GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG (DÙNG CHO SINH VIÊN NGÀNH KỸ THUẬT HÓA HỌC) NGUYỄN VĂN DŨNG by Day Kem Quy Nhon Business

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA HÓA

GIÁO TRÌNH

VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG (Dùng cho sinh viên ngành Kỹ thuật hóa học)

Tác giả: PGS.TS. NGUYỄN VĂN DŨNG

Đà Nẵng, 2015

MỤC LỤC

l.c om

Mục lục ............................................................................................................................. CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU .......... 1

@ gm ai

1.1. Phân loại vật liệu ............................................................................................. 1

1.2. Công nghệ vật liệu ........................................................................................... 4 1.3. Vật liệu học ...................................................................................................... 4

es s

CHƯƠNG 2 : NHỮNG TÍNH CHẤT CHỦ YẾU CỦA VẬT LIỆU ........................ 6 2.1. Các thông số trạng thái và đặc trưng cấu trúc của vật liệu .............................. 6

bu s

2.2. Tính chất vật lý có liên quan đến nước ............................................................ 7 2.3. Tính chất vật lý có liên quan đến nhiệt ............................................................ 8

qu yn ho n

2.4. Tính chất cơ học .............................................................................................. 9 CHƯƠNG 3 : SẮT VÀ HỢP KIM CỦA SẮT (THÉP VÀ GANG) ....................... 13 3.1. Giản đồ pha của hệ một cấu tử sắt ................................................................. 13

ke m

3.2. Giản đồ pha Fe-C (Fe-Fe3C) .......................................................................... 14 3.3. Thép và gang.................................................................................................. 19

da y

CHƯƠNG 4 : SẢN XUẤT VẬT LIỆU KIM LOẠI ................................................. 22

4.1. Các phương pháp luyện kim .......................................................................... 22

4.2. Các phương pháp tạo hình ............................................................................. 23

4.3. Hàn kim loại .................................................................................................. 34

4.4. Luyện kim bột ................................................................................................ 35

-P D

CHƯƠNG 5 : CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU POLYMER ........................................... 37

5.1. Khái niệm....................................................................................................... 37

5.2. Cấu trúc phân tử polymer .............................................................................. 38

CHƯƠNG 6 : VẬT LIỆU VÔ CƠ KHÔNG KIM LOẠI (CERAMICS) .............. 46 6.1. Gốm ............................................................................................................... 46 6.2. Thủy tinh ........................................................................................................ 48 6.3. Xi măng và bê tông ........................................................................................ 50 CHƯƠNG 7 : VẬT LIỆU COMPOSITE ................................................................. 52 7.1. Khái niệm và tính chất ................................................................................... 52

7.2. Vật liệu và thành phần của composite ........................................................... 53 7.3. Composite nền nhựa ...................................................................................... 54 7.4. Composite nền kim loại ................................................................................. 55

l.c om

7.3. Composite nền gốm ....................................................................................... 54

-P D

da y

ke m

qu yn ho n

bu s

es s

@ gm ai

TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 55

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

eb oo k

:d ay

ke m

qu yn ho n

bu s

es s@ gm ai

l.c om

Vật liệu ở đây chỉ dùng để chỉ những vật rắn mà con người sử dụng để chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng công trình và ngay cả để thay thế các bộ phận cơ thể hoặc thể hiện ý đồ nghệ thuật. Như vậy tất cả các chất lỏng, khí cho dù rất quan trọng song cũng không phải là đối tượng nghiên cứu của môn học. Đối tượng nghiên cứu của khoa học vật liệu là nghiên cứu bản chất, cấu trúc vật liệu, mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của chúng, từ đó đề ra công nghệ chế tạo và việc sử dụng cho thích hợp. Khái niệm về cấu trúc vật liệu bao gồm cấu tạo, liên kết nguyên tử, cấu trúc tinh thể, tổ chức vi mô và vĩ mô. Tính chất của vật liệu bao gồm tính chất cơ học, lý học, hoá học, tính công nghệ và tính sử dụng. Cơ tính là nhóm tính chất được coi là quan trọng nhất đối với phần lớn các vật liệu đang được sử dụng hiện nay trong công nghiệp. Vật liệu học bao gồm các lĩnh vực sau đây: - Sản xuất vật liệu: luyện kim, sản xuất vật liệu pôlymer, gốm, thuỷ tinh và chất kết dính. - Gia công vật liệu: thí dụ đúc, biến dạng (rèn, dập), hàn, xử lý bề mặt vật liệu. - Sử dụng vật liệu: vật liệu cho các lĩnh vực phản ứng hạt nhân, chế tạo máy, kỹ thuật điện, điện tử, xây dựng, y học… - Nghiên cứu và phương pháp kiểm tra: thí dụ kiểm tra cơ tính không phá huỷ, tổ chức, kiểm tra thống kê chất lượng, phân tích sự phá huỷ (hỏng). - Định tiêu chuẩn và ký hiệu: thí dụ tiêu chuẩn thành phần hoá học, kích thước, tính chất và phương pháp thử. - Khoa học vật liệu: khoa học về mối quan hệ giữa cấu tạo tinh thể với tính chất của tất cả các nhóm vật liệu. 1.1. Phân loại vật liệu

-P D

1.1.1. Vật liệu kim loại: là vật liệu phổ biến nhất. Đặc điểm có liên kết kim loại (dạng liên kết tinh thể), dẫn điện tốt, có ánh kim, có thể biến dạng dẻo ngay cả ở nhiệt độ thấp, phần lớn chịu ăn mòn kém. Chúng có các loại:

Kim loại đen: sắt và hợp kim của sắt, điển hình là gang và thép. Chúng có nhu cầu rất lớn. Kim loại màu: là các kim loại khác trừ sắt, bao gồm các nhóm sau:

- Kim loại màu nặng: như Cu, Pb, Ni, Sn… có tỉ trọng 7,1-11,3 g/cm3.

- Kim loại màu nhẹ: Al, Mg, Ti có tỷ trọng 1,7-4,5 g/cm3. - Kim loại màu quý: Au, Ag, Mo, W, Sb, As, Bi. - Kim loại màu hiếm: Ce, La…

-P D

eb oo k

:d ay

ke m

qu yn ho n

bu s

es s@ gm ai

l.c om

Vật liệu kim loại, trước hết là thép, vẫn giữ vai trò then chốt trong quá trình phát triển công nghiệp. Trong những năm gần đây, công nghệ vật liệu đang đi vào nghiên cứu và sử dụng các loại thép có chất lượng cao như thép hợp kim thấp độ bền cao, thép hợp kim hoá vi lượng, thép nitơ, thép kết cấu siêu bền… Bên cạnh đó, vai trò của nhôm trong kỹ thuật cũng ngày càng tăng, dần dần chiếm ưu thế trong xây dựng nhà cửa, phương tiện giao thông, dụng cụ điện tử, đo lường… Hợp kim nhôm nhờ có độ bền riêng cao, chống ăn mòn tốt đã trở thành loại vật liệu rất thích hợp trong công nghiệp ôtô, máy bay, tàu thuỷ. Do những tính chất ưu việt của hợp kim nhôm mà các phương tiện giao thông có khả năng tăng hệ số tải trọng có ích, tăng tốc độ, giảm tiêu hao nhiên liệu, đem lại hiệu quả kinh tế to lớn.

1.1.2. Vật liệu vô cơ ceramic Nhờ những thành tựu mới trong khoa học và công nghệ mà vật liệu gốm sử dụng trong công nghiệp không chỉ sử dụng trong nhóm vật liệu chịu lửa, vật liệu cắt gọt… mà đã phát triển sang vật liệu gốm kết cấu. Các loại động cơ máy nổ chế

l.c om

tạo từ gốm kết cấu hệ cacbid đã được nghiên cứu chế thử và đã mở ra kỷ nguyên mới cho việc sử dụng động cơ chạy bằng nhiên liệu hyđrô có hiệu quả cao, không gây ô nhiễm môi trường. Gốm thuỷ tinh (sital) cũng là một loại gốm kết cấu đầy tiềm năng. 1.1.3. Vật liệu pôlymer

qu yn ho n

bu s

es s@ gm ai

Có liên kết các phân tử theo mắc xích cũng như dạng sợi thẳng (xem hình), có thể nối các mạng nhờ nguyên tử S trong cao su (xem hình).

:d ay

ke m

Vật liệu polymer có nhiều ưu điểm như độ bền riêng khá cao, tính dẻo cao, tính ổn định hoá học cao trong nhiều môi trường… cùng với khả năng dễ tạo hình và gia công, giá thành rẻ đã làm cho phạm vi sử dụng của polymer ngày càng rộng rãi. Tuy nhiên, với chức năng là vật liệu kết cấu, polymer còn có những nhược điểm là độ bền chưa thật cao, khả năng chịu nhiệt thấp, tuổi thọ ngắn. Khắc phục những nhược điểm này là nhiệm vụ nghiên cứu thường xuyên của các nhà nghiên cứu và chế tạo vật liệu. 1.1.4. Vật liệu composite

eb oo k

Được phối hợp tối thiểu từ hai vật liệu khác nhau và có tính chất rất khác so với vật liệu ban đầu. Thí dụ: composite cốt sợi gồm các sợi mảnh rất bền trong nền mềm, chắc như bê tông cốt thép. Trong bê tông cốt thép, thép chịu ứng suất kéo còn bê tông chịu ứng suất nén và bao phủ cho thép không bị ăn mòn.

-P D

Vật liệu composite về thực chất là một kiểu lai tạo vật liệu (a hybrid creation) giữa hai hoặc nhiều loại vật liệu, sao cho tính chất của chúng bổ sung cho nhau. Đối với composite kết cấu thì yêu cầu về độ bền riêng cao, tính dẻo tốt là yêu cầu hàng đầu. Hiểu và kiểm soát được quá trình xảy ra khi chế tạo composite có tầm quan trọng đặc biệt để phát triển loại vật liệu này.

Nằm giữa các vật liệu kim loại và polymer còn có polymer dẫn điện, giữa kim loại và ceramics có vật liệu bán dẫn và siêu dẫn, giữa ceramics và polymer có vật liệu silicon. Các vật liệu bán dẫn và silicon được sắp xếp không rõ rệt trong nhóm này. 1.2. Công nghệ vật liệu

Công nghệ vật liệu bao gồm những biện pháp, giải pháp và công nghệ để chế tạo ra vật liệu hoặc các chi tiết cụ thể trên cơ sở những kết quả nghiên cứu của khoa học vật liệu. Công nghệ vật liệu bao gồm hai lĩnh vực:

l.c om

- Lựa chọn vật liệu - Gia công vật liệu

es s@ gm ai

1.2.1. Lựa chọn vật liệu

Chất lượng và độ bền của sản phẩm phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu được sử dụng. Các tính chất của vật liệu được chọn phải đáp ứng được các điều kiện làm việc của sản phẩm. Các tiêu chí dùng để đánh giá và lựa chọn vật liệu là:

bu s

- Cơ tính: cần xác định chế độ làm việc và khả năng chịu tải của sản phẩm như cường độ và hướng tác dụng của lực, độ bền cực đại mà chi tiết phải chịu, tính chịu mài mòn, khả năng chịu ăn mòn…

qu yn ho n

- Điều kiện làm việc: nhiệt độ và môi trường có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền của chi tiết. - Khả năng chế tạo và lắp ráp chi tiết: đây là hướng lựa chọn công nghệ chế tạo. Một chi tiết có thể được chế tạo bằng nhiều công nghệ khác nhau. Mỗi công nghệ đều có ưu và nhược điểm.

:d ay

ke m

- Hiệu quả kinh tế: tổng hợp các yếu tố nêu trên để quyết định sử dụng loại vật liệu nào và công nghệ chế tạo cho phù hợp. Cũng không nên sử dụng loại vật liệu có tính chất quá cao so với nhu cầu, gây lãng phí, tốn kém. Vật liệu có thể tái sinh, sử dụng nhiều lần hoặc chế tạo chi tiết từ sản phẩm tái sinh đều làm giảm giá thành chi tiết.

eb oo k

- Bảo vệ môi trường và an toàn lao động: vật liệu được sử dụng không được thải chất độc ảnh hưởng đến sức khoẻ con người, quá trình sử dụng và vận hành công nghệ chế tạo phải đảm bảo an toàn cho người sử dụng. 1.2.2. Phương pháp gia công tạo.

-P D

Một chi tiết hay sản phẩm có thể dùng nhiều phương pháp để gia công chế

1.3. Vật liệu học

Nghiên cứu quan hệ tổ chức – tính chất hay sự phụ thuộc của tính chất của vật liệu vào cấu trúc của nó. 1.3.1. Tổ chức (hay cấu trúc)

Là sự sắp xếp của các thành phần bên trong. Khái niệm về tổ chức của vật liệu bao gồm cả tổ chức vĩ mô và vi mô.

Tổ chức vĩ mô còn gọi là tổ chức thô (macrostructure) là hình thái sắp xếp của các phần tử lớn với kích thước quan sát được bằng mắt thường (đến giới hạn khoảng 0,3 mm) hay bằng kính lúp (0,01 mm).

l.c om

Tổ chức vi mô là hình thái sắp xếp của các phần tử nhỏ, không quan sát được bằng mắt thường hay kính lúp. Nó bao gồm:

es s@ gm ai

- Tổ chức tế vi (microstructure) là hình thái sắp xếp của các nhóm nguyên tử hay phân tử với kích thước cỡ micromet hay ở cỡ các hạt tinh thể với sự giúp đỡ của kính hiển vi quang học hay kính hiển vi điện tử. Thường gặp hơn cả là tổ chức tế vi quang học cho phép phân ly được tới giới hạn cỡ 0,15 micromet (m). Trong nghiên cứu cũng thường dùng tổ chức tế vi điện tử cho phép phân ly được tới giới hạn nhỏ hơn, cỡ chục nanomet (nm).

qu yn ho n

bu s

Cơ tính của vật liệu phụ thuộc rất nhiều vào tổ chức, tức không những vào thành phần hoá học mà cả vào các nhóm nguyên tử, phân tử kể trên mà ta gọi là pha theo số lượng, hình dạng, kích thước và sự phân bố của chúng. Trong thực tế người ta thường xuyên sử dụng phương pháp phân tích tổ chức tế vi quang học mà trong các tài liệu kỹ thuật chỉ được gọi đơn giản là tổ chức tế vi.

ke m

- Cấu tạo tinh thể là hình thái sắp xếp và tương tác giữa các nguyên tử trong không gian, các dạng khuyết tật của mạng tinh thể. Để làm được việc này phải sử dụng tới phương pháp nhiễu xạ Rơnghen cũng như một số kỹ thuật khác, điều này chỉ thực sự cần thiết khi nghiên cứu các vật liệu mới. 1.3.2. Tính chất

:d ay

Bao gồm các tính chất cơ học (cơ tính), vật lý (lý tính), hoá học (hoá tính), công nghệ và sử dụng.

