Bài giảng Vật liệu kỹ thuật - Bộ môn Cơ học - Vật liệu

8/20/2019 Bài giảng Vật liệu kỹ thuật - Bộ môn Cơ học - Vật liệu

http://slidepdf.com/reader/full/bai-giang-vat-lieu-ky-thuat-bo-mon-co-hoc-vat-lieu 1/147

Bài giảng Vật liệu k ỹ thuật Bộ môn cơ học-vật liệu

http://www.ebook.edu.vn 1

MỤC LỤC

MỤC LỤC ...................................................................................................................................... 1LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................................ 5PHẦ N I ........................................................................................................................................... 6VẬT LIỆU HỌC CƠ SỞ ................................................................................................................ 6

Chươ ng 1..................................................................................................................................... 6Cấu trúc tinh thể của vật liệu ...................................................................................................... 61.1. Cấu tạo và liên k ết nguyên tử .............................................................................................. 6

1.1.1.Khái niệm cơ bản về cấu tạo nguyên tử ........................................................................... 61.1.2. Mô hình nguyên tử .......................................................................................................... 81.1.3.Các dạng liên k ết nguyên tử trong chất r ắn ................................................................... 11

1.2.Sự sắ p xế p nguyên tử trong vật chất ................................................................................... 151.2.1.Chất khí .......................................................................................................................... 15

1.2.2. Chất r ắn tinh thể .............................................................................................................. 151.2.3. Chất lỏng, chất r ắn vô định hình và vi tinh thể ............................................................. 16

1.3.Khái niệm mạng tinh thể ..................................................................................................... 161.3.1. Khái niệm và tính chất của mạng tinh thể. .................................................................... 161.3.2. Các yếu tố đối xứng định hướ ng hay các yếu tố đối xứng trong hình hữu hạn ............ 181.3.3. Các yếu tố đối xứng vị trí hay các yếu tố đối xứng trong hình vô hạn ......................... 18

1.3.4. Các ô mạng cơ sở và 14 kiểu mạng tinh thể ................................................................. 191.3.5 Ảnh hưở ng của kiểu liên k ết đến cấu trúc và tính chất tinh thể ..................................... 221.4. Một số kiểu mạng tinh thể điển hình của kim loại ............................................................. 23

1.5. Sai lệch mạng tinh thể lệch .................................................................................................... 241.5.1. Các sai lệch điểm trong mạng tinh thể .......................................................................... 241.5.2. Lệch đườ ng, lệch mặt và tác dụng của lệch trong tinh thể ........................................... 25

1.6. Đơ n tinh thể và đa tinh thể ................................................................................................. 261.6.1. Tính có hướ ng của tinh thể ........................................................................................... 261.6.2. Đơ n tinh thể và đa tinh thể ............................................................................................ 271.6.2.1. Đơ n tinh thể ............................................................................................................... 271.6.2.2. Đa tinh thể .................................................................................................................. 27

Chươ ng 2 ....................................................................................................................................... 29Sự k ết tinh và hình thành tổ chức của kim loại ............................................................................. 292.1. Cơ sở chung của sự k ết tinh ............................................................................................... 292.1.1 Điều kiện xảy ra khi k ết tinh .......................................................................................... 292.1.2. Chuyển biến xảy ra khi k ết tinh .................................................................................... 302.1.2. Sự thải nhiệt .................................................................................................................. 312.1.3. Tổ chức tế vi khi k ết tinh .............................................................................................. 33

2.2. Hai quá trình của sự k ết tinh .............................................................................................. 342.2.1. Quá trình tạo mầm ........................................................................................................ 342.2.1.1. Quá trình tạo mầm đồng thể (mầm nội sinh) ............................................................. 342.2.1.2. Quá trình tạo mầm dị thể ( mầm ngoại sinh) ............................................................. 35





2.2.2. Quá trình phát triển mầm ................................................................................................ 382.2.3. Sự tạo mầm trong chất r ắn .............................................................................................. 382.3. Sự hình thành hạt ............................................................................................................... 392.4. Cấu tạo tinh thể thỏi đúc .................................................................................................... 40

Phần II ........................................................................................................................................... 41HỢP KIM VÀ TỔ CHỨ C ............................................................................................................ 41

Chươ ng 3................................................................................................................................... 41Hợ p kim và giản đồ pha ............................................................................................................ 413.1. Cấu trúc tinh thể của hợ p kim ............................................................................................ 413.1.1.Khái niệm về hợ p kim .................................................................................................... 41

3.1.2. Các dạng cấu tạo của hợ p kim ........................................................................................ 413.1.2.1.Dung dịch r ắn .............................................................................................................. 423.1.2.2. Hợ p chất hóa học ....................................................................................................... 433.1.2.3. Hỗn hợ p cơ học .......................................................................................................... 44

3.2. Giản đồ pha của hệ hai cấu tử ............................................................................................ 453.2.1.Quy tắc pha và công dụng ................................................................................................ 453.2.2. Các giản đồ pha và công dụng ........................................................................................ 453.2.2.1. Giản đồ loại 1 ............................................................................................................. 463.2.2.2. Giản đồ loại 2 ............................................................................................................. 473.2.2.3. Giản đồ loại 3 ............................................................................................................. 48

3.3. Giản đồ sắt-cacbon và các tổ chức ..................................................................................... 493.3.1.Giản đồ pha Fe-Fe3C ........................................................................................................ 503.3.2. Các tổ chức của hợ p kim Fe-C ........................................................................................ 51Chươ ng 4................................................................................................................................... 55 Nhiệt luyện thép ........................................................................................................................ 55

4.1. Khái niệm nhiệt luyện ........................................................................................................ 554.1.1. Đặc điểm của nhiệt luyện ................................................................................................ 554.1.2. Tác dụng của nhiệt luyện trong nhà máy cơ khí ............................................................. 554.2. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng .............................................................................. 574.2.1. Cơ sở xác định chuyển biến khi nung nóng .................................................................... 574.2.2. Đặc điểm của chuyển biến pec lít thành austenit ............................................................ 584.2.3. Chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt .................................................................................... 594.2.4. Chuyển biến của austenit khi làm nguội chậm ............................................................... 594.2.6. Chuyển biến austenit khi làm nguội nhanh ..................................................................... 634.2.7. Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi ( khi ram) ......................................................... 644.2.7.2. Các chuyển biến xảy ra khi ram ................................................................................... 65

4.3. Các dạng nhiệt luyện thép và hợ p kim ............................................................................... 664.3.2.Ủ thép ............................................................................................................................... 664.3.3.Thườ ng hóa thép .............................................................................................................. 684.3.4Tôi thép ............................................................................................................................. 694.3.5.Ram thép .......................................................................................................................... 724.4.Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện thép .......................................................................... 744.4.1.Biến dạng và nứt .............................................................................................................. 744.4.2.Oxy hóa và thoát cacbon .................................................................................................. 744.4.3.Độ cứng không đạt ........................................................................................................... 754.5. Hóa nhiệt luyện .................................................................................................................. 75





4.5.1. Thấm cacbon ................................................................................................................... 764.5.2. Thấm ni tơ cho thép ........................................................................................................ 774.5.3. Thấm đồng thờ i bề mặt thép bằng cacbon và ni tơ ......................................................... 78

PHẦ N 3 ......................................................................................................................................... 79CÁC LOẠI VẬT LIỆU ................................................................................................................ 79Chươ ng 5 ....................................................................................................................................... 79Thép và gang ................................................................................................................................. 79

5.1. Khái niệm chung về thép cacbon và thép hợ p kim ............................................................ 795.1.1. Thép cacbon .................................................................................................................... 795.1.2. Thép hợ p kim .................................................................................................................. 815.2. Thép xây dựng ................................................................................................................... 835.2.1. Đặc điểm chung và phân loại .......................................................................................... 835.2.2. Thép thông dụng ............................................................................................................. 845.2.3. Thép hợ p kim thấ p độ bền cao ........................................................................................ 85

5.2.4. Thép làm cốt bê tông ....................................................................................................... 855.4. Thép chế tạo máy ............................................................................................................... 865.4.1. Các yêu cầu chung .......................................................................................................... 865.4.2. Các nhóm thép chế tạo máy ............................................................................................ 865.5. Thép dụng cụ...................................................................................................................... 865.5.1. Các yêu cầu chung .......................................................................................................... 865.5.2. Các nhóm thép dụng cụ................................................................................................... 875.6. Thép đặc biệt ...................................................................................................................... 905.6.1. Đặc điểm chung và phân loại .......................................................................................... 905.6.2. Thép không r ỉ .................................................................................................................. 905.6.3. Thép bền nóng................................................................................................................. 92

5.7. Gang ................................................................................................................................... 935.7.1. Đặc điểm chung của các loại gang .................................................................................. 935.7.2. Gang xám ........................................................................................................................ 945.7.3. Gang cầu ......................................................................................................................... 955.7.4. Gang dẻo ......................................................................................................................... 97Chươ ng 6 ................................................................................................................................... 996.1. Nhôm và hợ p kim nhôm .................................................................................................... 996.1.1. Nhôm nguyên chất và phân loại hợ p kim nhôm ............................................................. 996.1.2.Hợ p kim nhôm biến dạng............................................................................................... 1006.1.3. Hợ p kim nhôm đúc ....................................................................................................... 1016.2. Đồng và hợ p kim đồng..................................................................................................... 103

6.2.1. Đồng nguyên chất và các đặc tính của hợ p kim đồng .................................................. 1036.2.2. Phân loại hợ p kim đồng ................................................................................................ 1036.3. Các hợ p kim ổ tr ượ t ......................................................................................................... 1056.3.1. Yêu cầu đối vớ i hợ p kim làm ổ tr ượ t ............................................................................ 1056.3.2. Hợ p kim ổ tr ượ t có nhiệt độ chảy thấ p ......................................................................... 1056.3.3. Hợ p kim nhôm làm ổ tr ượ t ........................................................................................... 106

Chươ ng 7 ..................................................................................................................................... 107Vật liệu polyme ........................................................................................................................... 107

7.1. Khái niệm ......................................................................................................................... 1077.1.1. Định ngh ĩ a ..................................................................................................................... 107





7.1.2. Phân loại polyme........................................................................................................... 1087.2. Cấu trúc phân tử polyme và tính chất .............................................................................. 1107.2.1. Cấu trúc phân tử polyme ............................................................................................... 1107.2.2. Sự k ết tinh của polyme ................................................................................................. 1147.2.3. Tính chất cơ học của polyme ........................................................................................ 1157.3. Một số phươ ng pháp gia công polyme ............................................................................. 1177.3.1. Công nghệ cán............................................................................................................... 1177.3.2. Công nghệ đùn .............................................................................................................. 1187.3.3.Công nghệ đúc áp lực (hay còn gọi là đúc phun) .......................................................... 1197.3.4. Công nghệ thổi vật r ỗng ................................................................................................ 1207.4. Các loại vật liệu polyme chính và công dụng .................................................................. 1217.4.1. Các loại nhựa nhiệt dẻo thông dụng ............................................................................. 1217.4.2. Các loại nhựa nhiệt r ắn thông dụng .............................................................................. 1247.4.3.Elastome tổng hợ p ......................................................................................................... 125

Chươ ng 8................................................................................................................................. 1268.1. Khái niệm chung .............................................................................................................. 1268.1.1. Định ngh ĩ a ..................................................................................................................... 1268.2. Vật liệu Polyme Compozit ............................................................................................... 1298.2.1. Thành phần của vật liệu ................................................................................................ 1298.2.3. Chất độn và phụ gia ...................................................................................................... 1368.2.4. Đặc điểm tính chất sử dụng của vật liệu polyme compozit .......................................... 1398.3. Một số phươ ng pháp chế tạo k ết cấu từ vật liệu polyme compozit ................................. 1408.3.1. Đặc tr ưng chung của công nghệ .................................................................................... 1408.3.2. Một số phươ ng pháp gia công chế tạo k ết cấu từ compozit.......................................... 1408.4. Ứ ng dụng của vật liệu polyme compozit ......................................................................... 144

8.4.1. Ứ ng dụng trong chế tạo ôtô và các phươ ng tiện giao thông trên mặt đất .................... 1458.4.2. Ứ ng dụng trong l ĩ nh vực đóng tàu ................................................................................ 1458.4.3. Ứ ng dụng trong hàng không và vũ tr ụ .......................................................................... 1458.4.4. Các ứng dụng quan tr ọng khác của vật liệu polyme compzozit ................................... 146





LỜ I NÓI ĐẦU

Từ khi loài ngườ i biết dùng lửa để sưở i ấm, biết hái lượ m săn bắn để đảm bảo sự tồn tại

của mình cho đến nay, khoa học k ỹ thuật đã có những bướ c phát triển vượ t bậc làm thay đổi căn

bản cuộc sống của con ngườ i. Ngày nay khoa học k ỹ thuật chủ yếu tậ p trung vào năm l ĩ nh vực

lớ n là: công nghệ thông tin, cơ khí-tự động hóa, điện tử viễn thông, công nghệ sinh học và công

nghệ vật liệu. Trong đó công nghệ vật liệu đang có những bướ c phát triển quan tr ọng tạo ra nhiều

loại vật liệu có tính năng ưu việt ứng dụng trong mọi l ĩ nh vực của đờ i sống và k ỹ thuật.

Vì vật liệu có tầm quan tr ọng như thế cho nên việc sử dụng vật liệu như thế nào cho thích

hợ p vớ i yêu cầu và điều kiện làm việc là vấn đề hết sức quan tr ọng. Mỗi một loại vật liệu lại có

những đặc điểm riêng về tính chất và giá thành do đó để có thể lựa chọn vật liệu cho phù hợ p

không hề đơ n giản. Trong l ĩ nh vực cơ khí và đóng tàu không thể không liên quan đến vật liệu, vì

thế một yêu cầu tối thiểu đối vớ i k ỹ sư cơ khí và đóng tàu là phải nắm đượ c tính chất của một số

loại vật liệu để có thể lựa chọn và sử dụng chúng trong những điều kiện làm việc cụ thể của các

k ết cấu và chi tiết máy. Muốn thế phải hiểu đượ c những kiến thức hết sức cơ bản về một số loại

vật liệu đang đượ c sử dụng phổ biến hiện nay, đó là vật liệu kim loại, vật liệu polyme và vật liệu

compozit. Đó là những nội dung chủ yếu của bài giảng này.

Hiện nay các nhà khoa học vật liệu liên tục nghiên cứu tìm tòi và đã phát minh ra r ất nhiều

loại vật liệu mớ i làm biến đổi sâu sắc các loại vật liệu truyền thống, có những loại vật liệu đượ c

biến tính để áp dụng trong những chi tiết, các k ết cấu làm việc trong những điều kiện khắc

nghiệt. Tuy nhiên do thờ i gian và tư liệu có hạn chắc chắn bài giảng này chưa cung cấ p đượ c

những vấn đề mớ i nhất, tác giả sẽ có gắng hoàn thiện và liên tục bổ sung những vấn đề mớ i về

khoa học vật liệu trong thờ i gian sớ m nhất

Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơ n các thầy giáo trong bộ môn cơ học-vật liệu,

khoa k ỹ thuật tàu thủy, đặc biệt là PGS.TS Quách Đình Liên tr ườ ng đại học Nha Trang đã có

những đóng góp quý báu cho bài giảng này.





PHẦN I

VẬT LIỆU HỌC CƠ SỞ Chương 1

Cấu trúc tinh thể của vật liệu

1.1. Cấu tạo và liên k ết nguyên tử

1.1.1.Khái ni ệm cơ bản về cấ u t ạo nguyên t ử

Như chúng ta đã biết ở các môn học vật lý và hóa học đại cươ ng, cấu tạo nguyên tử là hệ thống gồm hạt nhân mang điện tích dươ ng, xung quanh hạt nhân là các điện tử mang điện tíchâm bao quanh, ở tr ạng thái bính thườ ng nguyên tử trung hoà về điện.

Nguyên tử là phần tử của vật chất không phân chia nhỏ hơ n đượ c trong các phản ứng hóahọc. Mỗi loại nguyên tử có tính chất vật lý và hóa học đặc tr ưng và tạo nên một nguyên tố hóahọc. Mỗi nguyên tố có một nguyên tử số xác định. Các thông số cơ bản của nguyên tử thể hiện ở bảng 1-1.

Bảng 1-1.Các thông số cơ bản của nguyên t ử

Khố i l ượ ng ≈ 1.67 × 10-27 to 4.52 × 10-25 kg Điện tích Bằng không (nếu có số điện tử trên quỹ đạo

bằng số proton trong nguyên tử Đườ ng kính 50 pm(H) đến 520 pm(Cs)S ố nguyên t ử có thể quan sát đượ c trong vũ tr ụ

~1080

Kích thướ c của nguyên tử phải nói là r ất nhỏ, đườ ng kính của phân tử hydro có độ lớ n vàokhoảng hai lần bán kính Van de Van (van der Waals radius).

Bán kính van der Walls của nguyên tử là khoảng của điện tử xa nhất đến hạt nhân củanguyên tử (trong tr ườ ng hợ p nguyên tử độc lậ p) hoặc đến trung tâm của phân tử.

Sở d ĩ nó có tên là bán kính van der Walls là để k ỷ niệm Johannes Diderik van der Walls

khi ông đượ c nhận giả thưở ng Nobel vào năm 1910. Kích thướ c của một số nguyên tử thể hiện ở bảng





Bảng 1-2 Kích thướ c của một số nguyên t ử

Nguyên tố Bán kính (Å)

Hydro 1.20Cac bon 1,70

Ni tơ 1,55Ô xy 1,52Flo 1,35Phốt pho 1,90Lưu huỳnh (sulphur) 1,85Clo (chlorine) 1,8

Nếu so sánh kích thướ c của nguyên tử vớ i các sợ i tóc của ngườ i thì mỗi sợ i tóc cókhoảng 1 triệu nguyên tử các bon, còn một giọt nướ c chứa khoảng 2x1021 nguyên tử ôxy và hai

lần lớ n hơ n là số lượ ng nguyên tử hydro. Còn hạt bụi trung bình chứa 3x1012

(3 tỉ) nguyên tử.Số nguyên tử trong 12 gam than củi vào khoảng 6x1023 nhiều hơ n 1.400.000 thờ i gian tuổi củavũ tr ụ đượ c tính bằng giây.

Nguyên tử -phần tử luôn giữ nguyên- là phần tử nhỏ nhất không phân chia đượ c trong các phản ứng hóa học, từ đó nó có tên gọi nguyên tử. Tuy nhiên, trong một số tươ ng tác vật lý,nguyên tử có thể đượ c tách ra thành các thành phần nhỏ bé hơ n, gọi là các hạt hạ nguyên tử.

Do nguyên tử là trung hòa về điện, mà điện tử lại có điện tích âm nên cần phải có một điệntích dươ ng tồn tại trong nguyên tử. Hơ n nữa, vì khối lượ ng của điện tử r ất nhỏ so vớ i khối lượ ngcủa nguyên tử nên cần phải có một thực thể nào đó tạo ra khối lượ ng lớ n của nguyên tử. Các

k ết quả thực nghiệm cho thấy nguyên tử có thể bị phân chia và đó là cơ sở cho mô hình nguyêntử.

Cấu tạo của hạt nhân nguyên tử gồm có hạt mang điện tích dươ ng gọi là proton và hạtkhông mang điện gọi là notron. Các điện tử phân bố quanh hạt nhân theo các mức năng lượ ng từ thấ p đến cao.

+ Electron là hạt hạ nguyên tử đầu tiên đượ c tìm ra dựa vào tính chất điện của vật chất. Vào cuốithậ p k ỷ đầu tiên của thế k ỷ thứ 19, ngườ i ta đã nghiên cứu ống chùm ca-tốt (cathode ray tube).Ống chùm ca-tốt là một ống thuỷ tinh, bên trong có chứa khí có áp suất thấ p, một đầu của ống làcực dươ ng, và đầu kia là cực âm. Hai cực đó đượ c nối vớ i một nguồn có điện thế khác nhau,

nguồn này tạo ra một dòng hạt có thể đi qua khí bên trong ống. Ngườ i ta giả thiết r ằng có mộtchùm hạt phát ra từ cực dươ ng đi về phía cực âm và làm cho ống phát sáng. Chùm đó đượ c gọilà chùm ca-tốt. Khi đặt một vật chướ ng ngại nhẹ trong ống thì vật đó bị di chuyển từ cực dươ ngvề cực âm, ngườ i ta k ết luận hạt đó có khối lượ ng. Khi đặt một từ tr ườ ng vào thì dòng hạt bị dịchchuyển, ngườ i ta k ết luận hạt đó có điện tích.

Năm 1897, nhà vật lý ngườ i Anh Joseph John Thomson (1856-1940) đã kiểm chứng hiệntượ ng này bằng r ất nhiều thí nghiệm khác nhau, ông đã đo đượ c tỷ số giữa khối lượ ng của hạt vàđiện tích của nó bằng độ lệch hướ ng của chùm tia trong các từ tr ườ ng và điện tr ườ ng khác nhau.Thomson dùng r ất nhiều các kim loại khác nhau làm cực dươ ng và cực âm đồng thờ i thay đổinhiều loại khí trong ống. Ông thấy r ằng độ lệch của chùm tia có thể tiên đoán bằng công thức





toán học. Thomson tìm thấy tỷ số điện tích/khối lượ ng là một hằng số không phụ thuộc vào việcông dùng vật liệu gì. Ông k ết luận r ằng tất cả các chùm ca-tốt đều đượ c tạo thành từ một loại hạtmà sau này nhà vật lý ngườ i Ái Nh ĩ Lan George Johnstone Stoney đặt tên là "electron", vào năm1891.

Các nhà khoa học cũng xác định đượ c khối lượ ng và điện tích của các electron. Theo đó,điện tích của electron là -1,602.10-9 C và khối lượ ng của nó là 9,1.10-31 kg. Electron có đườ ngkính khoảng 10-7Ao. Mặc dù có kích thướ c và khối lượ ng r ất nhỏ nhưng electron chuyển độngtrong một không gian chung quanh hạt nhân lớ n gấ p hàng tỷ lần thể tích hạt nhân

+ Proton

Năm 1911 Rutherford đã sử dụng radi phóng ra một chùm hạt α mang điện tích dươ ng, cókhối lượ ng gấ p khoảng 7500 lần khối lượ ng của electron, hướ ng vào một là vàng mỏng L. Ông

dùng màn huỳnh quang theo dõi đườ ng đi của hạt. K ết quả thí nghiệm cho thấy là hầu hết các hạtα đều xuyên thẳng qua lá vàng nhưng có một số r ất ít đi lệch hướ ng ban đầu hoặc bị bật tr ở lạisau khi gặ p lá vàng. Điều này giải thích là ngoài các electron tạo thành lớ p vỏ nguyên tử, trongnguyên tử còn hạt nhân mang điện tích dươ ng tậ p trung hầu hết khối lượ ng của nguyên tử nhưngcó kích thướ c r ất nhỏ so vớ i thể tích nguyên tử.

Năm 1913, nhà vật lý ngườ i Anh Henry Gwyn Jeffreys Moseley (1887-1915) thấy r ằngmỗi nguyên tố có một điện tích dươ ng duy nhất tại hạt nhân của nguyên tử. Do đó hạt nhân phảichứa một loại hạt mang điện tích dươ ng đượ c gọi là proton. Số proton trong hạt nhân đượ c gọilà nguyên tử số hay còn gọi là số hiệu nguyên tử

+ Neutron

Ngườ i ta thấy r ằng nguyên tử lượ ng của hyđrô lớ n hơ n tổng khối lượ ng của một proton vàmột điện tử chính vì vậy phải tồn tại một loại hạt khác trong hạt nhân đóng góp vào khối lượ ngcủa nguyên tử. Vì nguyên tử trung hòa về điện nên hạt này phải không mang điện tích. Đó chínhlà các hạt neutron do vật lý ngườ i Pháp Irene Joliot-Curie (1897-1956) và nhà vật lý ngườ iAnh James Chadwick (1891-1974) phát hiện ra. Các phát hiện này giúp con ngườ i hiểu biết sâusắc hơ n về cấu trúc của nguyên tử, mở ra nhiều hướ ng nghiên cứu cho năng lượ ng nguyên tử sau này. Đồng thờ i hoàn thiện mô hình cấu trúc của nguyên tử. Điển hình là mô hình nguyên tử của Rutherford lúc đó là: proton và neutron tạo nên hạt nhân nguyên tử, điện tử chuyển độngxung quanh và chiếm phần lớ n thể tích của nguyên tử đó. Khối lượ ng của điện tử r ất nhỏ so vớ i

khối lượ ng của hạt nhân nguyên tử.

1.1.2. Mô hình nguyên t ử

Trong lịch sử của ngành hoá học các nhà khoa học đã đưa ra nhiều mô hình về cấu trúcnguyên tử, điển hình là các mô hình của Dalton, Thompson, Rutherford và mô hình lượ ng tử về nguyên tử. Đặc biệt khi con ngườ i đã phát hiện ra các proton và neutron.

Dựa trên một số giả thuyết do Lord Kelvin (1824-1907) đưa ra và các k ết quả củaMillikan, năm 1902, Năm 1903 Thomson nhà vật lý học ngườ i Anh đã đưa ra mẫu nguyên tử





gồm các ion tích điện dươ ng và các điện tử gọi là thuyết ion-điện tử. Mô hình này cho r ằng cácđiện tử mang điện tích âm đượ c tr ộn lẫn trong vật chất mang điện tích dươ ng, giống như các quả mận nhỏ đượ c tr ộn lẫn trong bánh, mô hình này còn đượ c gọi là mô hình bánh mận (tiếng Anh: plum pudding ). Nếu một điện tử bị xê dịch thì nó sẽ bị kéo về vị trí ban đầu. Điều này làm chonguyên tử trung hòa về điện và ở tr ạng thái ổn định Theo ông, mỗi nguyên tử gồm các ion tíchđiện dươ ng trong đó có các điện tử xâm nhậ p vào đủ để đảm bảo tính trung hòa điện. Mẫu ionđiện tử không giải thích đượ c hiện tượ ng bức xạ α qua lá kim loại mỏng mà Rutherford đã thựchiện trong thí nghiệm của ông.

Cùng khoảng thờ i gian đó, một nhà vật lý ngườ i Nhật bản là Hantaro Nagoaka đưa ra môhình Sao Thổ của ông vào năm 1904. Mô hình này cho r ằng vật chất mang điện tích dươ ng củanguyên tử giống như sao Thổ, còn các điện tử mang điện tích âm thì chuyển động giống như cácvòng đai của sao Thổ. Mô hình này sẽ không bền vì điện tử sẽ mất năng lượ ng và r ơ i vào tâmcủa nguyên tử.

Mô hình của Thomson đượ c thừa nhận hơ n mô hình của Nagoaka nhưng nó cũng chỉ đứngvững đượ c vài năm cho đến khi nhà vật lý ngườ i New Zealand là Ernest Rutherford (1871-1937)đưa ra mô hình nguyên tử của ông. Cùng vớ i đồng nghiệ p là Hans Geiger và Ernest Mardsen,Rutherford đã dùng một chùm hạt alpha bắn phá một lá vàng mỏng trong thí nghiệm mang tênông. Hạt alpha là một hạt mang điện dươ ng (+2), có khối lượ ng khoảng bốn lần khối lượ ngnguyên tử hydrogen. K ết quả thu đượ c cho thấy hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng mà không bị lệch hướ ng, một số hạt (1/8000 so vớ i số hạt đi thẳng) bị lệch hướ ng và một số ít hạt bị bậtngượ c tr ở lại. K ết quả này cho phép k ết luận như sau: nguyên tử có cấu tạo r ỗng, các electron bao quanh một hạt có kích thướ c r ất nhỏ so vớ i kích thướ c nguyên tử (ta cứ tưở ng tượ ng nếu hạtnhân nguyên tử lớ n cỡ một nắm tay hoặc một mét thì nguyên tử của chúng ta phải to bằng cả cái

nhà ba tầng hoặc sẽ r ộng tớ i 10km). Trên lá kim loại các phân tử mang điện tích dươ ng phân bố r ất thưa thớ t vì thế các hạt alpha đi qua lá kim loại dễ dàng. Một số hạt đi gần vớ i các hạt điệntích dươ ng và các hạt này tích điện lớ n nên đẩy hạt alpha đi lệch hướ ng ban đầu hoặc ngượ chướ ng ban đầu. Do lực Coulomb tỷ lệ nghịch vớ i bình phươ ng khoảng cách nên hạt nhân cần cókích thướ c nhỏ để đạt lực đẩy lớ n tại các khoảng cách nhỏ giữa hạt alpha và hạt nhânÔng gọi đólà hạt nhân. Hạt nhân có các điện tử quay xung quanh giống như các hành tinh quay xung quanhMặt Tr ờ i, tuy thể tích hạt nhân r ất nhỏ so vớ i nguyên tử nhưng phần lớ n khối lượ ng nguyên tử lạitậ p trung ở đó. Mô hình này còn có cái tên là mẫu hành tinh nguyên tử. Trên cơ sở nàyRutherford đã xây dựng nguyên tử kiểu hành tinh mang tên ông có nội dung như sau:

+ Mỗi nguyên tử gồm một hạt nhân tích điện dươ ng có kích thướ c r ất nhỏ so vớ i kích thướ c

nguyên tử, xung quanh hạt nhân có các điện tử chuyển động trên các quỹ đạo khác nhau

+ Nguyên tử trung hòa điện nên số điện tử trong nguyên tử bằng tr ị số điện tích hạt nhân củanguyên tố đó.

