mô hình không gian mô tả sắp xếp có quy luật của các nguyên tử (phân tử, ion) trong vật tinh thể c Ô cơ sở - Mạng tinh thể gồm vô số các ô nhỏ xếp liên tiếp nhau theo ba chiều trong không gian Các ô nhỏ đó gọi là ô cơ sở (ô cơ bản) Ô cơ sở là phần nhỏ nhất đặc trưng đầy đủ về sự sắp xếp trật tự có qui luật của toàn bộ mạng tinh thể - Do tính đối xứng bằng phương pháp xoay và tịnh Hình 1.5 Ô cơ sở tiến ta sẽ xuy ra toàn bộ mạng tinh thể - Thông số mạng ( hằng số mạng) là kích thước của ô cơ sở, thường ký hiệu là kích thước các cạnh của ô cơ sở từ đó có thể xác định toàn bộ kích thước của ô cơ sở - Nút mạng tương ứng với vị trí các nguyên tử trong mạng tinh thể - Phương là đường thẳng đi qua các nút mạng, được ký hiệu bằng [u v w] Ba chỉ số u, v, w là ba số nguyên tỷ lệ thuận với tọa độ của nút mạng nằm trên phương ở gần gốc tọa độ nhất (hình 1.6) Hình 1.6 giới thiệu ba phương điển hình trong mạng tinh thể của hệ lập phương: đường chéo Hình 1.6 Các phương điển Hình 1.7 Các mặt điển khối [111], đường chéo hình của hệ lập phương hình của của hệ lập mặt [110], cạnh [100] phương TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 3 Môn học: Vật liệu cơ khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở - Mặt tinh thể là tập hợp các mặt có cách sắp xếp nguyên tử giống hệt nhau, song song và cách đều nhau Chú ý: Phương và mặt tinh thể có kích thước vô hạn d Mật độ nguyên tử - Là đại lượng đánh giá mức độ sắp xếp xít chặt của các chất điểm đối với mỗi kiểu mạng * Mật độ xếp Mức độ dày đặc trong sắp xếp nguyên tử được đánh giá chủ yếu qua mật độ xếp Mật độ xếp theo phương chiều dài Ml , theo mặt Ms hay trong mạng Mv được xác định theo các công thức: Ml = l/L; Ms = s/S ; Mv =v/V Trong đó - l,s,v lần lượt là chiều dài , diện tích, thể tích bị nguyên tử (ion) chiếm chỗ - L, S,V lần lượt là tổng chiều dài, diện tích, thể tích đem xét * Số phối trí( số sắp xếp) là số lượng nguyên tử cách đều gần nhất một nguyên tử đã cho, Số sắp xếp càng lớn chứng tỏ mạng tinh thể càng dày đặc * Lỗ hổng là không gian trống bị giới hạn bởi hình khối nhiều mặt mà mỗi đỉnh khối là tâm nguyên tử, ion tại nút mạng 1.1.3 Cấu trúc mạng tinh thể thực tế Kim loại nguyên chất thường tồn tại 3 kiểu mạng chính: + Lập phương tâm mặt; + Lập phương tâm khối; + Lục giác xếp chặt a Mạng lập phương tâm khối A2 - Ô cơ bản của kiểu mạng này là : Các nguyên tử nằm ở đỉnh của hình lập phương và một nguyên tử nằm ở tâm của hình lập phương - Số nguyên tử trong một ô cơ sở: n = 8.1/8 + 1 = 2 - Thông số mạng: a ≈ 2,87 10-7 mm Hình 1.8 Mạng lập phương tâm thể - Các kim loại có kiểu mạng này là : Feα , Cr , W, Mo b Mạng lập phương diện tâm - Ô cơ bản của kiểu mạng này là : Các nguyên tử nằm ở đỉnh của hình lập phương và nằm ở tâm các mặt của hình lập phương - Các kim loại có kiểu mạnh này là: Feγ, Cu, Al, Ni, Pb, Au, Ag,… Hình 1.9 Mạng lập phương tâm diện - Số nguyên tử trong một ô cơ sở: n = 8.1/8 + 6.1/2 = 4 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 4 Môn học: Vật liệu cơ khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở - Thông số mạng: a ≈ 3,64 10-7mm c Mạng lục phương dày đặc - Ô cơ bản của kiểu mạng này là: Các nguyên tử nằm ở đỉnh của hình lục lăng, nằm ở tâm hai mặt đáy và ba nguyên tử nằm ở tâm ba hình lăng trụ tam giác cách nhau - Số nguyên tử trong một ô cơ sở: n = 12.1/6 + 2.1/2 + 3 = 6 - Các kim loại có kiểu mạnh này là : Z n , B e , M g , T i , C o - Thông số mạng: a ≈ 3,2 10-7mm, c = 5,2.10-7mm 1.1.3 Cấu trúc mạng tinh thể thực tế 1.1.3.1 Sai lệch mạng tinh thể Hình 1.10 Mạng lục phương dày đặc 1.1.3.1.1 Sai lệch điểm a Định nghĩa Là những dạng sai lệch có kích thước nhỏ theo cả 3 chiều đo b Các dạng cơ bản Sai lệch điểm có các dạng sau: * Nút trống Trong tinh thể, nguyên tử luôn luôn dao động xung quanh vị trí cân bằng của mình Theo lý thuyết thống kê của Mexwell - Boltzmann thì năng lượng dao động nguyên tử ở nhiệt độ đã cho phân bố không đều trên các nguyên tử ở những thời điểm bất kỳ luôn luôn có những nguyên tử có năng lượng lớn hơn hoặc bé hơn trị số trung bình Khi một số nguyên tử nào đó có năng lượng đủ lớn với biên độ dao động lớn thì chúng có khả năng bứt khỏi vị trí cân bằng quy định của mình và để lại đó những nút mạng trống không có nguyên tử Sau khi rời khỏi vị trí cân bằng, nguyên tử có thể chuyển sang vị trí xen kẽ giữa các nút mạng hoặc di chuyển ra ngoài bề mặt tinh thể (cơ cấu tạo nút trống của schottky) Bản thân sự có mặt của những nút trống và nguyên tử "thừa" xen kẽ giữa các nút mạng đã tạo ra sai lệch điểm trong mạng tinh thể Ngoài ra chúng còn làm cho các nguyên tử lân cận bị xê dịch ít nhiều khỏi vị trí của mình tạo ra vùng sai lệch hình cầu với kích thước vài khoảng cách nguyên tử.Khi tạo thành các nút trống năng lượng tự do của hệ thống tăng lên kèm theo sự thay đổi entrôpi S * Nút xen kẽ: Một nguyên tử không dừng ở nút mạng mà đi vào lỗ hổng mạng tinh thể (là những nguyên tử lạ) Hình 1.11 Sai lệch điểm do nút trống (a nguyên tử xen kẽ giữa các nút mạng (b) nguyên tử tạp chất ở nút mạng (c) * Nguyên tử lạ thay thế Trong thực tế không thể có một kim loại nào có độ sạch tuyệt đối Những phương pháp luyện mới và tiên tiến nhất cũng chỉ cho phép đạt được độ sạch khoảng TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 5 Môn học: Vật liệu cơ khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở 99,9999% hoặc cao hơn một ít, còn theo những phương pháp luyện thông thường lượng tạp chất có thể đến vài phần trăm Các nguyên tử tạp chất có thể thay thế vị trí các nguyên tử cơ sở ở các nút mạng hoặc nằm xen kẽ giữa các nút mạng Nếu nguyên tử tạp chất nằm ở các nút mạng có bán kính lớn hơn hoặc bé hơn so với nguyên tử cơ sở thì vị trí của các nguyên tử lân cận sẽ bị xê dịch, chúng bị nống ra hoặc bóp lại Nếu nguyên tử tạp chất nằm xen kẽ giữa các nút mạng có kích thước lớn hơn kích thước các lỗ hổng thì nó đẩy lùi các nguyên tử chung quanh khỏi vị trí cân bằng Tóm lại sự có mặt của các nguyên tử tạp chất có thể gây ra sai lệch điểm 1.1.3.1.2 Sai lệch đường a Định nghĩa Là những dạng sai lệch có kích thước nhỏ theo 2 chiều đo, lớn theo chiều còn lại b Các dạng cơ bản * Lệch thẳng (lệch biên) Nguyên nhân: Do sự xuất hiện các mặt tinh thể không hoàn chỉnh dẫn đến tạo ra các trục có năng lượng cao hơn, do đó kém ổn định hơn nên tạo ra trục lệch Để đánh giá cường độ lệch người ta dùng véc tơ Burgers Lệch thẳng có thể hình dung bằng cách sau: Giả sử có mạng tinh thể hoàn chỉnh gồm những mặt nguyên tử song song và cách đều nhau Bây giờ nếu chúng ta chèn thêm nửa mặt phẳng ABCD vào nửa phần trên của tinh thể thì các mặt nguyên tử thẳng đứng nằm về hai phía mặt ABCD sẽ không còn hoàn toàn song song nhau nữa, chúng bị cong đi ở vùng gần đường AD Các nguyên tử nằm trong vùng này bị xê dịch khỏi vị trí cân bằng cũ của mình: Các nguyên tử ở vùng phía dưới đường AD bị đẩy xa ra một ít (vùng có ứng suất kéo) còn các nguyên tử ở phía trên đường AD bị ép lại một ít (vùng có ứng suất nén) Như vậy vùng có sai lệch nằm xung quanh đường thẳng AD và vì vậy người ta gọi là lệch thẳng Đường AD đường gọi là trục có lệch thẳng Hình 1.12 Mô hình lệch thăng * Lệch xoắn Nguyên nhân: Do sự dịch chuyển của các mặt tinh thể không hoàn chỉnh tạo ra các bề mặt nhấp nhô tế vi (*) mạng tinh thể Lệch xoắn có thể hình dung bằng cách sau: Các tinh thể hoàn chỉnh bằng nửa mặt phẳng ABCD xong xê dịch hai mép ngoài ngược chiều nhau làm thế nào để mặt nguyên tử nằm ngang thứ nhất bên phải trùng với mặt nguyên tử thứ bên trái Kết quả làm cho các nguyên tử nằm gần đường AB bị xê dịch khỏi vị trí cân bằng cũ của mình Sở dĩ có danh từ lệch xoắn vì các lớp nguyên tử trong vùng sai lệch mạng đi theo hình xoắn ốc TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 6 Môn học: Vật liệu cơ khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở Mặt phẳng ABCD gọi là mặt trượt của lệch Các nguyên tử nằm trong vùng dọc theo trục 1 Trục L gọi là trục của lệch xoắn Hình 1.13 Mô hình lệch xoắn - Tinh thể hoàn chỉnh - Tinh thể có lệch xoắn - Cách bố trí nguyên tử về hai phía mặt trượt Véc tơ Burgers của lệch xoán luôn luôn song song với trục lệch * Lệch hỗn hợp Lệch hỗn hợp là lệch trung gian giữa Hình 1.14 Mô hình lệch thẳng và lệch xoắn nó mang các lệch hỗn hợp đặc điểm của cả hai loại lệch đã nêu Hình 1.15 Quan hệ giữa vectơ b và trục lệch L của lệch thăng (a), lệch xoắn (b) và lệch hỗn hợp (c) Nếu đối với lệch thẳng hoặc xoắn vectơ Burgers b nằm trực giao hoặc song song với trục của lệch trên mặt phẳng trượt thì vectơ Burgers của lệch hỗn hợp tạo thành với trục lệch một góc bất kỳ giữa 00 và 900 trên mặt trượt * Khái niệm về "lưới lệch" hoặc "rừng lệch" TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 7 Môn học: Vật liệu cơ khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở Lệch là dạng khuyết tật có sẵn trong kim loại Chúng phân bố một cách bất kỳ có thể cắt nhau tại những điểm gọi là nút lệch Sự phân bố không gian của các đường lệch trong kim loại chưa biến dạng gọi là lưới lệch hoặc rừng lệch Trạng thái ổn định nhất là tại mỗi nút chỉ có ba lệch gặp nhau Nhưng cũng có trường hợp khi 4 hoặc 6 lệch cắt nhau tại một điểm, nhưng những nút lệnh như vậy luôn luôn có xu hướng biến thành nút "bộ ba" Trên hình vẽ nếu sơ đồ lưới lệch trong tinh thể hình trụ chưa biến dạng 1.1.3.3 Sai lệch mặt a Định nghĩa Là những sai lệch có kích thước nhỏ theo chiều đo b Các dạng cơ bản Sai lệch mặt trong mạng tinh thể gồm các dạng chủ yếu: biên giới hạt, biên giới siêu hạt và mặt ngoài tinh thể * Biên giới hạt Vùng tiếp giáp giữa các hạt trong đa tinh thể là một dạng sai lệch mặt, vì ở đây các nguyên tử sắp xếp không theo trật tự nhất định, đặc trưng cho các vùng phía bên trong Vì vậy kim loại ở vùng biên giới có cấu tạo giống như vật thể vô định hình vẽ Giả thiết này cho phép giải thích một số tính chất của vùng biên giới như năng lượng tự do, khả năng hòa tan tạp chất vv Vị trí nguyên tử của vùng biên giới không phải hoàn toàn ngẫu nhiên mà còn tuân theo một số nguyên tắc nào đó phụ thuộc vào góc lệch mạng của hai hạt Biên giới hạt chứa rất nhiều sai lệch mạng, có chiều dài khoảng vài đến hàng trăm thông số mạng Độ sạch của kim loại càng cao, chiều dày của lớp càng bé Nói một cách khác, kim loại chứa nhiều tạp chất bao nhiêu thì vùng biên giới càng dày bấy nhiêu vì nó có khả năng hòa tan nhiêu nguyên tử tạp chất Năng lượng tự do của biên giới cao hơn so với các vùng phía trong và thường được đánh giá bằng sức căng biên giới hạt (tương tự như sức căng bề mặt của mặt ngoài) Hình 1.16.Cách sắp xếp nguyên tử trong vùng biên Do đặc điểm về cấu tạo, giới hạt theo thuyết "vô định hình" vùng biên giới hạt có một số tính