-P D

eb oo k

Đối với vật liệu kết cấu, đặc biệt là vật liệu cơ khí, cơ tính có ý nghĩa quan trọng hàng đầu. Vì thế mối quan hệ tổ chức – cơ tính được khảo sát khá kỹ càng và sẽ là tiền đề cho việc xác định thành phần hoá học của vật liệu cũng như chế độ gia công thích hợp. Ngoài cơ tính ra, các vật liệu cơ khí cũng được quan tâm dưới khía cạnh ổn định hoá học trong khí quyển hay trong một số môi trường ăn mòn (axit, badơ, muối,…). Thoả mãn cơ – lý – hoá tính đề ra nhưng chưa đủ để có thể chuyển hoá vật liệu thành sản phẩm phục vụ mục đích đề ra, mà còn phải tính đến khả năng gia công, chế biến thành các hình dạng nhất định được gọi tổng quát là tính công nghệ. Nếu không có tính công nghệ thì dù vật liệu có ưu việt đến đâu cũng khó đưa vào sử dụng. Ví dụ: người ta đã tìm được một số chất siêu dẫn nhưng đều bị hạn chế bởi tính dòn quá cao không thể kéo thành dây dẫn được. Cuối cùng, tính sử dụng là tổng hợp của các chỉ tiêu: tuổi thọ, độ tin cậy (khả năng không gây ra sự cố) và giá thành cũng quyết định khả năng áp dụng của vật liệu cho mục đích đã chọn.

3.1. Các thông số trạng thái và đặc trưng cấu trúc của vật liệu 3.1.1. Trọng lượng riêng

l.c om

CHƯƠNG 3 NHỮNG TÍNH CHẤT CHỦ YẾU CỦA VẬT LIỆU

es s@ gm ai

Trọng lượng riêng  là trọng lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn toàn đặc. Trọng lượng riêng được tính bằng công thức ρ

G Va

(g/cm3, kg/dm3, kg/l, kg/m3 hay tấn/m3)

bu s

trong đó: G- trọng lượng mẫu vật liệu ở trạng thái hoàn toàn khô, g. Va- thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn toàn đặc, cm3.

qu yn ho n

3.1.2. Trọng lượng thể tích

Trọng lượng thể tích  là trọng lượng của một đơn vị thể tích vật liệu ở trạng thái tự nhiên (kể cả thể tích lỗ rỗng). Trọng lượng thể tích được tính bằng công thức G V0

ke m

 

(g/cm3, kg/dm3, kg/m3 hay tấn/m3)

:d ay

trong đó: G- trọng lượng mẫu vật liệu ở trạng thái hoàn toàn khô, g. V0- thể tích của mẫu vật liệu ở trạng thái tự nhiên, cm3.

-P D

eb oo k

Thông thường ở một loại vật liệu, trọng lượng thể tích có thể biến động trong phạm vi rộng hơn nhiều so với trọng lượng riêng vì nó phụ thuộc vào cấu trúc chính của vật liệu. Đối với một vật liệu, trọng lượng thể tích luôn có trị số nhỏ hơn trọng lượng riêng. Chỉ với vật liệu được xem là tuyệt đối đặc thì hai trị số này mới bằng nhau.

Trọng lượng thể tích của vật liệu có ý nghĩa rất quan trọng trong kỹ thuật. Thông qua trọng lượng thể tích của vật có thể đánh giá sơ bộ một số tính chất khác của nó như: độ xốp, độ hút nước, tính truyền nhiệt, cường độ… 3.1.3.Độ xốp

Độ xốp r là tỉ số giữa thể tích xốp trong vật liệu với thể tích tự nhiên của nó, xác định bằng công thức r

Vr V0

trong đó Vr- thể tích xốp có trong vật liệu,

V0- thể tích tự nhiên của vật liệu. Độ xốp thường được tính theo % theo công thức

r

es s@ gm ai

Biết rằng Vr=V0-Va, trong đó Va-thể tích vật liệu ở trạng thái hoàn toàn đặc, V0  Va  Va   γ   γ   1   hoặc là r  1   x100 (%)  1  V0  ρ  V0   ρ 

trong đó: -trọng lượng thể tích của vật liệu, g/cm3, -trọng lượng riêng của vật liệu, g/cm3.

do đó

Vr x100 (%) V0

l.c om

r

qu yn ho n

bu s

Độ xốp là một chỉ tiêu kỹ thuật rất quan trọng của vật liệu vì nó ảnh hưởng đến nhiều tính chất khác của chính vật liệu đó như: cường độ, độ hút nước, tính chống thấm, tính truyền nhiệt, khả năng chống ăn mòn… Ngoài ra, đặc trưng cấu trúc của các lỗ xốp trong vật liệu cũng đóng vai trò rất quan trọng. 3.1.4. Độ mịn

ke m

Độ mịn là chỉ tiêu kỹ thuật để đánh giá kích thước hạt của vật liệu dạng hạt rời rạc.

:d ay

Đối với vật liệu rời rạc, bên cạnh việc xác định độ mịn còn cần phải quan tâm đến hàm lượng của các nhóm cỡ hạt, hình dạng hạt và tính chất bề mặt của hạt (góc thấm ướt, tính nhám ráp, khả năng hấp phụ và liên kết với các vật liệu khác).

eb oo k

3.2. Tính chất vật lý có liên quan đến nước 3.2.1. Độ ẩm

Độ ẩm W là tỉ lệ phần trăm của nước có thực trong vật liệu tại thời điểm thí nghiệm.

-P D

3.2.2. Độ hút nước

Độ hút nước của vật liệu là khả năng hút và giữ nước của nó ở điều kiện bình thường.

Độ hút nước theo trọng lượng Hp là tỉ số phần trăm giữa trọng lượng nước mà vật liệu hút được với trọng lượng của vật liệu ở trạng thái khô. Hp được tính toán theo công thức sau Hp 

G G Gn .100  u .100 (%) G G

trong đó: Gn-trọng lượng nước mà mẫu vật liệu hút được, g, Gu-trọng lượng mẫu vật liệu ướt sau khi đã hút nước, g,

G-trọng lượng mẫu vật liệu ở trạng thái hoàn toàn khô, g. 3.2.3. Tính thấm nước

l.c om

Tính thấm nước là tính chất để cho nước thấm qua chiều dày của nó khi giữa hai bề mặt vật liệu có chênh lệch áp suất thuỷ tĩnh. 3.2.4. Độ co dãn ẩm

es s@ gm ai

Một số vật liệu rỗng có nguồn gốc hữu cơ hoặc vô cơ như gỗ, bê tông khi độ ẩm thay đổi thì thể tích và kích thước của chúng cũng thay đổi: co khi độ ẩm giảm, nở khi độ ẩm tăng lên. 3.3. Tính chất vật lý có liên quan đến nhiệt 3.3.1.Tính truyền nhiệt

qu yn ho n

bu s

Tính truyền nhiệt của vật liệu là tính chất để cho nhiệt truyền qua chiều dày của khối vật liệu, từ phía mặt giới hạn có nhiệt độ cao sang phía mặt giới hạn có nhiệt độ thấp. Tính truyền nhiệt có ý nghĩa rất quan trọng đối với những vật liệu dùng trong các bộ phận công trình xây dựng dân dụng (như tường bao che, mái, trần…) và đặc biệt là đối với những vật liệu cách nhiệt chuyên dùng để giữ nhiệt cho các buồng và thiết bị nhiệt.

ke m

3.3.2.Tính chống cháy và tính chịu lửa

:d ay

Tính chống cháy là khả năng của vật liệu chịu được tác dụng của ngọn lửa trong một thời gian nhất định.

eb oo k

Vật liệu dễ cháy dưới tác dụng của ngọn lửa hay nhiệt độ cao sẽ bắt lửa và tiếp tục cháy sau khi đã bỏ nguồn cháy. Vật liệu khó cháy dưới tác dụng của ngọn lửa hay nhiệt độ cao có thể bị bắt lửa, cháy âm ỉ hay bị cacbon hoá một cách khó khăn.

-P D

Vật liệu không cháy là vật liệu dưới tác dụng của ngọn lửa hay nhiệt độ cao cũng không bị bắt lửa, không cháy âm ỉ và cũng không bị cacbon hoá. Nó có thể có biến dạng nhỏ không đáng kể như gạch ngói, bê tông, amiăng hay những vật liệu có biến dạng lớn như thép.

Tính chịu lửa là tính chất của vật liệu chịu được tác dụng lâu dài của nhiệt độ cao mà không bị chảy và biến hình. Vật liệu dễ chảy chịu được nhiệt độ thấp hơn 13500C như gạch đất sét nung thông thường. Vật liệu khó chảy chịu được nhiệt độ từ 13500C đến 15800C gồm những loại gạch đặc biệt để xây lò và xây ống khói.

Vật liệu chịu lửa có khả năng chịu được tác dụng lâu dài của nhiệt độ cao hơn 15800C như gạch chịu lửa samôt, dinas… Các vật liệu này dùng để lót bên trong các lò công nghiệp.

l.c om

3.4. Tính chất cơ học 3.4.1. Tính biến dạng của vật liệu

es s@ gm ai

Tính biến dạng là tính chất thay đổi hình dạng và kích thước của vật liệu khi chịu tác dụng của ngoại lực.

Thực chất của biến dạng là ngoại lực tác dụng lên vật đã làm thay đổi hay phá vỡ vị trí cân bằng của chất điểm trong vật liệu và làm cho các chất điểm này có chuyển vị tương đối.

bu s

Biến dạng của vật liệu được xác định bằng biến dạng tuyệt đối và biến dạng tương đối.

qu yn ho n

Biến dạng tuyệt đối l (mm) tính theo công thức l = l1 – l0, trong đó l0 và l1 là chiều dài ban đầu và chiều dài sau khi biến dạng của mẫu thử. Biến dạng tương đối  tính bằng công thức ε

Δl x100 (%) l0

:d ay

ke m

Biến dạng đàn hồi: biến dạng sẽ mất đi hoàn toàn sau khi dỡ bỏ ngoại lực. Tính đàn hồi là tính chất hồi phục hình dạng và kích thước ban đầu của vật liệu sau khi dỡ bỏ ngoại lực.

eb oo k

Điều kiện để xuất hiện biến dạng đàn hồi là khi ngoại lực tác dụng chưa vượt quá lực tương tác giữa các chất điểm của vật liệu. Công cả ngoại lực sẽ chuyển hoá thành nội năng – năng lượng đàn hồi. Nếu bỏ ngoại lực đi, tức là năng lượng đàn hồi sẽ sinh công để khôi phục vị trí cân bằng ban đầu cho các chất điểm. Khi đó biến dạng của vật liệu sẽ triệt tiêu.

-P D

Biến dạng đàn hồi thường xảy ra khi tải trọng nhỏ và tác dụng ngắn hạn. Tính đàn hồi của vật liệu được đặc trưng bằng môđun đàn hồi Eđh.

E dh 

σ ε

(daN/cm2 hay MPa)

trong đó - ứng suất ở giai đoạn đàn hồi, daN/cm2 hay MPa. - biến dạng đàn hồi tương đối, %.

Khi ngoại lực tác dụng lên vật liệu lớn hơn lực tương hỗ giữa các chất điểm của vật liệu sẽ gây nên sự phá hoại cục bộ hay toàn bộ đối với cấu trúc của vật liệu. Lúc này công do ngoại lực gây ra không chuyển hoá thành nội năng mà gây phá hoại cấu trúc nội bộ vật liệu và do đó biến dạng không thể bị triệt tiêu.

Vật liệu dòn: cho tới trước khi phá hoại vẫn không có hiện tượng biến dạng dẻo rõ rệt (gang, đá thiên nhiên, bê tông…).

l.c om

Biến dạng dẻo: là biến dạng mà sau khi dỡ bỏ ngoại lực vật liệu không trở lại hình dạng và kích thước ban đầu. Tính chất này gọi là tính dẻo.

es s@ gm ai

Vật liệu dẻo: vật liệu trước khi phá hoại có biến dạng dẻo rất rõ rệt, ví dụ thép ít cacbon, bitum… Như trên đã nói, điều kiện của biến dạng đàn hồi là ngoại lực tác dụng lên vật liệu chưa vượt quá lực tương tác giữa các chất điểm (phần tử) của vật liệu. Khi lực đủ lớn và dài hạn thì ngoài biến dạng đàn hồi còn xuất hiện biến dạng dẻo.

bu s

Vật liệu đàn hồi lý tưởng có biến dạng đàn hồi của tuân theo định luật Hooke.

ε

qu yn ho n

Vật liệu dẻo lý tưởng (như chất lỏng lý tưởng) có biến dạng tương đối tuân theo định luật Newton: τ.t (%) η

trong đó - ứng suất trượt, daN/cm2 hay MPa,

ke m

t- thời gian, s,

:d ay

- độ nhớt, daN.s/cm2 hay MPa.s.

eb oo k

Khi vật liệu có cả tính đàn hồi và tính dẻo (bê tông asphalt hay chất dẻo), biến dạng tổng hợp  bao gồm hai thành phần: biến dạng đàn hồi đh và biến dạng dẻo d.  = đh + d σ σ.t  E η

1 t    E η

hay ε  σ

-P D

ε

Khi một ngoại lực không đổi tác dụng lâu dài lên vật liệu có thể làm cho biến dạng của vật liệu tăng theo thời gian và hiện tượng này được gọi là từ biến. Nguyên nhân gây ra từ biến là do bộ phận phi tinh thể trong vật liệu có tính chất gần giống với chất lỏng và mặt khác, bản thân mạng lưới tinh thể cũng có những khuyết tật (hiện tượng sai lệch cấu trúc). Hiện tượng biến dạng của vật liệu dưới tác dụng của ngoại lực không thay đổi theo thời gian, mà ứng suất trong vật liệu giảm dần theo thời gian, được gọi là hiện tượng chùng ứng suất. Nguyên nhân của hiện tượng chùng ứng suất là do một bộ phận vật liệu có biến dạng đàn hồi chuyển sang biến dạng dẻo, năng lượng đàn hồi chuyển dần thành nhiệt năng và mất đi.

2.4.2. Cường độ

l.c om

Cường độ là khả năng lớn nhất của vật liệu chống lại sự phá hoại do tải trọng hoặc tác động môi trường gây ra và được xác định bằng ứng suất tới hạn khi mẫu vật liệu bị phá hoại.

es s@ gm ai

Vật liệu phải chịu các tải trọng khác nhau như: kéo, nén, uốn, cắt… tương ứng với mỗi dạng chịu tải này sẽ có các loại cường độ: cường độ chịu kéo, cường độ chịu nén, cường độ chịu uốn, cường độ chịu cắt… Cường độ là chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng tối thiểu để đánh giá chất lượng của những vật liệu dùng cho các bộ phận chịu lực của công trình. Bởi vậy cường độ được dùng làm căn cứ chủ yếu để định ra mác của các vật liệu.

bu s

Đối với các vật liệu có khả năng chịu nén cao (đá thiên nhiên, bê tông xi măng, cường độ chịu nén thường cao hơn cường độ chịu kéo từ 8 đến 15 lần) thường được dùng làm các bộ phận chịu nén của công trình: cường độ chịu nén dùng để định ra mác.

qu yn ho n

Đối với vật liệu có khả năng chịu kéo cao (thép xây dựng): căn cứ vào cường độ chịu kéo để định ra mác.

Rn 

Pmax (daN/cm2 hay MPa) F

Rk 

Pmax F

eb oo k

hay

:d ay

ke m

Cường độ của vật liệu thường được xác định bằng phương pháp thí nghiệm phá hoại mẫu: đặt các mẫu vật liệu đã được gia công thích hợp lên máy gia tải tăng tải cho đến khi mẫu bị phá hoại. Cường độ của vật liệu được tính toán từ các kết quả xác định trong thí nghiệm theo các công thức tương ứng với dạng chịu lực đã được nghiên cứu trong môn sức bền vật liệu. Chẳng hạn như cường độ chịu nén Rn và cường độ chịu kéo Rk của vật liệu được tính bằng công thức

(daN/cm2 hay MPa)

trong đó: Pmax- tải trọng nén hoặc kéo phá hoại mẫu, daN hay N,

-P D

F- tiết diện chịu lực của mẫu, m2 hay mm2.