Trong mẫu hành tinh nguyên tử, hạt nhân mang điện tích dươ ng r ất nhỏ bé, tậ p trung phầnlớ n khối lượ ng của nguyên tử ở trung tâm; còn các điện tử mang điện tích âm quay chung quanhhạt nhân trên các quỹ đạo giống như các hành tinh quay chung quanh Mặt Tr ờ i.





Mẫu hành tinh nguyên tử của Rutherford không giải thích đượ c tính bền của nguyên tử.Khi điện tử chuyển động trong tr ườ ng hạt nhân, theo thuyết điện động học thì hệ sẽ bức xạ nănglượ ng liên tục, k ết quả điện tử sẽ chuyển động trên đườ ng xoắn ốc, cuối cùng r ơ i vào hạt nhân.

Hiện nay hai mô hình hiện đượ c sử dụng để mô tả cấu trúc cũng như giải thích các mốiliên k ết trong nguyên tử là mô hình của Bohr và mô hình nguyên tử đượ c xây dựng trên cơ sở của thuyết cơ học lượ ng tử. Dựa trên cơ học lượ ng tử, ngườ i ta thayđổi mô hình nguyên tử của Bohr để xây dựng lên mô hình hiện đại về nguyên tử.

Quỹ đạo xác định trong mô hình Bohr đượ c thay bằng một quỹ đạo xác suất, trên đó điện tử có thể đượ c tìm thấy vớ i một xác suấtnhất định. Qu ỹ đạo khả d ĩ hay là tr ạng thái khả d ĩ của điện tử đượ cđặc tr ưng bở i bốn số lượ ng tử. Sự sắ p xế p của các điện tử trong

nguyên tử tuân theo nguyên lý Aufbau, tức là các điện tử sẽ chiếm cáctr ạng thái có năng lượ ng thấ p nhất. Nhưng chúng phải thỏa mãnnguyên lý loại tr ừ Pauli nói r ằng không thể có nhiều hơ n hai điện tử trong nguyên tử ở các tr ạng thái năng lượ ng có bốn số lượ ng tử giốngnhau. Sau đó chúng phải thỏa mãn quy tắc Hund phát biểu r ằng các điệntử sẽ chiếm quỹ đạo sao cho có số quỹ đạo nhiều nhất đối vớ i một điệntử. Quy tắc Hund đượ c Friedrich Hund (1896-1997) đưa ra khi tính đếnlực đẩy t ĩ nh điện giữa các điện tử trên một quỹ đạo.

Mô hình nguyên t ử đượ c chấ p nhận ngày nay như sau:

• Nguyên tử đượ c tạo thành từ một hạt nhân mang điện tích dươ ng nằm ở tâm nguyên tử vàcác điện tử mang điện tích âm chuyển động xung quanh.

• Hạt nhân đượ c tạo thành từ các hạt proton mang điện tích dươ ng và các hạt neutron không mang điện. Mỗi nguyên tố chỉ có một số proton duy nhất nhưng có thể có số neutron khác nhau (các nguyên tố này đượ c gọi là các đồng vị). Hạt nhân và điện tử chiếm một vùng không gian r ất nhỏ bé so vớ i kích thướ c của nguyên tử (nếu ta coi kíchthướ c của nguyên tử bao gồm không gian của quỹ đạo các đám mây điện tử). Nếu coi hạtnhân là một quả cầu bán kính 1 m đặt tại Hà Nội thì điện tử to bằng hạt cát ở gần nhấtcũng cách đó 100 km, tức là ở Hải Phòng.

• Các điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân trên các quỹ đạo có bán kính xác định tuântheo điều kiện lượ ng tử. Sự sắ p xế p của các quỹ đạo trong nguyên tử đượ c gọi là cấu hình

điện tử. Mỗi quỹ đạo đượ c đặc tr ưng bở i ba số lượ ng tử là: số lượ ng tử chính, số lượ ng tử phươ ng vị và số lượ ng tử từ. Trên mỗi quỹ đạo có thể có hai điện tử, nhưng hai điện tử này phải có một số lượ ng tử thứ tư là spin khác nhau. Khi điện tử chuyển động trên cácquỹ đạo nó không bức xạ hay hấ p thụ năng lượ ng. Những quỹ đạo này gọi là quỹ đạodừng. Sự hấ p thụ hay bức xạ năng lượ ng chỉ khi điện tử chuyển dờ i từ quỹ đạo này sangquỹ đạo khác. Ý ngh ĩ a của các số lượ ng tử trong mô hình nguyên tử hiện đại như sau:

+ Ý ngh ĩ a của số lượ ng tử chính đặc tr ưng cho mức năng lượ ng orbitan.

Hình1.1 mẫ u hành tinh nguyênt ử của Ruther ord đố i vớ i Liti





+ Ý ngh ĩ a số lượ ng tử orbitan đặc tr ưng cho hình dạng orbitan và mômen động lượ ngorbitan. Ngh ĩ a là mỗi giá tr ị l, orbitan có hình dạng xác định và mômen động lượ ng cógiá tr ị xác định+ Ý ngh ĩ a của số lượ ng tử từ đặc tr ưng cho sự định hướ ng của orbitan trong không gian+ Ý ngh ĩ a của số lượ ng tử spin đặc tr ưng cho sự chuyển động quay xung quanh tr ục riêngcủa nó.

• Các quỹ đạo của điện tử không phải là những đườ ng cố định mà là sự phân bố xác suất mà các điện tử có thể có mặt.

• Các điện tử sẽ chiếm các quỹ đạo có năng lượ ng thấ p nhất (các quỹ đạo gần hạt nhânnhất). Chỉ có các điện tử ở lớ p ngoài cùng mớ i có khả năng tham gia để tạo các liên k ếthóa học.

1.1.3.Các d ạng liên k ế t nguyên t ử trong chấ t r ắn

Trong vật liệu tồn tại r ất nhiều các dạng liên k ết khác nhau, chính vì sự khác nhau trongliên k ết này mà cơ tính của các loại vật liệu khác nhau sẽ khác nhau. Sau đây chúng ta sẽ xem xétmột số dạng liên k ết cơ bản trong vật liệu.

a. Liên k ế t cộng hoá tr ị

Liên k ết cộng hoá tr ị là loại liên k ết đượ c tạo thành khi hai hoặc nhiều nguyên tử góp chungcác điện tử hoá tr ị của mình để số điện tử ở lớ p ngoài cùng có đủ 8 điện tử hoá tr ị ( qui tắc bát tử)giống vỏ điện tử của nguyên tố khí tr ơ bền vững.

Một cặ p điện tử dùng chung giữa hai nguyên tử sẽ tạo nên một liên k ết cộng hoá tr ị. Tuỳ thuộc vào bản chất của các nguyên tố hay nói cụ thể hơ n là tuỳ thuộc vào độ âm điện của cácnguyên tố dùng chung điện tử mà ta có các loại liên k ết cộng hoá tr ị sau:

+ Liên k ết cộng hoá tr ị không phân cực hình thành từ các nguyên tố có độ âm điện tươ ngđươ ng nhau. Các cặ p điện tử dùng chung phân bố đối xứng giữa hai nguyên tử. Phân tử có liênk ết cộng hoá tr ị kiểu này không bị phân cực.

Hình 1.2 Mô hình nguyênt ử cấu tạo nguyên tử Na,hạt nhân bao gồm 11 proton và 12 notron, 11đ iện tử xung quanh hạtnhân chia lam ba lớ p, 2 ỏ trong , 8 ở giũa và 1 ở ngoài cùng.

theo quan đ iể m hiện đạicủa cơ học l ượ ng t ử





+ Liên k ết cộng hoá tr ị phân cực hình thành từ các nguyên tố có độ âm điện khác nhau ( có bản chất hoá học khác nhau) khi đó cặ p điện tử dùng chung có xu hướ ng chuyển dịch khônghoàn toàn về phía nguyên tử có độ âm điện lớ n hơ n.

+ Liên k ết cộng hoá tr ị phối hợ p hình thành từ cặ p điện tử do một nguyên tố đóng góp

Để có thể hiểu rõ hơ n về bản chất của liên k ết cộng hoá tr ị ta xem xét một số ví dụ về liên k ếtcộng hoá tr ị như sau: Phân tử Hidro đượ c tạo thành từ hai nguyên tử Hidro, mỗi một nguyên tử góp chung một điện tử để làm cho lớ p điện tử của nguyên tử nào cũng đủ hai điện tử giống lớ pđiện tử ngoài cùng của các nguyên tố khí hiếm.

Phân tử clo đượ c tạo thành từ hai nguyên tử clo, nguyên tử clo có bảy điện tử lớ p ngoàicùng, để tạo thành liên k ết cộng hoá tr ị mỗi nguyên tử clo góp chung một điện tử để làm cho lớ pđiện tử ngòai cùng của mỗi nguyên tử clo có đủ tám điện tử.

Phân tử HCl tạo thành từ hai nguyên tố có độ âm điện khác nhau, nguyên tử Hidro có một

điện tử lớ p ngoài cùng trong khi đó nguyên tử clo có 7 điện tử lớ p ngoài cùng, mỗi một nguyêntử góp chung một điện tử để tạo thành liên k ết cộng hoá tr ị tuy nhiên do Clo có độ âm điện lớ nhơ n hidro nên cặ p điện tử này bị lệch về phía nguyên tử clo, đó chính là liên k ết cộng hoá tr ị phân cực trong phân tử HCl.

Nói chung liên k ết cộng hoá tr ị là liên k ết mạnh, tuy nhiên cườ ng độ của nó phụ thuộc r ất

nhiều vào đặc tính liên k ết giữa điện tử hóa tr ị vớ i hạt nhân.

b. Liên k ế t ion

Liên k ết ion là liên k ết đượ c tạo thành do lực hút t ĩ nh điện giữa các ion mang điện tráidấu nhờ sự trao đổi điện tử từ nguyên tử này sang nguyên tử khác.

Bình thườ ng các nguyên tử trung hoà về điện tuy nhiên các phản ứng hoá học các nguyêntử có thể nhận thêm các điện tử để tạo thành ion âm và mất đi các điện tử để tạo thành iondươ ng. Các ion mang điện trái dấu này sau đó sẽ hút nhau bằng lực hút t ĩ nh điện. Hình vẽ sauđây mô tả sự cho nhận điện tử giữa Na và Cl để tạo thành phân tử muối ăn NaCl bằng liên k ếtion.

Hình 1.3 mô t ả việc các nguyên t ử dùng chung các đ iện t ử để t ạo thành liên k ế t cộng hóa tr ị , t ạo thành HCl (a) và CH 4 (b)





Bản chất của liên k ết ion là lực t ĩ nh điện gây nên bở i tr ườ ng t ĩ nh điện đối xứng trongkhông gian (đối xứng cầu) không bão hoà của ion trung tâm. Vì vậy, liên k ết ion không có tínhchất bão hoà và tính chất định hướ ng.

c.Liên k ế t kim loại

Các điện tử hoá tr ị trong kim loại có tính linh động r ất lớ n,khi kim loại ở tr ạng thái tinh thể các điện tử này bị tách ra khỏinguyên tử. Nguyên tử bị tách ra sẽ tr ở thành ion dươ ng nằm lạicác nút mạng lướ i tinh thể, còn các điện tử sau khi bị tách sẽ diđộng tạo thành đám khí điện tử di động trong toàn bộ mạnglướ i. Đám khí này bao bọc các ion dươ ng kim loại tạo thànhliên k ết giữa chúng. Liên k ết hoá học như vậy gọi là liên k ếtkim loại. Một đặc điểm cơ bản của liên k ết kim loại là liên k ếtkim loại không có tính định hướ ng, tính chất bão hoà hoá tr ị.

Do liên k ết đặc biệt như vậy nên tạo cho kim loại các tính chấtđiển hình đặc tr ưng của kim loại như tính dẫn điện dẫn nhiệttốt, ánh kim hay tính dẻo của kim loại

- Ánh kim hay vẻ sáng: Bề mặt kim loại sáng khi bị ánh sáng chiếu vào, điện tử tự do nhậnnăng lượ ng và bị kích thích, có mức năng lượ ng cao hơ n song không ổn định, khi tr ở về mức cũ sẽ phát ra sóng ánh sáng.

- Dẫn nhiệt và dẫn điện tốt: Nhờ có điện tủ tự do r ất dễ chuyển động định hướ ng dướ i mộthiệu điện thế làm kim loại có tính dẫn điện cao. Tính dẫn nhiệt của kim loại đượ c giảithích bằng sự truyền động năng của các điện tử tự do và ion dươ ng.

- Tính dẻo cao: Đây là tính chất r ất quan tr ọng, nhờ có nó mà kim loại có thể cán dát mỏnghay kéo r ất thuận lợ i cho vận chuyển gia công và sử dụng. Nguyên nhân chính làm kimloại có tính dẻo đó là các ion dươ ng kim loại r ất dễ dịch chuyển giữa các lớ p đệm là mâyđiện tử dướ i tác dụng cơ học hơ n nữa khi kim loại biến hình liên k ết kim loại vẫn đượ c bảo tồn do vị trí tươ ng quan giữa các ion dươ ng và điện tử tự do không thay đổi.

c. Liên k ế t thứ cấ p

+Liên k ết hydro: Trong các phân tử có các liên k ết O-H, N-H, F-H, tuy H đã bão hoà hoá tr ị nhưng vẫn có khả năng hình thành liên k ết vớ i một số nguyên tử có độ âm điện mạnh của các phân tử khác gọi là liên k ết hydro. Liên k ết hydro có bản chất tươ ng tác t ĩ nh điện mang một phầntính chất của liên k ết cho nhận ( không cho nhận hoàn toàn electron mà chỉ dịch chuyển một

Hình 1.4 Nguyên t ử Nanhườ ng 1e để tr ở thành

Na+ , nguyên t ử Cl nhận1etr ở thanh Cl -. Lự c hút t ĩ nhđ iện t ạo thành liên k ế t giữ ahai ion Na+ và Cl -

Hình 1.5. Liên k ế t kim loạivớ i đ ám mây đ iện t ử khôngđịnh cư





Uh = Uđh + Uc + Ukt =4 2 2

6 6 6

2 2 m 3I- - -

3r kT r 4 r

µ α α

Đặt n =4 2 2

6 6 62 2 m 3I- - -3r kT r 4 r

µ α α ta có Uh= 6n-r

Khi ở khoảng cách nhỏ, giữa các phân tử còn có lực đẩy của các vỏ electron và cách hạt nhânvớ i thế năng đẩy xác định theo công thức:

Uđ = 12

m

r

Vậy tươ ng tác đẩy toàn phần giữa các phân tử sẽ là :

U = Uđ + Uh = 12

m

r 6

n-

r

1.2.Sự sắp xếp nguyên tử trong vật chất

1.2.1.Chấ t khí

Trong chất khí sự xắ p xế p nguyên tử một cách hỗn loạn, thực chất là hoàn toàn không cótr ật tự. Khoảng cách giữa các nguyên tử không cố định mà hoàn toàn phụ thuộc vào thể tích của bình chứa, tức là có thể chịu nén.

Trong chất khí năng lượ ng chuyển động của các phân tử lớ n hơ n nhiều so vớ i năng lượ ngtác động tươ ng hỗ giữa các phân tử. Ở tr ạng thái khí khi lực hút tươ ng hỗ không có khẳ năngchống lại chuyển động nhiệt, các phân tử khí chuyển động hỗn loạn ( chuyển động tịnh tiến,chuyển động quay và chuyển động dao động). Ở điều kiện bình thườ ng khoảng cách trung bìnhgiữa các nguyên tử khá lớ n so vớ i kích thướ c chính phân tử. Do đó mật độ phân tử bé nên chất

khí không có hình thù riêng và dễ dàng biến đổi thể tích khi thay đổi nhiệt độ.

1.2.2. Chấ t r ắn tinh thể

Ngượ c lại vớ i chất khí, trong chất r ắn tinh thể mỗi nguyên tử có vị trí hoàn toàn xác địnhkhông những vớ i các nguyên tử bên cạnh hay ở gần-tr ật tự gần mà còn có cả vớ i nguyên tử khác bất k ỳ xa hơ n-tr ật tự xa. Như vậy chất r ắn tinh thể có cả tr ật tự gần lẫn tr ật tự xa ( trong khi đóchất khí hoàn toàn không có tr ật tự, tức là không có cả tr ật tự gần lẫn tr ật tự xa )

Do có sắ p xế p tr ật tự nên chất r ắn tinh thể có cấu trúc tinh thể đượ c xác định bằng kiểumạng tinh thể xác định, tức các nguyên tử của nó đượ c xế p thành hàng, lối vớ i qui luật nhất định. Nối tâm các nguyên tử xắ p sế p theo qui luật bằng các đườ ng thẳng tưở ng tượ ng sẽ cho ta hình

ảnh của mạng tinh thể, trong đó nơ i giao nhau của các đườ ng thẳng đượ c gọi là nút mạng. Ví dụ,trên hình sau đây trình bày một phần của mạng tinh thể vớ i kiểu sắ p xế p trong đó các nguyên tử nằm ở các đỉnh của hình lậ p phươ ng. Nút mạng đượ c quan niệm như một điểm của mạng, tươ ngứng vớ i nó chỉ có một nguyên tử như ở mạng tinh thể kim loại. Trong mạng tinh thể hợ p chấthoá học vớ i các liên k ết ion hay đồng hoá tr ị, ứng vớ i một nút của mạng tinh thể có thể là phântử, lúc đó gọi là ion nút phức.





1.2.3. Chấ t l ỏng, chấ t r ắn vô đị nh hình và vi tinh thể

a. Chấ t l ỏng

Chất lỏng có cấu trúc giống chất r ắn tinh thể ở chỗ nguyên tử có xu hướ ng tiế p xúc nhautrong những nhóm nhỏ của một không gian hình cầu khoảng 0,25nm, do vậy không có tính chịunén ( thể tích co lại ) như chất khí.

Còn sự khác nhau vớ i chất r ắn tinh thể là ở những điểm sau:

+ Vị trí nguyên tử không xác định tức là trong không gian nhỏ các nguyên tử tuy có sắ p xế p tr ậttự nhưng không ổn định, luôn luôn bị phá vỡ do dao động nhiệt r ồi lại hình thành vớ i nguyên tử

khác và ở nơ i khác…Cấu trúc như vậy là có tr ật tự gần ( nhưng luôn ở tr ạng thái động). Đối vớ ikim loại lỏng, cấu trúc tr ật tự gần vớ i những nhóm nhỏ nguyên tử xít nhau một cách có tr ật tự như vậy có ý ngh ĩ a r ất quan tr ọng khi k ết tinh, khi bị làm nguội chúng cố định lại ( không bị tanđi), lớ n dần lên và tạo nên tr ật tự xa bằng cách lặ p lại vị trí theo qui định, tức là cấu trúc tinh thể.Do chỉ có tr ật tự gần, không có tr ật tự xa nên chất lỏng có tính đẳng hướ ng.

b. Chấ t r ắ n vô định hình

Ở một số chất, tr ạng thái lỏng có độ sệt cao, các nguyên tử không đủ linh hoạt để sắ p xế plại theo chuyển pha lỏng-r ắn; chất r ắn tạo thành không có cấu trúc tinh thể và đượ c gọi là chấtr ắn vô định hình. Về mặt cấu trúc có thể coi vật thể vô định hình là các chất lỏng r ắn lại. Thuỷ tinh là chất r ắn vô định hình r ất điển hình nên đôi khi còn dùng từ này để chỉ tr ạng thái vô địnhhình của các vật liệu thườ ng có cấu trúc tinh thể.

Như vậy về mặt cấu trúc, các chất r ắn thườ ng đượ c chia thành hai nhóm tinh thể và khôngtinh thể (vô định hình). Phần lớ n các chất r ắn có cấu tạo tinh thể trong đó bao gồm toàn bộ kimloại, hợ p kim và phần lớ n các chất vô cơ , r ất nhiều polyme. Sự phân chia này cũng chỉ là qui ướ ckhông hoàn toàn tuyệt đối vì nó chỉ phù hợ p vớ i điều kiện sản xuất ( chủ yếu là làm nguội) thôngthườ ng và không có ngh ĩ a bất biến, không thể đổi chỗ cho nhau.

Trong điều kiện làm nguội bình thườ ng thuỷ tinh lỏng, các phân tử SiO2 không đủ thờ igian sắ p xế p lại, nó chỉ giảm ba động nhiệt tạo nên thuỷ tinh vô định hình. Còn khi làm nguội vôcùng chậm các phân tử SiO2 có đủ thờ i gian sắ p xế p lại theo tr ật tự xa sẽ đượ c thuỷ tinh có cấutrúc tinh thể.

c. Chấ t r ắ n vi tinh thể Cũng vớ i vật liệu tinh thể k ể trên khi làm nguội từ tr ạng thái lỏng r ất nhanh ( trên dướ i

1000oC/s ) sẽ đượ c cấu trúc tinh thể nhưng vớ i kích thướ c hạt r ất nhỏ, đó là vật liệu có tên gọi vitinh thể

1.3.Khái niệm mạng tinh thể

1.3.1. Khái ni ệm và tính chấ t của mạng tinh thể .

Tinh thể là vật r ắn, nếu k ết tinh tốt có dạng nhiều mặt, cân đối hình học. Bên trong cáchạt vật chất nhỏ bé phân bố một cách có tr ật tự và tuần hoàn trong mạng không gian. Để có khái





niệm về mạng không gian ta hình dung một hệ thống gồm vô hạn những hộ p giống hệt nhau, sắ pxế p cùng chiều và khít vớ i nhau sao cho mỗi đỉnh tr ở thành đỉnh chung của 8 hộ p, mỗi cạnh làcạnh chung của 4 hộ p.

Hộ p con này có tên là ô mạng cơ sở , ô mạng cơ sở là đơ n vị tuần hoàn bé nhất của mạng,thể hiện đầy đủ tính đối xứng của mạng. Tất cả các đỉnh đều là các nút mạng, tậ p hợ p các nút

mạng này tạo thành mạng không gian. Các nút trên một đườ ng thẳng làm thành một hàng mạng (2 nút bất k ỳ của mạng xác định một hàng mạng). Khoảng cách giữa hai nút mạng cạnh nhau trênmột hàng mạng có một giá tr ị cố định và đượ c gọi là thông số của hàng mạng đó. Các hàng mạngsong song nhau sẽ có cùng thông số hàng. Ba nút không cùng trên một hàng mạng sẽ xác địnhmột mặt mạng. Tất cả mặt mạng song song nhau sẽ có cùng mật độ nút và họ p thành một họ mặtmạng. Khoảng cách giữa hai mặt mạng cạnh nhau là một hằng số đối vớ i cả họ mặt gọi là thôngsố của họ mặt hay gọi tắt là thông số mặt mạng. Cấu trúc của một tinh thể bao giờ cũng thể hiệnnhư một mạng không gian hay một số mạng không gian có cùng kích thướ c lồng vào nhau

Khoảng cách giữa các hạt cạnh nhau trong đa số các tinh thể r ất nhỏ chỉ một vài Ao,ngh ĩ a là trên 1cm chiều dài của không gian tinh thể có 108 hạt tươ ng ứng vớ i 108 nút. Do vậytrong thực tế ngườ i ta thườ ng coi mạng như một hệ thống gồm vô hạn các nút.

Để hiểu rõ hơ n về mạng không gian ta có thể

tịnh tiến 3 vecto ar

, br

, cr

không đồng phẳng xuất phát từ nút gốc của mạng một cách tuần hoàn theo 3chiều không gian ta sẽ nhận đượ c một hệ thống nút,chính là đỉnh của một hệ thống vô hạn mà ta gọi lànhững ô mạng cơ sở trên vớ i 3 cạnh a, b, c.

Tất cả các nút mạng đều suy ra đượ c từ nút mạng gốc bằng phép tịnh tiến.

1 2 3+ +T = n a n b n crr

r r

Trong đó n1 ,n2, n3 là những số nguyên nào đó, nói cách khác hai nút bất k ỳ của mạng cóthể di chuyển tớ i chỗ của nhau bằng một phép tịnh tiến T. Khi chúng tớ i chỗ của nhau các nútcòn lại của mạng cũng thế chỗ cho nhau. Vì mọi nút mạng đều hoàn toàn tươ ng đươ ng nhau dođó sau khi cho mạng tịnh tiến như vậy ta không thể phân biệt đượ c vị trí cuối cùng và vị trí đầutiên của mạng.

Hình 1.7. Ô mạng cơ sở của tinh thể

Hình. 1.8 các nút mạng đượ c suy rat ừ nút mạng g ố c bằ ng phép t ịnh tiế n





Trong mạng tinh thể chính sự xắ p sế p của vật chất theo qui luật mạng không gian đã tạo nênnhững tính chất đặc tr ưng cho tinh thể đó là tính đồng nhất và tính dị hướ ng.

+ Tính đồng nhất: Tinh thể có tính đồng nhất ngh ĩ a là trên toàn bộ thể tích của mạng không giantại những điểm khác nhau có tính chất tươ ng tự nhau, nói rõ hơ n nếu nghiên cứu tinh thể theonhững phươ ng song song vớ i nhau tại những điểm khác nhau ta thấy chúng có cùng tính chất.

+ Tính dị hướ ng: Xét theo các phươ ng khác nhau, tinh thể có tính chất khác nhau. Tính dị hướ nglà hậu quả tất nhiên của việc phân bố các hạt theo qui luật mạng không gian

1.3.2. Các yế u t ố đố i x ứ ng đị nh hướ ng hay các yế u t ố đố i x ứ ng trong hình hữ u hạn

+ Tâm đối xứng C: Là một điểm trong hình có tính chất là bất k ỳ đườ ng thẳng nào qua nó đềucắt hình tại hai điểm cách đều hai bên nó. Cách nhận biết tâm đối xứng: Một đa diện có tâm Ckhi mỗi mặt bất k ỳ của đa diện có một mặt tươ ng ứng xuyên tâm đối, song song bằng nhau vàtrái chiều đối vớ i nhau.

+ Mặt đối xứng P: Mặt đối xứng là một mặt phẳng chia hình ra làm hai phần bằng nhau, phầnnày đối vớ i phần kia là ảnh của nhau

+ Tr ục đối xứng Ln: Đó là những đườ ng thẳng đi qua tâm điểm của hình mà khi xoay hình quanhnó đủ một vòng 360o bao giờ hình cũng chiếm những vị trí tươ ng tự như vị trí đầu tiên một số nguyên lần, lúc đó n đượ c gọi là bậc tr ục, góc xoay nhỏ nhất để hình tr ở lại vị trí tươ ng tự như vị trí đầu tiên gọi là góc xoay cơ sở của tr ục. Nếu gọi góc xoay cơ sở là α thì bao giờ ta cũng có α =360o/ n. Ngh ĩ a là một vòng xoay 360o bao giờ cũng chứa một số nguyên lần góc α.

1.3.3. Các yế u t ố đố i x ứ ng vị trí hay các yế u t ố đố i x ứ ng trong hình vô hạn

Để nghiên cứu cấu trúc bên trong của tinh thể đượ c thuận lợ i, mạng tinh thể đượ c coi lànhững hình vô hạn, trong hình này đối vớ i mỗi yếu tố đối xứng trên có vô số yếu tố đối xứngcùng loại song song nhau.

Ví dụ trong mạng tinh thể NaCl.

Ta có vô số các tr ục L4 và P nữa song song vớ i nhau khi đi qua các ion Na+ và Cl- . Tuy nhiên ở hình vô hạn có những yếu tố đối xứng mà ở trong hình vô hạn không thể có đượ c. Đó là tr ục tịnhtiến, mặt ảnh tr ượ t, tr ục xoắn ốc.