chất sau: - Có nhiều độ nóng chảy thấp hưn một ít so với các vùng phía bên trong Người ta đã phát hiện rằng trong kim loại cực sạch nhiệt độ nóng chảy của biên giới hạt thấp hơn khoảng 0,140C so với bản thân hạt - Có hoạt tính hóa học cao hơn thể hiện ở tốc độ bị ăn mòn hóa học cao Do vậy mà bằng phương pháp tầm thực (cho ăn mòn nhẹ bằng axít) có thể phát hiện được biên giới hạt TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 8 Môn học: Vật liệu cơ khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở - Khi chuyển biến pha, biên giới là nơi để sinh ra tâm mầm nhất - Có khả năng khuếch tán cao với tốc độ nhanh hơn so với vùng bên trong - Góp phần khá lớn vào điện trở của kim loại Kim loại có độ hạt nhỏ tức tổng số vùng biên giới lớn, có điện trở cao hơn - Ở nhiệt độ cao trên vùng biên giới hạt xảy ra quá trình chảy dẻo - Biên giới có tác dụng cản trở quá trình trượt khi biến dạng Vấn đề này chúng ta sẽ xét đến khi nghiên cứu quá trình biến dạng dẻo * Khái niệm về siêu hạt (block) và biên giới siêu hạt Các nghiên cứu tỷ mỷ về cấu trúc siêu tế vi cho thấy rằng ngay trong mỗi hạt phương mạng cũng không phải hoàn toàn cố định Hạt được phân chia thành vô số vùng nhỏ có kích thước khoảng 10-5 10-3 và phương mạng lệch nhau một góc rất nhỏ, thường nhỏ hơn 10 Những vùng nhỏ này của hạt gọi là siêu hạt (hoặc block) * Mặt ngoài của tinh thể: Hình 1.17 Mô hình siêu hạt Mặt ngoài của tinh thể có trạng thái sắp xếp nguyên tử khác với những vùng phía trong Trên bề mặt mỗi nguyên tử chỉ được liên kết với một số nguyên tử nằm ở phía trong số sắp xếp bé hơn trị số quy định và do đó lực liên kết không cân bằng Đó là nguyên nhân làm cho các nguyên tử ở mặt ngoài sắp xếp không có trật tự, tạo nên sai lệch mặt Do mạng tinh thể bị xô lệch nên mặt ngoài cơ năng lượng tự do cao hơn Phần năng lượng tự do được tăng thêm trên một đơn vị diện tích bề mặt gọi là năng lượng bề mặt hoặc sức căng bề mặt Hình 1.18 Mô hình sắp xếp 1.1.3.2 Đơn tinh thể, đa tinh thể nguyên tử của mặt ngoài tinh thể a Tính thù hình của vật tinh thể * Tính thù hình là khả năng tồn tại ở nhiều kiểu mạng khác nhau của một nguyên tố, phụ thuộc vào sự thay đổi của điều kiện bên ngoài Ví dụ: Đối với sắt (Fe) Ở nhiệt độ < 9100C có dạng Fe (α) có kiểu mạng lập phương thể tâm có kiểu mạng A2, K8 Ở 9100C < t0 < 13920C có dạng Fe (γ) có kiểu mạng A1, K12 Ở 13920C < t0 < 15390C có dạng Fe (ô) có kiểu mạng A2, K8 Sự chuyển biến của các mạng tinh thể này sang mạng tinh thể khác gọi là sự chuyển TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 9 Môn học: Vật liệu cơ khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở biến thù hình Ví dụ: Sn < 130C chuyển từ lập phương đơn giản sang lục giác phức tạp b Tính dị hướng của vật thể Chỉ đúng với đơn tinh thể có cùng một vị phương mạng Là sự khác biệt về tính chất (cơ tính, lý tính, hóa tính, tính công nghệ ) của vật thể theo các phương khác nhau * Khái niệm đơn và đa tinh thể + Đơn tinh thể: là một khối chất rắn mà trong toàn bộ thể tích có cùng một định vị phương mạng, có tính dị hướng Tong thiên nhiên, có một số khoáng vật có thể tồn tại dưới dạng đơn tinh thể, chúng có bề mặt ngoài nhẵn hình dáng xác định Đơn tinh thể chỉ dùng Hình 1.19 Mô hình trong chất bán dẫn tinh thể + Đa tinh thể: Trong thực tế hầu như chỉ gặp các Mô hình đơn tinh thể a vật liệu đa tinh thể Đa tinh thể gồm vô số đơn tinh thể là các hạt hoặc Đa tinh thể b siêu hạt có định vị phương mạng khác nhau nên đa tinh thể có tính đẳng hướng trừ khi người sử dụng cố tình tạo ra phương định hướng khác nhau 1.2 Biến dạng và cơ tính của vật liệu 1.2.1 Biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo 1.2.1.1 Các giai đoạn của biến dạng Khảo sát quá trình biến dạng của mẫu, ta có thể rút ra quá trình biến dạng trải qua 3 giai đoạn: Biến dạng đàn hồi (đoạn OA): khi F < Fdh, độ biến dạng ∆l tỷ lệ bậc nhất với tải trọng=>biến dạng đàn hồi Khi bỏ tải trọng mẫu trở lại kích thước ban đầu Biến dạng dẻo (đường cong AB):độ biến dạng tăng nhanh theo tải trọng, khi bỏ tải trọng biến dạng vẫn còn lại một phần Biến cứng (đường cong BC):nếu tiếp tục tăng tải trọng đến giá trị cao nhất (điểm C) mẫu bị thắt lại, tải trọng = const(hoặc giảm) nhưng ứng Hình 1.20 Biểu đồ kéo kim loại suất tăng lên dẫn đến phá hủy ở điểm C Giai đoạn phá hủy (đường cong CD): mẫu bị phá hủy Biến dạng đàn hồi không những xảy ra trong giai đoạn đàn hồi mà còn xẩy ra trong giai đoạn biến dạng dẻo và phá hủy Chính vì vậy mà độ biến dạng của 2 giai đoạn này bao gồm đàn hồi và dẻo nên ∆L = ∆lđh +∆ld Ví dụ: Tại điểm K, muốn tìm 2 thành phần này ta phải kẻ KN // OA; KM // với trục tung Khi đó ON là ∆ld và MN là ∆lđh TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 10 Môn học: Vật liệu cơ khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở - Phá hủy dẻo hay giòn chủ yếu là phụ thuộc loại vật liệu: vật liệu dẻo như thép , Al, Cu thường bị phá hủy dẻo, còn vật liệu giòn như gang thường bị phá hủy giòn Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ và tốc độ đặt tải trọng: khi hạ thấp nhiệt độ cũng như tăng tốc độ đặt tải trọng cũng có thể làm vật liệu dẻo bị phá hủy giòn Khi hạ thấp nhiệt độ, ở mọi vật liệu cơ tính đều biến đổi theo chiều hướng tăng độ bền và giảm độ dẻo (hình 2.10a), tại nhiệt độ Tob.gi - được gọi là nhiệt độ biến giòn - giới hạn chảy