Cường độ chịu uốn Ru của vật liệu được tính bằng công thức Ru 

M W

(daN/cm2 hay MPa)

trong đó: M-mômen uốn phá hoại, daN.cm hay N.mm, W-mômen chống uốn của tiết diện chịu uốn, cm3 hay mm3. 2.4.3. Độ cứng Độ cứng là tính chất của vật liệu chống lại tác dụng đâm xuyên của vật liệu khác cứng hơn nó.

Độ cứng: khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ thông qua tải trọng lên mũi đâm, độ bền: chống lại biến dạng dẻo toàn bộ.

2.4.4. Độ mài mòn

ke m

qu yn ho n

bu s

es s@ gm ai

l.c om

Với vật liệu khoáng, độ cứng được đánh giá bằng thang Mohs. Thang Mohs gồm có 10 khoáng vật mẫu được sắp xếp theo mức độ cứng tăng dần từ 1đến 10 (xem bảng).

:d ay

Độ mài mòn là độ mòn trọng lượng trên một đơn vị diện tích mẫu bị mài mòn trên máy thí nghiệm.

eb oo k

Độ mài mòn của vật liệu phụ thuộc vào độ cứng, cường độ và cấu tạo bên trong của vật liệu. 2.4.5. Tính chống va đập

-P D

Tính chống va đập là khả năng của vật liệu chống lại sự phá huỷ do tác dụng của tải trọng va đập gây ra và được biểu thị bằng công cần thiết để đập vỡ một đơn vị thể tích mẫu vật liệu.

4.1. Giản đồ pha của hệ một cấu tử sắt

qu yn ho n

bu s

es s@ gm ai

Hệ một cấu tử không có sự biến đổi thành phần nên giản đồ pha của nó chỉ có một trục, trên đó đánh dấu nhiệt độ chảy (kết tinh) và các nhiệt độ biến đổi thù hình như trong trường hợp của sắt

l.c om

CHƯƠNG 4 SẮT VÀ HỢP KIM CỦA SẮT (THÉP VÀ GANG)

ke m

So với các kim loại khác (nhôm, đồng) nó cũng khá dẻo (dễ biến dạng nguội), dai, tuy bền, cứng hơn nhiều song vẫn còn thấp so với yêu cầu sử dụng. Sắt có hai kiểu mạng tinh thể :

:d ay

- Lập phương tâm mặt A1, tồn tại ở dạng thù hình Fe, trong khoảng nhiệt độ 911 – 13920C.

-P D

eb oo k

Kiểu lập phương tâm mặt có ít lổ hổng, lổ hổng có kích thước lớn hơn (lổ bốn mặt r = 0,225 rFe, lổ tám mặt r = 0,414 rFe, chưa khối cầu kích thước tối đa r = 0,052 nm), mật độ sắp xếp cao hơn.

- Lập phương tâm khối A2, tồn tại ở hai dạng thù hình là : Fe trong khoảng nhiệt độ từ nhiệt độ thường đến 9110C, Fe trong khoảng nhiệt độ từ 13920C – 15390C. Kiểu lập phương tâm khối có nhiều lổ hổng, mỗi lổ hổng có kích thước nhỏ (lổ bốn mặt có r = 0,291 kích thước nguyên tử sắt rFe, lổ tám mặt r = 0,154 kích thước nguyên tử sắt rFe, chứa khối cầu kích thước tối đa r = 0,0364 nm), nhìn chung có mật độ sắp xếp thấp.

l.c om es s@ gm ai

4.2. Giản đồ pha Fe–C (Fe – Fe3C) 4.2.1.Tương tác giữa sắt và cacbon

bu s

- Khi đưa cacbon vào sắt, nếu lượng cacbon còn trong giới hạn hoà tan (phụ thuộc vào dạng thù hình và nhiệt độ), cacbon sẽ bị hoà tan vào trong sắt thành dung dịch rắn xen kẻ. Nguyên tử cacbon có kích thước rC = 0,077 nm sẽ đi vào các lổ hổng trong cấu trúc tinh thể sắt, kích thước nguyên tử sắt rFe = 0,1241 nm.

qu yn ho n

Fe với mạng lập phương tâm mặt A1, lổ rỗng tám mặt lớn (0,052 nm), có thể thu xếp để nguyên tử cacbon (0,077 nm) lọt vào bằng cách giãn các nguyên tử sắt ra xa. Tuy nhiên nguyên tử hoà tan không thể xen kẻ vào mọi lổ hổng tám mặt đó nên giới hạn hoà tan cacbon trong Fe chỉ là trên dưới 10% nguyên tử. Như vậy chỉ có Fe mới hoà tan được cacbon.

ke m

Fe, Fe không có khả năng hoà tan cacbon hay độ hoà tan cacbon trong chúng là không đáng kể (có thể coi bằng không).

eb oo k

:d ay

- Nếu lượng cacbon đưa vào sắt vượt quá giới hạn hoà tan, sau khi đi vào các lổ hổng để tạo dung dịch rắn xen kẻ, các nguyên tử cacbon thừa ra sẽ kết hợp với sắt thành pha trung gian xêmentit Fe3C (thành phần 6,67% cacbon và 93,33% sắt). - Thực ra còn có grafit là pha ổn định hơn xêmentit, tuy nhiên trong hợp kim thuần Fe – C sự tạo thành grafit là rất khó khăn nếu không muốn nói là không thể được, vì vậy xêmentit là pha giả ổn định và được coi là ổn định.

-P D

Hai tương tác nêu đầu tiên đều có tác dụng hoá bền, nhờ đó hợp kim Fe – C trở nên bền cứng hơn (so với sắt) và đang được sử dụng một cách rộng rãi nhất.

4.2.2. Giản đồ pha Fe – Fe3C

Giản đồ pha Fe – C (chỉ xét hệ Fe – Fe3C) khá phức tạp, rất điển hình để minh hoạ các tương tác thường gặp và được sử dụng rất nhiều trong thực tế. Vì vậy hiểu rõ giản đồ pha này sẽ mang lại nhiều điều bổ ích.

Ký hiệu các toạ độ đã được quốc tế hoá, trong ngoặc đơn là nhiệt độ theo C và thành phần cacbon theo %.

l.c om es s@ gm ai in bu s qu yn ho n ke m :d ay eb oo k -P D

- ABCD là đường lỏng để xác định nhiệt độ chảy lỏng hoàn toàn hay bắt đầu kết tinh.

- ẠHJECF là đường rắn để xác định nhiệt độ bắt đầu chảy hay kết thúc kết

tinh.

- ECF (11470C) là đường cùng tinh, xảy ra phản ứng cùng tinh (eutectic). - PSK (7270C) là đường cùng tích, xảy ra phản ứng cùng tích (eutectoid). - ES là giới hạn hoà tan cacbon trong Fe. - PQ là giới hạn hoà tan cacbon trong Fe.

a) Các chuyển biến khi làm nguội chậm

H + LB  J

0,10 + L0,50  0,16

hay

l.c om

- Chuyển biến bao tinh xảy ra ở nhiệt độ 14990C trong các hợp kim có 0,100,50% C (đường HJB)

es s@ gm ai

song người ta thường không để ý đến phản ứng này vì xảy ra ở nhiệt độ quá cao và không có ảnh hưởng gì đến tổ chức khi gia công và sử dụng.

- Chuyển biến cùng tinh xảy ra ở 11470C trong các hợp kim có > 2,14% C (đường ECF).

LC  (E + Fe3CE)

hay

L4,3  (2,14 + Fe3C6,67)

hay

0,8  [0,02 + Fe3C6,67]

bu s

S  [P + Fe3CK]

- Chuyển biến cùng tích xảy ra ở 7270C hầu như với mọi hợp kim (đường PSK)

qu yn ho n

- Sự tiết pha Fe3C dư ra khỏi dung dịch rắn của cacbon trong các dung dịch rắn : trong Fe theo đường ES và trong Fe theo đường PQ. b) Các tổ chức một pha

Ở trạng thái rắn có thể gặp 4 pha sau:

-P D

eb oo k

:d ay

ke m

Ferit (có thể ký hiệu bằng  hay F hay Fe) là dung dịch rắn xen kẻ của cacbon trong sắt Fe với mạng lập phương tâm khối, song do lượng hoà tan quá nhỏ (lớn nhất là 0,02% C ở 7270C - điểm P, ở nhiệt độ thường thấp nhất chỉ còn 0,006% C - điểm Q) nên có thể coi nó là Fe (theo tính toán lý thuyết cacbon không thể chui vào lổ hổng của Fe, lượng hoà tan C không đáng kể này nằm ở các khuyết tật mạng, chủ yếu là vùng biên giới hạt). Ferit có tính sắt từ nhưng chỉ đến 7680C. Trên giản đồ nó tồn tại trong vùng GPQ (tiếp giáp với Fe  trên trục sắt). Do không chứa cacbon nên cơ tính của ferit chính là của sắt nguyên chất: dẻo, dai, mềm và kém bền. Trong thực tế ferit có thể hoà tan Si, Mn, P, Cr nên sẽ cứng và bền hơn song cũng kém dẻo dai đi. Ferit là một trong hai pha tồn tại ở nhiệt độ thường và khi sử dụng (< 7270C), song với tỉ lệ cao nhất (trên dưới 90%) nên nó đóng góp một tỉ lệ quan trọng trong cơ tính của hợp kim Fe – C. Tổ chức tế vi của ferit trình bày ở hình có dạng các hạt sáng, đa cạnh.

Austenit [có thể ký hiệu bằng , A, Fe(C)] là dung dịch rắn xen kẻ của cacbon trong Fe với mạng lập phương tâm mặt với lượng hoà tan đáng kể cacbon (cao nhất tới 2,14% hay khoảng 8,5% về số nguyên tử ở 11470C - điểm E, tức tối đa bình quân cứ ba đến bốn ô cơ sở mới có thể cho phép một nguyên tử cacbon định vị vào một lổ hổng tám mặt trong chúng, ở 7270C chỉ còn 0,80% C - điểm S). Khác với ferit, austenit không có tính sắt từ mà có tính thuận từ, nó chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao (> 7270C) trong vùng NJESG (tiếp giáp với Fe trên trục sắt) nên không có quan hệ trực tiếp nào đến khả năng sử dụng của hợp kim nhưng lại có vai trò quyết định trong biến dạng nóng và nhiệt luyện.

ke m

qu yn ho n

bu s

es s@ gm ai

l.c om

Với tính dẻo rất cao (là đặc điểm của mạng A1) và rất mềm ở nhiệt độ cao nên biến dạng nóng (dạng chủ yếu để tạo phôi và bán thành phẩm) thép bao giờ cũng được thực hiện ở trạng thái austenit đồng nhất (thường ở trên dưới 1000 0C). Vì thế có thể tiến hành biến dạng nóng mọi hợp kim Fe – C với C < 2,14% dù cho ở nhiệt độ thường thể hiện độ cứng và tính dòn khá cao. Làm nguội austenit với tốc độ khác nhau sẽ nhận được hổn hợp ferit – xêmentit với độ nhỏ mịn khác nhau hay được mactenxit với cơ tính cao và đa dạng, đáp ứng rộng rãi các yêu cầu sử dụng và gia công. Tổ chức tế vi của austenit trình bày ở trên hình có các hạt sáng, có thể với màu đậm nhạt khác nhau đôi chút (do định hướng khi tẩm thực) và các đường song tinh (song song) cắt ngang hạt (thể hiện tính dẻo cao).

eb oo k

:d ay

Xêmentit (có thể ký hiệu bằng Xe, Fe3C) là pha xen kẻ với kiểu mạng phức tạp có công thức Fe3C và thành phần 6,67% C, ứng với đường thẳng đứng DFKL trên giản đồ. Đặc tính của xêmentit là cứng và dòn, cùng với ferit nó tạo nên các tổ chức khác nhau của hợp kim Fe – C. Xêmentit có tính sắt từ yếu nhưng chỉ đến 2100C. Người ta phân biệt bốn loại xêmentit:

-P D

- Xêmentit thứ nhất (XeI) được tạo thành do giảm nồng độ cacbon trong hợp kim lỏng theo đường DC khi hạ nhiệt độ, chỉ có ở hợp kim có > 4,3% C. Do tạo thành ở nhiệt độ cao (> 11470C) nên xêmentit thứ nhất có dạng thẳng, thô to, đôi khi có thể thấy được bằng mắt thường.

- Xêmentit thứ hai (XeII) được tạo thành do giảm nồng độ cacbon trong austenit theo đường ES khi hạ nhiệt độ, thường thấy rất rõ ở hợp kim có > 0,80% cho tới 2,14% C. Do tạo thành ở nhiệt độ tương đối cao (>7270C) tạo điều kiện cho sự tập trung ở biên giới hạt, nên khi xêmentit thứ hai với lượng đủ lớn sẽ tạo thành lưới liên tục bao quanh các hạt austenit (peclit), tức tạo khung dòn, làm giảm mạnh tính dẻo và dai của hợp kim.

- Xêmentit thứ ba (XeIII) được tạo thành do giảm nồng độ cacbon trong ferit theo đường PQ khi hạ nhiệt độ, với số lượng (tỉ lệ) rất nhỏ (nhiều nhất cũng chỉ là 20/00) nên rất khó phát hiện trên tổ chức tế vi và thường được bỏ qua.

- Xêmentit cùng tích được tạo thành do chuyển biến cùng tích austenit thành peclit. Loại xêmentit này có vai trò rất quan trọng.

l.c om

Grafit chỉ được tạo thành trong hợp kim Fe –C cao và chứa lượng đáng kể silic, là pha quan trọng trong tổ chức của gang. c) Các tổ chức hai pha

es s@ gm ai

Peclit (có thể ký hiệu bằng P, [Fe + Fe3C]).

bu s

Peclit là hỗn hợp cùng tích của ferit và xêmentit được tạo thành từ austenit với 0,80% C và ở 7270C. Trong peclit có 88% ferit và 12% xêmentit phân bố đều trong nhau, nhờ kết hợp giữa một lượng lớn pha dẻo với lượng nhất định pha cứng, peclit là tổ chức khá bền, cứng nhưng cũng đủ dẻo, dai đáp ứng rất tốt các yêu cầu của vật liệu kết cấu và công cụ. Peclit và các biến thể của nó (xoocbit, trôxtit, bainit) có mặt trong hầu hết các hợp kim Fe – C. Người ta phân biệt hai loại peclit tấm và peclit hạt.

qu yn ho n

Peclit tấm thường gặp hơn cả, có cấu trúc tấm (lớp hoặc phiến), tức là hai pha này đều ở dạng tấm nằm đan xen đều nhau, nên trên mặt cắt ngang để lại các vạch theo cùng một hướng hay đa hướng, trong đó các vạch tối mỏng (với lượng ít hơn) là xêmentit, vạch sáng dày (với lượng nhiều hơn, gọi là nền) là ferit nên tổng thể có dạng vân.