+ Tr ục tịnh tiến Lt: Là 1 phươ ng trong hình mà khi ta tịnh tiến hình mộtđoạn thẳng nhất định song song vớ i phươ ng đó thì hình sẽ tr ở về vị trítươ ng tự vị trí cũ trong không gian và đoạn thẳng đó đượ c gọi là bướ c

tịnh tiến hay chu k ỳ tịnh tiến.Ví dụ trong mạng tinh thể NaCl khi tịnh tiến toàn bộ mạng tinh thể NaCl từ trái sang phải theo phươ ng Lt một đoạn T bằng khoảng cách giữa hai ion Na+ hoặc Cl- liền nhau thì mạng sẽ trùng vớ i vị trí cũ.

+ Mặt ảnh tr ượ t Pt: Là một tậ p hợ p gồm một mặt đối xứng và phép tịnh tiến song song vớ i mặtđối xứng đó, chúng tác động không riêng lẻ mà đồng thờ i.Ở đây việc chuyển dịch bằng một nửađoạn tịnh tiến cơ sở .





+ Tr ục xoắn ốc: LXn : Là tậ p hợ p gồm một tr ục đối xứng và một phép tịnh tiến song song vớ i tr ụcđối xứng đó, chúng tác dụng không riêng lẻ mà đồng thờ i.

Ví dụ cho một hình gồm các hệ thống điểm A1,A2,A3,A4,A5 như hình vẽ

Hình1.9 tr ục xoắ n ố c bậc 4 L x4

Ta có thể thấy hình trên có tr ục xoắn ốc bậc 4 Lx4 vì khi làm theo định ngh ĩ a, quay hình quanhtr ục Lx4 một góc 90o thì A1, A2, A3, A4, A5 sẽ lần lượ t ở các vị trí A1

’, A2’, A3

’, A4’, A5

’. Sau đótịnh tiến tiế p bướ c T thì A1

’ đến A2, A’2 đến A3…Như vậy các điểm A1, A2, A3 qua Lx4 sẽ chuyển

động theo một đườ ng xoắn ốc.

1.3.4. Các ô mạng cơ sở và 14 ki ể u mạng tinh thể

Tất cả có 7 ô mạng cơ sở tươ ng ứng vớ i 7 mạng tinh thể như sau:

+ Hệ 3 nghiêng: mức đối xứng hạng thấ p, ô mạngcơ sở hình bình hành lệch

a ≠ b ≠ c ; α ≠ β ≠ γ ≠ 90o,

+ Hệ một nghiêng: mức đối xứng hạng thấ p

Ô mạng cơ sở là lăng tr ụ đáy hình bình hành hayhình hộ p lệch

a ≠ b ≠ c, α=γ=90o≠ β,

+ Hệ tr ực thoi: mức đối xứng hạng thấ p, ô mạng cơ sở hình hộ p diêm hay lăng tr ụ đáy chữ nhật

a ≠ b ≠ c, α = β =γ = 90o





+ Hệ tam phươ ng: mức đối xứng hạng trung, ômạng cơ sở hình mặt thoi hay đa diện đáy thoi

a = b = c, α = β = γ ≠ 90o

+ Hệ tứ phươ ng: mức đối xứng hạng trung, ô mạngcơ sở lăng tr ụ đáy vuông hay lăng tr ụ tứ phươ ng

a = b ≠ c, α = β =γ = 90o

+ Hệ lục phươ ng: mức đối xứng hạng trung, ô mạngcơ sở lăng tr ụ lục phươ ng

a = b ≠ c, α = β = 90o, γ=120o

+ Hệ lậ p phươ ng: mức đối xứng hạng cao, ô mạngcơ sở lậ p phươ ng

a = b = c, α = β = γ = 90o

Tất cả 7 ô mạng cơ sở trên cũng là ô cơ sở của các mạng Bravair thuộcc 7 hệ tinh thể khácnhau. Nếu các nút mạng chỉ phân bố ở đỉnh của ô mạng ta đượ c, tuy nhiên ngoài vị trí các đỉnhcác nút mạng còn phân bố ở những vị trí sau:

+ Phân bố ở tâm hai đáy của ô mạng, đó là ô mạng cơ sở loại tâm đáy

+ Phân bố ở tâm của ô mạng, đó là ô mạng cơ sở loại tâm khối

+ Phân bố ở tâm của các mặt, đó là ô mạng cơ sở loại tâm diện

Có 7 hệ và 4 loại ô mạng khác nhau theo tính toán sẽ đượ c 28 mạng Bravair khác nhau, tuynhiên các nhà khoa học đã chứng minh đượ c chỉ có 14 kiểu mạng Bravair đượ c thể hiện như hình vẽ sau:





1.3.5 Ả nh hưở ng của ki ể u liên k ế t đế n cấ u trúc và tính chấ t tinh thể

Kiểu liên k ết của các hạt cơ bản trong tinh

thể đượ c quyết định bở i cấu tạo điện tử củanguyên tử tham gia vào liên k ết hóa học. Các hạttrong tinh thể tiến gần lại nhau đến một khoảngcách nhất định để đảm bảo cho tinh thể ổn định về mặt nhiệt động học. Khoảng cách giữa các nguyêntử đượ c quyết định bằng tác động tươ ng hỗ giữalực hút và lực đẩy. Lực hút xuất hiện do tươ ng táccủa các điện tử vớ i hạt nhân tích điện dươ ng củanguyên tử đó cũng như vớ i hạt nhân tích điệndươ ng của các nguyên tử lân cận. Lực đẩy xuấthiện do tươ ng tác của các hạt nhân mạng điện tích

dươ ng của các nguyên tử lân cận khi chúng lạigần nhau.

Các lực đẩy xuất hiện khi các nguyên tử lạigần nhau và tăng nhanh hơ n lực hút. Sự thiết lậ p

cân bằng lực đạt đượ c khi hạt tiến gần nhau đến một

khoảng cách nhất định r 0, khoảng cách này tươ ng ứng vớ i cực tiểu năng lượ ng liên k ết làm chotinh thể ổn định nhiệt động học. Năng lượ ng này quyết định nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ bayhơ i, hệ số giãn nở nhiệt…

Cấu tạo điện tử của các nguyên tử khi chúng tiến lại gần nhau trong tinh thể thay đổi đángk ể. Các phân mức năng lượ ng chuyển thành các vùng, khi chúng phủ nhau thì tạo khả năng traođổi và tậ p thể hóa các điện tử hóa tr ị. Mật độ điện tử điền đầy các vùng hóa tr ị quyết định cáctính chất điện và nhiệt.

Sự có mặt của các phân mức không đượ c điền đầy điện tử trong các vùng hóa tr ị của tinhthể, như thấy trong kim loại đảm bảo cho tinh thể có độ dẫn điện tốt.

Khi vùng hóa tr ị đượ c điền đầy hoàn toàn thì sự chuyển dờ i như vậy chỉ có khả năng trongtr ườ ng hợ p nếu các điện tử có đủ năng lượ ng cần thiết vượ t vùng năng lượ ng cấm và chuyển đếnvùng có năng lượ ng cao hơ n là vùng còn có các phân mức năng lượ ng tự do. Các tinh thể có cấutrúc điện tử như vậy, theo tính chất điện thuộc về các chất bán dẫn hay điện môi.

Tính chất từ của tinh thể cũng phụ thuộc vào sự điền đầy các vùng năng lượ ng của nguyên

tử, vớ i các phân mức không đượ c điền đầy thì các moment riêng của các điện tử không đượ c bù,do đó tinh thể tr ở thành chất thuận từ, vớ i những vùng năng lượ ng đượ c điền đầy tinh thể sẽ làchất nghịch từ.

Theo đặc điểm liên k ết tất cả các tinh thể lại đượ c phân chia thành tinh thể phân tử, đồnghóa tr ị, kim loại hay ion. Tuy nhiên, sự phân chia như thế cũng có tính chất quy ướ c vì trong mộtsố tr ườ ng hợ p không chỉ một loại và nhiều loại liên k ết cùng tác động

Hình 1.10. cân bằ ng đượ c thiế tl ậ p khi các hạt tiế n đế n g ầnnhau một khoảng r o nhấ t định





1.4. Một số kiểu mạng tinh thể điển hình của kim loại

Trong các kim loại thườ ng gặ p ba dạng mạng tinh thể: lậ p phươ ng thể tâm, lậ p phươ ngdiện tâm và lục giác xế p chặt.

+ Mạng lậ p phươ ng thể tâm: Các nguyên tử ion nằm ở các đỉnh và ở giữa tâm các khối hình lậ p phươ ng. Hình 5-1a trình bày một phần của mạng tinh thể lậ p phươ ng thể tâm, còn các hình b, ctrình bày một ô mạng cơ sở của nó. Các kim loại Fe,Cr, W… có kiểu mạng này

+ Mạng lậ p phươ ng diện tâm: Các nguyên tử ion nằm ở các đỉnh và giữa các mặt của hình lậ p phươ ng. Bốn nguyên tử ở trên bốn mặt không tiế p xúc vớ i nhau nhưng lại tiế p xúc vớ i nguyên tử nằm ở giữa mặt. Cấu trúc này đặc tr ưng cho Cu, ngoài ra còn có ở nhiều kim loại khác như kiềmthổ và các kim loại như Al, Th, Pb…

+ Mạng lục phươ ng xế p chặt: Hình trình bày một ô mạng cơ sở lục giác xế p chặt, trong đó 12nguyên tử nằm ở các đỉnh 2 nguyên tử nằm ở giữa hai mặt đáy của hình lăng tr ụ lục giác và 3nguyên tử nằm ở trung tâm ba khối lăng tr ụ tam giác cạnh nhau. Các kim loại Be, Mg, Ti có kiểumạng lục giác xế p chặt.





1.5. Sai lệch mạng tinh thể lệch

Trong kim loại thực tế các nguyên tử không hoàn toàn nằm ở vị trí một cách tr ật tự như đãnói ở trên mà luôn tồn tại một số ít nguyên tử nằm sai vi trí gây nên sai lệch mạng. Thực tế chothấy không bao giờ có kim loại nguyên chất tuyệt đối mà trong kim loại bao giờ cũng có nhữngtạ p chất. Kích thướ c và hình dạng của các nguyên tử lạ này luôn khác các nguyên tử kim loại vìvậy gây ra lệch trong mạng tinh thể. Sai lệch của mạng tinh thể r ất thấ p ( 1-2% thể tích củamạng), nhưng ảnh hưở ng r ất lớ n đến tính chất của kim loại.

1.5.1. Các sai l ệch đ i ể m trong mạng tinh thể Theo kích thướ c của sự xắ p sế p không tr ật tự ta chia sai lệch ra làm ba loại: đó là sai lệch

điểm, sai lệch đườ ng và sai lệch mặt.

+ Các sai lệch điểm: là sai lệch có kích thướ c bé theo ba chiều đo ( vài thông số mạng ), có dạngđiểm hay bao quanh một điểm. Gồm các loại sau đây.

- Nút tr ống: là các nút mạng không có nguyên tử chiếm chỗ

- Các nguyên tử nằm xen k ẽ giữa các nút mạng

- Các nguyên tử lạ nằm xen k ẽ giữa các nút mạng hay nằm trên các nút mạng

Hình 1.11 mạng l ậ p phươ ngtâm diện (a), l ậ p phươ ng tâmkhố i (b), l ục phươ ng xế pchặt(c)





Chính vì do có sai lệch mạng nên các nguyên tử xung quanh vị trí sai lệch nằm không đúngvị trí qui định. Ví dụ nút tr ống có xu hướ ng làm các nguyên tử xung quanh nó xích lại gần nhau,nguyên tử xen k ẽ giữa các nút mạng làm các nguyên tử xung quanh có xu hướ ng bị dồn ép lại.

Số lượ ng các nguyên tử và nút tr ống xen k ẽ giữa các nút mạng có xu hướ ng phụ thuộc vàonhiệt độ. Nhiệt độ càng tăng số lượ ng của chúng càng nhiều, tuy nhiên không vượ t quá 1-2%.Kim loại càng bẩn thì khả năng nguyên tử lạ chui vào mạng tinh thể càng nhiều do đó số lượ ngsai lệch điểm tăng lên.

+ Các sai lệch đườ ng: Là các sai lệch có kích thướ c lớ n theo một chiều đo và bé theo hai chiềuđo còn lại. Nó có dạng đườ ng thẳng, đườ ng cong và đườ ng xoắn ốc. Bao gồm các loại sau:

- Một dãy nút tr ống hay các sai lệch điểm khác.

- Lệch: là dạng sai lệch đườ ng quan tr ọng nhất và ổn định cao

+ Các sai lệch mặt: Là các sai lệch có kích thướ c lớ n theo hai chiều đo và bé theo chiều đo cònlại. Nó có dạng mặt cong, mặt phẳng gồm các loại sau:

Biên giớ i giữa các hạt, các mặt song tinh, mặt ngoài tinh thể

1.5.2. Lệch đườ ng, l ệch mặt và tác d ụng của l ệch trong tinh thể

Nhờ sự phát triển của lý thuyết lệch cho phép giải thích đượ c nhiều vấn đề như cơ cấutr ượ t, sự sai khác nhau giữa độ bền lý thuyết và độ bền thực tế, sự k ết tinh…Theo hình dáng hìnhhọc lệch đượ c phân làm ba loại: lệch đườ ng, lệch xoắn và lệch hỗn hợ p.

+ Lệch đườ ng: ta có thể hình dung như sau: Giả sử có một mạng tinh thể hoàn chỉnh gồm nhiềumặt tinh thể song song và cách đều nhau hợ p thành.Giả sử ta gài vào đó thêm một bán mặt tinh

thể ABCD, phần trên của mạng tinh thể bị nén lại còn phần dướ i bị kéo ra tươ ng đối. Vùng xungquanh AB mép của bán mặt bị xô lệch nhiều nhất và do đó sai lệch có dạng đườ ng, AB đượ c gọilà tr ục của lệch đườ ng và nó có thể dài đến hàng nghìn hàng vạn thông số mạng. Trong khi tiếtdiện của sự xô lệch chỉ vài thông số mạng. Nếu bán mặt đượ c gài từ trên xuống gọi là bán mặtdươ ng, nếu bán mặt đượ c gài từ dướ i lên thì gọi là lệch đườ ng âm.

Hình.1.12. Các sai l ệchđ iể m trong mạng tinh thể





+ Lệch xoắn: Ta có thể hình dung lệch xoắn như sau, cắt mạng tinh thể hoàn chỉnh bằng bán mặtABCD. Sau đó xê dịch hai phần của mạng tươ ng đối vớ i nhau theo mặt cắt đi một thông số mạng( các nguyên tử trong vùng từ B A dịch đi một khoảng nhỏ hơ n thông số mạng, tại A dịchchuyển bằng không), lúc này mạng tinh thể không phải gồm nhiều mặt song song và cách đềunhau nữa mà như gồm một mặt cong quấn quanh tr ục AD có dạng mặt vít mà ta gọi là lệchxoắn.AD gọi là tr ục của lệch xoắn và có thể dài đến hàng nghìn thông số mạng, còn tiết diện củasự sai lệch chỉ vài thông số mạng.

+ Tác dụng của lệch: Lệch có tác dụng r ất lớ n trong tinh thể, nó ảnh hưở ng r ất lớ n đến quá trìnhchuyển biến pha, quá trình tr ượ t của kim loại. Sự có mặt của lệch làm cho kim loại dễ tr ượ t làmđộ bền của nó giảm đi so vớ i tinh toán r ất nhiều.

1.6. Đơ n tinh thể và đa tinh thể

1.6.1. Tính có hướ ng của tinh thể

Mạng tinh thể luôn thể hiện tính có hướ ng ngh ĩ a là theo các hướ ng khác nhau tính chấtcủa mạng ( cơ , lý, hoá…) khác nhau. Tính có hướ ng tồn tại là do cấu tạo của mạng tinh thể, theođó theo các phươ ng khác nhau mật độ nguyên tử không giống nhau. Theo các phươ ng có mật độ

Hình1.13. Mô hình t ạo l ệchđườ ng trong mạng tinh thể

Hình1.14. Mô hình l ệch xoắ n trong mạng tinh thể





nguyên tử lớ n liên k ết bền hơ n nên có độ bền cao hơ n các phươ ng có mật độ nguyên tử bé. Ví dụ tinh thể đồng theo các phươ ng khác nhau có độ bền kéo thay đổi từ 140 đến 250 Mpa

1.6.2. Đơ n tinh thể và đ a tinh thể

1.6.2.1. Đơ n tinh thể

Nếu vật tinh thể có mạng thống nhất và phươ ng không thay đổi trong toàn bộ thể tích thìgọi là đơ n tinh thể. Để hình dung đơ n tinh thể ta lấy một khối cơ sở và tịnh tiến theo ba tr ục toạ độ vớ i độ dài bằng chu k ỳ tuần hoàn mạng sẽ đượ c đơ n tinh thể.

Trong thực tế một số khoáng vật sẽ tồn tại đơ n tinh thể tự nhiên. Vớ i kim loại để có đượ cđơ n tinh thể ta phải áp dụng công nghệ đặc biệt nuôi đơ n tinh thể. Ngày nay ngườ i ta mớ i chế tạođượ c những đơ n tinh thể nhỏ dài khoảng 3,5 cm.

Một số đơ n tinh thể đặc biệt là các khoáng vật có bề mặt ngoài khá nhẵn, hình dáng xác

định, đó là những mặt phẳng nguyên tử giớ i hạn ( thườ ng là những mặt phẳng có mật độ nguyêntử lớ n nhất). Tính chất tiêu biểu của đơ n tinh thể là tính dị hướ ng do theo các hướ ng khác nhaumật độ nguyên tử khác nhau. Đơ n tinh thể chủ yếu ứng dụng trong công nghệ bán dẫn và vật liệuk ỹ thuật điện.

1.6.2.2. Đa tinh thể

Là tinh thể có cấu tạo kim loại gồm nhiều tinh thể, mỗi tinh thể trong đó gọi là hạt. Đatinh thể có các đặc điểm sau:

- Do sự định hướ ng mạng tinh thể của các hạt là ngẫu nhiên nên phươ ng mạng giữa các hạtluôn lệch nhau một góc nào đó.

- Tại vùng biên giớ i hạt mạng tinh thể bị xô lệch

- Đa tinh thể có tính đẳng hướ ng.

a. Hạt

Trong thực tế hầu như ta chỉ gặ p các vật liệu đa tinh thể. Đa tinh thể gồm r ất nhiều đơ ntinh thể nhỏ cỡ μm đượ c gọi là hạt tinh thể hay đơ n giản là hạt. Chúng tuy có cùng cấu trúc vàthông số mạng nhưng phươ ng lại định hướ ng khác nhau ( mang tính ngẫu nhiên) và liên k ết vớ inhau qua vùng biên giớ i đượ c gọi là biên hạt. Từ mô hình đó có thể thấy r ằng:

- Mỗi hạt là một khối tinh thể hoàn toàn đồng nhất, xét về mặt này từng hạt đều thể hiệntính dị hướ ng.

- Các hạt tuy có mạng và thông số giống nhau nhưng có phươ ng lệch nhau tức tính đồngnhất về phươ ng mạng không giữ đượ c trong toàn khối mạng vì thế lại thể hiện tính đẳnghướ ng (đôi khi còn gọi là đẳng hướ ng giả vì mỗi phần của nó-hạt vẫn thể hiện tính dị hướ ng)

- Biên hạt chịu ảnh hưở ng qui luật phươ ng mạng của các hạt xung quanh nên có cấu trúchỗn hợ p và vì vậy không duy trì đượ c cấu trúc qui luật ( tinh thể) mà lại có sắ p xế p khôngtr ật tự ( xô lệch) như là vô định hình, thườ ng là kém xít chặt vớ i tính chất khác vớ i bảnthân hạt.





- Có thể thấy rõ cấu trúc đa tinh thể hay các hạt qua tổ chức tế vi (ảnh thấy đượ c qua kínhhiển vi, thườ ng là quang học). Qua mài phẳng và mài nhẵn bóng đến như gươ ng, r ồi ănmòn nhẹ, mẫu kim loại đượ c đặt vào trong kính hiển vi để quan sát. Chùm tia sáng vuônggóc tớ i bề mặt nhẵn đều đượ c phản xạ tr ở lại nên ảnh có màu sáng. Qua ăn mòn nhẹ ( còngọi là tẩm thực) biên hạt bị ăn mòn mạnh hơ n, lõm xuống làm tia sáng chiếu tớ i bị hắt đi, bị tối, nên thấy rõ các đườ ng viền tối.Thực chất tổ chức tế vi biểu thị cấu trúc của mặt cắtngang qua các hạt theo qui luật ngẫu nhiên.

b. Độ hạt

Ngườ i ta có thể cảm nhận đượ c độ lớ n của hạt tinh thể khi quan sát chỗ vỡ của kim loạiqua độ xù xì, gợ n hạt của nó. Như sau này sẽ biết hạt to hay nhỏ ảnh hưở ng r ất lớ n đến cơ tính nên r ất cần đánh giá chúng về mặt định lượ ng. Trong nghiên cứu kim loại thườ ng dùngkhái niệm độ hạt, biểu diễn bằng kích thướ c ( khoảng cách giữa hai mép đối diện, đôi khi còngọi là đườ ng kính) trung bình các hạt trên tổ chức tế vi.

Để xác định độ hạt ngườ i ta hay dùng các cấ p hạt theo tiêu chuẩn ASTM. Các hạt có độ lớ n khác nhau đượ c phân thành 16 cấ p đánh số từ 00,0,1,2,…..14 theo thứ tự hạt nhỏ dần,trong đó tám cấ p thườ ng dùng là từ 1 đến 8

Hình 1.15 đơ n tinh thể (a) và đ a tinh thể (b) và ảnh t ế vi của đ a tinh thể sau t ẩ m thự c





Chương 2

Sự kết tinh và hình thành tổ chức của kim loại

K ết tinh là quá trình chuyển biến từ pha lỏng sang pha r ắn, trong tr ườ ng hợ p kim loại vàhợ p kim quá trình k ết tinh thườ ng đi kèm vớ i sự hình thành tinh thể.

Trong công nghiệ p phần lớ n các kim loại sản xuất ra đượ c luyện bằng phươ ng pháp nấuchảy, sau đó đem đúc để thành hình sản phẩm hay bán thành phẩm. Chất lượ ng của vật đúc phụ thuộc vào quá trình chuyển biến từ tr ạng thái lỏng sang tr ạng thái tinh thể, tức là quá trình k ếttinh. Quá trình k ết tinh k ết tinh hình thành mạng tinh thể từ tr ạng thái lỏng là sự k ết tinh lần thứ nhất, còn sử chuyển đổi mạng tinh thể ở tr ạng thái r ắn đượ c gọi là sự k ết tinh lần thứ hai.

Quá trình k ết tinh của kim loại là một quá trình r ất phức tạ p. Khi hạ nhiệt độ xuống thấ phơ n nhiệt độ k ết tinh lý thuyết trong kim loại lỏng xuất hiện những phần tử r ắn r ất nhỏ có cấutrúc tinh thể, đó là những mầm k ết tinh. Trong quá trình tiế p theo, các mầm phát triển và tr ở thành tinh thể.

Trong thực tế, quá trình k ết tinh bắt đầu ứng vớ i nhiệt độ k ết tinh thực Tk . Sự khác nhaugiữa nhiệt độ k ết tinh lý thuyết và nhiệt độ k ết tinh thực đượ c gọi là nhiệt độ quá nguội. Tốc độ

nguội càng lớ n thì độ quá nguội càng lớ n và dẫn đến làm giảm nhiệt độ k ết tinh thực. Vớ i tốc độ nguội chậm sự k ết tinh xảy ra ở nhiệt độ không đổi. Ngoài ra tốc độ nguội còn ảnh hưở ng đếncấu trúc kim loại và độ đồng nhất của nó.

Độ quá nguội ảnh hưở ng đến tốc độ k ết tinh và cấu trúc của kim loại vì nó ảnh hưở ng đếntốc độ tạo mầm và tốc độ phát triển kích thướ c của tinh thể. Khi độ qúa nguội nhỏ kim loại sẽ cócấu trúc hạt lớ n ( chất lượ ng kim loại thấ p), khi độ quá nguội lớ n, tốc độ phát triển mầm lớ n, kimloại sẽ có cấu trúc hạt nhỏ ( tính chất cơ học của kim loại tốt)

2.1. Cơ sở chung của sự k ết tinh

2.1.1 Đi ều ki ện x ả y ra khi k ế t tinh

Như chúng ta đã biết chất lỏng có tr ật tự gần mà không có tr ật tự xa, tức trong nó có nhữngnhóm nguyên tử sắ p xế p tr ật tự, chúng ở tr ạng thái cân bằng động ngh ĩ a là chỉ có khả năng tồntại trong thờ i gian r ất ngắn, nhanh chóng tan ra r ồi lại tạo thành ở chỗ khác. Một dạng tồn tại như vậy cho thấy về mặt cấu trúc tr ạng thái lỏng gần tr ạng thái tinh thể hơ n là tr ạng thái khí, điều nàygiúp nó k ết tinh một cách dễ dàng.

Trong tự nhiên mọi quá trình tự phát đều xảy ra theo chiều giảm năng lượ ng, tức là theochiều ở tr ạng thái mớ i có năng lượ ng dự tr ữ nhỏ hơ n.

Trong hệ thống vật chất gồm chuyển động của các chất điểm ( nguyên tủ, phân tử) thì nănglượ ng dự tr ữ đượ c đặc tr ưng bằng năng lượ ng tự do F.





F=U-TS

Trong đó U là nội năng của hệ thống

S là entropiT là nhiệt độ tuyệt đối oK

Năng lượ ng tự do thay đổi theo nhiệt độ và các yếu tố khác. Từ biểu độ về mối quan hệ giữa năng lượ ng tự do và nhiệt độ ta thấy :

- Khi T>Ts ta có Fr > Fl do đó kim loại tồn tại ở tr ạng thái lỏng

- Khi T< Ts ta có Fl < Fr do đó kim loại tồn tại ở tr ạng thái r ắn

Như vậy khi làm nguội kim loại lỏng xuống dướ i nhiệt độ Ts sẽ có quá trình k ết tinh xayra. Tại nhiệt dộ T=Ts ta có Fr = Fl năng lượ ng tự do của hai tr ạng thái bằng nhau, quá trình k ếttinh chưa xảy ra, ngh ĩ a là giữa kim loại lỏng và kim loại r ắn có cân bằng động. Điều đó có ngh ĩ alà nếu có một lượ ng kim loại lỏng k ết tinh thì cũng có một lượ ng như vậy kim loại r ắn nóngchảy, chỉ khí T<Ts để cho Fr < Fl thì sự k ết tinh mớ i xảy ra rõ r ệt, nhiệt độ Ts gọi là nhiệt độ k ếttinh lý thuyết

Như vậy nhiệt độ k ết tinh thực tế luôn nhỏ hơ n nhiệt độ k ết tinh lý thuyết, hiện tượ ng nàygọi là sự quá nguội, ngườ i ta gọi hiệu số giữa nhiệt độ k ết tinh lý thuyết Ts và nhiệt độ k ết tinhthực tế Tkt là độ quá nguội ΔT

Vậy có thể phát biểu r ằng sự k ết tinh chỉ xảy ra vớ i độ quá nguội nhất định. Đa số kim loạinguyên chất k ỹ thuật có thể k ết tinh vớ i độ quá nguội thay đổi từ r ất nhỏ đến r ất lớ n ( hàng tr ămoC) tùy theo tốc độ làm nguội khi k ết tinh là chậm hay nhanh

2.1.2. Chuyể n bi ế n x ả y ra khi k ế t tinhTa biết r ằng kim loại r ắn nhìn chung có cấu trúc tinh thể. Đặc điểm của cách xắ p sế p

nguyên tử trong mạng tinh thể là tr ật tự xa, tức là trong mạng tinh thể tồn tại một cách sắ p xế pnguyên tử hoàn toàn xác định về mặt hình học ở bất cứ thờ i điểm nào trong mạng. Khi kim loạinóng chảy tr ật tự xa sẽ bị phá vỡ thay vào đó là mộ tr ật tự gần. Tức là trong bể kim loại lỏng tr ậttự sắ p xế p nguyên tử chỉ tồn tại trong một khoảng cách gần so vớ i một điểm nào đó. Như vậy sự chuyển từ pha lỏng sang pha r ắn ( sự k ết tinh) đối vớ i kim loại nói chung đi liền vớ i sự hìnhthành một tr ật tự xa về cách sắ p xế p nguyên tử.