σ0,2 bằng giới hạn bền σb và độ giãn dài δ gần như bằng không Khi thử ở thấp hơn nhiệt độ này σb < σ0,2 nên tải trọng tác dụng đạt đến σb trước, gây nên phá hủy trước khi đạt đến σ0,2 tạo ra biến dạng dẻo Trong thực tế luôn luôn mong mỏi vật liệu có nhiệt độ biến giòn càng thấp càng tốt, vật liệu được coi là giòn là loại có nhiệt độ biến giòn ở khoảng nhiệt độ thường, vật liệu được coi là dẻo là loại có nhiệt độ biến giòn ở nhiệt độ âm sâu Nếu như vậy thì khái niệm giòn dẻo chỉ là quy ước Khi tăng tốc độ biến dạng hay đặt tải trọng, vật liệu có khuynh hướng trở nên giòn tức làm nhiệt độ biến giòn tăng lên (hình 2.10b) Như vậy ngay cả vật liệu dẻo vẫn có thể bị phá hủy giòn nếu làm việc ở nhiệt độ thấp (thông thường máy móc, kết cấu ở xứ lạnh dễ có nguy cơ phá hủy giòn hơn ở xứ nóng) và chịu tải trọng thay đổi đột ngột Các yếu tố tập trung ứng suất như vết khía, nứt, tiết diện thay đổi đột ngột làm ứng suất cục bộ tăng vọt và σb giảm mạnh, làm vật liệu có xu hướng phá hủy giòn Cơ chế phá hủy Người ta cho rằng sự phá hủy cũng theo cơ chế tạo mầm nứt và mầm nứt phát triển dẫn đến tách rời, tuần tự theo năm giai đoạn sau: 1) Hình thành vết nứt (tế vi) 2) Vết nứt tế vi phát triển đến kích thước Hình 1.30 Sự chuyển dưới tới hạn động và tích tụ lệch trước các cản trở 3) Vết nứt tế vi phát triển đạt đến kích thước tới hạn 4) Vết nứt tới hạn phát triển nhanh 5) Nứt chấm dứt và gãy rời Trong đó các giai đoạn 1,2 và 4 được coi là quan trọng nhất, đáng để ý nhất TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 16 Môn học: Vật liệu cơ khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở Vết nứt tế vi có thể là có sẵn hay sinh ra trong giai đoạn biến dạng dẻo Trong vật liệu khó tránh khỏi có những vết rỗng đã có sẵn như rỗ co, bọt khí, nứt khi kết tinh, các pha có độ bền quá thấp như grafit trong gang , chúng đóng vai trò của mầm khi phá hủy Trong quá trình biến dạng dẻo, lệch phát sinh thêm (bởi nguồn Frank Read) và chuyển động trên mặt trượt bị nghẽn lại ở trước các cản trở như biên hạt, pha thứ hai như biểu thị ở hình 2.11 Các lệch biên cùng dấu sát nhau tạo nên một khoảng trống ngay dưới các bán mặt sẽ là điểm xuất phát cho nứt phát triển Sự phá hủy hoàn toàn phụ thuộc vào khả năng phát triển của vết nứt tế vi này, sẽ không xảy ra phá hủy một khi nứt tế vi này vẫn giữ nguyên kích thước (không phát triển) Hơn nữa trong quá trình phát triển lên, vết nứt tế vi này cũng chưa phải là nguy hiểm nếu kích thước của nó nhỏ hơn giá trị tới hạn Sự phát triển nứt xảy ra do ứng suất tập trung theo hiệu ứng góc nhọn ở đỉnh nứt (đỉnh nứt càng nhọn sự tập trung càng Hình 1.31 Sơ đồ vết rỗng (a) và sự phân bố ứng suất trên tiết diện cắt ngang qua vết rỗng (b) mạnh) Theo A.A Griffith vật liệu có phần rỗng như biểu thị ở hình 2.12a thì ứng suất phân bố không đều trên tiết diện đi qua vết rỗ, nứt ấy được biểu thị ở hình 2.12b Trong trường hợp điển hình, nứt có dạng enlip và định hướng sao cho chiều dài của nó TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 17 Môn học: Vật liệu cơ khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở vuông góc với ứng suất tác dụng thì ứng suất cực đại ở đầu nhọn vết nứt là σm sẽ có giá trị trong đó: σ0 - ứng suất kéo danh nghĩa (bằng tải trọng chia cho diện tích mặt cắt ngang mẫu), a - một nửa chiều dài vết nứt, ρt - bán kính cong của đỉnh vết nứt Như vậy vết nứt, rỗ càng dài và càng nhọn thì (a/ρt)^(1/2) càng lớn, sự tập trung ứng suất càng mạnh Kt = σm / σ0 được gọi là hệ số tập trung ứng suất Cần chú ý là hiệu ứng tập trung ứng suất trong vật liệu giòn mạnh hơn trong vật liệu dẻo là do trong loại vật liệu dẻo khi ứng suất cực đại vượt quá giới hạn chảy sẽ xảy ra biến dạng dẻo làm cho sự phân bố ứng suất ở quanh vùng có yếu tố tập trung sẽ đồng đều hơn và ứng suất lớn nhất ở nơi tập trung khó đạt được giá trị tính toán theo công thức trên A.A Griffith cũng cho rằng khi ứng suất tập trung ở đỉnh nứt vượt quá ứng suất tới hạn σc lúc đó vết nứt sẽ phát triển một cách tự nhiên không gì cản nổi, dẫn đến phá hủy, nguy cơ nứt mới trở nên hiện thực Với vật liệu giòn, ứng suất tới hạn σc cần thiết để phát triển vết nứt là: trong đó: E - môđun đàn hồi, γS - năng lượng bề mặt riêng, a - một nửa của chiều dài của vết nứt bên trong Trong biểu thức này tuy không có ρt song có ngụ ý rằng bán kính cong ở đây là đủ bé (đỉnh nứt đủ nhọn) để ứng suất cục bộ tăng cao quá độ bền liên kết của vật liệu Đối với vật liệu dẻo (phần lớn kim loại và vật liệu polyme) đều có biến dạng dẻo trước khi phá hủy, điều đó làm cho đỉnh nứt tù (cùn, bớt sắc nhọn) đi, bán kính cong tăng lên, nhờ đó làm tăng σc Về mặt toán học, trong biểu thức (2.2) có thể thay γS bằng γs + γp, trong đó γp biểu thị năng lượng biến dạng dẻo đi kèm với phát triển vết nứt Với vật liệu dẻo cao γp >> γS Hình 1.32 Ba kiểu dịch chuyển bề mặt vết nứt a Kiểu I - mở hay kéo, b Kiểu II - trượt, c Kiểu III - xé TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 18 Môn học: Vật liệu cơ khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở Bây giờ hãy tính σc cho từng cách lan truyền vết nứt Có ba kiểu dịch chuyển bề mặt vết nứt như biểu thị ở hình 2.13 Kiểu I là kiểu mở hay kéo do tải trọng kéo gây nên, kiểu II và kiểu III lần lượt là kiểu trượt và xé Kiểu I là kiểu thường gặp hơn cả và được đưa vào tính toán.Nếu vật