-P D

eb oo k

:d ay

ke m

Peclit hạt ít gặp hơn, có cấu trúc hạt tức xêmentit ở dạng thu gọn nhất (bề mặt ít nhất) - hạt xêmentit phân bố đều trên nền ferit. Giữa hai loại này có sự khác biệt nhỏ về cơ tính: so với peclit hạt, peclit tấm có độ bền, độ cứng cao hơn, độ dẻo, độ dai thấp hơn đôi chút. Austenit đồng nhất dễ tạo thành peclit tấm, còn austenit kém đồng nhất dễ tạo thành peclit hạt. Peclit hạt ổn định hơn peclit tấm nên khi nung lâu ở nhiệt độ tương đối cao (ví dụ 600 – 7000C) peclit tấm có xu hướng chuyển thành peclit hạt.

Lêđêburit, có thể ký hiệu bằng Le, hay ( + Xe) hay (P + Xe).

es s@ gm ai

l.c om

Lêđêburit là hổn hợp cùng tinh của austenit và xêmentit tạo thành từ pha lỏng với 4,3% C ở 11470C, tuy nhiên khi làm nguội tiếp tục lại có phản ứng cùng tích để austenit chuyển biến thành peclit nên tổ chức tế vi cuối cùng quan sát được là hổn hợp của peclit tấm (các hạt tối nhỏ) trên nền xêmentit sáng. Lêđêburit cứng và dòn (vì có quá nhiều, tới 2/3 xêmentit) và chỉ có trong hợp kim Fe – C ở dạng gang trắng, ít gặp. Các tên gọi pha và tổ chức kể trên với các nghĩa và xuất xứ như sau: Robert Austen (người Anh), Lebedur (người Đức), ferum (sắt, tiếng La tinh, dùng với nghĩa bản chất hay đặc trưng tính chất cho ferit), pearl (vân) cho peclit, cement (xi măng, có tính chất cứng) cho xêmentit.

eb oo k

:d ay

ke m

qu yn ho n

bu s

Vi cấu trúc của hợp kim sắt - cacbon ở trạng thái cân bằng: Góc trái của giản đồ: Fe - Fe3C (6,67% C), nếu hàm lượng C > 6,67%: hợp kim rất cứng và dòn, không dùng được trên thực tế. Biến dạng dẻo (hoá bền, điều kiện nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tinh lại. Nếu biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết tinh lại - gia công nóng - thì không có hiệu ứng hoá bền): biến dạng còn lại sau khi bỏ tải trọng tác dụng  mạng tinh thể bị xô lệch, hạt bị kéo dài ra và nhỏ  độ bền và độ cứng tăng, độ dẻo, dai giảm. Năng lượng gây biến dạng còn dư dưới dạng áp suất dư, không ổn định nhiệt động học  thải ứng suất, thải bền, kết tinh lại : quá trình trở về trạng thái cân bằng ban đầu, độ cứng độ bền giảm, độ dẻo, độ dai tăng lên (xảy ra ở nhiệt độ thường). Nếu ở nhiệt độ cao: nung kim loại đã qua biến dạng dẻo ở nhiệt thấp làm một phần độ dẻo được phục hồi, sự hoá bền giảm 20-30% gọi là quá trình phục hồi. Nung ở nhiệt độ cao hơn nữa : xảy ra sự kết tinh lại (sắt 450 0C, đồng 2700C, nhôm 1500C), các hạt tinh thể mới lớn lên, không có khuyết tật, hạt đều trục, tính chất cơ lý trở về như trước khi biến dạng. Tẩm thực: dùng các dung dịch hoá học thích hợp để ăn mòn bề mặt mẫu. Khi tẩm thực, biên giới các pha, các vùng tổ chức sẽ bị ăn mòn với tốc độ khác nhau  dùng để nhận biết hình dáng, kích thước và sự phân bố của các pha.

-P D

4.3. Thép và gang 4.3.1. Khái niệm chung

Thép và gang đều là hợp kim Fe – C (ngoài ra có thể có ít nhiều các nguyên tố khác), trong đó phân biệt ít hơn 2,14% C là thép, nhiều hơn 2,14% C là gang. Một cách gần đúng có thể thấy điểm E trên giản đồ pha phân biệt hai loại vật liệu này: bên trái E là thép, bên phải E là gang. Chính điều này đã giải thích được các đặc điểm cơ bản khác nhau giữa chúng. Như vậy tất cả các thép dù với lượng cacbon, tổ chức và cơ tính rất khác nhau ở nhiệt độ thường và tương đối cao (< 7270C), nhưng một khi đã được nung nóng cao hơn đường GSE tương ứng, đều chỉ có một pha duy nhất là austenit với độ dẻo rất cao nên rất dễ biến dạng. Chính vì vậy thép được coi là vật liệu dẻo,

l.c om

được cung cấp dưới dạng bán thành phẩm cán nóng (dây, thanh, ống, tấm, hình…) rất tiện lợi cho sử dụng. Các thép ít cacbon mềm và dẻo cũng có khả năng biến dạng nguội. Tính đúc của thép nói chung là thấp (do nhiệt độ chảy cao, không có tổ chức cùng tinh) và ít được sử dụng để chế tạo vật đúc.

es s@ gm ai

Ngược lại với thép, khi nung nóng gang không thể đạt được tổ chức một pha austenit mà bao giờ cũng còn xêmentit (hay grafit) nên không thể đem biến dạng nguội lẫn nóng, song bù lại nó có nhiệt độ chảy thấp hơn, trong tổ chức có cùng tinh với khả năng điền đầy khuôn cao. Chính vì vậy gang là vật liệu đúc, chỉ được cung cấp dưới dạng vật đúc (các sản phẩm định hình như chi tiết máy phức tạp: thân, bệ, hộp, vỏ hay đơn giản như ống…). Gang có thành phần càng gần cùng tinh tính đúc càng cao. Nói chung tính dẻo của gang rất thấp, mặc dù một số loại có tính dẻo nhất định song không bao giờ được đem biến dạng dẻo.

qu yn ho n

bu s

Khi lượng cacbon nằm trong vùng giáp ranh giữa thép và gang (1,80 – 2,20%) cả tính đúc lẫn tính chịu biến dạng dẻo đều kém và lúc đó xếp hợp kim Fe – C đó vào loại nào là tuỳ thuộc vào các thành phần khác, cách tạo hình và công dụng. Như vậy cũng không loại trừ một số rất ít trường hợp gang có 1,80 – 2,00% C, thép lại có 2,20 – 2,40% C. 4.3.2. Các loại thép và gang trên giản đồ pha Fe – C

ke m

Căn cứ vào tổ chức khác nhau trên giản đồ pha ta có ba loại thép và ba loại gang khác nhau.

:d ay

Thép tương ứng với giản đồ pha Fe – C là loại hợp kim ngoài Fe với C < 2,14% ra chỉ chứa lượng không đáng kể các nguyên tố khác được gọi là thép cacbon hay thép thường, gồm ba loại nhỏ sau đây:

-P D

eb oo k

- Thép trước cùng tích với lượng cacbon biến đổi từ 0,10 đến 0,70%, tức ứng với bên trái điểm S có tổ chức ferit (sáng) + peclit (tối). Phần lớn thép thường dùng nằm trong loại nhỏ song tập trung hơn cả vào loại  0,20% C rồi tiếp đến 0,30 – 0,40% C. Theo tính toán từ quy tắc đòn bẩy, khi lượng cacbon tăng lên thì trên tổ chức tế vi tỉ lệ phần peclit (màu tối) cũng tăng lên, còn phần ferit (màu sáng) sẽ giảm đi. Nếu không chứa cacbon (hay quá ít, 0,02 – 0,05%) có thể coi là sắt nguyên chất với tổ chức hầu như ferit, tức chỉ có các hạt sáng. Với 0,10% C phần tối (peclit tấm) chiếm khoảng 1/8, với 0,40% C là ½ và với 0,60% C là ¾, cuối cùng là 0,80% C thì toàn bộ là màu tối (peclit tấm). Vậy đối với loại thép này lượng cacbon của nó được tính bằng tỉ lệ phần tối nhân với 0,80%.

- Thép cùng tích với thành phần 0,80% C (có thể xê dịch một chút) tức ứng với điểm S có tổ chức chỉ gồm peclit.

- Thép sau cùng tích với thành phần  0,90% C (thường chỉ tới 1,50%, cá biệt có thể tới 2,0 – 2,2%) tức ở bên phải điểm S có tổ chức peclit + xêmentit thứ hai thường ở dạng lưới sáng bao bọc lấy peclit tấm.

Gang tương ứng với giản đồ pha Fe – C (Fe – Fe3C) là gang trắng, rất ít được sử dụng do quá cứng, dòn, không thể gia công cắt được. Theo sự khác nhau về tổ chức ta gặp ba loại gang trắng sau

l.c om

- Gang trắng trước cùng tinh với thành phần cacbon ít hơn 4,3% ở bên trái điểm C, có tổ chức peclit + xêmentit thứ hai + lêđêburit.

es s@ gm ai

- Gang trắng cùng tinh có 4,3% C ứng đúng điểm C hay lân cận, với tổ chức chỉ là lêđêburit.

- Gang trắng sau cùng tinh với thành phần > 4,3% C ở bên phải điểm C, có tổ chức lêđêburit + xêmentit thứ nhất.

Hình 4.11. Tổ chức của gang trắng sau cùng tinh C = 5% với các “đại lộ xêmentit” x 200

-P D

eb oo k

:d ay

ke m

qu yn ho n

bu s

Hình 4.10. Tổ chức tế vi của thép sau cùng tích 1,20% C, gang trắng trước cùng tinh và sau cùng tinh

Trên thực tế khi đúc gang, người ta không nhận được gang trắng mà nhận được gang chứa cacbon ở trạng thái tự do graphit. Ở nhiệt độ cao hơn 7270C graphit hình thành do phản ứng : Fe3C  Fe() + G Ở nhiệt độ thấp hơn 7270C graphit hình thành do :

es s@ gm ai

l.c om

Fe3C  Fe() + G Tuỳ thuộc vào hình dạng graphit mà người ta chia ra gang xám, gang dẻo và gang cầu. Gang xám : Hình 4.9. Gang xám ferit, gang xám ferit – peclit và gang xám peclit

:d ay

ke m

qu yn ho n

bu s

Là gang có graphit dạng tấm (phiến) cong, có hai đầu nhọn, là nơi để tập trung ứng suất, cũng tuỳ vào mức độ graphit hoá mạnh hay yếu mà nền gang sẽ có các tổ chức khác nhau và được chia ra : gang xám pherit, gang xám ferit – peclit, gang xám peclit. Gang dẻo (gang rèn) : Hình 4.11. Gang dẻo ferit x 200 và gang dẻo ferit-peclit x 200

eb oo k

Hình 4.12. Gang dẻo peclit x 200

-P D

Là gang có graphit dạng cụm (hoa bông). Gang dẻo nhận được bằng cách ủ từ gang trắng có nhiệt độ cao (10000C) và thời gian dài (15-20h). Do graphit có dạng thu gọn, ít tập trung ứng suất nên gang dẻo có cơ tính cao hơn gang xám. Phụ thuộc vào sự graphit hoá được chia ra : gang dẻo pherit, gang dẻo ferit – peclit, gang dẻo peclit. Gang cầu (gang có độ bền cao) :

Hình 4.12. Gang cầu peclit x 200

l.c om

Hình 4.13. Gang cầu ferit x 200 và gang cầu peclit – ferit x200

ke m

qu yn ho n

bu s

es s@ gm ai

Là gang có graphit dạng cầu, là dạng thu gọn nhất nên gang cầu có cơ tính rất cao, chịu va đập và mài mòn, chịu được uốn. Phụ thuộc vào sự graphit hoá được chia ra : gang cầu pherit, gang cầu ferit – peclit, gang cầu peclit. Như vậy trong gang graphit, hình dạng graphit có ảnh hưởng lớn đến cơ tính của gang, đặc biệt là độ bền kéo và uốn. Graphit dạng tấm có ảnh hưởng xấu nhất đến độ bền kéo, do có sự tập trung mạnh ứng suất. Graphit dạng cụm có ảnh hưởng ít hơn, còn graphit cầu ít ảnh hưởng nhất, ứng suất phân bố đều theo mọi hướng. Vì vậy gang cầu có cơ tính cao nhất, rồi đến gang dẻo và cuối cùng là gang xám. Cùng một loại gang, thì gang có nền pherit có độ dẻo co nhất và kém dẻo nhất là gang nền peclit. Ngoài ra, cùng một nền gang, gang nào có grạpit càng nhỏ mịn và phân bố đều thì cơ tính cao hơn. Graphit có thể quan sát ngay sau khi đánh bóng mà không cần tẩm thực. 4.4. Xác định thành phần tổ chức của hợp kim sắt – cacbon

-P D

eb oo k

:d ay

4.5. Tổ chức sau nhiệt luyện là tổ chức không cân bằng, hình thành trong điều kiện làm nguội nhanh : - Austenit dư : điều kiện làm nguội chậm không có; - Mactenxit : dung dịch rắn quá bão hoà của cacbon trong sắt alpha, do làm nguội austenit với vận tốc lớn hơn vận tốc nguội tới hạn; - Trustit : sản phẩm phân hoá của austenit quá nguội trong khoảng 5000 600 C. Là hỗn hợp cơ học của ferit và xementit. - Xoocbit : sản phẩm phân hoá của austenit quá nguội ở nhiệt độ 6000 700 C. Cũng là hỗn hợp cơ học của ferit và xementit. - Peclit : sản phẩm phân hoá của austenit trong khoảng nhiệt độ đến 6500C. - Bainit : giữ đẳng nhiệt austenit ở nhiệt độ thấp hơn mũi đường cong chữ “C”. - Tổ chức quá nhiệt Vitmantet : là tổ chức tạo thành do quá nhiệt khi nung ở nhiệt độ cao. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt luyện 4.5.1. Quá trình tôi thép :

Hình 5.1. Tôi

l.c om es s@ gm ai

qu yn ho n

bu s

Hình 5.2. Thép 0,5%C

-P D

eb oo k

:d ay

ke m

Tôi là nguyên công nhiệt luyện rất thông dụng gồm : nung nóng thép lên nhiệt độ xác định + giữ ở nhiệt độ đó một thời gian cần thiết + làm nguội nhanh trong môi trường thích hợp. Tôi thép sẽ làm thép cứng và chịu mài mòn cao. Tổ chức sau khi tôi là mactenxit. Các môi trường tôi : nước, dung dịch muối, xút, dầu khoáng và polymer. 4.5.2. Ram thép sau khi tôi Ram là phương pháp nhiệt luyện nung nóng thép đã tôi có tổ chức mactenxit quá bão hoà và austenit dư chuyển thành các tổ chức ổn định hơn phù hợp với yêu cầu đặt ra. Ram còn làm giảm hay khử hoàn toàn ứng suất, cũng như tăng độ dẻo dai của chi tiết sau tôi. Khi ram thép cacbon, sẽ chuyển biến mactenxit tôi thành mactenxit ram, nghĩa là cacbon quá bão hoà được tiết ra khỏi mạng dưới dạng cacbit , độ chính phương c/a giảm dần và cacbit  chuyển dần thành Fe3C, còn austenit dư lại phân huỷ thành mactenxit ram. Các loại ram : ram thấp (150-2500C), ram trung bình (300-4500C), ram cao (5006500C). 4.5.3. Hoá nhiệt luyện thép Là phương pháp nhiệt làm bão hoà bề mặt của thép bằng một hay nhiều nguyên tố để làm thay đổi thành phần hoá học, do đó làm thay đổi tổ chức và tính chất của lớp bề mặt theo mục đích nhất định. Ví dụ : Thấm cacbon (thể rắn, thể lỏng và thể khí). 4.6. BÀI TẬP Xác định thành phần tổ chức của hợp kim sắt – cacbon Xác định theo giản đồ :