Như đã biết một hệ hình thành từ một số lượ ng lớ n các nguyên tử phân tử trong những điều kiệnxác định có xu hướ ng tồn tại ở tr ạng thái có năng lượ ng tự do thấ p nhất ( khi thể tích của hệ

không đổi) hoặc ở tr ạng thái ứng vớ i thế năng nhiệt động nhỏ nhất ( khi áp suất không đổi), tr ạngthái như vậy đượ c coi là bền vững. Nếu một hệ có thể tồn tại ở cả pha lỏng và pha r ắn thì sự bềnvững của pha lỏng hoặc pha r ắn đượ c quyết định bở i giá tr ị của năng lượ ng tự do hoặc thế năngnhiệt động học của hai pha. Mối quan hệ này đượ c biểu diễn ở hình sau.





Hình2.1 : Ở nhiệt độ T o hệ nằ m ở tr ạng thái cân bằ ng nhiệtđộng học bở i l ẽ năng l ượ ng t ự do của hai pha như nhau. Khinhiệt độ thay đổ i so vớ i T o tr ạng thái cân bằ ng sẽ bị phá vỡ vàhệ đ i vào tr ạng thái ổ n định

Ở nhiệt độ thấ p hơ n To ( thườ ng đượ c coi là nhiệt độ k ết tinh của kim loại), quá trình k ếttinh sẽ xảy ra vì pha r ắn là pha ổn định, tuy nhiên để quá trình k ết tinh có thể xảy ra trong kimloại lỏng quá nguội phải có các tầm mầm k ết tinh. Nếu chúng không tồn tại kim loại lỏng sẽ nằmở tr ạng thái giả ổn định.

Trong quá trình k ết tinh, lượ ng pha r ắn tăng lên và lượ ng pha lỏng giảm đi, quá trình k ếttinh khi toàn bộ pha lỏng chuyển thành pha r ắn. Bề mặt phân cách lỏng-r ắn là bề mặt k ết tinhhay bề mặt đông đặc có thể có các hình dạng khác nhau tùy thuộc vào bản chất của hợ p kim vàđiều kiện k ết tinh. Bề mặt đó có thể ở dạng phẳng v ĩ mô điều này thườ ng xảy ra trong quá trìnhk ết tinh có hướ ng của các kim loại nguyên chất hoặc hợ p kim cùng tinh. Trong tr ườ ng hợ p đôngđặc hai pha, bề mặt phân cách r ắn-lỏng có hình dạng phức tạ p, cả hai pha lỏng và r ắn có thể cùngtồn tại trong một vùng nhất định gọi là vùng hai pha. Như vậy trong một khối kim loại lỏng đangđông đặc có thể tồn tại ba vùng: vùng kim loại r ắn, vùng hai pha, vùng kim loại lỏng.

Tất cả các điểm nằm trên mặt tiế p xúc giữa vùng hai pha vớ i kim lọai lỏng đều có nhiệtđộ bắt đầu k ết tinh, còn các điểm nằm trên mặt tiế p xúc giữa vùng hai pha vớ i vùng kim loại r ắnđều có nhiệt độ k ết thúc k ết tinh

2.1.2. S ự thải nhi ệt

Quá trình k ết tinh luôn kèm theo sự thải nhiệt từ kim loại lỏng, nó làm thay đổi năng lượ ng phatheo hai cách:

+ Giảm elthaphy của pha r ắn hoặc pha lỏng do làm nguội

+ Giảm elthanphy do sự chuyển biến từ pha lỏng sang pha r ắn, sự giảm này bằng vớ i giá tr ị củaẩn nhiệt nóng chảy

Sự thải nhiệt chính là yếu tố quan tr ọng nhất kiểm soát sự hình thành của tổ chức hợ p kim.

Nếu bỏ qua sự quá nhiệt và kí hiệu cv là nhiệt dung riêng của hệ trên một đơ n vị thể tích thì

phươ ng trình năng lượ ng cơ bản của quá trình thải nhiệt sẽ có dạng định luật Fick II:

V c

Q

dx

T d a

dt

dT +=

2

2

Trong đó a là hệ số khuếch tán nhiệt, a = λ/c v trong đó λ là hệ số dẫn nhiệt

Q là nguồn nhiệt trong ( do thoát ẩn nhiệt k ết tinh)

Phươ ng trình trên chỉ có thể giải thích đượ c trong một số tr ườ ng hợ p đơ n giản, để giải bài toántrên thì một đại lượ ng r ất quan tr ọng là hệ số truyền nhiệt từ kim loại đang k ết tinh đặc sangkhuôn, ký hiệu là α. Thông thườ ng giữa lớ p vỏ đã đông đặc của khối kim loại và thành khuôn





xuất hiện một khe hở khí, nhất là trong tr ườ ng hợ p khuôn kim loại. Quá trình truyền nhiệt quakhe hở khí sẽ đượ c thực hiện bở i các cách thức sau:

+ Tiế p xúc tr ực tiế p ( chỉ ở giai đoạn đầu)+ Dẫn nhiệt qua khe hở khí

+ Dòng đối lưu của không khí

+ Bức xạ

Quá trình truyền nhiệt đượ c mô tả bằng định luật Fick I. Nếu giả thiết r ằng quá trình thải nhiệtqua khuôn là khá dễ dàng và giai đoạn quyết định tốc độ thải nhiệt là giai đoạn truyền nhiệt quakhe hở khí thì ta có thể viết:

q = α.ΔT

Trong đó q là dòng nhiệt J/m2.s

α là hệ số truyền nhiệt W/m2.K

Quá trình truyền nhiệt trong khuôn kim loại xảy ra bở i hai hiện tượ ng:

1. Sự dẫn nhiệt qua khe hở khí đượ c thể hiện qua hệ số truyền nhiệt α

2. Sự dẫn nhiệt trong khối kim loại λL, L là chiều dài của vật thể đông đặc theo hướ ng truyềnnhiệt.

Mối quan hệ giữa các thông số sẽ tạo thành số Bio

λ α

λ

α L

L Bi ==

/

L/λ đượ c gọi là tr ở nhiệt, trong tr ườ ng hợ p số Bio nhỏ tr ở nhiệt ở vùng phân cách sẽ là yếu tố quyết định và như vậy nhiệt độ sẽ phân bố khá đều trong khối kim loại đang đông đặc cũng như trong khuôn. Qúa trình nguội này gọi là nguội Newton và thườ ng xảy ra trong các tr ườ ng hợ p:

+ Hệ số dẫn nhiệt của kim loại cao ( thí dụ nhôm hoặc đồng)

+ Vật đúc thành mỏng

Trong tr ườ ng hợ p này phươ ng trình cân bằng nhiệt có thể đượ c viết như sau:

ρ α f V H v Lcdt

dT T q ∆==∆=

Căn cư vào phươ ng trình cân bằng nhiệt trên ta có thể rút ra biểu thức tính tốc độ nguội và tốc độ đông đặc.

Tốc độ nguội: Lc

T

dt

dT

V

∆=

α

Tốc độ đông đặc: ρ

α

f H

T v

∆

∆=





2.1.3. T ổ chứ c t ế vi khi k ế t tinh

Trong thỏi đúc hoặc vật đúc có thể xảy ra ba cách thức của quá trình đông đặc, ở vùng

tiế p xúc khuôn kim loại tốc độ đông đặc là lớ n nhất do nhiệt độ của khuôn tươ ng đối thấ p, do đór ất nhiều hạt nhỏ mịn có định hướ ng bất k ỳ đượ c hình thành và tạo ra vùng tinh thể đều tr ục ở phía ngoài. Những hạt tinh thể này sẽ nhanh chóng tr ở thành nhánh cây và phát triển theo hướ ngtinh thể ưu tiên.

Sự lớ n lên cạnh tranh của những hạt đều tr ục định hướ ng bất k ỳ ở phía ngoài sẽ làmnhững hạt có hướ ng lớ n lên ưu tiên ( song song và ngượ c hướ ng vớ i dòng nhiệt) loại bỏ các hạtkhác. Như vậy những hạt có có tốc độ phát triển lớ n nhất sẽ quyết định hình thái của mặt phâncách r ắn-lỏng và dẫn tớ i hình thành vùng tinh thể dạng cột. Ngườ i ta còn quan sát một vùng tinhthể khác ở tâm vật đúc chủ yếu là do sự lớ n lên của những nhánh cây tách ra trong những vùngkim loại lỏng còn lại.

Ban đầu các mầm r ắn xuất hiện ở vùng tiế p giáp vớ i thành khuôn. Chúng lớ n lên nhanhchóng trong một vùng thờ i gian ngắn và hình thành vùng đều tr ục bên ngoài. Sau đó những tinhthể của vùng đều tr ục bên ngoài có hướ ng lớ n lên song song và ngượ c vớ i hướ ng của dòng nhiệtsẽ phát triển nhanh. Do sự lớ n lên cạnh tranh mà các hướ ng phát triển khác sẽ bị triệt tiêu, điềunày dẫn tớ i sự hình thành tinh thể dạng cột ( hình a), sau giai đoạn này những nhánh cây tách ratừ chúng sẽ phát triển độc lậ p. Các hạt này có xu hướ ng phát triển đều tr ục do ẩn nhiệt của chúngđượ c thải theo mọi hướ ng trong bể kim loại lỏng nguội. Vùng tinh thể này đượ c gọi là vùng đềutr ục bên trong ( hình b)

Hình thái của tổ chức k ết tinh không chỉ phụ thuộc vào điều kiện nguội mà còn phụ thuộcvào thành phần hợ p kim. Ở đây có hai hình thái chính có thể xảy ra khi hợ p kim đông đặc: nhánhcây và cùng tinh. Nhìn chung hai hình thánh này có thể tồn tại song song.

Hình.2.2. S ự hình thành t ổ chứ ctrong thỏi đ úc





2.2. Hai quá trình của sự k ết tinh

Quá trình k ết tinh bao gồm hai quá trình: đó là quá trình tạo mầm và quá trình phát triểnmầm.

2.2.1. Quá trình t ạo mầm

2.2.1.1. Quá trình t ạo mầm đồng thể (mầm nội sinh)

Theo quan điểm nhiệt động học thì sự k ết tinh đòi hỏi một nhiệt lượ ng thải từ hệ thống rangoài làm thay đổi năng lượ ng tự do và do đó làm thay đổi sự ổn định tươ ng đối về nhiệt độnghọc của hai pha có mặt. Sự chuyển biến từ pha này sang pha khác đòi hỏi sự xắ p sế p lại nguyêntử. Do sự dịch chuyển đó của nguyên tử mà quá trình k ết tinh luôn đòi hỏi một sự khở i đầu

không thuận nghịch từ tr ạng thái cân bằngVì các nguyên tử trong chất lỏng luôn ở tr ạng thái chuyển động nhiệt không ngừng, do đó

qua một thờ i gian một nhóm các nguyên tử thuần tuý sẽ thay đổi và k ết hợ p vớ i nhau để tạo nêncác mầm tinh thể. Nếu chất lỏng có nhiệt độ lớ n hơ n Tm thì chỉ sau một thờ i gian ngắn các tinhthể sau đó sẽ dao động và phân rã, ngượ c lại nếu chất lỏng có nhiệt độ nhỏ hơ n Tm các tinh thể sẽ ở tr ạng thái ổn định về mặt nhiệt động và nó sẽ phát triển thêm lên để tạo thành tinh thể. Vấn đề là tại sao ở dướ i nhiệt độ Tm tinh thể lại ổn định và có thể phát triển thêm lên.

Khi một đơ n vị thể tích của chất r ắn đượ c hình thành, thế nhiệt động của hệ sẽ giảm đi

một lượ ng tươ ng ứng làm

m

T

T T H r

)(

3

4 3 −∆π . Trong khi đó năng lượ ng cần thiết để tạo ra bề mặt

phân chia pha lỏng-r ắn xung quanh các hạt tinh thể là 4πr

2

γsl ( trong đó γsl là sức căng bề mặtlỏng-r ắn) Như vậy năng lượ ng mạng lướ i cần để hình thành nên mạng tinh thể là

Wf = 4πr 2γsl -m

m

T

T T H r

)(

3

4 3 −∆π

K ết quả đượ c thể hiện trên hình vẽ sau

Hình2.3 năng l ượ ngcần thiế t để t ạo ra tinhthể hình cầu





Giá tr ị của năng lượ ng Wf tuỳ thuộc vào giá tr ị của bán kính tớ i hạn r *. Khi r< r * Wf làdươ ng, trong khi đó r>r * Wf là âm. Điều này có ngh ĩ a nếu quá trình dao động ngẫu nhiên tạo ramột mầm có kích thướ c r<r *, nó sẽ không ổn định và bị tan đi, lúc này hệ thống sẽ sản sinh ranăng lượ ng tự do nếu mầm tinh thể mất đi các nguyên tử và do đó r giảm. Ngượ c lại khi cácmầm tinh thể tạo ra có kích thướ c r>r *, lúc đó năng lượ ng tự do của hệ thống sẽ tăng lên cùngvớ i xu hướ ng phát triển của mầm tinh thể. Tóm lại là chỉ có những dao động ngẫu nhiên tạo ramầm tinh thể có kích thướ c lớ n hơ n r * mớ i có thể ổn định và quá trình k ết tinh mớ i có thể bắtđầu. Để tính toán bán kính giớ i hạn r * có thể dựa theo công thức sau:

m

m sl

f

T

T T H r r

dr

dW )(48 2 −

∆−= π γ π

Sử dụng điều kiện dWf / dr = 0, khi r=r * sẽ cho ta công thức tính r * như sau:

)(

.2*

T T H

T

r m

m sl

−∆=

γ

Vớ i tần suất tìm thấy các nhóm nguyên tử trong chất lỏng liên tục k ết hợ p vớ i nhau để tạo

thành các mầm tinh thể, tần suất tìm thấy các mầm tinh thể nhỏ cao hơ n so các mầm tinh thể lớ n.Tần suất để tìm thấy các tinh thể có số nguyên tử nhiều hơ n 102 là không đáng k ể

Nhìn vào hình vẽ 2.4 ta có thể ướ c lượ ng đượ c nhiệt độ Thom tại đó mầm tinh thể sẽ xuấthiện vớ i bán kính tớ i hạn r * = 1 nm. Bằng cách thế r *=1nm và các giá tr ị của γSL, Tm, ΔH vào phươ ng trình 1 ta có thể tính toán đượ c Tm – Thom = 100oK, bở i thế sự chậm đông lớ n r ất cần thiếtcho quá trình tạo mầm xảy ra. Mầm tạo ra chỉ bao gồm những nguyên tử của chính nó gọi là

mầm đồng thể, tuy nhiên mầm đồng thể không phải là cách mà các loại vật liệu thườ ng sử dụngđể bắt đầu quá trình k ết tinh của mình mà phần lớ n quá trình k ết tinh đều dựa trên mầm dị thể màta sẽ tìm hiểu sau đây.

2.2.1.2. Quá trình t ạo mầm d ị thể ( mầm ngoại sinh)

Thông thườ ng khi một hồ nướ c đóng băng hay trong quá trình k ết tinh kim loại lỏng, sự k ết tinh chỉ xảy ra khi nhiệt độ đạt đến một giá tr ị nhỏ hơ n một chút ít so vớ i Tm, như vậy trongtr ườ ng hợ p này các mầm tinh thể tạo thành như thế nào. Thực tế là trong kim loại ở tr ạng tháilỏng tồn tại những hạt bụi r ắn, những hạt này chính là những nhân tố đầu tiên tạo nên mầm tinh

Hình 2.4. M ầm đồng thể t ạo

thành ở nhiệt độ T hom





thể. Đó chính là sự tạo mầm dị thể, chúng tuỳ thuộc vào từng loại vật liệu cụ thể. Các hạt r ắn tạ pchất đó đóng vai trò như một tác nhân xúc tác tạo mầm.

Sự tạo mầm tinh thể chủ yếu xuất hiện khi các nguyên tử có xu hướ ng bám dính vào bề mặt các hạt r ắn đóng vai trò xúc tác đó, điều này đượ c minh hoạ bở i góc tiế p xúc θ trình bày ở hình vẽ sau.

Góc θ càng nhỏ, thì sự gắn k ết của các nguyên tử vào bề mặt các tác nhân xúc tác tạomầm càng dễ dàng hơ n.

Nếu biết góc tiế p xúc θ ta có thể tính toán đượ c bán kính giớ i hạn r * một cách dễ dàng.Coi hạt nhân như một chóp hình cầu có bán kính r và sử dụng các công thức toán học ta sẽ tínhtoán đượ c diện tích bề mặt phân chia pha lỏng-r ắn, diện tích bề mặt phân chia xúc tác- r ắn và thể tích của hạt nhân.Vớ i điều kiện 0o≤ θ ≤ 90o ta cóDiện tích lỏng-r ắn = 2πr 2( 1- cosθ)Diện tích xúc tác-r ắn = πr 2(1- cos2θ)

Thể tích của hạt nhân =3

2 3r π ( 1- 1,5cosθ + 0,5 cos3θ)

Sau đó ta có thể tính đượ c tổng năng lượ ng tạo thành khi k ết tinh

Wf = 2πr 2( 1- cosθ) γsl + πr 2(1- cos2θ)γcs - πr 2(1- cos2θ)γcl -3

2 3r π ( 1- 1,5cosθ + 0,5 cos3θ)

m

m

T

T T H

)( −∆

Chú ý r ằng trong phươ ng trình trên có πr 2(1-cos2θ)γcs là năng lượ ng cần thiết để tạo ra một bề mặt phân chia pha mớ i giữa tác nhân xúc tác và chất r ắn. Thứ hai, là -πr 2(1-cos2θ)γcl là nănglượ ng toả ra khi diện tích bề mặt phân chia pha xúc tác- lỏng nhỏ đi sau khi quá trình tạo mầmxuất hiện. Trong phươ ng trình trên còn một số đại lượ ng chưa đượ c xác định đó là năng lượ ng phân giớ i γsl, γcs và γcl , các năng lượ ng này đóng vai trò như một sức căng bề mặt và năng lượ ng bề mặt.

Khi áp dụng điều kiện dWf /dr = 0 tại r=r * ta sẽ có giá tr ị của bán kính tớ i hạn r * như sau:

Hình 2.5 M ầm d ị thể t ạothành trên bề mặt củatác nhân t ạo mầm là cáct ạ p chấ t r ắ n trong dung

d c h l ỏn





)(

.2*

T T H

T r

m

m sl

−∆=

γ

Khi so sánh hai bán kính giớ i hạn của mầm đồng thể và mầm dị thể thì ta thấy chúngtươ ng đồng như nhau, tuy nhiên thể tích của hạt nhân là không tươ ng đồng. Đối vớ i mầm đồngthể có thể tích tớ i hạn là

V*đồng thể = π

3

4(r *đồngthể)

3

Trong khi đó thể tích tớ i hạn của mầm dị thể làV*

dị thể = (2/3)π(r *dịthể)3( 1- 1,5cosθ + 0,5cos3θ)

Dao động thăng giáng cực đại của 102 nguyên tử ở tạo mầm đồng thể và tạo mầm dị thể

là giống nhau. Cân bằng hai vế phải của phươ ng trình 1 và 2 ta rút ra đượ cr *dị thể = r *đồng thể / ( 0,5{1-1,5cosθ + 0,5cos3θ})1/3

Nếu các hạt nhân bám dính vào tác nhân xúc tác tốt, góc θ < 10o lúc đó từ các phươ ngtrình trên ta có thể tính toán đượ c r *het = 18,1r *hom. Nói một cách rõ hơ n, nếu ta sắ p xế p 102 nguyên tử vào một chỏm cầu trên bề mặt tác nhân xúc tác chúng ta sẽ đượ c tinh thể có bán kínhlớ n hơ n khi sắ p xế p các nguyên tử trên một quả cầu.

Đối vơ i hiện tượ ng chậm đông, ta có thể tính toán dễ dàng khi giả thiết góc tiế p xúc trongquá trình tạo mầm dị thể là 10o. Ta có:

)(

.2

d t m

m sl

T T H

T

−∆

γ = 18,1.

)(

.2

đ ôt m

m sl

T T H

T

−∆

γ

Từ đó ta tính đượ c Tm-Tdị thể = (Tm- Tđồng thể)/18,1 = 102K/18,1= 5oK

Hình 2.6. M ầm d ị thể t ạo thànhở nhiệt độ cao khi dao độngng ẫ u nhiên của 102 nguyên t ử t ạo thành một tinh thể có bánkính l ớ n hơ n nế u chúng xă p sế ptrên một chỏm cầu





2.2.2. Quá trình phát tri ể n mầm

Các nhà khoa học đã tính toán đượ c r ằng khi đạt đến kích thướ c tớ i hạn r th, sự phát triển

lên về kích thướ c của mầm là quá trình tự nhiên vì làm giảm năng lượ ng tự do. Trong các điềukiện thông thườ ng ( làm nguội tươ ng đối nhanh), đầu tiên sự phát triển mầm mang tính dị hướ ngtức lớ n lên r ất nhanh theo một phươ ng tạo nên nhánh cây. Điều này có ngh ĩ a lúc đầu mầm pháttriển nhanh theo tr ục bậc I, r ồi từ tr ục chính này tạo nên tr ục bậc II vuông góc vớ i tr ục bâc I.Tiế p tục từ tr ục bậc II lại tạo nên tr ục bậc III vuông góc vớ i tr ục bậc II, cứ như thế nhánh câyđượ c tạo thành

2.2.3. S ự t ạo mầm trong chấ t r ắn

Sự tạo mầm trong chất r ắn cũng như trong chất lỏng, trong chất r ắn luôn tồn tại những

khuyết tật có năng lượ ng cao giống như những vết nứt, các bề mặt và biên giớ i các hạt…Quá

trình tạo mầm dị thể thườ ng xảy ra tại những khuyết tật. Hình sau đây cho thấy quá trình tạo

mầm trong chất r ắn đa tinh thể.

Hình 2.8 M ầm d ị thể có thể t ạo ra

trong vật r ắ n t ại các khuyế t t ật hay

t ại bề mặt phân chia pha, hay t ại

biên hạt.

Hình 2.7. sự k ế t tinh hình nhánhcây (a) và ảnh chụ p tinh thể nhánh cây





Hạt mầm tạo nên bở i sự định hướ ng ngẫu nhiên của nguyên tử và tạo thành các tinh thể

nhỏ của pha mớ i, nếu nhiệt độ đủ thấ p để đảm bảo sự ổn định nhiệt động thì tinh thể sẽ phát triển

lên. Trong sự tạo mầm đồng thể các hạt nhân có dạng hình cầu xuất hiện trong khối vật liệu,

ngượ c lại trong sự tạo mầm dị thể các hạt nhân có dạng chỏm cầu xuất hiện trên những vết nứt

giống như trên bề mặt chất r ắn

2.3. Sự hình thành hạt

Hạt là yếu tố quan tr ọng của tổ chức tinh thể. Sự hình thành hạt xảy ra như sau+ Tiến trình tạo thành hạt: Có thể hình dung sự k ết tinh là sự tiế p nối liên tục của hai quá trìnhtrên: trong khi các mầm sinh ra tr ướ c phát triển lên thì trong kim loại lỏng vẫn tiế p tục sinh racác mầm mớ i, quá trình cứ xảy ra như vậy cho đến khi các mầm đi đến gặ p nhau và kim loại

lỏng hết, cuối cùng đượ c tổ chức đa tinh thể gồm các hạt.Giả sử trong kim loại lỏng cứ mỗi giây lại tạo ra một mầm, ở các giây tiế p theo ki mầm

này đã lớ n lên lại xuất hiện các mầm mớ i, quá trình cứ diễn biến như vậy cho đến khi k ết thúc ở giây thứ n. Như vậy có thể thấy r ằng:

- Từ mỗi mầm tạo nên một hạt

- Các hạt xuất phát từ mầm sinh ra tr ướ c có nhiều thờ i gian và kim loại lỏng bao quanh, có điềukiện phát triển nên hạt sẽ to hơ n, ngượ c lại các hạt từ mầm sinh sau sẽ nhỏ hơ n, do vậy các hạtcó kích thướ c không đồng nhất

- Chính vì mầm định hướ ng trong không gian một cách ngẫu nhiên nên phươ ng mạng của các hạt

cạnh nhau không đồng hướ ng, lệch nhau một cách đáng k ể cho nên gây ra xô lệch mạng.+ Hình dạng hạt: R ất khác nhau do tươ ng quan về tốc độ phát triển mầm, sau đây là một số dạngthườ ng gặ p

- Khi tốc độ phát triển đều theo mọi phươ ng, hạt nhận đượ c có dạng đa cạnh hay cầu. Thôngthườ ng kim loại có dạng đa cạnh do các mầm cùng loại đi đến gặ p nhau

- Khi tốc độ phát triển mạnh theo hai hướ ng ( tức là theo một mặt) nào đó hạt sẽ có dạng tấm, lá, phiến như grafit trong gam xám

- Khi tốc độ phát triển mạnh theo một phươ ng nào đó, hạt sẽ có dạng đũa, cột hay hình tr ụ

- Dạng tinh thể hình kim tồn tại trong một sô tr ườ ng hợ p khi nhiệt luyện

Hình 2.9 quá trình các tinh

thể k ế t hợ p t ạo thành hạt





2.4. Cấu tạo tinh thể thỏi đúc

Cấu trúc của thỏi đúc phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Những yếu tố chủ yếu là số lượ ng và

tính chất của tạ p chất trong kim loại sạch và các nguyên tố hợ p kim trong hợ p kim, nhiệt độ đúc,tốc độ nguội khi k ết tinh, cũng như cấu hình, nhiệt độ, độ dẫn nhiệt, tr ạng thái bề mặt bên trongcủa khuôn đúc. Hình sau đây là sơ đồ tổ chức thô đại của thỏi đúc nhận đượ c trong khuôn đúcđơ n giản bằng kim loại đặt thẳng đứng. Tổ chức điển hình của thỏi đúc hợ p kim gồm ba phần.Kim loại lỏng bị quá nguội tr ướ c tiên ở những nơ i tiế p xúc vớ i thành khuôn lạnh. Độ quá nguộilớ n tạo khả năng hình thành vùng I gồm các hạt mịn đều tr ục trên bề mặt thỏi đúc. Các tinh thể vùng này lớ n lên không có định hướ ng là do sự định hướ ng ngẫu nhiên của chúng và chính sự định hướ ng ngẫu nhiên này làm các tinh thể chạm vào nhau và làm cho chúng ngừng phát triển.Sự định hướ ng của các tinh thể lại phụ thuộc vào tình tr ạng bề mặt khuôn ( độ nhám, các khí bị hấ p thụ và hơ i ẩm) và sự có mặt của oxit và các tạ p chất không phải kim loại trong kim loại lỏng.Vùng này r ất mỏng và không phải lúc nào cũng có thể phân biệt đượ c bằng mắt thườ ng. Sau đó

các tinh thể định hướ ng thuận lợ i nhất đối vớ i hướ ng tỏa nhiệt sẽ lớ n lên. Vùng 2 của các tinh thể dạng tr ụ vuông góc vớ i thành khuôn đượ c tạo thành như vậy. Cuối cùng, ở giữa thỏi đúc, nơ i cóđộ quá nguội nhỏ nhất và hướ ng tỏa nhiệt không rõ ràng, các tinh thể lớ n đều tr ục đượ c hìnhthành.

Khi sử dụng các biện pháp công nghệ khác nhau, có thể làm thay đổi tươ ng quan giữa cácvùng hoặc là loại tr ừ một vùng nào đó ra khỏi tổ chức thỏi đúc. Chẳng hạn, nếu quá nung hợ pkim tr ướ c khi đuc và làm nguội nhanh khi k ết tinh sẽ dẫn đến việc hình thành tổ chức thực tế chỉ gồm một loại tinh thể hình tr ụ. Tổ chức như vậy đượ c gọi là tổ chức xuyên tinh. Các thỏi đúc củakim loại r ất sạch có tổ chức tươ ng tự. Vùng tinh thể hình tr ụ đượ c đặc tr ưng bở i mật độ lớ n nhất,nhưng khe hở giữa các tinh thể hình tr ụ tụ tậ p các chất không hòa tan, nên thỏi đúc xuyên tinhthườ ng hay bị nứt khi gia công áp lực.