liệu có dạng tấm tương đối mỏng so với kích thước vết nứt sẽ tồn tại trạng thái lực phẳng Trong trường hợp ngược lại (tấm tương đối dày so với kích thước vết nứt) sẽ tồn tại trạng thái gọi là biến dạng phẳng Như đã nói, phá hủy xảy ra do tập trung (ứng suất) làm cho ứng suất tác dụng ở đỉnh nứt vượt quá giá trị σc (công thức 2.2) Trong yếu tố này có một giá trị tới hạn có thể dùng để xác định các điều kiện của phá hủy giòn; giá trị tới hạn đó được gọi là độ dai phá hủy KC và được biểu thị bằng công thức trong đó: Y - thông số không thứ nguyên, phụ thuộc vào cả hình dạng của cả mẫu lẫn nứt; ví dụ tấm vô hạn có nứt bên trong dài 2a thì Y = 1, tấm nửa vô hạn có nứt hình nêm dài a thì Y = 1,1 Vậy định nghĩa độ dai phá hủy là tính chất biểu thị sức bền chống phá hủy Hình 1.34 giòn của vật liệu khi có sẵn Ảnh hưởng của nứt với thứ nguyên lực x chiều dày tấm đến chiều dài (MPa hay psi) độ dai phá hủy Với các mẫu tương đối mỏng giá trị KC phụ thuộc và giảm đi theo chiều dày B của mẫu Từ một chiều dày B nhất định trở lên được xác định theo công thức: KC không phụ thuộc vào B (hình 1.34) và đạt giá trị nhỏ nhất được ký hiệu là KIC,, giá trị KIC được gọi là độ dai phá hủy biến dạng phẳng cũng được xác định bằng công thức (2.3), tức là 1.3.2 Phá hủy mỏi Hiện tượng dão Trong thực tế nhiều kết cấu và chi tiết máy như cầu, trục, bánh rang chịu tác dụng của tải trọng không lớn (ngay cả thấp hơn σ0,2 khá nhiều) nhưng thay đổi theo chu kỳ, có thể bị phá hủy sau thời gian dài và tương đối dài (> 105 - 106 chu kỳ) Sự phá hủy như vậy còn được gọi là phá hủy mỏi Cũng giống như mọi phá TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 19 Môn học: Vật liệu cơ khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở hủy khác, phá hủy mỏi cũng xuất phát từ vết nứt đầu tiên song với đặc điểm là nó thường nằm ở trên bề mặt là nơi chịu ứng suất kéo lớn nhất, tạo điều kiện thuận lợi cho sự tạo thành và phát triển vết nứt Vết nứt tế vi trên bề mặt có thể là có sẵn như rỗ co, bọt khí , tạp chất, xước, lồi lõm; do vậy tăng độ bóng bề mặt khi gia công cắt có ý nghĩa đặc biệt để chống phá hủy mỏi Ngoài ra nứt cũng có thể sinh ra dưới tác dụng của tải trọng thay đổi theo chu kỳ Thông thường nếu ở nửa chu kỳ đầu mẫu chịu kéo, lệch dịch chuyển trên mặt trượt, thoát ra ở bề mặt và tạo ra ở đó bậc thang nhỏ thì ở nửa chu kỳ tiếp theo mẫu chịu nén, lệch chuyển dời ngược lại làm bậc thang cũ mất đi, bề mặt bằng phẳng như cũ (hình 2.15a) Quá trình cứ xảy ra như vậy cho đến khi sự trở về không hoàn toàn như cũ và chỗ bậc thang cũ có một hõm sâu bằng thông số mạng, đây chính là vết nứt đầu tiên Mặt gãy ở chỗ phá hủy mỏi có những nét đặc biệt, nó hầu như có ba vùng rõ rệt như biểu thị ở hình 2.15b Vùng 1 rất nhỏ sát với bề mặt là nứt đầu tiên, vùng 2 (vùng mỏi) là vùng nứt phát triển chậm chạp từ bề mặt vào bên trong, có bề mặt nhẵn, phẳng với những dải phân cách các giai đoạn phát triển của vết nứt Nứt phát triển từ từ cho đến khi tiết diện còn rất nhỏ nên ứng suất tác dụng trên nó rất lớn gây ra phá hủy tức thời là vùng 3 (vùng gãy) có hình dạng đặc trưng như phá hủy giòn hoặc dẻo Hình 1.35 Chu trình ứng suất và biến dạng khi tải trọng thay đổi theo chu kỳ (a) và sơ đồ cấu tạo vết nứt mỏi (b) 1- vùng nứt đầu tiên (mầm), 2 vùng nứt phát triển chậm, 3 vùng gãy tức thời 1.3.3 Phương hướng nâng cao độ bền kim loại * Nếu kim loại có cấu tạo mạng hoàn toàn lý tưởng: TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 20 Môn học: Vật liệu cơ khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở Trong kim loại mà cấu tạo mạng là lý tưởng tức là không chứa lệch thì nó có độ bền rất cao tương ứng với độ bền lý thuyết Đó là do trong các sợi đơn tinh thể với kích thước nhỏ, số lượng sai lệch mạng là vô cùng nhỏ bé, do đó cơ chế biến dạng gần giống với cơ chế đối với tinh thể hoàn chỉnh Tinh thể sợi có đường kính càng nhỏ thì số lượng sai lệch mạng càng ít và độ bền càng cao Như vậy, việc chế tạo các tinh thể kim loại sợi là một phương hướng nâng cao độ bền của vật liệu Nếu kim loại có cấu tạo mạng thực tế: Do sự có mặt của sai lệch mạng nên chúng có độ bền thấp vì biến dạng dẻo gây ra chủ yếu là do chuyển động của lệch Muốn có độ bền cao thì cần có biện pháp cản trở chuyển động của lệch tức là tạo ra các yếu tố hãm lệch + Tăng mật độ lệch và phân bố đều trong thể tích Mật độ lệch càng lớn, khoảng cách giữa chúng càng nhỏ, tương tác giữa chúng càng mạnh + Tăng cường tác dụng hãm lệch của biên giới hạt và biên giới siêu hạt bằng cách tạo ra kim loại có hạt nhỏ về kích thước hạt siêu bé + Tạo ra pha thứ 2 có độ bền cao hơn dưới dạng những hạt nhỏ phân tán + Tạo ra sai lệch mạng bằng cách chuyển biến pha a Biến cứng bề mặt * Định nghĩa: là phương pháp biến dạng lớp bề mặt của thép đến một chiều sâu nhất định làm cho mạng tinh thể của lớp này bị xô lệch dẫn đến độ cứng, độ bền tăng lên * Đặc điểm: - Dưới tác dụng của ứng suất khi biến dạng dư làm tăng độ cứng và tính chống mài mòn của bề mặt - Lớp bề mặt có ứng suất nén dư do vậy tăng giới hạn bền mỏi, giảm và mất đi khá nhiều các tật hỏng ở bề mặt như vết khía, rỗ và các vết nứt mỏi * Các phương pháp biến cứng bề mặt - Phun bi: Phun những hạt làm bằng thép lò xo đã qua tôi hay gang trắng với kích thước 0,5 đến 1,5mm lên bề mặt chi tiết với tốc độ hạt 50 đến 100m/s, chiều sâu của lớp