6,67  1,2 .100  94,2% 6,67  0,8

qu yn ho n

%P =

bu s

es s@ gm ai

l.c om

Giả sử cần phải tính thành phần tổ chức của hợp kim I ở nhiệt độ thường. Hợp kim I là thép trước cùng tích, tổ chức gồm ferit và peclit. Theo qui tắc đòn bẩy ta có : %F = (IP/QP).100; %P = (IQ/QP).100 Lấy QP = 0,8%. Giả sử điểm I có thành phần 0,4% C ta sẽ có : %F = (IP/QP).100 = (0,8-0,4).100/0,8 = 50% %P = (IQ/QP).100 = 0,4.100/0,8 = 50% (hay %P = 1 - %F). Bây giờ xét hợp kim II. Đó là hợp kim sau cùng tích. Tổ chức của nó gồm P + XeII. Theo qui tắc đòn bẩy, ta có : %XeII = (P II/PL).100; %P = (II L/PL).100 Giả sử II có thành phần C = 1,2%, ta có 1,2  0,8 %XeII = .100  5,8% 6,67  0,8

3  2,14 .100  40% 4,3  2,14

eb oo k

%Lê =

:d ay

ke m

Với hợp kim số III, đây là gang trắng trước cùng tinh, tổ chức gồm P + Xe II + Lê. Giả sử hợp kim III có thành phần %C = 3%. Trước hết ta phải tính tỉ lệ của P + XeII với cùng tinh Lê. P và XeII là do  ở 2,14% C sinh ra. 4,3  3 %(P + XeII) = .100  60% 4,3  2,14

P 6,67  2,14  .100  77,2% P  XeII 6,67  0,8

-P D

XeII 2,14  0,8  .100  22,8% P  XeII 6,67  0,8

Vậy, tỉ lệ của các tổ chức trên là : %P = 77,2% x 60% = 46,32% %XeII = 22,8% x 60% = 13,68% %Lê = 40%

CHƯƠNG 5 SẢN XUẤT VẬT LIỆU KIM LOẠI

l.c om

5.1. Các phương pháp luyện kim

es s@ gm ai

Quá trình luyện kim là quá trình chế tạo ra kim loại từ quặng có sẵn trong tự nhiên, chúng bao gồm ba bước: - Chuẩn bị xử lý quặng làm cho quặng giàu, đáp ứng tốt các quá trình sản xuất tiếp theo,

- Chế tạo vật liệu thô bằng cách tách các kim loại khỏi các hợp chất trong các khoáng của quặng và loại bỏ các hợp chất của các kim loại khác,

bu s

- Tinh luyện vật liệu thô để đạt kim loại có độ sạch mong muốn và tách các tạp chất khác ra khỏi kim loại.

qu yn ho n

Việc chọn các phương pháp chế tạo ra vật liệu thô và tinh luyện chúng tuỳ thuộc vào loại quặng, thành phần và hàm lượng của kim loại chứa trong quặng, cũng như các kim loại quí, có giá trị trong nó, như thu Au, Ag… trong quặng đồng, Co trong quặng niken.

eb oo k

:d ay

ke m

Về cơ bản, có ba phương pháp chế tạo kim loại từ quặng là: hoả luyện, thuỷ luyện và điện luyện. Ngoài ra, có sự khác biệt trong công nghệ tách kim loại khỏi quặng: các nguyên tố có ái lực với ôxy thấp như Fe, Ni, Cu, Co có thể hoàn nguyên bằng C hoặc H, còn các kim loại có ái lực hoá học cao với ôxy như Al, Ti, Mg thì công nghệ sản xuất trở nên phức tạp hơn nhiều. Phương pháp hoả luyện đã tồn tại từ rất lâu và luôn là phương pháp được sử dụng nhiều nhất. Các kim loại quan trọng như Pb, Co, Fe, Cu, Ni, Ti chủ yếu hoặc hoàn toàn được sản xuất bằng phương pháp hoả luyện. Chúng ta chỉ đề cập đến công nghệ sản xuất gang, thép và nhôm, đồng. 5.1.1. Sản xuất gang lò cao

Nguyên lý chung các công đoạn sản xuất gang và thép như sau:

-P D

- Sản xuất gang thép dùng công nghệ luyện gang lò cao, đây là công nghệ cơ bản, ngày càng được hoàn thiện và đạt được tính ổn định rất cao. Hiện tại, lò cao vẫn là thiết bị cung cấp gang (dạng thỏi hay lỏng) cho các công nghệ luyện thép và là phối liệu chủ yếu để sản xuất các mác gang đúc khác nhau. - Sản xuất thép từ quặng sắt theo phương pháp hoàn nguyên lỏng. - Sản xuất thép từ quặng sắt theo phương pháp hoàn nguyên trực tiếp.

l.c om es s@ gm ai in bu s qu yn ho n ke m :d ay eb oo k

-P D

Dây chuyền công nghệ luyện – đúc – cán là dây chuyền công nghệ luyện gang lò cao, sản xuất thép (bằng phương pháp lò thổi đỉnh ôxy và lò điện hồ quang) và cán theo sơ đồ sau:

5.1.2. Luyện thép

es s@ gm ai

Thành phần (%) của gang lò cao và thép thường dao động như sau

l.c om

Thép là hợp kim trên cơ sở sắt có chứa  2% C, ngoài ra còn chứa lượng nhỏ các nguyên tố như Si, Mn, P và S. Như vậy, so với gang, thép chứa các nguyên tố Si, Mn, P và S thấp hơn nhiều. Vì thế thép có độ bền, tính dẻo dai, khả năng biến dạng tốt nhưng lại có nhiệt độ chảy cao hơn.

ke m

qu yn ho n

bu s

Quá trình hoá lý trong luyện thép. Trong quá trình chế tạo thép, trong phối liệu thường có gang lò cao (70 – 100% gang lỏng lò cao trong quá trình luyện thép lò thổi LD, tới 30 – 40% gang lỏng trong quá trình luyện thép lò điện hồ quang… trừ trường hợp nấu lại các mác thép từ các phối liệu thép cùng loại). Do đó, có thể nói: quá trình luyện thép là quá trình chuyển biến hợp kim trên cơ sở sắt có chứa các nguyên tố C, Si, Mn, P và S từ giới hạn cao đến giới hạn thấp. Muốn thực hiện quá trình này, phải đốt cháy các nguyên tố đã nêu nhờ các phản ứng ôxy hoá. Nguồn cung cấp ôxy chủ yếu cho lò Mactanh là khí lò, cho lò LD là ôxy, cho lò điện hồ quang là quặng sắt. Sản phẩm trung gian của các chất ôxy hoá là FeO. Quá trình ôxy hoá các nguyên tố đã nêu được diễn tả bằng các phương trình sau: =

2 Fe + SiO2 + Q1

Mn + FeO

Fe + MnO + Q2

:d ay

Si + 2 FeO

Các ôxyt SiO2 và MnO tạo ra sẽ liên kết với nhau trong xỉ. = Fe + CO – Q3

eb oo k

C + FeO

Khí CO sẽ thoát ra ngoài khí quyển. =

5 Fe + 4CaO.P2O5 + Q4

2 P + 5 FeO + 4 CaO

-P D

Lượng CaO.P2O5 tạo ra được giữ trong xỉ.

Quá trình khử P theo phương trình đã nêu được thực hiện trong xỉ với điều kiện là : - Lượng FeO trong xỉ nhiều, - Độ bazơ R của xỉ cao, - Nhiệt độ của xỉ thấp.

S trong gang, thép thường tồn tại ở dạng FeS. Trong các lò luyện thép bazơ, chúng thường được khử bằng xỉ nhờ phản ứng: FeS + CaO = CaS + FeO – Q

Như vậy điều kiện để khử S là: - Lượng FeO trong xỉ thấp,

l.c om

- Độ bazơ trong xỉ cao, - Nhiệt độ của xỉ cao.

es s@ gm ai

Lượng CaS tạo ra sẽ được giữ lại trong xỉ.

Trong quá trình luyện thép, cần thiết phải cung cấp ôxy để ôxy hoá các tạp chất, sau quá trình này, ôxy vẫn tồn tại trong thép dưới dạng FeO. Cuối quá trình luyện cần thiết phải khử chúng bằng phương pháp khử ôxy trực tiếp (trực tiếp đưa chất khử có ái lực hoá học với ôxy mạnh hơn sắt với ôxy như FeSi, FeMn, CaSi…) hoặc khử gián tiếp trên xỉ nhờ xỉ trắng hoặc xỉ đất đèn.

bu s

5.1.3. Nấu gang

qu yn ho n

Để chế tạo các mác gang khác nhau, cần thiết phải nấu gang trên các thiết bị khác nhau: lò đứng, lò điện (hồ quang và cảm ứng), hoặc nấu liên hợp lò đứng (giải quyết vấn đề kinh tế và năng suất) với lò điện hồ quang hoặc cảm ứng (giải quyết vấn đề chất lượng: thành phần và nhiệt độ gang lỏng). Gần 80% gang đúc được nấu trong lò đứng dùng nhiên liệu rắn (cốc đúc). Gang chất lượng cao được nấu trong lò điện.

:d ay

Quá trình hoá lý.

ke m

Cấu tạo lò đứng (xem hình).

eb oo k

Môi trường khí trong lò đứng có tính ôxy hoá yếu ở vùng thân lò và mạnh dần lên qua vùng hoàn nguyên tới vùng ôxy hoá, đặc biệt ở vùng mắt gió khi khí lò chứa 21% O2.

Do tác động giữa khí lò có tính ôxy hoá với vật liệu rắn ở vùng thân lò và lỏng từ vùng nóng chảy trở xuống mà xảy ra các quá trình ôxy hoá các nguyên tố trong gang.

-P D

Vì % Fe trong gang rất lớn nên phản ứng đầu tiên được thực hiện là: =

FeO + CO

hoặc Fe + ½ O2

FeO

Fe + CO2

Nhờ FeO, phản ứng ôxy hoá các nguyên tố khác sẽ được thực hiện:

C + FeO

CO + Fe

Si + 2 FeO

= SiO2 + 2 Fe

Mn + FeO

= MnO + Fe

Mặt khác, sự tiếp xúc giữa than (là vật liệu chứa cacbon và nhiều S) nên có sự thấm C và S từ than vào gang lỏng. Vì vậy, thành phần của chúng sẽ thay đổi.

Sự thay đổi thành phần của gang.

Khi chạy lò bằng gió nguội

-10

-20

+50

Khi chạy bằng gió nóng

0

-15

+30

-P D

eb oo k

:d ay

ke m

qu yn ho n

bu s

(Chú ý: dấu – là cháy hao, dấu + là tăng lên)

es s@ gm ai

Sự thay đổi của các nguyên tố (%)

l.c om

Như đã phân tích, sự thay đổi thành phần của gang trong lò đứng axit trung bình như sau:

Lò đứng bình thường được xây dựng bằng gạch samôt nên chạy lò bằng xỉ axit hoặc trung tính nên % P không thay đổi khi nấu. Hàm lượng cacbon có xu

hướng đạt thành phần cùng tinh nên tuỳ theo phối liệu chứa nhiều hay ít C mà chúng có thể cháy (ôxy hoá) hoặc tăng lên (thấm C từ than).

l.c om

5.1.4. Luyện đồng Lượng đồng chiếm 0,01% trọng lượng vỏ quả đất. Chúng thường tồn tại ở dạng quặng và bao gồm các loại khoáng chủ yếu sau:

es s@ gm ai

- Khoáng sulfur: là khoáng chủ yếu, chiếm tới 80% trọng lượng quặng. Các khoáng này có dạng CuFeS2 (chứa 34,6% đồng), Cu3FeS3 (chứa 55,6% đồng), Cu2S (chứa 79,9% đồng) và CuS (chứa 68,5% đồng).

- Khoáng cacbônat và ôxyt: CuCO3.Cu(OH)2, 2CuCO3.Cu(OH)2, Cu2O, CuO. - Đồng tự nhiên.

qu yn ho n

Sơ đồ công nghệ quá trình luyện đồng bao gồm

bu s

- Khoáng silicat: CuSiO3.2H2O.

Quá trình sản xuất đồng thô: bao gồm các quá trình tuyển làm giàu quặng, luyện ra stên đồng và chế tạo kim loại đồng. Quá trình tinh luyện đồng: phương pháp hoả tinh luyện và điện phân.

ke m

5.1.5. Luyện nhôm

:d ay

Lượng nhôm trong vỏ trái đất chiếm tới 8,13%, chỉ đứng sau ôxy và silic. Do hoạt tính hoá học cao, nhôm chỉ tồn tại ở dạng liên kết hoá học. Có nhiều loại khoáng khác nhau nhưng nhiều nhất và có ý nghĩa kỹ thuật nhất là bôxit. Các dạng bôxit cơ bản là:

eb oo k

- Hyđrôxyt nhôm AlOOH, Al(OH)3 (thực chất là các ôxyt nhôm ngậm nước Al2O3. H2O, Al2O3.3H2O).

Thành phần của bôxit chứa 35 – 60% Al2O3, 250/00 SiO2, 2–400/00 Fe2O3, TiO2 ở dạng vết.

-P D

Sơ đồ công nghệ sản xuất nhôm như sau

-P D

F eb oo k :d ay

l.c om

es s@ gm ai

bu s

qu yn ho n

ke m

eb oo k

:d ay

ke m

qu yn ho n

bu s

es s@ gm ai

l.c om

Trong quá trình sản xuất ôxyt nhôm, có hai phương pháp sản xuất chính là phương pháp kiềm Bayer và phương pháp thiêu kết. Ở đây chúng ta nêu lên phương pháp kiềm Bayer.

5.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO HÌNH 5.2.1. Đúc kim loại

-P D

Đúc là một phương pháp chế tạo chi tiết bằng cách rót kim loại lỏng vào khuôn đúc. Hình dáng của hốc khuôn giống hệt như hình dáng của chi tiết cần chế tạo. Kim loại đông đặc và hình thành vật đúc. Khuôn đúc có thể là khuôn đá, khuôn đất sét, khuôn cát, khuôn gốm, khuôn kim loại… Có thể mô tả toàn bộ công nghệ đúc trong khuôn cát như sau:

Khi rót kim loại vào khuôn, quá trình thải nhiệt của kim loại lỏng chủ yếu thông qua khuôn đúc, bởi vậy tốc độ nguội tương đối nhanh, nhiệt độ trong kim loại không đồng nhất, phần kim loại nằm sát thành khuôn được làm nguội với tốc độ rất lớn, càng vào tâm vật đúc, tốc độ nguội càng giảm dần.

l.c om es s@ gm ai in bu s qu yn ho n

Lớp ngoài cùng của thỏi đúc là những hạt tinh thể mịn có trục định hướng bất kỳ (hay còn gọi là lớp “da đúc” có cơ tính cao, có khả năng chống ăn mòn, chịu mài mòn tốt).