Các thỏi đúc hợ p kim có thành phần không đồng nhất. Chẳng hạn, trong thỏi đúc của théptheo hướ ng từ ngoài vào trong và từ trên xuống dướ i thì nồng độ cacbon và các tạ p chất có hạinhư lưu huỳnh, phốt pho tăng. Tính không đồng nhấthóa học giữa các vùng khác nhau của thỏi đúc đượ c gọilà thiên tích vùng. Nó ảnh hưở ng r ất xấu đến các tínhchất cơ học.

Trong các thỏi đúc thực, ngoài thiên tích vùngcòn gặ p cả các dạng thiên tích khác. Ví dụ như thiêntích tr ọng lượ ng hình thành do sự khác nhau về tr ọnglượ ng riêng của pha lỏng và pha r ắn cũng như khi k ết

tinh các pha lỏng không tr ộn lẫn vớ i nhau đượ c. Tùytheo pha r ắn nặng hay nhẹ hơ n so vớ i pha lỏng mà khik ết tinh nó nổi lên bề mặt hay chìm xuống đảy thỏi đúc.Sự phân lớ p thỏi đúc như vậy theo tr ọng lươ ng riêng làkhông cho phép đối vớ i các hợ p kim chống ma sát vì hệ số ma sát ở bộ đôi công tác phụ thuộc nhiều vào đặcđiểm cũng như tính đồng nhất của tổ chức.

Để giảm thiên tích tr ọng lượ ng ngườ i ta làm nguội nhanh thỏi đúc.

Hình 2.10 T ổ chứ c ba vùng củathỏi đ úc

1) Vùng ngoài cùng2) Vùng tinh thể hình tr ụ 3) Vùng hạt to ( trung tâm)





Phần II

HỢP KIM VÀ TỔ CHỨC

Chương 3

Hợp kim và giản đồ pha

3.1. Cấu trúc tinh thể của hợ p kim

3.1.1.Khái ni ệm về hợ p kim

3.1.1.1. Định nghĩ a

Hợ p kim là vật thể của nhiều nguyên tố và mang tính kim loại ( dẫn nhiệt, dẫn điện cao,dẻo, dễ biến dạng, có ánh kim). Hợ p kim đượ c tạo thành trên cơ sở kim loại: giữa hai kim loạivớ i nhau mà cũng có thể là một kim loại và một phi kim, song nguyên tố chính vẫn là kim loại,đó là hợ p kim đơ n giản hay giữa nguyên tố chính là kim loại vớ i nhiều nguyên tố khác đó là hợ pkim phức tạ p.

3.1.1.2. Ư u việt của hợ p kim

Trong k ỹ thuật và đặc biệt là trong công nghiệ p cơ khí chế tạo các vật liệu đượ c sử dụngthườ ng là hợ p kim vì so vớ i các kim loại nguyên chất thì nó có nhiều ưu điểm hơ n về tính chất,gia công và kinh tế. Sau đây là một vài ưu điểm của hợ p kim:

+ Các vật liệu trong cơ khí chế tạo phải có độ bền cao để chịu đượ c tải khi làm việc nhưng khôngđượ c giòn để bị phá hủy. Trong khi các kim loại nguyên chất thườ ng r ất dẻo và độ bền kém xahợ p kim thì hợ p kim lại cho phép trong những tr ườ ng hợ p nhất định vừa có thể chịu tải vừa cótính dẻo để không bị phá hủy dòn vì thế khi sử dụng hợ p kim tuổi thọ của các chi tiết máy tănglên r ất nhiều

+ Tính công nghệ đa dạng và thích hợ p. Để tạo thành các bán thành phẩm và thành phẩm vật liệu phải có khả năng gia công và tính chất này đượ c gọi là tính công nghệ. Hợ p kim vớ i nhiều chủngloại phong phú có thể có các tính công nghệ đa dạng phù hợ p vớ i điều kiện công nghệ gia công.Hầu như mọi hợ p kim đều có thể đượ c chế tạo bằng một trong hai phươ ng pháp: biến dạng dẻovà đúc. Noi chung hợ p kim có tính gia công cắt nhất định để bảo đảm sản phẩm có kích thướ c,hình dạng chính xác và bề mặt nhẵn, là những yếu tố r ất quan tr ọng khi lắ p ghép trong máy móc,thiết bị.

+ Trong nhiều tr ườ ng hợ p luyện hợ p kim đơ n giản và r ẻ hơ n so vớ i luyện kim loại nguyên chất,do không phải chi phí để khử nhiều nguyên tố lẫn vào.

3.1.2. Các d ạng cấ u t ạo của hợ p kim

Trong thực tế hợ p kim thườ ng có các dạng cấu tạo sau đây:+ Hợ p kim có cấu tạo một pha là dung dịch r ắn





+ Hợ p kim có cấu tạo một pha là hợ p chất hoá học+ Hợ p kim có cấu tạo hai hay nhiều pha.

3.1.2.1.Dung d ịch r ắ nTrong dung dịch r ắn các nguyên tử phân bố vào nhau trong mạng tinh thể. Cấu tử nào có

số lượ ng nhiều hơ n, vẫn giữ đượ c kiểu mạng của mình gọi là dung môi, cấu tử còn lại là chất hoàtan. Dung dịch r ắn là pha đồng nhất, có cấu trúc mạng tinh thể của cấu tử dung môi nhưng thành phần của nó có thể thay đổi trong một phạm vi nhất định mà không làm thay đổi sự đồng nhấtđó. Dung dịch r ắn đượ c chia làm hai loại: Dung dịch r ắn thay thế và dung dịch r ắn xen k ẽ.a.Dung d ịch r ắ n thay thế :

Là loại dung dịch mà nguyên tử của cấu tử hoà tan thay thế vào vị trí của các nguyên tử của nguyên tố gốc trên nút mạng tinh thể. Như vậy, kiểu mạng và ô mạng cơ sở của dung dịchr ắn thay thế vẫn giống vớ i kiểu mạng và ô mạng cơ sở của nguyên tố ban đầu. Tuy nhiên vìkhông thể có hai nguyên tố khác nhau mà lại có kích thướ c nguyên tử hoàn toàn giống nhau nênsự thay thế để tạo nên dung dịch này tất yếu sẽ dẫn đến sự xô lệch mạng tinh thể. Do vậy dungdịch r ắn thay thế chỉ xảy ra khi kích thướ c nguyên tử của nguyên tố thay thế và của nguyên tố gốc có sự sai khác r ất nhỏ. Dung dịch r ắn thay thế còn đượ c phân chia thành dung dịch r ắn hoàtan vô hạn và dung dịch r ắn hoà tan giớ i hạn+ Dung dịch r ắn hoà tan vô hạn: Là dung dịch r ắn mà trong đó nồng độ biến đổi của chất hoà tancó thể biến đổi vớ i một tỷ lệ bất k ỳ. Trong loại dung dịch r ắn này không thể phân biệt đượ c cấutử nào là dung môi, cấu tử nào là chất hoà tan, cấu tử nào có lượ ng chứa nhiều là dung môi, cấutử còn lại là chất hoà tan.Điều kiện để tạo thành dung dịch r ắn hoà tan vô hạn như sau:-Có cùng kiểu mạng tinh thể - Đườ ng kính nguyên tử sai khác nhau r ất ít, nhỏ hơ n 8%

- Các tính chất vật lý và hóa học gần giống nhau (độ âm điện, cấu tạo lớ p vỏ điện tử)+ Dung dịch r ắn thay thế hoà tan có hạn: Là dung dịch r ắn mà các cấu tử hoà tan vào nhau vớ imột nồng độ nhất địnhb. Dung d ịch r ắ n xen k ẽ

Là dung dịch r ắn mà các nguyên tử hoà tan nằm xen k ẽ giữa các nguyên tử của kim loạidung môiCác đặc tính của dung dịch r ắn:Mạng tinh thể của dung dịch r ắn là mạng tinh thể của kim loại dung môi, thườ ng có các kiểumạng đơ n giản và sít chặt. Đây là yếu tố cơ bản quyết định tính chất cơ lý hoá. Về cơ bản nó vẫngiữ đượ c tính chất của kim loại dung môi. Tuy nhiên về thông số mạng nó luôn khác vớ i dungmôi.

Trong dung dịch r ắn xen k ẽ các nguyên tử hòa tan phải có kích thướ c bé hơ n hẳn để có thể lọt vào lỗ hổng trong mạng tinh thể của kim loại dung môi. Do tất cả các lỗ hổng đều r ất nhỏ nênchỉ một số phi kim vớ i bán kính nguyên tử bé như: hydro, nito, cacbon mớ i có khả năng hòa tanxen k ẽ vào các kim loại chuyển tiế p có bán kính nguyên tử lớ n như sắt, crôm, …Do số lỗ hổngnày là có hạn và các nguyên tử phi kim không thể chui vào mọi lỗ hổng của mạng vì sẽ gây raxô lệch mạng nên dung dịch r ắn xen k ẽ không thể có loại hòa tan vô hạn, chỉ có thể là hòa tan cóhạn.





Hình 3-1. (a) Trong dung d ịch r ắ n xen k ẽ , (b) trong dung d ịch r ắ n thay thế khi r ht > r dm ,

c. Đặc tính của dung dịch r ắn

Về mặt cấu trúc dung dịch r ắn của hợ p kim có kiểu mạng tinh thể vẫn là kiểu mạng củakim loại dung môi. Đặc tính cơ bản này quyết định các đặc tr ưng cơ lý hóa tính của dung dịch

r ắn, về cơ bản vẫn giữ đượ c các tính chất cơ bản của kim loại chủ hay nền. Như vậy dung dịchr ắn trong hợ p kim có các đặc tính cụ thể như sau:

+ Liên k ết vẫn là liên k ết kim loại, do vậy dung dịch r ắn vẫn giữ đượ c tính dẻo giống như kimloại nguyên chất

+ Thành phần hoá học thay đổi theo phạm vi nhất định mà không làm thay đổi kiểu mạng.

+ Tính chất biến đổi nhiều: Độ dẻo, độ dai, hệ số nhiệt độ điện tr ở giảm, điện tr ở độ bền, độ cứngtăng lên.

Do các đặc tính trên nên dung dịch r ắn là cơ sở của hợ p kim k ết cấu dùng trong cơ khí.Trong hợ p kim này pha cơ bản là dung dịch r ắn, nó chiếm xấ p xỉ đến 90% có tr ườ ng hợ p

đến 100%.

3.1.2.2. H ợ p chấ t hóa học

Các hợ p chất hoá học có trong hợ p kim thườ ng đượ c gọi là pha trung gian bở i vì trên giảnđồ pha nó có vị trí ở giữa, trung gian giữa các dung dịch r ắn có hạn ở hai đầu mút.

a. Bản chất và phân loại

Thườ ng hiểu hợ p chất hoá học tạo thành tuân theo qui luật hoá tr ị. Các hợ p chất này mang cácđặc điểm sau

- Có mạng tinh thể phức tạ p khác hẳn vớ i nguyên tố thành phần

- Luôn luôn có tỷ lệ chính xác giữa các nguyên tố và biểu diễn bằng công thức hoá họcAnBm vớ i m,n là các số nguyên

- Tính chất khác hẳn các nguyên tố thành phần

- Có nhiệt độ nóng chảy cố định và khi tạo thành toả ra một lượ ng nhiệt đáng k ể

b. Pha xen k ẽ

Là pha tạo nên giữa các nguyên tử kim loại chuyển tiế p ( có bản kính nguyên tử lớ n) vớ icác á kim có bán kính nguyên tử bé như cacbon, nitơ , hydro và bo: cacbit,nitrit, hydrit và borit.Cấu trúc mạng của pha xen k ẽ đượ c xác định bở i tươ ng quan kích thướ c nguyên tử giữa á kim(X) và kim loại (M)





- Nếu r x/r r M <0,59 các nguyên tử kim loại trong pha này sắ p xế p theo một trong ba kiểumạng đơ n giản thườ ng gặ p, còn các nguyên tử phi kim xen k ẽ vào các lỗ hổng trongmạng, tạo nên hợ p chất vớ i các công thức đơ n giản như M4X, M2X, MX.

- Nếu r x/r M >0,59 sẽ tạo nên hợ p chất vớ i mạng tinh thể phức tạ p đượ c gọi là pha xen k ẽ vớ i mạng phức tạ p) vớ i các công thức phức tạ p hơ n như M3X, M7X3, M23X6.

Đặc tính nổi bật của pha xen k ẽ là có nhiệt độ chảy r ất cao ( thườ ng > 2000-3000oC), r ấtcứng và giòn, có vai trò r ất lớ n trong hoá bền, nâng cao tính chống mài mòn và chịu nhiệtcủa hợ p kim.

Do nitơ và hydro có kích thướ c nguyên tử khá nhỏ nên tỷ số trên < 0,59, các hydrit, nitritđều là pha xen k ẽ mạng đơ n giản. Các nitrit Fe4 N, Fe2 N, Mo2 N…đượ c tạo thành khithấm nitơ nâng cao mạnh độ cứng tính chống mài mòn của thép. Do cacbon có kíchthướ c nguyên tử lớ n hơ n nên ngoài sự tạo thành pha xen k ẽ vớ i kiểu mạng phức tạ p như

Fe3C, Mn3C, Cr 7C3, các cacbit đó là thành phần chủ yếu của hợ p kim cứng và có trongcác thép có tác dụng làm tăng độ cứng và tính chống mài mòn.

c. Pha điện tử

Là hợ p chất hoá học có nồng độ điện tử N ( số điện tử hoá tr ị tính cho một nguyêntử) xác định là 21/14, 21/13, 21/12, mà mỗi tỷ lệ ứng vớ i một cấu trúc mạng phức tạ pnhất định.

Vớ i nồng độ điện tử là 21/14 đượ c gọi là pha β vớ i kiểu mạng lậ p phươ ng tâmkhối hay lậ p phươ ng phức tạ p hoặc sáu phươ ng, vớ i nồng độ 21/13 đượ c gọi là pha γ vớ imạng phức tạ p, vớ i nồng độ 21/12 đượ c gọi là pha ε vớ i mạng sáu phươ ng xế p chặt. Phađiện tử đượ c tạo thành bở i kim loại giữa hai nhóm: một hoá tr ị một (Cu, Ag, Au, Li…) và

chuyển tiế p ( Mn, Fe, Co…) vớ i hoá tr ị từ hai đến năm (Be, Mg, Zn, Cd, Al…) Ví dụ hệ Cu-Zn tạo nên một loạt pha điện tử

d. Pha Laves

Tạo nên bở i hai nguyên tố A, B có tỷ lệ bán kính nguyên tử r A/r B=1,2 ( có thể biến đổi trongkhoảng từ 1,1-1,6) vớ i công thức AB2 có kiểu mạng sáu phươ ng xế p chặt như MgZn2, MgNi2 hay lậ p phươ ng tâm mặt MgCu2.

3.1.2.3. H ỗ n hợ p cơ học

Trong nhiều tr ườ ng hợ p, hợ p kim có tổ chức gồm hai haynhiều pha: hai dung dịch r ắn, dung dịch r ắn và pha trunggian….Cấu tạo như vậy gọi là hỗn hợ p cơ học. Trên tổ chứctế vi ta phân biệt đượ c r ất rõ các pha khác nhau trong hỗnhợ p cơ học. Hai tr ườ ng hợ p điển hình của hỗn hợ p cơ học làcùng tinh và cùng tích

Hình 3.2 hỗ n hợ p cơ học của A và B





3.2. Giản đồ pha của hệ hai cấu tử

Khi thay đổi thành phần và nhiệt độ thì cấu tạo của hệ hợ p kim cũng thay đổi theo. Để

xác định sự thay đổi này ta dùng giản đồ pha. Như vậy ta có định ngh ĩ a về giản đồ pha: Giản đồ pha là giản đồ biểu thị sự thay đổi tổ chức pha theo nhiệt độ và thành phần của hệ ở tr ạng tháicân bằng.

Cần chú ý là sự biến đổi này chỉ hoàn toàn đúng và phù hợ p vớ i hợ p kim ở tr ạng thái cân bằng,trong tr ườ ng hợ p làm nguội thông thườ ng nó sẽ có một số sai khác. Tuy vậy giản đồ pha vẫn làcơ sở để xác định cấu trúc của hợ p kim,

3.2.1.Quy t ắc pha và công d ụng

Tr ạng thái cân bằng hoá học đượ c xác định bở i một số yếu tố bên trong ( thành phần hoáhọc) và bên ngoài ( nhiệt độ, áp suất), tuy nhiên trong đó các yếu tố phụ thuộc lẫn nhau.

Bậc tự do là số lượ ng các yếu tố độc lậ p có thể thay đổi đượ c trong giớ i hạn xác định mà khônglàm thay đổi tr ạng thái của hệ, tức là không làm thay đổi số pha đã có. Quan hệ giữa số pha P, số cấu tử C và số bậc tự do F đượ c xác định bằng định luật hay qui tắc pha của Gibbs. Do việcnghiên cứu và sử dụng vật liệu thườ ng diễn ra trong khí quyển nên ảnh hưở ng của áp suất khôngđượ c tính đến nên số yếu tố bên ngoài chỉ còn lại một (nhiệt độ) và qui tắc pha có dạng như sau:F=C-P+1

Nếu F=0 hệ là vô biến, không có yếu tố nào có thể thay đổi đượ c, lúc đó P=C+1 ( số phanhiều hơ n số cấu tử là 1). Ví dụ kim loại nguyên chất C=1 khi nóng chảy hay k ết tinh tồn tại hai pha ( P=2, lỏng ,r ắn), số bậc tự do bằng không, điều này chứng tỏ kim loại nguyên chất k ết tinhhay nóng chảy luôn xảy ra ở nhiệt độ không đổi.

Nếu F=1 hệ là đơ n biến, chỉ có một yếu tố ( hoặc là nhiệt độ hoặc là thành phần) có thể thay đổi đượ c, lúc đó P=C ( số pha bằng số cấu tử). Ví dụ, hợ p kim Cu-Ni ở nhiệt độ thườ ng cótổ chức là dung dịch r ắn, khi nung nóng sẽ thành dung dịch lỏng, vậy trong quá trình nóng chảysố pha của hợ p kim là hai ( dung dịch r ắn, lỏng), số bậc tự do bằng một ( F= 2-2 +1), điều nàychứng tỏ quá trình trên xảy ra trong một khoảng nhiệt độ ( tức là nhiệt độ biến đổi) hoặc là tạimột nhiệt độ nào đó trong quá trình nóng chảy ta có thể thay đổi chút ít thành phần thêm bớ t Cu, Ni mà vẫn giữ cho hợ p kim ở tr ạng thái hai pha này.

Nếu F=2 hệ là nhị biến, cùng một lúc có thể thay đổi cả hai yếu tố nhiệt độ và thành phần, lúc đó P= C-1 ( số pha ít hơ n số cấu tử là 1). Ví dụ phần lớ n các hệ hai cấu tử ở tr ạng tháilỏng đều hoà tan vô hạn vào nhau nên lúc đó chỉ có một pha là dung dịch lỏng và số bậc tự do bằng hai, điều này chứng tỏ ở tr ạng thái lỏng của hệ ta có thể thay đổi đồng thờ i nhiệt độ và

thành phần khá dễ dàng mà vẫn chỉ tồn tại một pha.

3.2.2. Các gi ản đồ pha và công d ụng

Giản đồ pha ( còn gọi là giản đồ tr ạng thái hay giản đồ cân bằng) của một hệ là công cụ để biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ, thành phần và số lượ ng (tỷ lệ) các pha ( hoặc tổ chức) của hệ đó ở tr ạng thái cân bằng. Các hệ có giản đồ pha khác nhau và chúng đượ c xây dựng chỉ bằngthực nghiệm. Trong thực tế không có hai giản đồ pha nào giống nhau hoàn toàn vì tươ ng tác giữacác cấu tử xảy ra r ất phức tạ p từ kiểu pha, các phản ứng cho đến nhiệt độ tạo thành. Hiện nayngườ i ta đã xây dựng đượ c hầu hết các hệ hai cấu tử giữa các kim loại, kim loại á kim và các hệ ba cấu tử thườ ng gặ p r ất thuận tiện cho việc tra cứu.





Hệ một cấu tử không có sự biến đổi thành phần nên giản đồ pha của nó chỉ có một tr ục,trên đó đánh dấu nhiệt độ chảy ( k ết tinh) và các nhiệt độ chuyển biến thù hình

Giản đồ hệ hai cấu tử có hai tr ục: tr ục tung biểu thị nhiệt độ, tr ục hoành biểu thị thành phần ( thườ ng theo % khối lượ ng) vớ i những đườ ng phân chia các khu vực theo các nguyên tắcsau:

- Xen giữa hai khu vực một pha là khu vực hai pha tươ ng ứng

- Mỗi điểm trên tr ục hoành biểu thị một thành phần xác định của hệ. Theo chiều từ trái sang phảitỷ lệ cấu tử B tăng lên, còn từ phải sang trái tỷ lệ cấu tử A tăng lên, hai đầu mút tươ ng ứng vớ ihai cấu tử A và B nguyên chất.

Do đượ c biểu thị trên mặt phẳng một cách chính xác nên từ giản đồ pha hệ hai cấu tử dễ dàngxác định đượ c các thông số sau đây cho một thành phần xác định ở nhiệt độ nào đó.

+ Các pha tồn tại. Căn cứ vào điểm nhiệt độ-thành phần đã cho ( tạm gọi là toạ độ) nằm trongvùng nào của giản đồ pha sẽ có tổ chức pha tươ ng ứng vớ i vùng đó: nằm ở vùng một pha hợ pkim có tổ chức một pha, nằm ở vùng hai pha hợ p kim có tổ chức hai pha.

+ Thành phần pha: Nếu tọa độ nằm trong vùng một pha thì thành phần của pha cấu tạo nên hợ pkim bằng chính thành phần của hợ p kim đã chọn. Khi toạ độ nằm trong vùng hai pha việc xácđịnh có phức tạ p hơ n, bằng cách k ẻ đườ ng nằm ngang qua toạ độ này, hai giao điểm của nó vớ ihai đườ ng biên giớ i vớ i hai vùng một pha gần nhất sẽ chỉ rõ thành phần của từng pha tươ ng ứng.

+ Tỷ lệ giữa các pha đượ c xác định bằng qui tắc đòn bẩy theo nguyên tắc sau: ba điểm trên tạonên hai đoạn thẳng mà độ dài của mỗi đoạn biểu thị tươ ng đối của pha đối diện trong hợ p kimmột cách đơ n giản

+ Nhiệt độ chảy k ết tinh: Thườ ng hợ p kim nóng chảy ( k ết tinh) trong một khoảng nhiệt độ ( bắtđầu và k ết thúc) tươ ng ứng vớ i hai đườ ng chay ngang suốt giản đồ, đườ ng chạy ngang trên đượ cgọi là đườ ng lỏng (ở cao hơ n đườ ng này hợ p kim hoàn toàn ở tr ạng thái lỏng), đườ ng ngang sát ở dướ i đượ c gọi là đườ ng r ắn (ở thấ p hơ n đườ ng này hợ p kim hoàn toàn ở tr ạng thái r ắn)

+ Các chuyển biến pha. Sự xuất hiện hoặc biến mất của các pha ( khi nung và khi nguội chậm)cũng như nhiệt độ xảy ra, tươ ng ứng vớ i các đườ ng ở dướ i đườ ng đặc.

+ Dự đoán các tổ chức tạo thành ở tr ạng thái không cân bằng.

Vì vậy giản đồ pha là căn cứ không thể thiếu khi nghiên cứu các hệ hợ p kim. Giản đồ pha haicấu tử của các hệ thực tế có loại r ất phức tạ p, song dù phức tạ p đến bao nhiêu cũng có thể coinhư nhiều giản đồ cơ bản gộ p lại.

3.2.2.1. Giản đồ loại 1

Là giản đồ pha của hệ hai cấu tử không có bất k ỳ tươ ng tác nào, chúng tạo nên hỗn hợ priêng r ẽ của hai cấu tử, có dạng tổng quát trình bày ở hình và hệ điển hình kiểu này đó là hệ chì-antimoan ( Pb-Sb), giản đồ chỉ gồm một cặ p đườ ng lỏng-r ắn, trong đó đườ ng trên AEB là đườ nglỏng, đườ ng nằm dướ i CED là đườ ng r ắn, A là nhiệt độ chảy ( k ết tinh) của cấu tử A ( vớ i Pb là327oC), B là nhiệt độ chảy ( k ết tinh) của cấu tử B (Sb-631oC). Hợ p kim sẽ nóng chảy hay k ếttinh trong khoàng giữa hai đườ ng này vớ i sự tồn tại của hai hay ba pha ( pha lỏng vớ i một hoặccả hai pha r ắn A, B)





Để có thể hiểu rõ hơ n ta xét sự k ết tinh của một hợ p kim cụ thể gồm 60% B (Sb) và 40% A(Pb). Đườ ng thẳng đứng biểu thị hợ p kim này cắt các đườ ng lỏng, r ắn tươ ng ứng ở 1 ( 500oC) và2 ( 245oC), đó là hai mốc nhiệt độ đáng chú ý:

+ Ở cao hơ n 1 ( 500oC) hợ p kim ở tr ạng thái lỏng hoàn toàn L

+ Ở thấ p hơ n 2 ( 245oC) hợ p kim ở tr ạng thái r ắn A +B (Pb + Sb)

+ Ở trong khoảng 1 đến 2 ( 500-245oC) hợ p kim ở tr ạng thái lỏng + r ắn

Tóm lại, tại 1 ứng vớ i nhiệt độ 500oC là nhiệt độ bắt đầu k ết tinh hay k ết thúc nóng chảy và 2ứng vớ i nhiệt độ 245oC là nhiệt độ bắt đầu nóng chảy hay k ết thúc k ết tinh.

Sự k ết tinh của hợ p kim từ tr ạng thái lỏng xảy ra như sau:

- Làm nguội đến 1 hợ p kim lỏng bắt đầu k ết tinh ra tinh thể B cũng ở nhiệt độ này ứng vớ i 1’.

- Làm nguội tiế p tục, tinh thể B (Sb) tạo thành càng nhiều làm tỷ lệ B (Sb) trong hợ p kim lỏng

còn lại giảm đi nên điểm biểu diễn ( toạ độ) dịch sang trái theo đườ ng lỏng từ 1 đến E.

- Khi làm nguội đến đườ ng r ắn CED ( 245oC) hợ p kim lỏng ( còn lại) nghèo B (Sb) đi nữa và cótọa độ ở điểm E ( 13%Sb), còn pha r ắn B (Sb) ứng vớ i điểm D.

- Tại nhiệt độ của đườ ng r ắn CED ( 245oC), LE k ết tinh ra cả hai cấu tử A+B (Pb+Sb) cùng mộtlúc, hỗn hợ p của hai pha r ắn đượ c tạo thành cùng một lúc (đồng thờ i) từ pha lỏng như vậy đượ cgọi là cùng tinh (eutectic)

LE (A+B)

Sự k ết tinh k ết thúc ở đây và khi làm nguội đến nhiệt độ thườ ng không có chuyển biến gì khác.Cuối cùng hợ p kim này có tổ chức B+(A+B) hay Sb+(Pb+Sb), trong đó B (Sb) đượ c tạo thành từ

tr ướ c ở nhiệt độ cao hơ n nên có kích thướ c hạt lớ n (độ quá nguội nhỏ) còn cùng tinh (A+B) hay(Pb+Sb) đượ c tạo thành sau ở nhiệt độ thấ p hơ n nên có cấu tạo ( kích thướ c hạt) các pha nhỏ mịnhơ n ( do độ qua nguội lớ n)

Hình 3.3. Dạng t ổ ng quát của giản đồ pha loại I và giản đồ pha Pb-Sb

3.2.2.2. Giản đồ loại 2

Là giản đồ pha của hệ hai cấu tử vớ i tươ ng tác hoà tan vô hạn vào nhau, có dạng tổng quáttrình bày ở hình sau, các hệ điển hình có kiểu này là hệ đồng-niken ( Cu-Ni) ở hình 3.10b và hệ

L

E





Al2O3- Cr 2O3 ở hình 3.10c có dạng của đườ ng cong khép kín, trong đó đườ ng phía trên là đườ nglỏng, đườ ng phía dướ i là đườ ng r ắn, dướ i vùng r ắn là vùng tồn tại của dung dịch r ắn α có thành phần thay đổi liên tục.