hóa bền đạt đến0,7mm Áp dụng phun bi cho các chi tiết làm bằng thép cứng, TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 21 Môn học: Vật liệu cơ khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở hợp kim nhôm: lò xo treo, nhíp ôtô, bánh răng hộp tốc độ và cầu sau của ôtô, các loại trục và thanh truyền v v - Lăn ép: Được thực hiện trên máy cán có gá lắp một hay nhiều bi hoặc con lăn ép lực lên chúng là nhờ lò xo hay hệ thống thủy lực Chiều sâu của lớp biến cứng bề mặt tới 15mm, thường áp dụng cho các chi tiết lớn - Dập: Là hình thức biến dạng bề mặt kim loại bằng va đập được gá lắp trên máy hoặc thực hiện bằng tay Lớp biến cứng có thể sâu tới 35mm, được áp dụng trong chế tạo máy để hóa bền các chi tiết của thiết bị rèn ép, máy nén thủy lực b Tôi bề mặt thép * Nguyên lý chung: Là phương pháp nung nóng thật nhanh bề mặt với chiều sâu nhất định lên nhiệt độ tôi, khi đó phần lớn tiết diện (lõi) không được nung nóng Khi làm nguội 1.4 Các phương pháp thử cơ tính của vật liệu 1.4.1 Phương pháp thử kéo, nén, độ dai va đập a Phương pháp thử kéo nén Nhằm để xác định cơ tính của kim loại như: độ bền, độ dẻo, độ đàn hồi * Độ bền Là khả năng chống lại của lực bên ngoài mà không bị phá hỏng, dạng phá hỏng của thử kéo là bị đứt l0 Để thử kéo ta tiến hành trên máy thử kéo với mẫu thử làm bằng vật liệu đó có kích thước hình dạng theo qui định, độ thử có l1 chiều dài gấp 10 đường kính l0 : chiều dài tính toán Hai đầu to để cạp trên máy thử kéo Để đánh giá tình trạng chịu lực của vật liệu ta dùng khái niệm ứng suất: Ứng suất là tải trọng tác dụng lên một đơn vị diện tích của mẫu thử Để xác định độ bền của kim loại ta lấy lực kéo Pmax ( lực làm cho mẫu thử bị đứt) chia cho diện tích tiết diện ban đầu F0 của mẫu thử P σ = max (kg / mm 2 ) F0 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 22 Môn học: Vật liệu cơ khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở * Độ đàn hồi Là khả năng thay đổi hình dạng dưới tác dụng của lực bên ngoài rồi trở lại như cũ khi bỏ lực tác dụng Trên máy thử kéo ta tăng lực kéo mẫu thử đần dần và theo dõi sự dãn dài của mẫu thử cho tới khi lực kéo đạt giá trị Pp tại giá trị này nếu bỏ lực kéo mẫu thử trở lại giống như ban đầu=> Kim loại có tính đàn hồi Khi kéo tới giá trị Pe nếu bỏ lực kéo làm biến dạng dư không quá 0,005% chiều dài ban đầu, nếu lấy lực kéo này chia cho mẫu rta đạt giới hạn đàn hồi P σ = e (kg / mm 2 ) F0 * Độ dẻo Là khả năng biến dạng dưới tác dụng của lực bên ngoài mà không bị phá hỏng đồng thời giữ biến dạng đó khi bỏ lực tác dụng Độ dẻo được đánh gia bằng độ dãn dài tương đối và độ thắt tỷ đối Độ giãn dài tương đối : σ = l1 − l0 100% s l0 l0 : chiều dài ban đầu của mẫu thử l1 : chiều dài sau khi kéo của mẫu thử F −F ψ = 0 1 100% Độ thắt tỷ đối: F1 F1 : diện tích tiết diện tại chỗ đứt F0 : diện tích tiết diện trước khi kéo Kim loại càng dẻo thì độ thắt tỷ đối và độ giãn dài tương đối càng lớn * Biểu đồ kéo Đoạn OPp độ giãn dài tỷ lệ thuận với lực kéo Ứng suất tại Pp coi như là giới hạn đàn hồi Qua đoạn OPp không còn tỷ lệ thuận nếu tăng lực kéo độ thử giãn dài nhanh hơn P z Tăng lực kéo mãu thử giãn dài tới S kim loại s có hiện tượng chảy, lực kéo không tăng nhưng mẫu P thử vẫn giãn dài, ứng suất tại đây là giới hạn chảy Qua điểm S nếu tăng lực kéo tiếp tục mẫu thử dãn dài co thắt ở giữa và đứt Tại P ứng với tải o trọng của giới hạn bền khi kéo của vật liệu p TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 23 Môn học: Vật liệu cơ khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở b Phương pháp thử độ dai va đập 55 Mẫu thử có kích thước 10x10x55mm ở giữa rãnh rộng 2mm, sâu 2mm, mẫu thử đặt trên máy thử và nằm trên 2 đường rơi của búa 2 Thép chứa crôm thì tia lửa màu cam Bằng cách này ta xác định thanh phần => Ứng dụng trong công việc Khi ta nâng búa năng lượng đầu búa là PH, năng lượng của đầu búa sau khi rơi là Ph=> công tiêu hao làm gãy mẫu thử là: A = P (H - h) Nhưng so sánh chịu va đập của các kim loại ta xét công tiêu hao trên một tiết diện vật thử aH = A/F Vật liệu giòn độ dai va đập nhỏ 1.4.2 Phương pháp thử độ cứng a Thử độ cứng theo phương pháp Brinen Dùng viên bi cầu bằng thép tôi cứng có đường kính 2,5 ; 5 ; 10mm ấn vào bề mặt với lực P Tỷ số lực P và bề mặt vết lõm F gọi là độ cứng Brinen (ký hiệu HB) HB = P 2P = ( kg / mm 2 ) F πD D − D 2 − d 2 ) ( Với ( πD F = πDh = D − D2 − d 2 2 ) D D: đường kính viên bi d: đường kính vết lõm h : chiều sâu vết lõm Trong thực tế người ta dùng kính núp đặc biệt đo đường kính vết lõm d từ đó tra bảng => độ cứng HB Phương pháp này chỉ thử thép mềm chưa tôi cứng b Thử độ cứng bằng phương pháp Rôcven h d h TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 24 h Môn học: Vật liệu cơ khí h h2 h h2 Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở Dùng viên bi có đường kính 1,58mm hoặc mũi kim cương có góc ở đỉnh 1200 để ấn nên bề mặt vật thử Ta lần lượt tác dụng lên viên bi, mũi kim cương 2 lực ấn khác nhau Lực ấn ban đầu 10kg và lực ấn tiếp theo là 60kh, 100kg, 159kg - Lực thứ 1 viên bi mũi kim cương lún xuống một đoạn là h, lực thứ 2 lún xuống một đoạn là h2 - Hiệu số h1 = h2 – h đặc trưng cho độ cứng Roocsven (ký hiệu HR) 1HR ứng với độ nún 0,002mm Trên máy với vật liệu cứng dùng mũi kim cương với lực ấn: 60kh đọc độ cứng là HRA (đọc trên thang A) 150kh đọc độ cứng