:d ay

ke m

Phía trong là những tinh thể hình trụ có hướng vuông góc với thành khuôn. Nếu khuôn đúc có khả năng nguội lớn thì các tinh thể hình trụ định hướng có thể phát triển vào tận trung tâm thỏi đúc. Thỏi đúc có tổ chức hai vùng như đã nêu gọi là tổ chức xuyên tinh.

eb oo k

Tổ chức xuyên tinh có ưu điểm là ít rỗ co, chứa ít bọt khí phân tán, kim loại có mật độ sít chặt hơn, nhưng nhược điểm quan trọng là dễ bị nứt rách khi rèn hoặc cán sau này, nhất là ở tâm trục của thỏi đúc, nơi kết tinh sau cùng gồm toàn những nguyên tố dễ chảy nhất.

-P D

Nếu vật liệu làm khuôn có hệ số dẫn nhiệt nhỏ thì tại vùng trung tâm đã có nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ kết tinh lý thuyết T0, xuất hiện các tâm mầm kết tinh trong khi các tinh thể định hướng từ bên ngoài chưa kịp phát triển vào trung tâm. Các mầm ở trung tâm sẽ lớn lên thành các hạt tinh thể. Hướng toả nhiệt ở đây là đồng đều theo mọi hướng nên các tinh thể cũng lớn lên theo các hướng là như nhau, một vùng tổ chức đồng trục được tạo thành ở trung tâm vật đúc. Như vậy, trong điều kiện đông đặc bình thường vật đúc có ba vùng rõ rệt: lớp vỏ ngoài cùng là các tinh thể đều trục nhỏ mịn, tiếp theo là lớp tinh thể dài định hướng từ vỏ vào tâm vật đúc và cuối cùng trong tâm vật đúc là các tinh thể đều trục thô to.

l.c om es s@ gm ai

ke m

qu yn ho n

bu s

Quá trình kết tinh và cấu tạo thỏi đúc: độ quá nguội T < T0, với T: nhiệt độ kết tinh, T0: nhiệt độ kết tinh lý thuyết. Cấu tạo thỏi đúc chia làm 3 vùng riêng biệt: -Vùng 1: tổ chức hạt nhỏ mịn do T lớn (khi kim loại lỏng tiếp xúc trực tiếp với thành khuôn), mầm sinh ra nhiều. -Vùng 2: tổ chức tinh thể hình trụ (xuyên tinh) do tinh thể phát triển mạnh theo hướng vuông góc với thành khuôn là hướng truyền nhiệt nhanh nhất. -Vùng 3: tổ chức hạt lớn và đều trục (gần tròn), do truyền nhiệt là đẳng hướng và chậm. 5.2.2. Gia công biến dạng kim loại

eb oo k

:d ay

Gia công biến dạng kim loại thực chất là lợi dụng tính dẻo để làm thay đổi hình dạng của sản phẩm nhờ lực tác dụng thông qua dụng cụ và khuôn. Ngoại lực là yếu tố cơ bản trong gia công áp lực, nó góp phần tạo ra hình dáng của vật thể và qua đó mà vật thể có cơ tính cao hơn, làm giảm lượng tiêu hao nguyên liệu.

Nhiệt độ là yếu tố quan trọng trong gia công áp lực. Nhiệt độ cao làm tăng tính dẻo của kim loại, làm cho vật liệu dễ bị biến dạng, trở lực biến dạng nhỏ, giảm công biến dạng.

-P D

So với đúc, gia công biến dạng tạo ra sản phẩm có độ bền cao hơn, chịu lực tốt hơn, độ chính xác, độ nhẵn bề mặt tốt hơn, tiết kiệm kim loại và năng suất lao động cao hơn nhưng lại cần thiết bị phức tạp và đắt tiền. Phân loại gia công biến dạng kim loại:

- Theo nhiệt độ: gồm biến dạng nóng và biến dạng nguội. Biến dạng nóng là biến dạng mà nhiệt độ biến dạng cao hơn nhiệt độ chuyển biến. Biến dạng nguội là biến dạng mà nhiệt độ biến dạng thấp hơn nhiệt độ chuyển biến. - Theo trình tự: biến dạng thô (gia công ban đầu để tạo phôi) và biến dạng tinh (gia công thứ cấp để tạo ra sản phẩm có hình dạng theo yêu cầu). Ví dụ, đối với công nghệ cán kim loại, trước tiên phải cán thô rồi mới đến cán tinh, rèn thô từ thỏi ra phôi rồi mới rèn tinh ra sản phẩm. Ngày nay đã có

phương pháp bao gồm cả hai nguyên công gia công thô và gia công tinh, ví dụ ép chảy ngay ra sản phẩm.

l.c om

- Biến dạng khối: là biến dạng đối với các chi tiết có tỉ lệ bề mặt/thể tích nhỏ, biến dạng này nhằm làm giảm chiều dày sản phẩm.

es s@ gm ai

- Biến dạng tấm, lá: là biến dạng với sản phẩm với tỉ lệ bề mặt/thể tích lớn. Biến dạng kiểu này nhằm thay đổi hình dạng bằng khuôn dập. Nếu khi gia công mà hình dáng cũng như chiều dày chi tiết cũng đồng thời thay đổi, chi tiết chịu ứng suất phức tạp, dễ sinh nứt. a) Cán kim loại

eb oo k

b) Kéo kim loại

:d ay

ke m

qu yn ho n

bu s

Từ thỏi đúc liên tục, người ta cán thành dạng tấm (slab), dạng thanh nhỏ (billet) hoặc dạng khối lớn (bloom). Từ ba dạng bán thành phẩm này sẽ thực hiện các nguyên công cán kéo chuyên dạng khác nhau để tạo ra các sản phẩm đặc trưng.

Nguyên lý của phương pháp kéo kim loại là làm giảm tiết diện của chi tiết bằng cách kéo qua khuôn có lổ hình. Do sản phẩm cán chỉ có thể nhỏ tới 8 hay 6 mm, muốn giảm đường kính của dây xuống nữa, phải qua nguyên công kéo.

-P D

Dùng phương pháp này để kéo thanh, dây (nhỏ tới 0,025 mm), ống (ống không hàn dày trở thành mỏng, phải qua nhiều lổ hình, có bôi trơn và làm nguội khuôn).

Kéo là quá trình làm tinh. Kéo nguội chính xác, bề mặt bóng và bền, song lực kéo phải lớn. Kéo nóng cho năng suất cao hơn.

l.c om es s@ gm ai in

c) Ép chảy kim loại

qu yn ho n

bu s

Là công đoạn tạo hình kim loại bằng cách ép đùn kim loại đã nung nóng qua lổ hình của khuôn ép thông qua chày ép hoặc piston ép. Ngày nay có thể ép nóng hoặc ép nguội các kim loại và hợp kim khác nhau . Ép hợp kim màu có thể dùng ép nóng hoặc ép nguội. Với thép có thể ép chảy ở nhiệt độ rèn, ví dụ ép phôi bánh răng. Tiết diện chi tiết ép có thể phức tạp tuỳ ý. Thiết bị ép chảy rẻ hơn cán.

-P D

eb oo k

:d ay

ke m

Phương pháp ép chảy kim loại đạt được độ chính xác cao, cơ tính cao, năng suất cao. Nhờ nén khối, kim loại dẻo hơn. Song khuôn bị hao mòn nhanh, hao phí kim loại cũng lớn, thường là 12 – 15%, ép ống thì hao tới 45%.

c) Rèn kim loại

Từ thời cổ xưa đã xuất hiện cách rèn cổ điển. Phương pháp rèn dùng búa và đe có từ 5000 năm trước công nguyên, dùng trong rèn dao, kiếm. Đồng thời với kiến thức về biến dạng kim loại, con người tiền sử đã biết sử dụng những biện pháp làm tăng cơ tính của kim loại, thí dụ đã rèn được những lưỡi kiếm vô cùng sắc nhưng lại vô cùng dẻo. Những khám phá của khoa học hiện đại đã lý giải được

những kinh nghiệm của con người tiền sử trong lĩnh vực biến dạng và nhiệt luyện kim loại. Ngày nay, công nghệ rèn đã có tiến bộ hơn nhiều, đã dùng khuôn rèn và lực ép bằng máy.

l.c om

Rèn là phương pháp biến dạng khối với lực động hoặc tĩnh để tạo ra sản phẩm khá đa dạng, thí dụ, dạng trục, thanh nối, trục khuỷu, đĩa, bánh răng…

es s@ gm ai

Thường dùng các thiết bị:

- Máy búa có tốc độ cực đại 5 – 10 m/s, thời gian công tác 0,01 s.

- Máy ép thuỷ lực, ma sát với tốc độ cực đại 0,2 m/s, thời gian công tác 0,1 m/s.

- Máy tạo lực động, rèn ngang 5 m/s, thời gian công tác 0,01 s.

Có ba phương pháp rèn là rèn khuôn hở, rèn khuôn in hình và rèn khuôn

eb oo k

:d ay

ke m

qu yn ho n

bu s

kín.

d) Dập kim loại

-P D

Tấm và lá là chủng loại chi tiết có tỉ lệ diện tích bề mặt/chiều dày lớn, cho nên khi biến dạng thường nên để kim loại chịu lực kéo (theo mặt phẳng lá), nếu chịu nén dễ gây phồng, nhăn. Khi biến dạng lá, chiều dày thường không giảm, nếu vừa thay đổi hình dáng lại giảm cả chiều dày dễ dẫn đến thắt, đứt chi tiết. thí nghiệm kéo một dải A1, thanh sẽ bị đứt vì thắt theo đường chéo của thanh theo tiết diện. Kéo thép lại có hiện tượng dãn dài ở điểm chảy, muốn khắc phục hiện tượng này nên đem cán nguội trước hoặc cán vỏ (skin rolling) sẽ giảm chiều dày 0,5 – 1,5%. Tính dị hướng của kim loại cũng có ảnh hưởng lớn đến khả năng dập của kim loại và thường là làm cho kim loại dễ dàng bị biến dạng dập. Cỡ hạt càng mịn càng tốt, hạt to làm mặt thô, dễ bị phồng quả cam. Dập tấm có đặc điểm sau:

- Độ bóng, độ chính xác rất cao, tính lắp lẫn tốt, nhiều sản phẩm không cần qua gia công cắt gọt, ví dụ dập các đồ dùng gia dụng như nồi, xoong, chảo…

l.c om

- Độ bền, độ cứng vững cao nên tiết kiệm kim loại. - Dễ cơ khí hoá và tự động hoá.

es s@ gm ai

- Năng suất cao, thường dùng trong sản xuất hàng loạt lớn cho nên giá thành hạ.

- Thường dùng để chế tạo vỏ thùng chứa, tấm che chắn, nắp đậy trong công nghiệp ôtô, tàu thuyền, công nghiệp thực phẩm và hàng tiêu dùng. 5.3. Hàn kim loại

bu s

Phương pháp hàn là phương pháp ghép chặt không tháo được (hàn thuộc kỹ thuật lắp ghép theo phương pháp nhiệt; ngoài ra còn theo phương pháp cơ như ghép mộng, bulông, chốt, tán rivê, kẹp; phương pháp dán dính).

qu yn ho n

Vì hàn là phương pháp ghép chặt không tháo được nên để cho mối hàn liên kết tốt, trước hết phải chuẩn bị và làm sạch mối hàn.

ke m

Với kim loại có chiều dày nhỏ hơn 3 mm thường dùng hàn thiếc, hàn bạc, hàn đồng. Muốn mối hàn có độ bền cao thì các lá phải đặt chùm lên nhau một khoảng bằng bốn lần chiều dày, với đồng là thì khoảng cách đó vào khoảng 2 –2,5 lần chiều dày nhưng không quá 20 mm để tránh hợp kim hàn khó chảy thấm vào bề mặt tiếp xúc. Với dán dính kim loại cũng phải được xử lý giống như trên.

:d ay

Với tấm kim loại dày từ 3 –12 mm: cần phải nối đầu hay chuẩn bị mối nối kiểu chữ V để hàn được ngấu. Muốn dính ngấu phải làm sạch bề mặt hàn bằng cách:

eb oo k

- Cơ học: chải, mài giấy nhám, - Tẩy dầu mỡ bằng dung môi,

-P D

- Khử ôxyt, ngăn ôxy hoá tiếp bề mặt kim loại bằng trợ dung: thuốc hàn ZnCl2 với hàn thiếc, borax (hàn the) với hàn đồng, trợ dung hàn với thép.

Khi hàn, nhiệt độ vũng hàn nâng lên cao rất nhanh, rồi lại được làm nguội rất nhanh bằng chính kim loại xung quanh mối hàn, tức là xảy ra hiện tượng tôi kim loại vùng hàn. Bởi vậy kim loại bị biến cứng. Mặt khác, do chênh lệch nhiệt độ xung quanh mối hàn, sẽ làm xuất hiện ứng suất dư tại vùng hàn cũng làm cho kim loại hàn thay đổi tính chất, chủ yếu là độ cứng mối hàn.

l.c om es s@ gm ai in bu s

5.4. Luyện kim bột

qu yn ho n

Khác với phương pháp luyện kim thông thường, luyện kim bột là quá trình chế tạo chi tiết từ bột kim loại hoặc bột các hợp chất của kim loại. Nguyên lý cơ bản là làm thế nào để tạo được liên kết bền giữa các hạt mà bản chất của chúng hoàn toàn khác biệt. Quy trình công nghệ sản xuất chi tiết bằng phương pháp luyện kim bột bao gồm các công đoạn sau:

ke m

- Sản xuất bột kim loại, hợp kim hoặc bột gốm,

- Trộn bột kim loại, bột hợp kim với chất dính và chất phụ gia,

:d ay

- Tạo hình sản phẩm: tạo ra sản phẩm có hình dạng theo yêu cầu nhưng chưa có liên kết bền giữa các hạt bột vật liệu,

eb oo k

- Thiêu kết (gia công nhiệt): tạo liên kết bền giữa các hạt vật liệu và độ bền cần thiết cho chi tiết, - Gia công tinh: tinh chỉnh kích thước, ép lại, nhiệt luyện…

-P D

Trong thực tế không nhất thiết phải theo đúng trình tự trên, đôi khi có thể tiến hành hai nguyên công đồng thời, ví dụ tạo hình và thiêu kết đồng thời. Ứng dụng.

Vật liệu sản xuất bằng phương pháp hợp kim bột thường được sử dụng trong các lĩnh vực sau đây:

- Dùng làm vật liệu kết cấu: chi tiết bằng bột đồng, bột sắt, đồng thanh, đồng thau,… - Tạo hợp kim đặc biệt: ví dụ vật liệu từ cứng AlNiCo, từ mềm Fe-Ni, FeSi, tiếp điểm W-Ag, vật liệu chịu nhiệt Ta-C, Al-Ni, vật liệu siêu dẫn Nb3Sn.

- Composite kim loại: đây là các loại hợp kim cứng mà thành phần chính là cacbit kim loại như WC, TiC, TaC với chất dính là cobalt kim loại. Một họ

composite kim loại nữa phải kể đến là composite mà nền là những kim loại như nhôm, sắt… pha tăng cường là những vật liệu phi kim loại hay kim loại khác.

l.c om

- Vật liệu chịu nhiệt cao: các cấu tử cơ bản thường là Mo2C, SiC, ZrB2, Si3N4.