Các hợ p kim của hệ này có qui luật k ết tinh r ất giống nhau: Đầu tiên hợ p kim lỏng k ết tinhra dung dịch r ắn giàu hơ n, vì thế pha lỏng còn lại bị nghèo đi, song khi làm nguội chậm tiế p tụcdung dịch r ắn tạo thành biến đổi thành phần theo hướ ng nghèo đi và cuối cùng đạt đúng như thành phần của hợ p kim.

Hình 3.4. Dạng t ổ ng quát của giản đồ pha loại II và của hệ Cu-Ni

3.2.2.3. Giản đồ loại 3Là giản đồ pha của hai cấu tử vớ i tươ ng tác hoà tan có hạn vào nhau, có dạng tổng quát

đượ c trình bày ở hình 3.12a và điển hình có kiểu này là hệ chì-thiếc (Pb-Sn) ở hình 3.12b. Giảnđồ này có dạng khá giống vớ i giản đồ loại 1vớ i sự khác nhau ở đây là các dung dịch r ắn có hạn α và β thay thế cho các cấu tử A và B. Các dung dịch r ắn có hạn trên cơ sở ( nền) của các cấu tử nguyên chất nằm về hai phía đầu mút của giản đồ. Ở đây AEB là đườ ng lỏng, ACEDB là đườ ngr ắn.

Sau đây là vài kiểu nhận xét vớ i giản đồ này

+ Cũng giống như giản đồ loại 1 nhiệt độ chảy của cấu tử bất k ỳ thoạt tiên đều giảm đi nếu đượ cthêm cấu tử thứ hai.

+ Điểm E cũng đượ c gọi là điểm cùng tinh (eutectic) và tại đó xảy ra phản ứng cùng tinh

+ Cũng có hợ p kim cùng tinh ( có thành phần đúng điểm E hay lân cận), tr ướ c cùng tinh ( trái E)và sau cùng tinh ( phải E)

+ Các dung dịch r ắn ở đây đều là có hạn vớ i các đườ ng CF và DG chỉ rõ giớ i hạn hòa tan. Nóichung độ hòa tan đạt đượ c giá tr ị lớ n nhất ở nhiệt độ cùng tinh và giảm mạnh khi hạ thấ p nhiệtđộ, nên CF và DG có dạng xoãi chân về hai phía.

α





Hình 3.5. Dạng t ổ ng quát của giản đồ loại III và giản đồ pha hệ Pb-Sn

3.3. Giản đồ sắt-cacbon và các tổ chứ c

Trên biểu đồ trình bày cấu tạo pha và cấu tạo của hợ p kim vớ i thành phần từ sắt nguyênchất đến xementit ( C=6,67%). Trên tr ục hoành trình bày hàm lượ ng C, % theo khối lượ ng, và tỉ lệ xementit tươ ng đươ ng ( 0 – 100%), còn tr ục tung là nhiệt độ.

Điểm A và Đ trên biểu đồ biểu thị nhiệt độ nóng chảy của sắt nguyên chất ( 1539oC) và xementit( 1500oC), đườ ng ABCD đườ ng lỏng, ANJECF-đườ ng đặc. Hợ p kim lỏng L là dung dịch lỏngcủa C trong sắt tồn tại trên đườ ng ABCD.

Khi nguội, hợ p kim lỏng bắt đầu k ết tinh và sau đó r ắn chắc-đó là quá trình thay đổi cấu trúc pha,

tức các dạng thù hình của sắt, thay đổi độ hoà tan của cacbon vào autensit và ferit.Theo lượ ng cacbon trong hợ p kim sắt-cacbon chia ra thép có hàm lượ ng cacbon C= 0-2,14% vàgang có hàm lượ ng cacbon lớ n hơ n 2,14%.

Điểm E ( C=2,14%) là điểm giớ i hạn để phân biệt thép và gang

Theo lượ ng cacbon chia ra làm ba loại thép

-Thép tr ướ c cùng tinh có thành phần cacbon nhỏ hơ n 0,8% vớ i tổ chức peclit (P) và ferit(F), hợ pkim r ất ít cacbon ( C đến 0,02% ứng vớ i điểm P trên biểu đồ)-gọi là sắt k ĩ thuật. Sự k ết tinh củathép tr ướ c cùng tinh theo đườ ng ABC và ANJE.

- Thép cùng tinh có thành phần cacbon 0,8% tổ chức peclit trên đườ ng PSK.

To= 727oC.

- Thép sau cùng tinh có thành phần cacbon lớ n hơ n 0,8% và đến 2,14%. Khi nhiệt độ lớ nhơ n đườ ng SE trong thép chỉ có auxtenit ( γ ). Khi nhiệt độ nhỏ hơ n đườ ng SE ( nhỏ hơ n727oC) thép sau cùng tinh có tổ chức peclit và xementit thứ hai

Gang theo thành phần cacbon cũng chia làm ba loại:

- Gang tr ắng tr ướ c cùng tinh có C nhỏ hơ n 4,3% ( phân bố giữa đườ ng BC và ED), tạo ratừ hai pha: lỏng và auxtenit. Ở nhiệt độ cùng tinh 1147oC hợ p kim lỏng k ết tinh tạo ralêđêburit (Le). Gang tr ướ c cùng tinh ở giữa đườ ng EC, PSK ( 727oC) có các tổ chứcauxtenit, xementit thứ 2 và lêđêburit ( γ + Xe). Dướ i 727oC auxtenit chuyển thành peclit.





- Gang cùng tinh có thành phần C=4,3% (điểm C) chỉ có một tổ chức là lêđêburit ( γ + Xe)

- Gang sau cùng tinh có thành phần cacbon lớ n hơ n 4,3% vớ i tổ chức lêđêburit và xementit

thứ nhất.3.3.1.Gi ản đồ pha Fe-Fe3C

Giản đồ pha Fe-C đượ c trình bày ở trên hình sau vớ i các ký hiệu các toạ độ ( nhiệt độ-thành phần cacbon, %) đã đượ c quốc tế hoá như sau:

A ( 1539-0); B (1499-0,5); C ( 1147-4,3) D (1250-6,67)

E (1147-2,14) F ( 1147-6,67) G ( 911-0) H ( 1499-0,1)

J ( 1499-0,16) K ( 727-6,67) L (0-6,67) N (1392-0)

P (727-0,02) Q ( 0-0,006) S (727-0,8)

Các đườ ng có ý ngh ĩ a thực tế quan tr ọng là:+ Đườ ng ABCD là đườ ng lỏng để xác định nhiệt độ chảy lỏng hoàn toàn hay bắt đầu k ết tinh

+ AHJECF là đườ ng r ắn để xác định nhiệt độ bắt đầu chảy hay k ết thúc k ết tinh

+ ECF ( 1147oC) là đườ ng cùng tinh, xảy ra phản ứng cùng tinh

+ PSK ( 727oC) là đườ ng cùng tích, xảy ra phản ứng cùng tích

+ ES giớ i hạn hoà tan cacbon trong Feγ

+ PQ giớ i hạn hoà tan cacbon trong Feα





Hình 3.6 giản đồ pha Fe-C

3.3.2. Các t ổ chứ c của hợ p kim Fe-C

a. Các tổ chứ c một pha

Ở tr ạng thái r ắn có thể gặ p bốn pha sau

Ferit: ký hiệu là Feα là dung dịch r ắn xen k ẽ của cacbon trong Feα vớ i mạng lậ p phươ ngtâm khối ( a=0,286-0,291nm) song do lượ ng hoà tan quá nhỏ ( lớ n nhất là 0,02%C ở 727oC) nêncó thể coi nó là Feα. Ferit có tính sắt từ nhưng chỉ đến 768oC. Trên giản đồ nó tồn tại trong vùngGPQ ( tiế p giáp Feα trên tr ục sắt). Do chứa cacbon không đáng k ể nên cơ tính của pherit chính làcủa sắt nguyên chất: dẻo, dai mềm và kém bền. Pherit là một trong hai pha tồn tại ở nhiệt độ thườ ng và khi sử dụng ( < 727oC), song vớ i tỷ lệ cao nhất ( trên dướ i 90%), nên nó đóng góp một





tỷ lệ quan tr ọng trong cơ tính của hợ p kim Fe-C. Tổ chức tế vi của pherit trình bày ở hình sau códạng hạt sáng, đa cạnh.

Austenit: Ký hiệu là γ, là dung dịch r ắn xen k ẽ của cacbon trong Feγ vớ i mạng lậ p phươ ngtâm mặt ( a= 0,364nm) vớ i lượ ng hoà tan đáng k ể cacbon ( cao nhất tớ i 2,14%), khác vớ i ferit,austenit không có tính sắt từ mà có tính thuận từ, nó chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao hơ n 727oC trongvùng NJESG nên không có quan hệ tr ực tiế p đến khả năng sử dụng của hợ p kim nhưng lại có vaitrò quyết định trong biến dạng nóng và nhiệt luyện.

Vớ i tính dẻo cao và r ất mềm ở nhiệt độ cao nên biến dạng nóng ( dạng chủ yếu để tạo phôivà bán thành phầm) thép bao giờ cũng đượ c thực hiện ở tr ạng thái austenit đồng nhất ( thườ ngtrên dướ i 1000oC). Vì thế có thể tiến hành biến dạng nóng mọi hợ p kim Fe-C vớ i C<2,14% dù ở nhiệt độ thườ ng thể hiện độ cứng và tính dòn khá cao. Tổ chức tế vi của austenit trình bày ở hình3.19b có các hạt sáng, có thể vớ i màu đậm nhạt khác nhau đôi chút ( do định hướ ng khi tẩmthực) và các đườ ng song tinh song song cắt ngang hạt ( thể hiện tính dẻo cao).

Xementit: Ký hiệu bằng Xe là pha xen k ẽ vớ i kiểu mạng phức tạ p có công thức Fe3C vàthành phần 6,67%, ứng vớ i đườ ng thẳng đứng DFKL trên giản đồ. Đặc tính của xementit là cứngvà giòn, cùng vớ i ferit nó tạo nên các tổ chức khác nhau của hợ p kim Fe-C. Xementit có tính sắttừ yếu nhưng chỉ đến 210oC. Ngườ i ta phân biệt bốn loại xemetit:

+ Xementit thứ nhất đượ c tạo thành do giảm nồng độ cacbon trong hợ p kim lỏng theo đườ ngDC khi hạ nhiệt độ, chỉ có ở hợ p kim có > 4,3%. Do tạo thành ở nhiệt độ cao nên xementit thứ nhất có dạng thẳng, thô to đôi khi có thể thấy đượ c bằng mắt thườ ng.

+ Xementit thứ hai đượ c tạo thành do giảm nồng độ cacbon trong austenit theo đườ ng ES khi hạ

nhiệt độ, thườ ng thấy r ất rõ ở hợ p kim có >0,8%C đến 2,14%C. Do tạo thành ở nhiệt độ tươ ngđối cao >727oC tạo điều kiện cho sự tậ p trung ở biên giớ i hạt, nên khi xementit thứ hai vớ i lượ ngđủ lớ n sẽ tạo thành lướ i liên tục bao quanh các hạt austenit như biểu thị ở hình 3.23 tức tạo rakhung giòn, làm giảm mạnh tính dẻo và dai của hợ p kim.

+ Xementit thứ ba; Đượ c tạo thành do giảm nồng độ cacbon trong ferit theo đườ ng PQ khi hạ nhiệt độ, vớ i số lượ ng tỷ lệ r ất nhỏ nên thườ ng đượ c bỏ qua

b. Các tổ chứ c hai pha

+ Peclit: Ký hiệu là P

Hình 3.7 t ổ chứ c ferit (a)và austenit (b)





Peclit là hỗn hợ p cơ học cùng tích của pherit và xementit đượ c tạo thành từ austenit vớ i0,8%C và ở 727oC. Trong peclit có 88% pherit và 12% xementit phân bố đều trong nhau, nhờ k ếthợ p giữa một lượ ng lớ n pha dẻo vớ i lượ ng nhất định pha cứng, peclit là tổ chức khá bền, cứngnhưng củng đủ dẻo dai, đáp ứng yêu cầu của vật liệu k ết cấu và công cụ. Peclit và các biến thể của nó ( xoocbit, trôxit, bainit) có mặt trong hầu hết các hợ p kim Fe-C. Ngườ i ta phân biệt hailoại peclit tấm và peclit hạt.

Peclit tấm thườ ng gặ p hơ n cả, có cấu trúc tấm ( lớ p 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 hướ nghay đa hướ ng, trong đó các vạch tối mỏng ( vớ i lượ ng ít hơ n) là xementit, vạch sáng dày ( vớ ilượ ng nhiều hơ n, gọi là nền) là pherit nên tổng thể có dạng vân.

Peclit hạt ít gặ p hơ n, có cấu trúc hạt tức xementit ở dạng thu gọn nhất ( bề mặt ít nhất)-hạt xementit phân bố đều trên nền pherit. Giữa hai loại này có sự khác biệt nhỏ vè cơ tính: so vớ i peclit hạt, peclit tấm có độ bền, độ cứng cao hơ n, độ dẻo, độ dai thấ p hơ n đôi chút. Austenit

đồng nhất dễ tạo peclit tấm, còn austenit kém đồng nhất dễ tạo thành peclit hạt. Peclit hạt ổn địnhhơ n peclit tấm nên khi nung lâu ở nhiệt độ tươ ng đối cao peclit tấm có xu hướ ng chuyển thành peclit hạt.

+Leđêburit: Ký hiệu là Le

Leđêburit là hỗn hợ p cùng tinh của austenit và xementit tạo thành từ pha lỏng vớ i 4,3%Cở 1147oC nhở phản ứng, tuy nhiên khi làm nguội tiế p tục lại có phản ứng cùng tích để austenitchuyển biến thành peclit nên tổ chức tế vi cuối cùng quan sát đượ c là hỗn hợ p của peclit tấm (các hạt tối nhỏ) trên nền xementit sáng. Lêđêburit cứng và giòn ( vì có quá nhiều, tớ i 2/3 làxementit) và chỉ có trong hợ p kim Fe-C ở dạng gang tr ắng, ít gặ p.

c. Một số quy ướ cCác điểm tớ i hạn: Các nhiệt độ ứng vớ i chuyển biến pha ở tr ạng thái r ắn trong hợ p kim Fe-

C gọi là các điểm tớ i hạn, chúng đượ c ký hiệu bằng chữ A kèm theo các số thứ tự 0,1,2,3,4, vàcm. Gồm có các điểm tớ i hạn sau đây:

+ Ao (217oC) là nhiệt độ chuyển biến từ của xementit, thấ p hơ n nhiệt độ này xementit có từ tính,cao hơ n nhiệt độ này xementit mất từ tính

+ A1 ( 727oC) ứng vớ i đườ ng PSK là nhiệt độ chuyển biến của austenit – peclit có trong tất cả các loại thép.

+ A2 (768oC) còn gọi là điểm curi, ứng vớ i đườ ng MO là điểm chuyển biến từ của ferit

Hình 3.8 tổ chức tế vi của peclit tấm(a) và peclit hạt (b)





+ A3 ứng vớ i đườ ng GS ( 727-911oC) là đườ ng bắt đầu tiết ra pherit từ austenit khi làm nguội vàk ết thúc hòa tan pherit vào austenit khi nung nóng, chỉ có trong thép tr ướ c cùng tích

+Acm ứng vớ i đườ ng ES ( 727-1147o

C) là đườ ng bắt đầu tiết ra xementit từ austenit khi làmnguội hay k ết thúc hòa tan xementit vào austenit khi nung nóng, chỉ có trong thép sau cùng tíchvà gang.

Trong tất cả các điểm tớ i hạn trên thì A1, A3 và Acm là những điểm tớ i hạn đượ c sử dụngnhiều nhất và chủ yếu khi nhiệt luyện thép. Tuy nhiên các giá tr ị đó chỉ đúng trong tr ạng thái cân bằng ( nung nóng hay làm nguội vô cùng chậm, tốc độ nung nóng hay nguội r ất nhỏ). Trong thựctế tốc độ nung nóng hay làm nguội thườ ng có giá tr ị xác định nên không phù hợ p. Tươ ng tự như hiện tượ ng quá nguội ( khi k ết tinh) hay quá nung ( khi nóng chảy) các điểm tớ i hạn sẽ thấ p hơ nhay cao hơ n giá tr ị lý thuyết, sự sai khác này càng lớ n khi tốc độ càng cao.





Chương 4Nhiệt luyện thép

4.1. Khái niệm nhiệt luyện

Nhiệt luyện là tậ p hợ p các thao tác gồm có nung nóng kim loại hay hợ p kim đến một nhiệtđộ xác định, giữ tại đó trong một khoảng thờ i gian thích hợ p, r ồi làm nguội vớ i tốc độ nhất địnhđể làm thay đổi tổ chức do đó nhận đượ c cơ tính và các tính chất khác theo ý muốn

4.1.1. Đặc đ i ể m của nhi ệt luyện

+ Không nung nóngđế

n chảy lỏng hay ch

ảy lỏng b

ộ phận, trong quá trình nhi

ệt luy

ện kim lo

ạivẫn ở tr ạng thái r ắn

+ Trong quá trình nhiệt luyện, hình dáng và kích thướ c chi tiết không thay đổi ( chính xác là cóthay đổi nhưng không đáng k ể)

+ Nhiệt luyện chỉ làm thay đổi tổ chức tế vi bên trong, do đó dẫn đến làm thay đổi cơ tính chochi tiết.

4.1.2. Tác d ụng của nhi ệt luyện trong nhà máy cơ khí

Nhiệt luyện là khâu quan tr ọng và không thể thiếu đượ c đối vớ i chế tạo cơ khí vì nó có tácdụng chủ yếu sau.

a. Tăng độ cứng, chống mài mòn và độ bền của thép.Mục tiêu của sản xuất cơ khí là sản xuất ra các cơ cấu và máy bền hơ n, nhẹ hơ n, khỏe hơ n

vớ i các tính năng tốt hơ n. Để đạt đượ c điều đó không thể không sử dụng những thành quả củavật liệu kim loại và nhiệt luyện, sử dụng triệt để các tiềm năng của vật liệu về mặt cơ tính.

Bằng những phươ ng pháp nhiệt luyện thích hợ p như tôi+ram, tôi bề mặt, thấm cacbon,thấm cacbon-nitơ ...độ bền và độ cứng của thép có thể tăng lên từ ba đến sáu lần, nhờ đó có thể dẫn tớ i r ất nhiều điều có lợ i như sau:

+ Tuổi bền của máy tăng lên do hệ số an toàn cao, không gãy vỡ . Trong nhiều tr ườ ng hợ p máyhỏng còn là do bị mòn quá mạnh, nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn cũng có tác dụng này.





+ Máy hay k ết cấu có thể nhẹ đi, điều này dẫn đến tiết kiệm kim loại, năng lượ ng khi vận hành.

+ Tăng sức chịu tải của máy, động cơ , phươ ng tiện vận tải và k ết cấu ( nhà xưở ng, cầu...) dẫn

đến các hiệu quả kinh tế-k ỹ thuật lớ n.+ Phần lớ n các chi tiết máy quan tr ọng như tr ục, khuỷu, vòi phun cao áp, bánh r ăng truyền lựcvớ i tốc độ nhanh, chốt... đặc biệt là 100% dao cắt, dụng cụ đo và các dụng cụ biến dạng ( khuôn )đều phải qua nhiệt luyện tôi+ram hoặc hóa nhiệt luyện. Chúng thườ ng đượ c tiến hành gần như làsau cùng, nhằm tạo cho chi tiết, dụng cụ cơ tính thích hợ p vớ i điều kiện làm việc và đượ c gọi lànhiệt luyện k ết thúc

b. Cải thiện tính công nghệ

Muốn tạo thành chi tiết máy, sản phẩm thép phải qua nhiều khâu, nguyên công gia công cơ khí: rèn, dậ p, cắt...Để đảm bảo sản xuất dễ dàng vớ i năng suất lao động cao, chi phí thấ p thép phải có cơ tính sao cho phù hợ p vớ i điều kiện gia công tiế p theo như cần mềm dẻo đẻ dễ cắt hoặc

dẻo để dễ biến dạng nguội. Muốn vậy cũng phải áp dụng các biện pháp nhiệt luyện thích hợ p: ủ hoặc thườ ng hóa. Ví dụ, sau khi biến dạng ( đặc biệt là kéo nguội) thép bị biến cứng đến mứckhông thể cắt gọt hay biến dạng kéo tiế p đượ c, phải đưa đi ủ hoặc thườ ng hóa để làm giảm độ cứng, tăng độ dẻo. Sau xử lý như vậy thép tr ở nên r ất dễ gia công tiế p theo.

Các phươ ng pháp nhiệt luyện tiến hành vớ i mục đích như vậy đượ c gọi là nhiệt luyện sơ bộ, chúng nằm giữa các nguyên công gia công cơ khí ( thườ ng tiến hành trên phôi)

4.1.3.Các yếu tố đặc trư ng cho nhiệt luyện

Quá trình nhiệt luyện đượ c đặc tr ưng bằng ba thông số quan tr ọng sau đây:

+ Nhiệt độ nung nóng T0n: nhiệt độ cao nhất mà quá trình phải đạt đến

+ Thờ i gian giữ nhiệt tgn: thờ i gian ngưng ở nhiệt độ nung nóng+ Tốc độ nguội Vnguội sau khi giữ nhiệt

Ba thông số này tươ ng ứng vớ i ba giai đoạn nối tiế p nhau trong quá trình nhiệt luyện: nung nóng,giữ nhiệt và làm nguội

K ết quả của nhiệt luyện đượ c đánh giá bằng các chỉ tiêu sau:

+ Tổ chức tế vi bao gồm cấu tạo pha kích thướ c hạt, chiều sâu lớ p hóa bền…Có thể nói đây làchỉ tiêu gốc, cơ bản nhất.

+ Độ cứng là chỉ tiêu cơ tính, liên quan đến độ bền, độ dẻo, độ dai

Hình 4.1. S ơ đồ của quá trìnhnhiệt luyện đơ n giản nhấ t





+ Độ cong vênh biến dạng

4.1.4. Phân loại nhiệt luyện thép

Có thể phân loại các phươ ng pháp nhiệt luyện thép vớ i những đặc điểm chủ yếu như sau:Nhiệt luyện: Dùng cách thay đổi nhiệt độ để biến đổi tổ chức trên toàn bộ tiết diện, bao

gồm các phươ ng pháp sau:

+ Ủ: nung nóng r ồi làm nguội chậm để đạt tổ chức cân bằng vớ i độ cứng, độ bền thấ p nhất, độ dẻo cao nhất.

+ Thườ ng hóa: nung nóng đến tổ chức hoàn toàn austenit, làm nguội bình thườ ng trong khôngkhí t ĩ nh để đạt tổ chức gần cân bằng

+ Tôi: nung nóng làm xuất hiện austenit r ồi làm nguội nhanh đề đạt tổ chức không cân bằng vớ iđộ cứng cao nhất ( nhưng cũng đi kèm vớ i độ giòn cao)

+ Ram: Nguyên công bắt buộc sau khi tôi, nung nóng lại thép tôi để điều chỉnh độ cứng, độ bềntheo đúng yêu cầu làm việc.

Hóa nhiệt luyện: Dùng cách thay đổi nhiệt độ và biến đổi thành phần hóa học ở bề mặtlàm vùng này có biến đổi tổ chức và cơ tính mạnh hơ n. Thườ ng tiến hành bằng cách thấm,khuếch tán một hay nhiều nguyên tố nhất định

Cơ nhiệt luyện: Dùng cách thay đổi nhiệt độ và biến dạng dẻo để biến đổi tổ chức và cơ tính trên toàn tiết diện mạnh hơ n khi nhiệt luyện đơ n thuần.

4.2. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng

4.2.1. C ơ sở xác đị nh chuyể n bi ế n khi nung nóngCơ sở để xác định các chuyển biến xảy ra khi nung nóng đó là giản đồ pha Fe-C. Tuỳ theo

thành phần cacbon và nhiệt độ nung nóng trong thép sẽ xảy ra các chuyển biến khác nhau. Trongtất cả các loại thép ở nhiệt độ thườ ng đểu có tổ chức peclit, thép tr ướ c và sau cùng tích thì ngoài peclit còn có ferit và xementit thứ hai.

a. Thép cùng tích:

+ Khi nung nóng ở nhiệt độ thấ p hơ n AC1 ( < 727oC) trong thép chưa có chuyển biến gì

+ Khi nhiệt độ đạt đến AC1 sẽ có chuyển biến péc lít thành austenit theo phản ứng sau:

[Feα + Fe3C]0,8%C Feγ(C)0,8%C

+ Khi nung nóng cao hơ n nhiệt độ AC1 một ít ta đượ c tổ chức austenit đồng nhất.

b. Thép tr ướ c cùng tích:

+ Khi nung nóng đến AC1 sẽ có chuyển biến thành austenit như trên

+ Khi nung nóng từ nhiệt độ AC1 đến AC3 sẽ có sự hoà tan của phe rít vào austenit

+ Khi nung nóng cao hơ n AC3 ta sẽ có austenit đồng nhất.

c. Thép sau cùng tích:

+ Khi nung nóng đến AC1 sẽ có chuyển biến pec lít thành austenit





+ Khi nung nóng từ nhiệt độ AC1 đến ACm sẽ có quá trình hoà tan của xementit hai vào austenit

+ Khi nhiệt độ nung cao hơ n Acm sẽ có tổ chức austenit đồng nhất.

Tóm lại khi nung nóng thép đến nhiệt độ cao hơ n đườ ng GSE của giản đồ pha Fe-C trong cácthép đều nhận đượ c dung dịch r ắn austenit, tuy nhiên thành phần cacbon của nó phụ thuộc vàothành phần cacbon của thép.

4.2.2. Đặc đ i ể m của chuyể n bi ế n pec lít thành austenit

a. Nhiệt độ chuyển biến

Trên giản đồ pha Fe-C nhiệt độ chuyển biến pec lít thành austenit là 727oC, điều này chỉ đúng khi nung nóng vô cùng chậm. Trong thực tế khi nhiệt luyện tốc độ nung nóng tươ ng đốilớ n, do đó nhiệt độ chuyển biến thực tế luôn cao hơ n 727oC. Tốc độ nung càng cao thì nhiệt độ sẽ chuyển biến sẽ càng cao.

Khảo sát nhiệt độ chuyển biến đẳng nhiệt của pec lít thành austenit của thép cùng tích, tathấy khi nhiệt độ càng cao chuyển biến của thép càng ngắn.

Trong thực tế nhiệt luyện thép ta thườ ng dùng cách nung nóng liên tục, để hoàn thànhchuyển biến ta phải nung nóng ở nhiệt độ cao hơ n nhiệt độ tớ i hạn tươ ng ứng từ 20-30oC có khitớ i hàng tr ăm độ.

b. Kích thướ c hạt austenit

Chuyển biến pec lít thành austenit là một quá trình k ết tinh và khuếch tán. Mầm austenitđượ c tạo thành giữa biên hạt của phe rít và xementit của tổ chức peclit. Biên hạt của hai pha nàyr ất lớ n nên số mầm austenit tạo ra r ất nhiều. Vì vậy hạt austenit mớ i sinh bao giờ cũng r ất nhỏ mịn. Do đó chuyển biến peclit thành austenit bao giờ cũng làm nhỏ hạt thép. Hạt austenit sẽ càngnhỏ mịn nếu kích thướ c của pha xementit càng nhỏ và tốc độ nung càng lớ n. Sau khi tạo thành sẽ có quá trình khuếch tán cacbon từ nơ i giàu cacbon ( pha xementit) đến nơ i nghèo cacbon ( pha pherit) để làm đồng đều thành phần austenit.

Hạt austenit lúc mớ i sinh ra r ất nhỏ mịn nhưng nếu tiế p tục nung nóng hay giữ nhiệt chúngsẽ lớ n lên ngay. Tuỳ theo đặc tính phát triển của hạt austenit khi nung nóng, thép đượ c chia ralàm hai loại: thép bản chất hạt nhỏ và bản chất hạt lớ n.

Hình 4.2 Giản đồ chuyể n biế n đẳ ng

nhiệt của peclitthành austenit vàcác vect ơ biể u thị t ố c độ nung V 2>V 1





Thép bản chất hạt lớ n là loại thép có hạt austenit phát triển nhanh và đều đặn ở mọi góc độd, dovậy khi làm nguội hạt thép to và có tính dòn cao.

Thép bản chất hạt nhỏ có hạt austenit lúc đầu phát triển chậm, chi khi nhiệt độ vượ t quá 930-950oC thì mớ i phát triển nhanh và có thể lớ n hơ n cả thép bản chất hạt lớ n. Do vậy trong các dạngnhiệt luyện thông dụng thép bản chất hạt nhỏ không tạo thành hạt lớ n khi nung nóng đượ c.