là HRC (đọc trên thang C) Vật liệu mềm dùng lực ấn 100kh đọc độ cứng là HRB (đọc trên thang B) c Thử độ cứng bằng cách dập trên viên bi Dùng để xác định độ cứng vật lớn không thể đặt trên máy đo độ cứng Dùng búa đập một lực bất kỳ lên(1); (1) nằm trong thân (2) liền xuống viên bi (5) có đường kính 10mm, thông qua thanh ngang (3) dùng làm vật mẫu, độ cứng sau khi dập viên bi để lại vết lõm trên mặt(4) và trên mẫu (3) HBvatthu 2 HBmau * d mau = 2 d vatthu 2 HBvật thử : Độ cứng miếng mẫu 3 dmẫu : Dường kính vết lõm vật mẫu 5 4 dvật thử : Đường kính vết lõm vật thử 1.5 Một số tính chất đặc trưng của vật liệu 1.5.1 Lý tính của vật liệu Tính chất vật lý hay còn được gọi là lý tính của vật liệu là những tính chất của vật liệu thể hiện qua các hiện tượng vật lý khi thành phần hóa học của chúng không bị thay đổi Lý tính cơ bản của vật liệu gồm có: khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, tính chất nhiệt, tính chất điện và từ tính a Khối lượng riêng TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 25 Môn học: Vật liệu cơ khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở Khối lượng riêng là khối lượng của 1 cm3 vật chất Nếu gọi P là khối lượng của vật chất (g), V là thể tích của vật chất (cm3) và γ là khối lượng riêng của vật chất P (hay vật liệu) ta có: 3 γ = V (g/cm ) Ứng dụng của khối lượng riêng trong kỹ thuật rất rộng rãi, nó không những có thể dùng để so sánh các vật liệu nặng nhẹ khác nhau để tiện việc lựa chọn vật liệu mà còn có thể giải quyết những vấn đề thực tế Thí dụ, những vật lớn, thép hình khó cân được khối lượng, nhưng biết được khối lượng riêng của vật liệu và đo được kích thước của chúng, người ta có thể tính được thể tích nên có thể không cần cân cả vật mà ta vẫn tính được khối lượng của chúng b Nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu là nhiệt độ mà khi nung nóng đến đó thì vật liệu từ thể rắn chuyển thành thể lỏng Tính chất này rất quan trọng đối với công nghiệp chế tạo cơ khí, vì tính chảy loãng của vật liệu ở thể lỏng tốt hay xấu do nhiệt độ nóng chảy của chúng quyết định Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu càng thấp thì tính chảy loãng của chúng càng tốt và càng dễ đúc c Tính chất nhiệt Khi một vật rắn hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt, nhiệt độ của nó tăng lên và các kích thước của nó giãn nở ra Nhiệt lượng của nó có thể được truyền từ vùng nhiệt độ cao hơn tới vùng có nhiệt độ thấp hơn Nhiệt dung, tính giãn nở nhiệt và độ dẫn nhiệt là những tính chất nhiệt quan trọng của vật liệu rắn * Nhiệt dung: Nhiệt dung biểu thị năng lượng cần thiết để nâng nhiệt độ của một đơn vị vật chất lên một độ Nhiệt dung được xác định theo công thức: C= dQ dT Trong đó: dQ là năng lượng cần thiết để gây ra độ biến thiên nhiệt độ dT Thông thường nhiệt dung có đơn vị đo là jun hoặc calo cho một mol vật liệu (J/mol hay cal/mol.K) Nhiệt dung của một đơn vị khối lượng được gọi là nhiệt dung riêng và có thứ nguyên là J/kG.K hay cal/g.K * Tính dãn nở nhiệt: TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 26 Môn học: Vật liệu cơ khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở Tính dãn nở nhiệt là khả năng dãn nở của vật liệu khi nung nóng Ðộ dãn nở lớn hay bé có thể biểu thị bằng hệ số dãn nở theo chiều dài Ða số các vật liệu nở ra khi bị nung nóng nóng và co lại khi lạnh Nguyên nhân của hiện tượng giãn nở nhiệt chính là sự tăng khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử khi tăng nhiệt độ Sự thay đổi chiều dài theo nhiệt độ của vật liệu của vật liệu rắn được xác định như sau: l1 − l0 = α l (T1 − T0 ) l0 hay ∆l = α l ∆T l0 Trong đó: a l0 (mm) và l1 (mm) là chiều dài ban đầu và chiều dài sau khi thay đổi nhiệt độ từ T0 đến T1 b αl là hệ số giãn nở vì nhiệt với thứ nguyên 0C-1 Các vật liệu polyme thường có hệ số giãn nở nhiệt αl lớn (vào khoảng 50.103 0 / C đến 300.10-3/0C) Vật liệu vô cơ gốm, kim loại có αl nhỏ hơn (vào khoảng 0,5.10-6/0C đến 25.10-6/0C) Giữa các đoạn đường ray nối nhau, người ta luôn để khe hở chính là để dự phòng sự thay đổi kích thước do dãn nở nhiệt * Tính dẫn nhiệt Dẫn nhiệt là hiện tượng nhiệt được truyền từ vùng nhiệt độ cao đến vùng nhiệt độ thấp của vật liệu Ðặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật liệu là độ dẫn nhiệt λ với thứ nguyên là W/m.K Trong vật rắn, nhiệt được truyền bởi sóng dao động mạng (phôtôn) và điện tử tự do Các kim loại thường dẫn nhiệt tốt, ngược lại các vật liệu khác như gốm, vật liệu phi kim và polyme dẫn nhiệt kém, nên chúng thường được dùng làm vật liệu cách nhiệt d Tính chất điện Một trong những đặc tính quan trọng nhất của vật liệu rắn là khả năng dẫn điện của nó Tính dẫn điện Tính dẫn điện của vật liệu là khả năng truyền dòng điện của vật liệu Ðặc trưng cho khả năng dẫn điện của kim loại là độ dẫn điện σ với đơn vị đo (Ωcm)-1 Các kim loại đều là vật dẫn điện tốt Dẫn điện tốt nhất là bạc, sau đó đến đồng và nhôm Hợp kim các vật liệu phi kim có tính dẫn điện kém hơn kim loại TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 27 Môn học: Vật liệu cơ khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở Ðộ dẫn điện được biểu diễn bằng điện tích Q (Culông) đi qua một đơn vị diện tích S (cm2) trong một đơn vị thời gian t thường tính bằng giây của dây dẫn dài l (cm) có điện áp hai đầu dây là U (V) σ = 1 Q.l = [Ω −1.cm −1 ] ρ U t.S Với ρ là điện trở suất của vật liệu mẫu (Ω.cm) Các vật liệu rắn có độ dẫn điện trải rộng trên 27 cỡ số Căn cứ vào khả năng dẫn điện, các vật liệu rắn được chia thành Hình 1.37 Sự phụ thuộc điện trở-nhiệt độ của ba loại: vật liệu dẫn điện, vật liệu bán vật dẫn bình thường và vật liệu siêu dẫn ở gần dẫn và vật liệu cách điện 00K Các vật liệu dẫn điện có độ dẫn điện cỡ 107 (Ωcm)-1, thường các kim loại là những vật liệu dẫn điện tốt Các vật liệu cách điện còn được gọi là các điện môi có độ dẫn điện thấp, nằm trong khoảng 10-10 (Ωcm)-1 và 10-20 (Ωcm)-1 Các vật liệu bán dẫn là các loại vật liệu có độ dẫn điện trung gian giữa hai loại trên, nó nằm trong khoảng từ 10-6 (Ωcm)-1 đến 104 (Ωcm)-1 Dòng điện được tạo thành do chuyển động của các hạt mang điện tích dưới tác dụng lực của một điện trường ngoài đặt vào Các hạt mang điện dương được gia tốc theo hướng của điện trường, các hạt mang điện âm thì theo hướng ngược lại Hầu hết các vật liệu rắn, dòng điện được tạo thành do các dòng điện tử và đó là sự dẫn điện bằng điện tử Ngoài ra, trong các vật liệu ion, sự chuyển động thuần túy của các ion cũng có thể tạo ra một dòng điện và đó là sự dẫn điện bằng ion Siêu dẫn (điện) Ða số kim loại khi được làm lạnh xuống đến nhiệt độ gần 0 0 K thì điện trở giảm từ từ và đạt tới một giá trị nhất định Các vật liệu có tính chất trên được gọi là vật liệu siêu dẫn và nhiệt độ tại đó vật liệu đạt tới trạng thái siêu dẫn được gọi là nhiệt độ tới hạn TC Hiện tượng siêu dẫn được giải thích bằng lý thuyết khá phức tạp, nhưng về cơ bản, trạng thái siêu dẫn có được là do tương tác hút giữa cặp điện tử dẫn Chuyển động của những điện tử ghép cặp này hầu như không bị tán xạ bởi dao động nhiệt và các nguyên tử phức tạp, nhờ đó mà điện trở vốn tỉ lệ với cường độ tán xạ điện tử sẽ bằng không Hiện tượng siêu dẫn có những ứng dụng thực tế rất đa dạng, ví dụ như: TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 28 Môn học: Vật liệu cơ khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở - Các nam châm siêu dẫn có khả năng tạo ra những từ trường mạnh với công suất tiêu thụ thấp được sử dụng trong các thiết bị thí nghiệm và nghiên cứu khoa học - Nam châm cho các máy gia tốc hạt năng lượng cao - Truyền tín hiệu và chuyển mạch tốc độ cao hơn cho máy tính - Tầu đệm từ cao tốc với đệm nâng nhờ lực đẩy của từ trường Tiếc thay, trở ngại lớn nhất của vật liệu siêu dẫn là khó khăn trong việc đạt và làm chủ được nhiệt độ rất thấp (khoảng từ 770K đến 1300K) Chúng ta hy vọng trở ngại này sớm được khắc phục cùng với sự phát triển thế hệ mới của các chất siêu dẫn với nhiệt độ tới hạn cao hợp lý e Từ tính Hiện tượng các vật liệu biểu hiện lực hút hoặc lực đẩy có ảnh hưởng lên các vật liệu khác gọi là hiện tượng "từ" Từ tính là khả năng dẫn từ của kim loại Sắt, niken, cô ban và hợp kim của chúng đều có từ tính thể hiện rất rõ rệt nên chúng được gọi là kim loại từ tính Vật liệu từ có tầm quan trọng lớn trong hàng loạt ngành công nghiệp như chế tạo động cơ điện, máy phát và máy biến thế điện, điện thoại và máy tính v.v 1.5.2 Ăn mòn và bảo vệ vật liệu kim loại a Hiện tượng, nguyên nhân, tác hại sự ăn mòn * Hiện tượng: Ăn mòn kim loại là sự phá hủy kim loại và hợp kim dưới hình thức hóa học và điện hóa do tác dụng của môi trường xung quanh - Sắt thép để lâu không bảo vệ tốt sẽ bị gỉ, đồng để trong không khí ẩm hoặc môi trường có chất chua mặn tạo nên lớp vảy mầu xanh lục - Môi trường xung quanh có tác dụng ăn mòn kim loại là: Không khí ẩm, nước, nước biển, axit kiềm…ở nhiệt độ cao kim loại ăn mòn mạnh hơn * Nguyên nhân: - Ăn mòn hóa học: Sự ăn mòn hóa học là kết quả tác dụng của không khí và các dung dịch lên bề mặt kim loại mà không sinh ra dòng điện Ở nhiệt độ cao tốc độ ăn mòn càng nhanh, chiều sâu bị ăn mòn càng tăng từ mặt ngoài dần dần tới các lớp kim loại bên trong - Ăn mòn điện hóa: Sự ăn mòn điện hóa là quá trình ăn mòn kim loại có điện phân tham dự và có dòng điện chạy qua Các kim loại nguyên chất hầu như không bị ăn mòn mà chỉ xảy ra ở các kim loại có thành phần lẫn các kim loại khác Ví dụ: Miếng kẽm có lẫn đồng vào dung dịch axit H2SO4 kẽm sẽ trở thành 2 cực của pin và chất điện phân là dung dịch axit Kim loại nào hoạt động mạnh hơn thì bị ăn mòn Nếu trên bề mặt có các oxit, axit kim loại thì ăn mòn càng mạnh hơn * Tác hại của sự ăn mòn: - Ăn mòn kim loại dần dần phá hủy bề mặt chi tiết=>dẫn đến phải thay thế TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 29 Môn học: Vật liệu cơ khí Giáo viên: VŨ THẾ TRUYỀN Tổ môn cơ sở - Hàng năm trên thế iskim loại và hợp kim loại bị ăn mòn hàng triệu tấn - Chi phí thiệt hại do sự ăn mòn gây ra là rất lớn b Phương pháp bảo vệ chống ăn mòn kim loại * Phủ bằng kim loại: Để kim loại không bị gỉ người ta phủ lên các kim loại không bị ăn mòn chống gỉ cao - Phương pháp nóng chảy: + Phủ kẽm: Nung nóng kẽm ở nhiệt độ 450-4800C sau đó nhúng chi tiết vào lớp kẽm sẽ bám lên bề mặt chi tiết + Phủ thiếc: Nhúng chi tiết vào thiếc nóng chảy 270-300 0C áp dụng cho nhành luyện kim + Phủ chì: Nhúng chi tiết vào chì nóng chảy ở 3500C bảo vệ chi tiết trong công nghệ hóa học * Mạ kim loại: Làm đẹp chống ăn mòn Đặt chi tiết cần mạ vào cửa catoots(-), kim loại nguyên chất cần mạ anốt Dung dịch thường mạ là H2SO4 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT 30 Môn học: Vật liệu cơ khí