-P D

eb oo k

:d ay

ke m

qu yn ho n

bu s

es s@ gm ai

- Vật liệu xốp có độ xốp khoảng 25% ví dụ như ổ trượt tự bôi trơn, tấm lọc, màng lọc xốp (độ xốp khoảng 35 – 40%), xương nhân tạo…

CHƯƠNG 6 CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU POLYMER

eb oo k

:d ay

ke m

qu yn ho n

bu s

es s@ gm ai

l.c om

Vật liệu polymer có nguồn gốc tự nhiên (từ cây cỏ hoặc động vật) đã được loài người biết đến từ nhiều thế kỷ. Các vật liệu này bao gồm gỗ, bông, da, tơ lụa v.v… Đặc biệt trong thế kỷ 20, nhờ các công cụ khoa học, đã xác định được rằng các phân tử polymer được cấu tạo từ những phần tử hữu cơ nhỏ, nhờ đó tạo ra những cấu trúc đặc biệt của phân tử polymer. Kể từ sau chiến tranh thế giới hai đã có một cuộc cách mạng trong lĩnh vực vật liệu với sự xuất hiện của vật liệu polymer tổng hợp ở qui mô công nghiệp. Các polymer tổng hợp có nhiều tính năng vượt trội so với sản phẩm tự nhiên, và trong nhiều trường hợp chúng có thể thay thế vật liệu truyền thống như bê tông, thép, gỗ… với tính chất tương đương và hiệu quả kinh tế cao hơn. Sự phân loại vật liệu polymer được trình bày trong sơ đồ sau :

Trong sơ đồ trên có thể thấy ba nhóm polymer tổng hợp.

-P D

Nhóm thứ nhất gồm những vật liệu polymer không có trong tự nhiên. Chúng được điều chế thông qua các phản ứng tổng hợp, ví dụ polyetylen, polyamit, polyester v.v… Đa số các chất dẻo đang sử dụng hiện nay là thuộc nhóm này. Nhóm thứ hai là vật liệu polymer tự nhiên nhưng có thể điều chế nhân tạo. Ví dụ của nhóm này là cao su tự nhiên và các cao su tổng hợp. Trong nhóm thứ ba, vật liệu gốc là polymer tự nhiên nhưng được biến tính hoá học tạo nên các vật liệu có tính chất khác hẳn ban đầu, ví dụ các dẫn xuất của xenlulô như nitroxenlulô, axetatxenlulô. Do đa số vật liệu polymer đang sử dụng thuộc nhóm polymer tổng hợp nên trong các phần tiếp theo sẽ chỉ xét đến vật liệu polymer tổng hợp mà không nhắc đến polymer tự nhiên.

6.1. Khái niệm

l.c om

Polymer là một hợp chất gồm các phân tử được hình thành do sự lặp lại nhiều lần của một hay nhiều loại nguyên tử hay một nhóm nguyên tử (đơn vị cấu tạo monomer) liên kết với nhau với số lượng khá lớn để tạo nên một loạt các tính chất mà chúng thay đổi không đáng kể khi lấy đi hoặc thêm vào một vài đơn vị cấu tạo.

es s@ gm ai

6.2. Cấu trúc phân tử polymer 6.2.1. Phân tử hydrocacbon

Trong phân tử hydrocacbon các liên kết giữa các nguyên tử là đồng hoá trị. Mỗi nguyên tử cacbon có bốn điện tử tham gia vào liên kết này, trong đó mỗi nguyên tử hydro chỉ có một điện tử liên kết.

-Liên kết đơn

bu s

-Liên kết đôi -Liên kết ba

6.2.2. Phân tử polymer a) Bản chất hoá học và mer

qu yn ho n

Từ các phân tử hữu cơ (hydrocacbon) kể trên người ta có thể tổng hợp thành phân tử polymer.

eb oo k

:d ay

ke m

So với phân tử hữu cơ vừa trình bày, phân tử polymer tổng hợp nên là khổng lồ so với kích thước và khối lượng phân tử lớn nên còn được gọi là cao phân tử (polymer). Trong phân tử này, các nguyên tử được liên kết bằng liên kết cộng hoá trị. Đa số phân tử polymer có dạng mạch dài và mềm dẻo mà cốt lõi của nó là một chuỗi các nguyên tử cacbon

-P D

trong đó mỗi nguyên tử cacbon liên kết với hai nguyên tử cacbon khác về hai phía. Phân tử polymer được ký hiệu bằng đường thẳng và được gọi là mạch hay mạch chính. Như vậy nói chung mỗi nguyên tử cacbon có hai liên kết với các nguyên tử hay gốc nằm ở cạnh bên của mạch (gọi là nhánh bên). Nói chung cả trong mạch cũng như nhánh bên có thể chứa liên kết đôi.

Rất dễ nhận thấy rằng các phân tử cực lớn polymer này gồm bởi các đơn vị cấu trúc như những mắt xích lặp đi lặp lại và nối với nhau được gọi là mer (mer xuất phát từ tiếng Hy Lạp “meros” có nghĩa là hợp phần). Mer đơn giản nhất được gọi là monomer (tức phân tử chỉ gồm một mer), còn polymer có nghĩa là nhiều mer. b) Cấu trúc phân tử của PE (polyetylen)

-P D

F eb oo k :d ay

l.c om

es s@ gm ai

bu s

qu yn ho n

ke m

c) Cấu trúc phân tử của các polymer thường gặp

d) Khối lượng phân tử

l.c om

Mạch dài bao nhiêu tức khối lượng phân tử của polymer lớn như thế nào, vì đại lượng này có ảnh hưởng nhất định đến các tính chất.

6.2.3. Cấu trúc mạch của polymer 6.2.3.1. Hình dạng mạch

qu yn ho n

bu s

es s@ gm ai

Các phân tử polymer có khối lượng (chiều dài) rất khác nhau: một số phân tử tương đối nhỏ (mạch ngắn), một số lớn (mạch dài), còn đa số là trung bình. Độ dài của mạch có ảnh hưởng lớn đến nhiệt độ chảy và biến mềm, các nhiệt độ này tăng lên theo sự tăng của khối lượng phân tử tức là chiều dài mạch. Ví dụ polymer với khối lượng phân tử thấp (khoảng 100 g/mol) ở nhiệt dộ thường tồn tại ở dạng lỏng hay khí, trung bình (khoảng 1000 g/mol) ở dạng sáp hay cao su mềm, cao (từ > 10000 tới hàng triệu g/mol) ở dạng chất rắn và đây mới là mục tiêu cần đạt tới. Song vấn đề ở đây không phải là giá trị khối lượng phân tử trung bình mà là sự phân bố khối lượng phân tử theo từng nhóm giá trị: sự phân bố đó càng rộng càng không tốt vì điều đó có nghĩa là có một tỉ lệ cao các phân tử với khối lượng thấp, ở trạng thái lỏng có tác dụng bôi trơn giữa các phân tử lớn làm cho vật liệu polymer trở nên mềm và dễ bị chảy khi chịu tải. Do vậy người ta cố gắng tạo nên polymer với khối lượng phân tử lớn và đồng đều đến mức có thể.

-P D

eb oo k

:d ay

ke m

Trong thực tế mạch polymer là đường gãy khúc, dích dắc trong đó các liên kết đơn có thể quay và uốn trong không gian chứ không phải là đường gãy khúc dích dắc trong mặt phẳng, càng không phải đơn giản là đường thẳng, tuy nhiên theo qui ước vẫn sử dụng cách biểu thị đơn giản này.

6.2.3.2. Phân loại mạch - polymer mạch thẳng (linear polymer)

l.c om

- polymer nhánh (branched polymer) - polymer lưới (crosslinked polymer)

:d ay

ke m

qu yn ho n

bu s

es s@ gm ai

- polymer mạch không gian (network polymer)

6.2.4. Cấu trúc tinh thể của polymer

eb oo k

Khác với kim loại thường tồn tại ở trạng thái tinh thể, các polymer thường tồn tại ở cả hai trạng thái tinh thể và vô định hình. 6.2.4.1. Tinh thể polymer và tiểu cầu

-P D

Khi tồn tại ở dạng tinh thể, trật tự sắp xếp của polymer không phải là của ion, nguyên tử, phân tử như ở các nhóm vật liệu khác mà là của mạch phân tử. Trong polymer tinh thể các mạch sẽ sắp xếp sao cho các nguyên tử ở trong một trật nhất định.

Một số các polymer kết tinh từ trạng thái nóng chảy tạo thành các tiểu cầu (spherulit). Như tên gọi, các tiểu cầu có dạng hình cầu. Có thể coi tiểu cầu là các tấm (dày khoảng 10 nm) tinh thể mạch gấp và vô định hình đan xen nhau, hướng từ tâm ra ngoài. Phân cách giữa các tấm này là vùng vô định hình, hay nói khác đi các tấm này được liên kết với nhau bằng các mạch nối hoặc giằng qua các vùng vô định hình. Vậy đối với, tiểu cầu được xem như là hạt trong kim loại và ceramics đa tinh thể. PE, PP, PVC, nylon hình thành cấu trúc tiểu cầu khi chúng kết tinh từ trạng thái nóng chảy.

l.c om es s@ gm ai in bu s qu yn ho n ke m :d ay eb oo k F -P D er rd Em

6.2.4.2. Mức độ kết tinh

Polymer gồm bởi các mạch và bất cứ loại polymer nào cũng gồm hai vùng : vùng tinh thể (các mạch sắp xếp thứ tự) và vùng vô định hình (các mạch sắp xếp ngẫu nhiên). Có thể coi polymer gồm các tiểu cầu trong đó các tấm tinh thể xuất hiện như những vạch sáng, vùng tối giữa các tiểu cầu là miền vô định hình.

Mức độ kết tinh của polymer dao động rất mạnh từ 0% đến gần như hoàn toàn (95%) phụ thuộc vào tốc độ làm nguội khi đóng rắn và hình thái cấu tạo của mạch.

qu yn ho n

bu s

es s@ gm ai

l.c om

Ở mức độ nào đó, tính chất của polymer bị ảnh hưởng bởi mức độ kết tinh. Polymer tinh thể bền hơn và nóng chảy ở nhiệt độ cao hơn, có khối lượng riêng cao hơn so với polymer vô định hình.

6.3. Sản xuất vật liệu polymer

ke m

6.3.1. Nguyên vật liệu

eb oo k

a) Dầu mỏ

:d ay

Polymer có thể được sản xuất từ nhiều nguyên liệu khác nhau: nguyên liệu hoá thạch (dầu mỏ, than) hoặc nguyên liệu từ nguồn gốc động thực vật. Trong phần này sẽ xét đến một số nguyên liệu chính để sản xuất ra vật liệu polymer. b) Khí thiên nhiên c) Than đá

d) Gỗ

-P D

e) Các nguyên liệu có nguồn gốc động và thực vật khác: cao su tự nhiên, tơ

tằm…

6.3.2. Các phương pháp tổng hợp polymer

Tổng hợp polymer là giai đoạn quan trọng nhất trong quá trình chế tạo vật liệu polymer. Từ một loại monomer có thể tổng hợp được các polymer khác nhau khi thay đổi điều kiện của phản ứng. Hai loại phản ứng chính để tổng hợp polymer : phản ứng trùng hợp và phản ứng trùng ngưng. 6.3.2.1. Phản ứng trùng hợp

es s@ gm ai

l.c om

Monomer. Monomer của phản ứng trùng hợp là các hợp chất phân tử thấp chứa liên kết bội (liên kết đôi hoặc liên kết ba). Ví dụ như:

qu yn ho n

bu s

Phản ứng trùng hợp. Là phản ứng kết hợp các monomer thành polymer mà không thoát ra sản phẩm phụ nào. Phản ứng trùng hợp mang tính chất của phản ứng chuỗi nên còn gọi là trùng hợp chuỗi.

-P D

eb oo k

:d ay

ke m

Quá trình phản ứng theo ba giai đoạn theo sơ đồ sau:

Tuỳ thuộc vào bản chất trung tâm hoạt động mà phân biệt trùng hợp gốc, trùng hợp anion hay trùng hợp cation.

Đơn giản nhất là phản ứng trùng hợp gốc dưới tác dụng của các chất dễ dàng phân huỷ ra gốc tự do ở điều kiện phản ứng. 6.3.2.2. Phản ứng trùng ngưng

Monomer. Khác với monomer của phản ứng trùng hợp, monomer tham gia phản ứng trùng ngưng phải chứa ít nhất hai nhóm chức trong phân tử, ví dụ như Axit dicacboxylic (diaxit)

HOOCRCOOH

Rượu hai lần rượu (diol, dialcol) HOR’OH

H2NR’’NH2

Diamin

l.c om

Phản ứng trùng ngưng. Là phản ứng tạo thành polymer từ các monomer có thoát ra sản phẩm phụ là các hợp chất phân tử thấp.

es s@ gm ai

Để nhận được polymer có khối lượng phân tử cao, phản ứng trùng ngưng thường được tiến hành với sự có mặt của xúc tác và ở giai đoạn cuối sử dụng chân không để loại bỏ các hợp chất phân tử thấp.

-P D

eb oo k

:d ay

ke m

qu yn ho n

bu s

Khác với phản ứng trùng hợp chuỗi, phản ứng trùng ngưng xảy ra theo từng bậc và polymer không được tạo thành ngay lập tức mà đòi hỏi thời gian kéo dài.

l.c om

CHƯƠNG 7 VẬT LIỆU VÔ CƠ KHÔNG KIM LOẠI (CERAMICS) 7.1. Gốm

Tuỳ theo bản chất hoá học chia ra làm: gốm silicat, gốm ôxyt, gốm không

es s@ gm ai

ôxyt…

qu yn ho n

bu s

Dây chuyền công nghệ: gia công và chuẩn bị phối liệu, tạo hình, sấy, nung, gia công bổ sung (tráng men và trang trí sản phẩm, nếu cần). Lưu ý: trong khi ở công nghệ vật liệu kim loại và vật liệu hữu cơ polymer, các khâu gia công (như tạo hình, gia công bề mặt,…) được thực hiện sau khi đã tạo ra vật liệu, thì ở công nghệ gốm, các khâu gia công lại được thực hiện ở các giai đoạn trước khi hình thành vật liệu (như gia công và chuẩn bị phối liệu, tạo hình sản phẩm mộc chưa phải là vật liệu gốm…). Sau công đoạn nung khi vật liệu gốm đã hình thành thì sản phẩm gốm cũng đã hoàn thiện, việc gia công bổ sung đối với phần lớn sản phẩm là không cần thiết, chỉ cần thiết ở một số trường hợp đặc biệt mà thôi. Theo mức độ gia công kích thước hạt nguyên liệu đầu và từ đó dẫn đến đặc điểm cấu trúc pha của vật liệu gốm, người ta chia gốm thành hai loại: gốm thô và gốm tinh.

ke m

Phối liệu gốm thô chỉ yêu cầu gia công nguyên liệu đơn giản. Nguyên liệu qua nghiền tới cỡ hạt hạt thô và trung bình sau đó được trộn đều.

:d ay

Quan sát bằng mắt thường, cấu trúc bề mặt của mảnh vỡ vật liệu gốm có thể phân biệt ranh giới các hạt nguyên liệu tham gia.

eb oo k

Phối liệu gốm tinh được gia công cẩn thận hơn. Nguyên liệu sau khi được nghiền tới cỡ hạt nhỏ mịn, được sàng, phân li và làm sạch. Quan sát bằng mắt thường bề mặt vỡ của vật liệu gốm tinh không thể phân biệt được ranh giới của các pha thành phần.