Hình 4.3. Giản đồ pha Fe-C và sơ đồ phát triể n hạt austenit của thé cùng tích trong đ ó 1là thép bản chấ t hạt nhỏ , 2thép bản chấ t hạt l ớ n, 3 hạt bản chấ t, 4 hạt nung nóng để nhiệt luyện, 5 hạt peclit ban đầu

4.2.3. Chuyể n bi ế n x ả y ra khi gi ữ nhi ệt

Khi giữ nhiệt không có chuyển biến nào xảy ra khác vớ i khi nung nóng. Giữ nhiệt nhằmđạt đượ c các mục đích sau:

+ Làm đồng đều nhiệt độ trên toàn tiết diện, để cho lõi cũng có chuyển biến như bề mặt

+ Có thờ i gian để hoàn thành các chuyển biến khi nung nóng

+ Làm đồng đều thành phần hoá học của austenit4.2.4. Chuyể n bi ế n của austenit khi làm nguội chậm

Qúa trình làm nguội austenit đượ c phân ra làm hai nhóm lớ n: làm nguội đẳng nhiệt và làmnguội liên tục. Để đơ n giản ta nghiên cứu chuyển biến đẳng nhiệt trong thép cacbon cùng tíchsau đó suy r ộng cho các loại thép khác.

4.2.4.1.Gi ản đồ chuyể n bi ế n đẳng nhi ệt austenit quá nguội ( gi ản đồ T-T-T) của thép cùngtích

Từ giản đồ Fe-C ta thấy r ằng peclit sẽ chuyển biến thành austenit tại nhiệt độ 727oC vớ iđiều kiện làm nguội r ất chậm không có trong thực tế, do vậy ta dùng phươ ng pháp làm nguội





đẳng nhiệt như sau: Làm nguội nhanh austenit xuống dướ i nhiệt độ Ar1 một khoảng nhỏ, sau đógiữ đẳng nhiệt tại nhiệt độ này và đo thờ i gian bắt đầu và k ết thúc của chuyển biến austenit

a. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của thép cùng tíchGiản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của austenit quá nguội gọi là giản đồ T-T-T. Ta tiến hành đonhư trên cho thép cùng tích tại các nhiệt độ chuyển biến khác nhau, ghi lại thờ i gian bắt đầuvà k ết thúc chuyển biến từng nhiệt độ một. Cuối cùng đem biểu diễn lên tr ục toạ độ nhiệt độ thờ i gian sẽ có đượ c giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt austenit quá nguội của thép cùng tích.Giản đồ này có dạng hai đườ ng cong chữ C, đườ ng thứ nhất biểu diễn sự bắt đầu, đườ ng thứ hai biểu thị sự k ết thúc của chuyển biến austenit thành peclít

b.Các sản phẩm của sự phân hoá đẳng nhiệt của austenit quá nguội:

Khi làm nguội austenit xuống nhiệt độ thấ p hơ n 727oC, nó chưa chuyển biến ngay mà còn tồn tạimột thờ i gian nhất định tr ướ c khi chuyển biến, phần hoá và đượ c gọi là austenit quá nguội.Austenit quá nguội không ổn định, r ất dễ dàng bị phân hoá. Trên giản đồ chữ C phân chia ra cáckhu vực sau:

+ Trên 727oC là khu vực tồn tài của austenit ổn định

+ Bên trái đườ ng cong chữ C thứ nhất là austenit qúa nguội

+ Khoàng giữa hai đườ ng cong chữ C là austenit chuyển biến

Hình 4.4 Giản đồ T-T-T của thép cùng tích





+ Bên phải đườ ng cong chữ C là các sản phẩm của quá trình phân hoá đẳng nhiệt của austenitquá nguội

+ Đườ ng Mđ bắt đầu chuyển biến mactenxit+ Đườ ng Mk k ết thúc chuyển biến mactenxit.

Các sản phẩm phân hoá đẳng nhiệt:

- Khi phân hoá ở sát A1 ( trên dướ i 700oC) vớ i độ quá nguội nhỏ khoảng 25oC. Hỗn hợ p phe rít và xementit tấm tạo thành vớ i kích thướ c thô to, độ cứng 10-15HRC gọi là pec líttấm

- Khi phân hoá austenit ở nhiệt độ thấ p hơ n khoảng 650oC, vớ i độ quá nguội khoảng 75oC,hỗn hợ p phe rít và xementit tạo thành tầm nhỏ, mịn hơ n, khoảng cách giữa các tấm 0,25-0,3μm, không phân biệt đượ c chúng trên kính hiển vi quang học, tổ chức này có độ cứngkhoảng 25-35 HRC gọi là xoocbit tôi

- Khi cho austenit phân hoá ở nhiệt độ thấ p hơ n nữa, khoảng 500-600oC, ứng vớ i mũi củađườ ng cong chữ C, hỗn hợ p phe rít và xementit tám tạo thành nhỏ mịn hơ n nữa, không phân biệt đượ c trên kính hiển vi quang học, khoảng cách giữa các tấm là 0,1 – 0,15μm gọi là trôxittôi

Hình 4.5 t ổ chứ c t ế vi của trôxit tôi (a) và của xoocbit tôi( b)

- Khi cho austenit phân hoá ở nhiệt độ thấ p hơ n nữa khoảng 450-250oC hỗn hợ p phe rít vàxementit tấm nhận đượ c r ất nhỏ mịn, có độ cứng cao nhận đượ c cỡ 50-55HRC gọi là bainit.

Hình 4.6 t ổ chứ c t ế vi của bainit trên (a) và của bainit d ướ i (b)





Sau khi làm nguội đẳng nhiệt tổ chức nhận đượ c đồng nhất trên toàn bộ tiết diện. Như vậycác tổ chức pec lit tấm, xoocbit tôi, trôxit, bainit là hỗn hợ p cơ học của phe rit và xementit tấmvớ i kích thướ c ngày càng nhỏ mịn và độ cứng ngày càng cao hơ n.

+ Đối vớ i thép tr ướ c cùng tích: Có thêm nhánh phụ tiết ra pherit tr ướ c trong khoảng nhiệt độ Ar 3 đến Ar 1 sau đó mớ i phân hóa thành hỗn hợ p pherit-xementit

+ Đối vớ i thép sau cùng tích: Có thêm nhánh phụ tiết ra xementit 2 tr ướ c trong khoảng từ Ar cm đến Ar1 sau đó mớ i phân hóa thành hỗn hợ p pherit-xementit. Tuy nhiên vớ i các thép này nếu làmnguội đẳng nhiệt vớ i đô quá nguội lớ n hay tốc độ quá nguội nhanh thì austenit quá nguội củachúng sẽ phân hóa ngay thành peclit, xoocbit trôxit và bainit nhưng lượ ng cacbon không đúng là0,8%. Các sản phẩm đó gọi là cùng tích giả.

4.2.4.2.Sự phân hoá của austenit khi làm nguội liên tục

Trong thực tế khi nhiệt luyện thép thườ ng dùng phươ ng pháp làm nguội liên tục, các sản phẩm nhận đượ c cũng tươ ng tự tr ườ ng hợ p đẳng nhiệt nhưng có những đặc điểm khác hơ n.

Vớ i các tốc độ nguội khác nhau, austenit sẽ bị quá nguội đến các nhiệt độ khác nhau và phânhoá thành các sản phẩm tươ ng ứng vớ i các nhiệt độ đó.

+ Làm nguội chậm cùng lò, vec tơ ngụôi cắt đườ ng cong chữ C ở sát A1 sản phẩm phân hoálà peclit tấm vớ i độ cứng thấ p nhất

+ Làm nguội trong không khí t ĩ nh, austenit phân hoá thành xoocbit

+ Làm nguội trong không khí nén ( V3), vec tơ nguội cắt chữ C tài phần lồi, austenit phânhoá thành trôxit.

+ Làm nguội trong dầu, vec tơ nguội cắt đườ ng cong chữ C thứ nhất tại phần lồi, austenit chỉ có một phần chuyển biến thành trôxtit phần còn lại thành mactenxit nên sản phẩm là trôxtit-mactenxit.

+ Làm nguội nhanh hơ n nữa, trong nướ c lạnh, ứng vớ i V5, vectơ nguội không cắt đườ ngcong chữ C nầo cả, phần lớ n austenit quá nguội chuyển biến thành mactenxit. Không có hỗn hợ p pherit-xementit.

Tổ chức nhận đượ c thườ ng không đồng nhất trên toàn thiết diện, nhất là tr ườ ng hợ p thiếtdiện lớ n vì bề mặt nguội nhanh hơ n lõi.





4.2.6. Chuyể n bi ế n austenit khi làm nguội nhanh ( chuyển biến mactenxit)

Khi làm nguội nhanh austenit sao cho vectơ biểu diễn tốc độ nguội của nó không cắt đườ ng

cong chữ C, lúc đó chỉ có chuyển biến đa hình từ Feγ sang Feα mà không có sự khuếch tán củacacbon. Đó là chuyển biến austenit thành mactenxit. Chuyển biến này xảy ra ở nhiệt độ thấ p,khoàng từ 250oC tr ở xuống. Tốc độ nguội nhỏ nhất để chuyển biến này xảy ra là tốc độ ứng vớ ivectơ tiế p xúc vớ i đườ ng cong chữ C thứ nhất tại mũi của nó. Tốc độ nguội này đượ c gọi là tốcđộ tôi tớ i hạn Vth ( còn gọi là tốc độ nguội tớ i hạn). Như vậy khi làm nguội austenit lớ n hơ n tốcđộ nguội tớ i hạn thì sẽ nhận đượ c mactenxit chứ không phải hỗn hợ p pherit-xementit.

4.2.6.1. Bản chấ t và cấ u trúc của mactenxit

Mactenxit là dung dịch r ắn quá bão hoà của cacbon trong Feα có nồng độ cacbon bằng nồng độ austenit ban đầu.

Mactenxit có kiểu mạng chính phươ ng tâm khối, vớ i hai thông số mạng là a và c. Tỷ số c/a gọi làđộ chính phươ ng. Thông thườ ng tỉ số c/a từ khoảng 1.001-1,06.

Mactenxit có dạng hình kim, một đầu nhọn, các kim này tạo vớ i nhau góc 60oC hay 120oC, cácnguyên tử cacbon chui vào lỗ hổng trong mạng của Feα

Trong mactenxit do hàm lượ ng cacbon quá bão hoà nên gây ra xô lệch mạng lớ n, do vậyđộ cứng và tính chống mài mòn lớ n. Hàm lượ ng cacbon càng lớ n độ cứng càng cao. Mactenxitcó tính dòn cao phụ thuộc vào kích thướ c hạt của nó và ứng suất bên trong

4.2.6.2. Đặc đ i ể m của chuyể n bi ế n mactenxit

+ Chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục austenit vớ i tốc độ lớ n hơ n hay bằng tốc độ nguộitớ i hạn. Chuyển biến mactenxit không xảy ra khi làm nguội đẳng nhiệt.

+ Là chuyển biến không khuếch tán, nguyên tử cacbon vẫn giữ nguyên vị trí, chỉ có nguyên tử sắt chuyển dịch để tạo ra mạng chính phươ ng tâm khối, khoảng cách dịch chuyển không quá mộtthông số mạng. Giữa hai kiểu mạng của austenit và mactenxit có mối quan hệ định hướ ng xácđịnh sao cho các mặt và phươ ng dày đặc của chúng song song vớ i nhau,

+ Là quá trình không ngừng tạo ra các tinh thể vớ i tốc độ r ất lớ n

V1

Hình 4.9 cấ u trúcmactenxit, ảnh t ổ chứ ct ế vi (a), mô hình khố icơ sở (b)





+ Chuyển biến chỉ xảy ra trong một khoảng nhiệt độ nhất định từ nhiệt độ bắt đầu chuyển biếnđến nhiệt độ k ết thúc chuyển biến. Vị trí hai nhiệt độ này không phụ thuộc vào tốc độ nguội, chỉ phụ thuộc vào thành phần cacbon và nguyên tố hợ p kim trong thép

+ Chuyển biến xảy ra không hoàn toàn: khi làm nguội đến điểm Mk lượ ng mactenxit sinh ra ngàycàng nhiều nhưng không bao giờ đạt đến 100% mà vẫn còn một lượ ng nhất định austenit chưachuyển biến, gọi là austenit dư. Nguyên nhân của hiện tượ ng này là do sự khác nhau về thể tíchriêng của chúng. Thể tích riêng VM > MK vì thế khi chuyển biến austenit thành mactenxit thể tíchsẽ tăng lên. Do vậy phần austenit chưa chuyển biến bị sức ép ngày một tăng, đến mức không thể chuyển biến đượ c. Lượ ng austenit dư trong thép tôi phụ thuộc vào các yếu tố sau:

1) Vị trí của điểm Mk : điểm Mk càng thấ p hơ n 20oC thì lượ ng austenit dư càng nhiều, đây làyếu tố quan tr ọng nhất. Các yếu tố làm giảm điểm Mk đều làm tăng lượ ng austenit dư trong thép sau khi tôi

2) Lượ ng cacbon trong mactenxit càng nhiều thì thể tích riêng của nó càng lớ n ( do độ chính phươ ng c/a càng lớ n) nên lượ ng austenit dư càng nhiều.

Hình 4.10 Đườ ng cong động học của chuyể n biế n mactenxit

4.2.7. Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi ( khi ram)

Sau khi tôi đạt đượ c mactenxit và một lượ ng nhất định austenit dư, thép có độ cứng caosong vớ i tính giòn lớ n, tồn tại ứng suất bên trong, tổ chức không ổn định chưa phù hợ p vớ i điềukiện làm việc, cần phải có thêm sau đó một nguyên công chỉnh-nung nóng lại gọi là ram4.2.7.1. Tính không ổ n đị nh của mactenxit và austenit

Theo giản đồ Fe-C từ nhiệt độ thườ ng đến 727oC tổ chức ổn định của thép là hỗn hợ p ferit-xementit tức peclit. Do vậy hai pha mactenxit và austenit dư đều là các pha không ổn định, cókhuynh hướ ng chuyển biến thành hỗn hợ p trên.





Mactenxit không ổn định là do quá bão hòa cacbon, lượ ng cacbon thừa sẽ tiết ra ở dạngxementit và phần còn lại mất hết cacbon tr ở thành ferit.

Feα Fe3C + Feα Trong khi đó austenit còn lại không ổn định dướ i 727oC và cũng có khuynh hướ ng chuyển thànhhỗn hợ p ferit-xementit:

Feγ( C ) Fe3C + Feα

4.2.7.2. Các chuyể n bi ế n x ả y ra khi ram

Theo sự tăng nhiệt độ nung nóng, thép cùng tích 0,8% đã tôi vớ i tổ chức mactenxit +austenit dư lần lượ t qua các giai đoạn vớ i các chuyển biến sau:+ Giai đoạn I: ở nhiệt độ thấ p hơ n 80oC trong thép tôi chưa có chuyển biến gì, ở nhiệt độ 80-200oC austenit dư chưa chuyển biến chỉ có mactenxit chuyển biến bằng cách cacbon trong nó tậ ptrung lại, tiết ra ở dạng các phần từ cacbit ε có công thức FexC ở dạng tấm mỏng và r ất phân tán.Lượ ng cacbon trong mactenxit giảm từ 0,8% xuống còn 0,25 – 0,4% và tỷ số c/a giảm đi. Hỗnhợ p gồm cacbit ε và mactenxit ít cabon gọi là mactenxit ram. Có thể trình bày chuyển biến củagiai đoạn này như sau:

( mactenxit tôi) Feα (C)0,8 [ Feα (C)0,25-0,4 + Fe2-2,4C] ( mactenxit ram)+ Giai đoạn II: Trong giai đoạn này cacbon vẫn tiế p tục tiết ra khỏi mactenxit làm hàm lượ ngcacbon trong dung dịch r ắn chỉ còn khoảng 0,15-0,2%, song điểm đặc biệt là có chuyển biến mớ iaustenit dư thành mactenxit ram:

(austenit dư) Feγ (C ) [ Feα ( C )0,15-0,2 + Fe 2-2,4C] ( mactenxit ram)Mactenxit ram là tổ chức cứng không kém mactenxit tôi nhưng lại ít giòn hơ n do giảm

đượ c ứng suất bên trong ( vì cacbon tiết bớ t ra khỏi dung dịch r ắn làm giảm xô lệch mạng)

+ Giai đoạn III : K ết thúc giai đoạn hai thép tôi có tổ chức mactenxit ram gồm hai pha mactenxitnghèo cacbon và cacbit ε, đến giai đoạn III này cả hai pha đều chuyển biến :- Tất cả các cacbon quá bão hòa tiết ra hết khỏi mactenxit dướ i dạng cacbit, độ chính phươ ngkhông còn c/a=1, mactenxit nghèo cacbon tr ở thành ferit- Cacbit ε ở dạng tấm mỏng biến thành xementit ở dạng hạtCuối giai đoạn này thép tôi có tổ chức hỗn hợ p ferit-xementit ở dạng hạt r ất nhỏ mịn và phân tángọi là trôxit ram. Do cacbon đã tiết ra hết nên đến giai đoạn này có đặc điểm :- Độ cứng giảm đi rõ r ệt song vẫn tươ ng đối cao khoảng 45HRC- Mất hoàn toàn ứng suất bên trong+ Giai đoạn IV : Khi tiế p tục nâng nhiệt lên 400oC, trong thép tôi không có chuyển biến pha gìmớ i mà chỉ có quá trình lớ n lên của các hạt xementit

Ở nhiệt độ 500-650oC đượ c hỗn hợ p ferit-xementit hạt nhỏ mịn và khá phân tán đượ c gọi làxoocbit ram vớ i đặc tính là có giớ i hạn chảy cao và đô dai va đậ p tốt nhất.

Hình 4.11 t ổ chứ c t ế vi của

xoocbit ram(a),trôxit ram(b),mactenxit ram (c)

và của mactenxitvà austenit d ư (d)





4.3. Các dạng nhiệt luyện thép và hợ p kim

4.3.1.Ủ thép

4.3.1.1. Định ngh ĩ a và mục đích

a. Định nghĩ aỦ thép là phươ ng pháp nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định ( tùy thuộc dùng phươ ng

pháp nhiệt độ có thể biến đổi r ất r ộng từ 200-300oC đến trên 1000oC, giữ nhiệt lâu r ồi làm nguộichậm cùng lò để đạt đượ c tổ chức ổn định peclit vớ i độ cứng thấ p nhất và độ dẻo cao.

b.M ục đ ích của quá trình ủ

Có nhiều phươ ng pháp ủ nhưng cuối cùng cũng chỉ đạt đượ c một trong số các mục đíchsau:

+ Làm giảm độ cứng thép để dễ tiến hành gia công cắt

+ Làm tăng độ dẻo để dễ tiến hành biến dạng ( dậ p, kéo, cán) nguội

+ Làm giảm hay làm mất ứng suất bên trong gây nên bở i gia công cán đúc hàn

+ Làm đồng đều thành phần hóa học trên vật đúc bị thiên tích

+ Làm nhỏ hạt thép.

c. Các phươ ng pháp ủ không có chuyể n biế n pha

Các phươ ng pháp ủ này có nhiệt độ ủ thấ p hơ n Ac1 nên không có chuyển biến peclit thànhaustenit khi nung nóng, do đó không làm biến đổi tổ chức của thép. Có hai phươ ng pháp ủ khôngcó chuyển biến pha là ủ thấ p và ủ k ết tinh lại.





+ Ủ thấ p: Ủ thấ p hay ủ non đượ c tiến hành ở các nhiệt độ 200-600oC vớ i mục đích làm giảm haykhử bỏ ứng suất bên trong ở vật đúc hay sản phẩm qua gia công cơ khí ( cắt gọt hay dậ p nguội). Nếu nhiệt độ ủ chỉ là 200-300oC thì chỉ khử bỏ một phần, còn ở nhiệt độ cao hơ n 450o-600oC sẽ khử bỏ hoàn toàn ứng suất bên trong.

+Ủ k ết tinh lại: Ủ k ết tinh lại đượ c tiến hành cho các thép đã qua biến dạng nguội, bị biến cứngcần khôi phục tính dẻo, độ cứng ở mức như tr ướ c khi bị biến dạng. Đối vớ i thép cacbon, ủ k ếttinh lại đượ c tiến hành ở 600-700oC. Khác vớ i ủ thấ p, ủ k ết tinh lại làm giảm độ cứng và làmthay đổi kích thướ c hạt. Nói chung phươ ng pháp ủ này không đượ c áp dụng cho thép vì phần bị biến dạng tớ i hạn sau khi k ết tinh lại sẽ có hạt r ất lớ n, thép bị giòn

d. Các phươ ng pháp ủ có chuyể n biế n pha

Trong thực tế thườ ng gặ p loại ủ có chuyển biến pha. Các phươ ng pháp ủ này có nhiệt độ ủ caohơ n Ac1 nên có xảy ra chuyển biến peclit-austenit khi nung nóng vớ i hiệu ứng làm nhỏ hạt, nên

khi làm nguội chậm austenit hạt nhỏ lại chuyển biến thành peclit vớ i kích thướ c hạt nhỏ. Sau đâylà một số cách ủ có chuyển biến pha.

+Ủ hoàn toàn: Ủ hoàn toàn là phươ ng pháp ủ áp dụng cho thép tr ướ c cùng tích vớ i lượ ngcacbon trong khoảng 0,3-0,65% vớ i đặc điểm nung nóng thép tớ i tr ạng thái hoàn toàn là austenit,tức là phải cao hơ n Ac3:

Mục đích của ủ hoàn toàn là:

+ Làm nhỏ hạt: nếu chỉ nung quá Ac3 khoảng 20-30oC thì hạt austenit nhận đượ c vẫn nhỏ, nênkhi làm nguội tiế p theo tổ chức ferit-peclit nhận đượ c cũng có hạt nhỏ.

+ Làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo dễ cắt gọt và dậ p nguội vớ i độ cứng đạt đượ c là HB 160-200

Khi nung nóng để ủ hòan toàn ta đượ c austenit đồng nhất nên khi làm nguội sẽ phân hóa ra tổ chức ferit-peclit trong đó peclit ở dạng tấm.

+Ủ không hoàn toàn và ủ cầu hóa: Ủ không hoàn toàn là phươ ng pháp áp dụng cho thép dụngcụ có thành phần cacbon cao >0,7%, vớ i đặc điểm là nung nóng thép tớ i tr ạng thái không hoàntoàn là austenit tức cao hơ n Ac1 nhưng phải thấ p hơ n Acm:

Tu= Ac1 + (20-30)=750-760oC

Tức mọi thép k ể trên đều có nhiệt độ ủ hầu như giống nhau.

Tổ chức tạo thành khi ủ không hoàn toàn là peclit hạt chứ không phải là peclit tấm. Đấy là lý dotại sao vớ i thép cacbon cao như vậy chỉ đem ủ không hòan toàn mà không đượ c ủ hoàn toàn. Nếuủ hoàn toàn tức nung quá Acm sẽ đượ c austenit đồng nhất, khi làm nguội chậm tiế p theo sẽ chuyển biến thành peclit tấm có độ cứng HB>200 và xementit II ở dạng lướ i làm thép có tínhgiòn cao. Khi ủ không hòan toàn do chỉ đượ c nung quá Ac1 một chút nên bản thân austenit tạothành chưa k ị p tiến hành đồng đều hóa thành phần hoặc vẫn còn các phần tử xementit của peclitchưa chuyển biến xong hoặc xementit II. Sự không đồng nhất như vậy làm cho sự tạo thành peclit hạt dễ dàng và độ cứng HB<200 dễ gia công cắt hơ n.

Ủ cầu hóa là dạng đặc biệt của ủ không hoàn toàn trong đó nhiệt độ nung dao động tuần hoàntrên dướ i Ac1: nung lên đến 750-760oC giữ nhiệt khoảng 5 phút vớ i lặ p đi lặ p lại nhiều lần nó sẽ xúc tiến nhanh quá trình cầu hóa xêmentit để tạo thành peclit hạt.





+Ủ đẳng nhiệt: Đối vớ i thép hợ p kim cao do austenit quá nguội có tính ổn định quá lớ n, nên làmnguội chậm cùng lò cũng không đạt đượ c tổ chức peclit mà ra các tổ chức cứng hơ n như peclit-xoocbit, xoocbit-trôxit nên thép không đủ mềm để gia công cắt. Muốn đạt đượ c mục đích này, phải làm nguội đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấ p hơ n Ar1 khoảng 50oC trong thờ i gian nhất định

Như vậy ủ đẳng nhiệt khác vớ i hai phươ ng pháp ủ trên ở phươ ng thức làm nguội: ở đây làlàm nguội đẳng nhiệt, ở trên là làm nguội liên tục. Còn nhiệt độ ủ có thể là nhiệt độ của ủ hoàntoàn nến là thép tr ướ c cùng tích hoặc là của ủ không hoàn toàn nếu là thép sau cùng tích và cùngtích.

+Ủ khuếch tán: Ủ khuếch tán là phươ ng pháp ủ vớ i đặc điểm nung nóng thép lên đến nhiệt độ r ất cao 1100-1150oC trong nhiều giờ ( 10-15h) để làm tăng khả năng khuếch tán, làm đều thành phần hóa học giữa các vùng trong bản thân mỗi hạt.

4.3.2.Thườ ng hóa thép

Thườ ng hóa là phươ ng pháp nhiệt luyện bao gồm nung nóng thép đến tr ạng thái hoàn toànlà austenit ( cao hơ n Ac3 hay Acm), giữ nhiệt r ồi làm nguội tiế p theo trong không khí t ĩ nh để austenit phân hóa thành tổ chức gần ổn định: peclit phân tán hay xoocbit vớ i độ cứng tươ ng đốithấ p ( nhưng cao hơ n ủ một chút)

Các nét đặc tr ưng của thườ ng hóa so vớ i ủ là:

- Nhiệt độ: Giống như ủ hòan toàn nhưng đượ c áp dụng cho cả thép sau cùng tích

Toth= Ac3 + (30-50oC) cho thép tr ướ c cùng tích

Toth= Acm + (30-50oC) cho thép sau cùng tích

- Tốc độ nguội: nhanh hơ n đôi chút, trong không khí t ĩ nh ( đây là cách làm nguội thông thườ ng,đơ n giản nhất nên có tên là thườ ng hóa), không phải dùng lò khi làm nguội nên kinh tế hơ n khi ủ.

- Tổ chức và cơ tính: tổ chức đạt đượ c cân bằng vớ i độ cứng cao hơ n ủ đôi chút.





4.3.3.Tôi thép

Trong các nguyên công nhiệt luyện thép, tôi là nguyên công quan tr ọng nhất.

4.3.3.1.Định ngh ĩ a và mục đích

a.Định ngh ĩ a

Tôi thép là phươ ng pháp nhiệt luyện bao gồm: nung thép lên cao quá nhiệt độ tớ i hạn Ac1 để làm xuất hiện austenit, giữ nhiệt r ồi làm nguội nhanh thích hợ p để biến nó thành mactenxit

hay các tổ chức không ổn định vớ i độ cứng cao.b.Mục đích

Mục đích chủ yếu của tôi thép là đạt độ cứng cao nhất để sau đó k ết hợ p vớ i ram ở nhiệt độ thích hợ p để đạt đượ c các mục đích sau đây:

- Nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn ( k ết hợ p vớ i ram thấ p), nhờ đó kéo dài tuổithọ của chi tiết máy chịu mòn và tất cả dụng cụ ( cắt, biến dạng nguội). Tuy nhiên không phải thép nào đem tôi cũng làm tăng đượ c độ cứng và tính chống mài mòn cao theo ýmuốn.

Hình 4.12 Khoảng nhiệt độ ủ , thườ ng hóa và tôi cho

thép cacbon





- Nâng cao độ bền và sưc chịu tải của chi tiết máy. Sau khi tôi k ết hợ p vớ i ram ở nhiệt độ cao hơ n tuy độ cứng, tính chống mài mòn giảm đi, song nhờ mất hoàn toàn ứng suất bêntrong và đạt hỗn hợ p ferit-xementit hạt ở các độ phân tán khác nhau sẽ đạt đượ c các k ếthợ p cơ tính khác nhau từ giớ i hạn bền, giớ i hạn đàn hồi cao đến giớ i hạn chảy cao.