-P D

7.1.1. Gốm silicat

7.1.2. Gốm ôxyt và gốm không ôxyt

7.1.2.1. Nguyên liệu

Khác với gốm silicat, nguyên liệu đầu để sản xuất gốm ôxyt và gốm không ôxyt không phải là các nguyên liệu nguồn gốc thiên nhiên, mà hầu hết là các nguyên liệu tổng hợp công nghiệp, thường là sản phẩm của quá trình xử lý hoá học các khoáng vật thiên nhiên thích hợp. - Thông thường, khoáng vật được hòa tan trong axit hoặc kiềm, qua làm sạch, kết tủa dưới dạng hydroxit. Tiếp theo, sản phẩm kết tủa được nung kết sơ bộ (calcination) ở khoảng 10000C. Sau đó sản phẩm được nghiền mịn tới cỡ hạt cần thiết.

Thường các loại bột ôxyt như Al2O3, ZrO2, TiO2, BeO… được sản xuất theo phương pháp này.

l.c om

Các nguyên liệu dạng ôxyt hỗn hợp hoặc các hợp chất như ferit, spinel, titanat cũng được sản xuất bằng phương pháp kết khối sơ bộ.

es s@ gm ai

- Một phương pháp ít gặp hơn là nấu chảy các ôxyt trong lò điện hồ quang, sau đó làm lạnh và nghiền tới cỡ hạt yêu cầu.

- Các nguyên liệu cacbit như SiC, TiC thu được bằng phương pháp nung các ôxyt tương ứng ở nhiệt độ cao có mặt C để thực hiện phản ứng: MeO2 + 3 C



MeC + 2 CO

- Các nitrit như Si3N4, BN được tổng hợp bằng phản ứng của các nguyên tố kim loại hoặc ôxyt với N2, NH3 hoặc hợp chất chứa nitơ.

bu s

- Cacbit hoặc nitrit còn có thể được tạo ra từ phản ứng ở pha hơi giữa một halogenit với cacbua hydro hay amoniac.

qu yn ho n

- Hoặc phân huỷ một hợp chất hữu cơ kim loại và ngưng tụ trên bề mặt một chất mang. Phương pháp này được ứng dụng để chế tạo các lớp phủ bề mặt chống ăn mòn hoặc chống thấm ở nhiệt độ cao.

-P D

eb oo k

:d ay

ke m

6.1.2.2. Tạo hình

7.1.3. Vật liệu cacbon Kim cương.

Trong sản xuất kim cương trên thế giới hiện nay, khoảng 1/3 sản lượng là kim cương khai thác và chế biến từ nguồn thiên nhiên và 2/3 còn lại là kim cương nhân tạo công nghiệp.

l.c om

Vật liệu cacbon và vật liệu grafit.

:d ay

ke m

qu yn ho n

bu s

es s@ gm ai

Grafit là dạng thù hình ổn định ở điều kiện thường của cacbon. Các sản phẩm cacbon có cấu trúc tinh thể thường sai lệch so với cấu trúc lý tưởng của grafit, cho nên các hợp chất cacbon có nhiều dạng cấu trúc khác nhau, từ đơn tinh thể cân xứng đến tinh thể dạng para và cacbon vô định hình. Thuộc nhóm cacbon tinh thể para gồm có: cốc, mồ hóng, grafit tổng hợp, sợi cacbon và cacbon nhiệt phân. Nguyên liệu quan trọng là cốc dầu mỏ và pech hoặc nhựa tổng hợp (làm chất liên kết). Cốc dầu mỏ được chọn vì có độ sạch cao và do trật tự cấu trúc tinh thể của nó cao hơn các loại cốc khác (như cốc than đá). Sơ đồ công nghệ sản xuất vật liệu cacbon và vật liệu grafit được thể hiện trên hình

eb oo k

Nguyên liệu cốc và chất liên kết được trộn đồng đều, tạo hình (ví dụ bằng phương pháp ép) và nung ở nhiệt độ khoảng 10000C trong thời gian vài ngày đến vài tuần. Khi đó chất liên kết bị phân huỷ thành cacbon và kết khối nhờ phản ứng tạo cầu nối liên kết các hạt cacbon với nhau. Sản phẩm thu được có dạng xốp và tương đối chắc.

-P D

7.2. Thuỷ tinh

Phương pháp công nghệ truyền thống để sản xuất thuỷ tinh là phương pháp nấu chảy. Hiện nay hầu hết các loại thuỷ tinh thông thường như thuỷ tinh dân dụng, thuỷ tinh xây dựng,… và các loại thuỷ tinh kỹ thuật như thuỷ tinh dụng cụ thiết bị hoá học, thuỷ tinh quang học, thuỷ tinh cách điện, bông sợi thuỷ tinh,… đều được sản xuất bằng phương pháp nấu chảy.

Các phương pháp công nghệ khác để sản xuất thuỷ tinh là phương pháp tổng hợp từ hệ lỏng (ví dụ phương pháp sol – gel) và phương pháp lắng đọng từ pha hơi (ví dụ phương pháp CVD). Các phương pháp mới này được sử dụng để sản xuất một số loại thuỷ tinh kỹ thuật đặc biệt (ví dụ sợi quang, thuỷ tinh quang học đặc biệt, màng phủ thuỷ tinh đặc biệt,…).

Do lợi thế về nguồn nguyên liệu, chi phí sản xuất và cả lĩnh vực ứng dụng, thuỷ tinh silicat luôn có sản lượng lớn gấp bội so với các loại thuỷ tinh không silicat và thuỷ tinh không ôxyt.

7.3. XI MĂNG VÀ BÊ TÔNG

ke m

qu yn ho n

bu s

es s@ gm ai

l.c om

Dây chuyền sản xuất thuỷ tinh silicat theo phương pháp nấu chảy bao gồm các công đoạn chủ yếu sau: gia công nguyên phối liệu, nấu thuỷ tinh, tạo hình sản phẩm, ủ khử ứng lực, gia công bổ sung.

:d ay

Trong các loại chất kết dính vô cơ silicat thì xi măng porland là loại chất kết dính thông dụng nhất và bê tông trên cơ sở xi măng này cũng là loại bê tông thông dụng nhất.

eb oo k

Chúng được sản sản xuất đại trà với sản lượng lớn trên các dây chuyền thiếte bị năng suất cao để phục vụ nhu caùu của các ngành xây dựng, giao thông và thuỷ lợi.

7.3.1. Xi măng porland

-P D

Dây chuyền công nghệ sản xuất xi măng porland bao gồm các công đoạn chủ yếu sau đây :

-Khai thác, gia công nguyên phối liệu, -Nung clinke xi măng porland,

-Nghiền clinke xi măng và phụ gia. 6.3.1.1. Nguyên liệu và phối liệu 6.3.1.1. Nung

l.c om es s@ gm ai in bu s qu yn ho n ke m :d ay eb oo k

6.3.1.1. Nghiền

7.3.2. Bê tông

-P D

Bê tông trên cơ sở chất kết dính xi măng porland được chế tạo theo các công nghệ sau đây:

-Gia công nguyên liệu, trộn phối liệu (vữa bê tông). -Đúc tạo hình sản phẩm. -Bảo dưỡng sản phẩm.

7.3.2.1. Nguyên liệu, phối liệu Cốt liệu Xi măng Nước

l.c om es s@ gm ai bu s

in Em

-P D

eb oo k

:d ay

ke m

7.3.2.1. Bảo dưỡng sản phẩm bê tông

qu yn ho n

7.3.2.1. Đúc tạo hình sản phẩm

CHƯƠNG 8 VẬT LIỆU COMPOSITE (VẬT LIỆU TỔ HỢP)

l.c om

8.1. KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT 8.1.1. Khái niệm

es s@ gm ai

Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau. Vật liệu mới được tạo thành có tính chất ưu việt hơn nhiều so với từng loại vật liệu thành phần riêng rẽ. Về mặt cấu tạo, vật liệu composite bao gồm một hay nhiều pha gián đoạn phân bố đều trên một pha nền liên tục. Nếu vật liệu có nhiều pha gián đoạn ta gọi là composite hổn tạp. Pha gián đoạn thường có tính chất trội hơn pha liên tục.

ke m

qu yn ho n

bu s

Pha liên tục gọi là nền (matrix). Pha gián đoạn gọi là cốt hay vật liệu gia cường (reenforced).

Cơ tính của vật liệu composite phụ thuộc vào những đặc tính sau đây:

eb oo k

:d ay

- Cơ tính của các vật liệu thành phần. Các vật liệu thành phần có cơ tính tốt thì vật liệu composite cũng có cơ tính tốt và tốt hơn tính chất của từng vật liệu thành phần.

-P D

- Luật phân bố hình học của vật liệu cốt. Khi vật liệu liệu cốt phân bố không đồng đều, vật liệu composite bị phá huỷ trước hết ở những nơi có ít vật liệu cốt. Với composite cốt sợi, phương của sợi quyết định tính dị hướng của vật liệu, có thể điều chỉnh được tính dị hướng này theo ý muốn để chế tạo được vật liệu cũng như phương án công nghệ phù hợp với yêu cầu.

- Tác dụng tương hỗ giữa các vật liệu thành phần. Vật liệu cốt và nền phải liên kết chặt chẽ với nhau mới có khả năng tăng cường và bổ sung tính chất cho nhau. Ví dụ liên kết giữa cốt thép và xi măng trong bê tông.

8.1.2. Phân loại a) Phân loại theo hình dạng của vật liệu gia cường

Composite sợi, composite vảy, composite hạt, composite điền đầy, composite phiến.

l.c om es s@ gm ai in bu s qu yn ho n

b) Phân loại theo bản chất và vật liệu thành phần

- Composite nền hữu cơ: nền là nhựa hữu cơ, cốt thường là sợi hữu cơ hoặc sợi khoáng hoặc sợi kim loại.

ke m

- Composite nền kim loại: nền là các kim loại như titan, nhôm, đồng, cốt thường là sợi kim loại hoặc sợi khoáng như B, C, SiC.

:d ay

- Composite nền gốm: nền là các loại vật liệu gốm, cốt có thể là sợi hoặc hạt kim loại hoặc cũng có thể là hạt gốm. 8.2. VẬT LIỆU VÀ THÀNH PHẦN CỦA COMPOSITE

eb oo k

8.2.1. Vật liệu nền

a) Nhựa phênolformaldehyt

b) Nhựa êpoxy

-P D

c) Nhựa polyeste d) Các loại nhựa khác

8.2.2. Vật liệu gia cường a) Cốt dạng sợi

l.c om es s@ gm ai in

c) Cốt dạng hạt

qu yn ho n

8.2.3. Vùng chuyển tiếp trong composite

bu s

b) Cốt dạng vải

ke m

Vùng trung gian là vùng tiếp xúc giữa cốt và nền và nó thường là yếu tố có tính quyết định đến các tính chất cơ học và các thuộc tính khác nữa của composite. Vùng trung gian chính là nơi chuyển tải trọng từ nền sang cốt nên tác động đầu tiên của nó chính là tác động đến độ bền. Có nhiều yếu tố tác động đến thành phần và thể tích của vùng chuyển tiếp.

eb oo k

:d ay

Đầu tiên, là tính thấm ướt, tức là pha nền ở trạng thái lỏng phải dễ dàng thấm ướt pha gia cường trước khi đóng rắn. Nhưng thực tế không phải lúc nào cũng có liên kết nền - cốt lý tưởng do bản chất hoá lý của các vật liệu rất khác nhau. Trong trường hợp này, cần phải thêm chất thấm ướt để cải thiện khả năng thấm ướt cốt - nền. 8.2.4. Các chất phụ gia

Là những vật liệu nhằm cải thiện một số tính chất của composite như :

-P D

- Tính dẫn điện, dẫn nhiệt: thường dùng bột, sợi hoặc vảy kim loại như Fe, Cu, Al,… hoặc bi tráng kim loại.

- Bôi trơn khi dỡ khuôn. - Tạo màu. - Chống co ngót.

8.3. COMPOSITE NỀN NHỰA

Các loại nhựa như êpoxy, phênolformaldehyt, polyeste… đều có tính thấm ướt tốt đối với vật liệu gia cường dạng hữu cơ, bởi vậy công đoạn trộn nhựa với cốt rất thuận lợi và đơn giản. Riêng đối với cốt là vật liệu vô cơ, ví dụ như các loại

sợi gốm, có tính thấm ướt rất kém nên trước khi trộn phải có công đoạn bọc hoặc thấm lên trên cốt.

es s@ gm ai

l.c om

Đối với dạng vải, có nhiều cách để chế tạo bán thành phẩm. Ví dụ, nhúng tấm vải vào thùng nhựa rồi xếp thành từng lớp và tiến hành ép, hoặc trải từng lớp vải vào lòng khuôn rồi phun hoặc quét nhựa, lại trải vải, lại quét nhựa… Lặp lại quy trình như vậy cho đến khi đạt chiều dày yêu cầu. 8.4. COMPOSITE NỀN KIM LOẠI

Trong vật liệu composite nền kim loại, thường dùng nhiều trong kỹ thuật là vật liệu tổ hợp nền kim loại màu do những tính chất ưu việt mà các kim loại đen không có được, ví dụ như nhẹ, bền ở nhiệt độ cao, chịu mài mòn tốt… nhưng công nghệ chế tạo lại đơn giản hơn. Một số loại như sau

bu s

8.4.1. Composite nền nhôm cốt hạt 8.4.3. Composite nền đồng hạt thép 8.5. COMPOSITE NỀN GỐM

qu yn ho n

8.4.2. Composite nền nhôm cốt sợi

eb oo k

:d ay

ke m

Vật liệu composite nền gốm (ceramic matrix composite, CMC) đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi nhằm khắc phục những nhược điểm của vật liệu gốm nguyên khối, đó là tính dòn cố hữu và khả năng ứng dụng hạn chế của vật liệu gốm nguyên khối. Vật liệu composite nền gốm thường dùng để chế tạo các chi tiết làm việc trong môi trường rất khắc nghiệt như: động cơ tên lửa và động cơ phản lực, động cơ khí trong nhà máy năng lượng, vỏ cách nhiệt của tàu không gian, lớp lót đầu tiên của buồng phản ứng nấu chảy, phanh máy bay, lò nhiệt luyện… đây là môi trường làm việc có nhiệt độ rất cao nhưng rất khó làm nguội bằng chất lỏng thông thường. Mặt khác, khi thay thế các siêu hợp hợp kim bằng vật liệu gốm composite còn tiết kiện được khá nhiều khối lượng, điều vô cùng quan trọng đối với ngành hàng không vũ trụ.

-P D

Trong composite nền gốm, vật liệu cốt có thể là cốt dạng không liên tục kiểu hạt, sợi ngắn hoặc lát vụn. Cũng có thể dùng cốt liên tục dạng sợi. Trong trường hợp cốt gián đoạn, việc tăng độ bền và độ dai va đập chỉ có thể tăng đến một giới hạn nào đó nhưng vẫn đủ để sử dụng. Một ví dụ composite nền gốm sợi vụn dùng trong lĩnh vực dụng cụ cắt là composite SiC/Si3N4, trong đó SiC là pha gia cường, còn Si3N4 đóng vai trò vật liệu nền.