4.3.3.2.Chọn nhiệt độ tôi thép

+ Đối vớ i thép tr ướ c cùng tích và sau cùng tích nhiệt độ tôi phải lấy cao hơ n Ac3 tức nungnóng tớ i tr ạng thái hoàn toàn austenit.

Tot = Ac3 + (30-50oC)

Tổ chức đạt đượ c là mactenxit+ austenit dư

+ Đối vớ i thép sau cùng tích nhiệt độ tôi chỉ lấy cao hơ n Ac1 tức là nung nóng tớ i tr ạng tháikhông hoàn toàn austenit. Cách tôi như vậy là tôi không hòan toàn:

To

t = Ac1+ ( 30-50o

C))4.3.3.3.Tốc độ tôi tớ i hạn và độ thấm tôi

a. Tốc độ tôi tớ i hạn

Như đã biết tốc độ tôi tớ i hạn là tốc độ nguội nhỏ nhất cần thiết để austenit chuyển biếnthành mactenxit. Có thể xác định gần đúng giá tr ị này theo công thức sau:

sC t

T AV

m

om

th /1 −=

Trong đó A1 nhiệt độ tớ i hạn dướ i của thép oC

Tom, tm nhiệt độ và thờ i gian ứng vớ i austenit quá nguội kém ổn định nhất, oC, sTốc độ tôi tớ i hạn của thép càng nhỏ càng dễ tôi, tức là không cần làm nguội nhanh cũng cóthể đạt đượ c tổ chức mactenxit.

Các yếu tố ảnh hưở ng đến tốc độ tôi tớ i hạn:

- Thành phần hợ p kim của austenit. Đây là yếu tố quan tr ọng nhất. Austenit càng giàu cácnguyên tố hợ p kim đườ ng C càng dịch sang phải, Vth càng nhỏ.

- Sự đồng nhất của austenit. Austenit càng đồng nhất càng dễ biến thành mactenxit. Khiaustenit không đồng nhất, ở những vùng giàu cacbon dễ biến thành xêmentit hay cacbit,những vùng nghèo cacbon dễ biến thành ferit. Nâng cao nhiệt độ tôi sẽ giúp hòa tan và

làm đồng đều hóa cacbon, nâng cao tính đồng nhất của austenit làm giảm Vth - Các phần tử r ắn chưa tan hết vào austenit thúc đẩy chuyển biến tạo thành hỗn hợ p ferit-

cacbit làm tăng Vth.

b.Độ thấm tôi

Trong nhiều tr ườ ng hợ p tổ chức mactenxit không thể tạo thành trên toàn tiết diện, mà chỉ có ở bề mặt ăn sâu vào bên trong đến chiều sâu nhất định, tức lớ p tôi là có giớ i hạn và xuất hiệnkhái niềm về chiều sâu tôi hay độ thấm tôi. Độ thấm tôi là chiều sâu lớ p tôi cứng có tổ chứcmactenxit





Ý ngh ĩ a của độ thấm tôi là ở chỗ nó biểu thị khả năng hóa bền của thép bằng tôi+ram,hay nói cho đúng hơ n là biểu thị tỷ lệ tiết diện của chi tiết đượ c hóa bền nhờ tôi+ram.

Sau khi tôi bền, độ cứng của thép tăng lên nhiều lần, song nếu lớ p tôi quá mỏng ( độ thấm tôi nông) thì hiệu quả này là không đáng k ể: lõi do không đượ c tôi, có độ bền thấ p do đónguy cơ phá hủy từ đây là r ất lớ n. Khi lớ p tôi dày hiệu quả này sẽ tr ở nên hoàn toàn hơ n nhờ đósức chịu tải của chi tiết tăng lên rõ r ệt.

Tính thấm tôi cao là chỉ tiêu chất lượ ng quan tr ọng đối vớ i thép, thép có độ thấm tôi càngcao nói chung càng đượ c đánh giá tốt, song điều đó không có ngh ĩ a là tr ườ ng hợ p nào cũng phảidùng thép có độ thấm tôi cao nhất một cách không cần thiết vì đó là loại thép hợ p kim cao giáđắt.

4.3.3.4.Các phươ ng pháp tôi thể tích

Có r ất nhiều phươ ng pháp tôi, căn cứ theo nhiệt độ phân biệt tôi hoàn toàn và không hòan toàn,theo tiết diện nung nóng chia ra tôi thể tích và tôi bề mặt. Theo phươ ng thức làm nguội cũng như cách sử dụng môi tr ườ ng làm nguội có một số phươ ng pháp tôi như sau:

a.Tôi trong một môi trườ ng và các môi trườ ng thườ ng dùng

Đây là phươ ng pháp tôi đượ c dùng r ộng rãi nhất, theo phươ ng pháp này thép đượ c đưavào môi tr ườ ng làm nguội nhanh thích hợ p cho đến khi thép đượ c nguội hẳn. Vấn đề chọn môitr ườ ng làm nguội, môi tr ườ ng tôi có ý ngh ĩ a quyết định.

Yêu cầu đối vớ i môi tr ườ ng tôi:

+ Tr ướ c hết phải làm nguội nhanh thép sao cho đạt đượ c tổ chức mactenxit, đây là yêu cầu phảitính đến đầu tiên, nhưng cũng không đượ c làm thép bị biến dạng hay bị nứt.

+ Ngòai ra cũng phải tính đến các yếu tố kinh tế đảm bảo vệ sinh môi tr ườ ng.

Các môi tr ườ ng thườ ng dùng:

Nướ c: là môi tr ườ ng tôi mạnh an toàn r ẻ, dễ kiếm và thườ ng dùng. Nướ c lạnh ( 10-30oC)làm nguội thép khá nhanh ở cả hai khoảng nhiệt độ, do vậy đảm bảo đượ c độ cứng cao khi tôinhưng cũng dễ gây ra nứt, biến dạng. Dùng nướ c để tôi r ất an toàn vì không gây cháy hay bốcmùi khó chịu, song khi nướ c trong bể tôi bị nóng lên làm giảm mạnh tốc độ nguội ở nhiệt độ cao

Hình 4.13 S ơ đồ giảithích độ thấ m tôi





nên làm giảm mạnh khả năng tôi cứng mà không làm giảm khả năng biến dạng và nứt. Vì vậykhi tôi nướ c phải chú ý luôn giữ cho nướ c ở bể tôi đượ c làm lạnh bằng cách cấ p nướ c lạnh mớ ivào và thải lớ p nướ c nóng ở bề mặt đi.

Khi hòa tan vào nướ c một lượ ng khoảng 10% muốn NaCl khả năng tôi cứng thép của dungdịch tăng lên. Dung dịch này thườ ng đượ c dùng để tôi thép cacbon có Vth lớ n.

Dầu: cũng là môi tr ườ ng tôi thườ ng dùng song có các đặc tính hầu như đối lậ p vớ i nướ c.Dầu làm nguội chậm thép ở cả hai khoảng nhiệt độ do đó ít gây biến dạng, nứt nhưng khả năngtôi cứng lại kém. Dầu nóng và dầu nguội có khả năng tôi giống nhau nên ngườ i ta thườ ng tôithép trong dầu nóng ở nhiệt độ 60oC -80oC để có độ loãng linh động tốt không bám nhiều vào bề mặt thép sau khi tôi. Cần lưu ý là khi nhiệt độ của dầu khá cao trên 150oC nó sẽ bốc cháy nêntrong bể tôi phải đặt ống xoắn cho nướ c chảy để làm nguội dầu.

b.Tôi trong hai môi trườ ng

Theo phươ ng pháp tôi này, đầu tiên thép đượ c làm nguội nhanh trong một môi tr ườ ng tôimạnh-nướ c pha muối, xút đến khi sắ p xảy ra chuyển biến mactenxit (300-400oC) thì nhấc rachuyển sang làm nguội chậm trong môi tr ườ ng tôi yếu: dau cho đến khi nguội hẳn. Như vậy vừa bảo đảm độ cứng cao cho thép vừa ít gây ra biến dạng nứt.

c.Tôi phân cấp

Cách tôi này có phươ ng thức làm nguội như biểu thì bằng đườ ng C trên hình 4.18, khắc phục đượ c khó khăn về xác định thờ i điểm chuyển môi tr ườ ng của cách tôi trên. Khi tôi phân cấ pthép nung nóng đượ c nhúng vào môi tr ườ ng lỏng có nhiệt độ cao hơ n điểm Ms khoảng 50-100oC,thép bị nguội dần đến nhiệt độ này và giữ nhiệt khoảng 3 phút để đồng đểu trên tiết diện r ồi nhấcra làm nguội trong không khí để chuyển biến mactenxit.

Ư u điểm của phươ ng pháp này là đạt độ cứng cao song có ứng suất bên trong r ất nhỏ, độ biếndạng thấ p nhất.

Hạn chế của tôi phân cấ p là có năng suất thấ p, chỉ áp dụng đượ c cho các thép có Vth nhỏ và vớ itiết diện nhỏ.

d.Tôi đẳng nhiệt

Cách tôi này chỉ khác tôi phân cấ p ở chỗ giữ đẳng nhiệt lâu hơ n cũng trong môi tr ườ nglỏng để austenit quá nguội phân hóa hoàn toàn thành hỗn hợ p ferit-xementit nhỏ mịn có độ cứngtươ ng đối cao, độ dai tốt. Tùy theo nhiệt độ giữ đẳng nhiệt sẽ đượ c các tổ chức khác nhau

Tôi đẳng nhiệt có mọi ưu nhượ c điểm của tôi phân cấ p chỉ khác là có độ cứng thấ p hơ n và

độ dai cao hơ n. Do năng suất thấ p nên trong thực tế ít áp dụng cách tôi này.

4.3.4.Ram thép

4.3.5.1.Định ngh ĩ a và mục đích

a. Định ngh ĩ a

Ram là phươ ng pháp nhiệt luyện nung nóng thép đã tôi thành mactenxit lên đến các nhiệtđộ thấ p hơ n Ac1, để mactenxit và austenit dư phân hóa thành các tổ chức có cơ tính phù hợ p vớ iđiều kiện làm việc và quy định.

b. Mục đích của ram





- Giảm ứng suất bên trong đến mức không làm thép quá giòn, điều cần tối thiểu cho mọitr ườ ng hợ p

- Khử bỏ hòan toàn ứng suất bên trong- Điều chỉnh cơ tính cho phù hợ p vớ i điều kiện làm việc cụ thể của chi tiết máy và dụng cụ

4.3.5.2.Các phươ ng pháp ram

Theo nhiệt độ ram, yếu tố quyết định tổ chức và cơ tính tạo thành ngườ i ta chia ra ba loạiram là: ram thấ p, ram trung bình và ram cao.

a. Ram thấp

Ram thấ p là phươ ng pháp nung nóng thép đã tôi trong khoảng nhiệt độ 150-250oC, tổ chứcđạt đượ c là mactenxit ram

So vớ i thép tôi, sau khi ram thấ p nói chung độ cứng không giảm đi hoặc chỉ giảm đi r ất ít,cá biệt có tr ườ ng hợ p lại tăng lên, còn ứng suất bên trong lại giảm đi đáng k ể do đó có tính dẻodai tốt hơ n, khó bị phá hủy giòn hơ n. Ram thấ p áp dụng cho dụng cụ và chi tiết máy cần độ cứngvà tính chống mài mòn cao như: toàn bộ dao cắt, khuôn dậ p nguội, bánh r ăng chi tiết thấm tôicacbon, ổ lăn, tr ục, chốt…cùng các chi tiết qua tôi bề mặt

b. Ram trung bình ( 300-450oC)

Nhiệt độ ram trung bình là 300-450oC, tổ chức đạt đượ c là trôxit ram. So vớ i thép tôi, saukhi ram trung bình độ cứng giảm đi rõ r ệt nhưng vẫn còn khá cứng nhưng bù lại ứng suất bêntrong đượ c khử bỏ hòan toàn, giớ i hạn đàn hồi đạt đượ c giá tr ị cao nhất, độ dẻo, độ dai tăng lên.Ram trung bình áp dụng cho chi tiết máy, dụng cụ cần độ cứng tươ ng đối cao và đàn hồi như khuôn dậ p, ống, khuôn rèn…

c. Ram cao ( 500-650oC)

Tổ chức khi ram cao đạt đượ c là xoocbit ram

So vớ i thép tôi, sau khi ram cao độ cứng giảm đi r ất mạnh, thép tr ở nên tươ ng đối mềm, tuy độ bền có giảm đi song lại đượ c sự k ết hợ p tốt nhất của các chỉ tiêu cơ tính: độ bền, độ dẻo, độ dai.

Bảng sau đây trình bày các chỉ tiêu cơ tính của thép có cacbon trung bình ở các dạngnhiệt luyện ủ, thườ ng hóa, tôi + ram ở các nhiệt độ khác nhau.

Bảng4.1. cơ tính của thép cacbon trung bình khi nhiệt luyện bằ ng các phươ ng pháp nhiệt luyện khác nhau





Dạng nhi ệt luyện C ơ tính

σ b, MPa σ 0,2 MPa δ , %

Ủ 840oC 530 280 32,5

Thườ ng hóa 850oC 650 320 15

Tôi 850o + ram 200oC 1100 720 8

Tôi 850oC + ram 650oC 720 450 22

Tôi + ram cao tạo ra cơ tính tổng hợ p tốt nhất do đó dạng nhiệt luyện này đượ c gọi là

nhiệt luyện hóa tốt hay đơ n giản chỉ là hóa tốt.Tôi + ram áp dụng r ộng rãi cho các chi tiết máy cần giớ i hạn bền, đặc biệt là giớ i hạn

chảy và độ dai va đậ p cao như các loại tr ục, bánh r ăng làm bằng thép chứa 0,3-0,5%C. Sau khiram cao độ cứng HB trong khoảng 230-280 tuy hơ i cứng khi gia công cắt gọt song lại dễ đạt độ bóng cao. Để chống mài mòn phải tôi bề mặt tiế p theo.

4.4.Các khuyết tật xảy ra khi nhiệt luyện thép

Nhiệt luyện đặc biệt là tôi, nếu khống chế đúng các thông số và biện pháp công nghệ sẽ gây ra các hư hỏng không khắc phục đượ c. Vì thế phải hiểu rõ nguyên nhân, tác hại để phòngtránh khắc phục một số khuyết tật chủ yếu.

4.4.1.Bi ế n d ạng và nứ ta. Nguyên nhân và tác hại

Nguyên nhân gây ra nứt và biến dạng là do ứng suất bên trong ( ứng suất nhiệt và ứng suấttổ chức) mà chủ yếu do làm nguội nhanh khi tôi. Nếu ứng suất bên trong vượ t quá giớ i hạn bềnthép bị nứt đó là dạng hỏng không thể chữa đượ c. Nếu ứng suất bên trong chỉ vượ t quá giớ i hạnchảy thép bị biến dạng, cong vênh. Đây là điều khó tránh khỏi

b.Ngăn ngừ a và khắc phục

Ngăn ngừa đề phòng khuyết tật này bằng cách tận lượ ng giảm ứng suất bên trong:

+ Nung nóng và đặc biệt là làm nguội vớ i tốc độ hợ p lý để đạt độ cứng yêu cầu, không nên dùng

tốc độ nguội quá cao khi không cần thiết.+ Nung nóng các tr ục dài ở thể treo để tránh cong

+ Khi làm nguội phải theo các qui tắc như: nhúng thẳng đứng, phần dày xuống tr ướ c.

Khi các chi tiết bị biến dạng cong vênh có thể khắc phục bằng cách nắn, ép nóng hoặc nguội.

4.4.2.Oxy hóa và thoát cacbon

a.Nguyên nhân và tác hại





Nguyên nhân là do trong môi tr ườ ng nung có chứa các thành phần gây oxy hóa Fe và C, đó làôxy, CO2, hơ i nướ c…chúng có trong không khí và đi vào khí quyển của lò nung. Thoát cacbondễ xảy ra hơ n oxy hóa

Tác hại của ôxy hóa là ở chỗ khi tạo nên vảy ôxyt sắt FeO, lớ p vảy ngày một dày lên, vỡ bong ralàm xấu bề mặt, hụt kích thướ c. Trong khi đó thoát cacbon sẽ làm giảm độ cứng khi tôi.

b. Ngăn ngừ a

Cách tốt nhất là nung nóng trong khí quyển không có tác dụng ôxy hóa và thoát cabon bằngcách sử dụng các lò nung bằng điện và các khí quyển đặc biệt ví dụ như:

- Khí quyển bảo vệ hay là khí quyển kiểm soát

- Khí quyển trung tính như nitơ tinh khiết

- Nung trong lò chân không

4.4.3.Độ cứ ng không đạt

a.Độ cứ ng cao

Có thể xảy ra khi ủ và thườ ng hóa thép hợ p kim, do tốc độ nguội lớ n. Độ cứng cao hơ n quy địnhlàm khó khăn cho gia công cắt. Khắc phục bằng cách nhiệt luyện lại vớ i tốc độ chậm hơ n hayđem ủ đẳng nhiệt

b.Độ cứ ng thấp

Thườ ng xảy ra khi tôi, độ cứng thấ p hơ n quy định do đó không bảo đảm khả năng làm việc. Nguyên nhân là do thiếu nhiệt, tốc độ làm nguội hay do thoát cacbon trên bề mặt.

4.5. Hóa nhiệt luyện4.5.1. Định ngh ĩ a và mục đích

Hóa nhiệt luyện là các quá trình công nghệ làm khuếch tán đến bão hòa lớ p bề mặt chi tiết bằng các nguyên tố khác nhau ở tr ạng thái nguyên tử tử môi tr ườ ng bên ngoài và ở nhiệt độ cao.

Hóa nhiệt luyện làm mục đích nâng cao độ cứng, khả năng chống mài mòn, độ bền mỏi,độ bền lâu tiế p xúc và bảo vệ, chống lại sự ăn mòn điện hóa và ăn mòn khí.

Các giai đoạn của hóa nhiệt luyện:

Khi tiến hành ngườ i ta đặt chi tiết thép vào môi tr ườ ng có khả năng tạo ra nguyên tử hoạttính của nguyên tố cần thấm r ồi nung nóng đến nhiệt độ thích hợ p. Có ba giai đoạn nối tiế p nhau

xảy ra.+ Phân hóa: Ỏ giai đoạn này xảy ra các phản ứng hóa học ở môi tr ườ ng xung quanh ban

đầu, mà k ết quà là tạo ra các nguyên tử khuếch tán hoạt tính như thườ ng thấy ở tr ạng thái ionhóa.

+ Hấ p thụ: Tiế p theo là nguyên tử hoạt đượ c hấ p thụ ( xâm nhậ p, hòa tan vào mạng tinhthể) vớ i nồng độ cao, tạo ra gradien nồng độ, động lực cho giai đoạn tiế p theo.

+ Khuếch tán: giai đoan này là sự thấm sâu bằng khuếch tán các nguyên tử kim loại cần bão hòa, kèm theo sự tạo thành các dung dịch r ắn hay sự k ết tinh lại pha





Giai đoạn đầu và giai đoạn thứ hai của quá trình hóa nhiệt luyện xảy ra nhanh hơ n nhiềuso vớ i giai đoạn ba-giai đoạn khuếch tán, giai đoạn này hình thành tổ chức và tính chất của lớ pkhuếch tán.

4.5.1. Thấ m cacbon

a. Định ngh ĩ a

Thấm cacbon là phươ ng pháp hóa nhiệt luyện bao gồm làm bão hòa ( thấm, khuếch tán)cacbon vào bề mặt của thép cabon thấ p r ồi tiế p theo tôi và ram thấ p làm bề mặt có độ cứng, tínhchống mài mòn cao, còn lõi có độ bền tốt và dẻo dai.

b. Mục đích

Mục đích chủ yếu của thấm cacbon là làm cho bề mặt của thép cứng tớ i HRC từ 60-64 vớ itính chống mài mòn cao, chịu mỏi tốt, còn lõi bền, dẻo dai vớ i độ cứng HRC từ 30-40. Để đạt

đượ c mục đích như vậy quá trình thấm cabon phải đạt đượ c các yêu cầu sau:+ Đối vớ i bề mặt: Có lượ ng cabon trong khoảng 0,8-1% để sau khi tôi+ram thấ p có tổ chứcmactenxit ram và cacbit nhỏ mịn, phân tán

+ Đối vớ i lõi: Có tổ chức hạt nhỏ vớ i tổ chức mactenxit hình kim nhỏ mịn, không có ferit tự do,để đảm bảo độ bền độ dai cao, HRC 30-40.

c.Phươ ng pháp thấm cacbon: Có hai phươ ng pháp thấm cacbon là thấm cacbon thể r ắn và thấmcacbon thể khí

4.5.1.1.Thấm cacbon thể rắn

+Chất thấm: Gồm có than gỗ đượ c xay nhỏ đến cỡ 3-5mm chiếm 85-90%, chất xúc tác ( BaCO3,

Na2CO3) vớ i tỷ lệ 10-15%. Đặt chi tiết vào hộ p kín có chứa đầy chất thấm và cho vào lò nâng lênđến nhiệt độ cần thiết.

+ Nhiệt độ và thờ i gian thấm: Nguyên tắc chọn nhiệt độ thấm cacbon là phải sao cho thép ở tr ạngthái hoàn toàn austenit, vì như đã thấy từ giản đồ pha Fe-C chỉ có pha này mớ i có khả năng hòatan nhiều cacbon. Do đó nhiệt độ thấm cacbon thông thườ ng trong khoảng 900-950oC, ở nhiệt đôcàng cao càng nhanh chóng đạt đến chiều sâu lớ p thấm quy định, do đó có khuynh hướ ng chọnnhiệt độ cao hơ n 900oC, song không thể quá cao vì sẽ làm cho hạt austenit lớ n làm thép giòn

Thờ i gian thấm cacbon phụ thuộc vào hai yếu tố sau:

+ Chiều dày lớ p thấm yêu cầu đượ c quy định bở i điều kiện k ỹ thuật và thườ ng ở ba mức sau 0,5-0,8mm, 0,9-1,2mm, 1,5-1,8mm, chiều sâu lớ p thấm yêu cầu càng lớ n, thờ i gian càng phải dài.

+ Tốc độ thấm. Thờ i gian thấm tính cho lớ p thấm trên dướ i 1mm như sau: khi thấm ở thể r ắn ở 900oC, cứ 0,1mm chiều sâu cần 1h nung nóng và giữ nhiệt hay 0,15mm/1h giữ nhiệt. Khi thấm ở thể khí cần 0,15mm chiều sâu cho 1h nung nóng và 0,2mm/1h giữ nhiệt

+ Quá trình thấm xảy ra như sau: Than gỗ mùn cưa cháy trong điều kiện thiếu oxy sẽ tạo nên oxitcabon

2C + O2 2CO

Khi CO có mặt ở bề mặt thép lại bị phân tích thành

2CO CO2 + C nguyên tử





Cacbon nguyên tử vừa mớ i tạo thành có họat tính cao, bị hấ p thụ r ồi khuếch tán vào bề mặt thépở dạng dung dịch r ắn xen k ẽ trong Feγ tức là austenit vớ i nồng độ cacbon tăng dần theo thờ i gianvà hình thành nên lớ p thấm có nhiều sâu nhất định giảm dần khi vào bên trong lõi

Cnguyên tử + Feγ Feγ(C)

Cnguyên tử + Fe Fe3C

+ Nhiệt luyện sau khi thấm: Sau khi thấm cacbon thép chưa sử dụng đượ c ngay mà phải tiếnhành nhiệt luyện. Có hai phươ ng pháp nhiệt luyện: tôi hai lần và ram thấ p, tôi một lần và ramthấ p:

- Tôi hai lần và ram thấ p: tôi lần thứ nhất ở nhiệt độ 860-880oC, vớ i mục đích làm nhỏ hạtthép và phá lướ i xementit hai trên bề mặt. Tôi lần thứ hai ở nhiệt độ 760-780oC tạo cho bề mặt có độ cứng cao nhất. Ram thấ p vớ i nhiệt độ 150-180oC. Cách nhiệt luyện này khátốn kém chỉ dùng cho các chi tiết quan tr ọng

- Tôi một lần và ram thấ p: khi thấm cabon thườ ng sử dụng thép bản chất hạt nhỏ nên hạtkhông lớ n lắm. Vì vậy sau khi thấm xong hạ nhiệt độ xuống 760-780oC và tôi ngay, sauđó tiến hành ram thấ p 150-180oC

Đặc điểm của thấm cacbon ở thể r ắn là:

+ Thờ i gian dài do phải nung cả hộ p than có tỷ nhiệt lớ n, điều kiện lao động độc hại, khó cơ khíhóa và tự động hóa

+ Chất lượ ng không cao tuy nhiên đơ n giản dễ tiến hành.

4.5.1.2. Thấ m cacbon ở thế khí

Là phươ ng pháp hiện đại, đượ c sử dụng r ộng rãi trong sản xuất cơ khí. Trong thấm cacbonở thể r ắn quá trình đượ c thực hiện thông qua pha khí, nên có thể dùng tr ực tiế p các khí có khả năng sinh ra cacbon nguyên tử như CO, CH4 để thấm. Trong thực tế ngườ i ta chế tạo khí thấmcacbon từ khí đốt thiên nhiên mà thành phần chủ yếu của nó là mêtan CH4 có tác dụng thấm r ấtmạnh. Muốn thấm đượ c tỷ lệ CH4 trong hỗn hợ p chỉ cần 3-5%. Quá trình xảy ra theo phản ứngnhư sau:

CH4 2H2 + Cngtử

Ngườ i ta thườ ng phải pha chế khí thiên nhiên so cho có nồng độ thích hợ p để tạo nên lớ pthấm có 0,8-1% theo yêu cầu, đây là đặc điểm nổi bật của dạng thấm cacbon này

Trong sản xuất hàng loạt lớ n, thấm cacbon thể khí đượ c tiến hành trong các lò băng tải có

phân vùng nhiệt độ và khí thấm theo yêu cầu để sau khi đi hết chiều dài lò chi tiết lần lượ t đượ cnung nóng, thấm cacbon, tôi, ram, làm sạch. Nhờ vậy giảm nhẹ điều kiện làm việc do quá trìnhđượ c cơ khí hóa và tự động hóa.

4.5.2. Thấ m ni t ơ cho thép

a. Định ngh ĩ a

Thấm ni tơ là phươ ng pháp hóa – nhiệt luyện làm bão hòa ( thấm, khuếch tán) ni tơ vào bề mặt thép nhằm mục đích chủ yếu là nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn và giớ i hạn mỏicủa chi tiết

b. Tổ chức của lớ p thấm





Độ cứng cao của lớ p thấm ni tơ là bản chất tự nhiên của nó, không phải qua nhiệt luyệntiế p theo như khi thấm cacbon. Thông thườ ng thấm ni tơ bằng khí NH3 có nhiệt độ trong khoảng480-650oC, lúc đó nó bị phân hóa mạnh nhất theo phản ứng

2NH3 3H2 + 2Nngtử

Ni tơ nguyên tử vừa đượ c tạo thành có hoạt tính cao bị hấ p thụ r ồi khuếch tán vào thép.

c. Đặc điểm của thấm ni tơ

- Do phải tiến hành ở nhiệt độ thấ p sự khuếch tán khó khăn nên thờ i gian dài mà lớ p thấm vẫnmỏng. Ví dụ ở 520oC trong 24h đạt 0,25-0,3mm, trong 48h đạt 0,4mm

- Sau khi thấm không tiến hành tôi và ram

- Thép thấm ni tơ thườ ng là thép hợ p kim chuyên dùng

- Lớ p thấm cứng và độ cứng r ất cao này giữ đượ c ở ngay cả khi làm việc trên 500oC, trong khi

đó độ cứng cao của thấm cacbon bị giảm mạnh khi nhiệt độ vượ t quá 200oC, do mactenxit bị phân hóa khi ram.

4.5.3. Thấ m đồng thờ i bề mặt thép bằng cacbon và ni t ơ

a. Định ngh ĩ a

Thấm cabon-nitơ là phươ ng pháp hóa nhiệt luyện làm bão hòa đồng thờ i cacbon và nitơ vào bề mặt thép để nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn cho chi tiết máy

Nhiều nghiên cứu cho thấy r ằng, trong nhiều tr ườ ng hợ p, sự k ết hợ p thấm đồng thờ icacbon và nitơ cho phép thép có đượ c những ưu điểm nhất định. Ví dụ nitơ tạo thuận lợ i cho sự khuếch tán của cacbon do vậy có thể giảm nhiệt độ thấm xuống 850oC và vẫn nhận đượ c lớ pthấm tươ ng tự như thấm cacbon thông thườ ng. Môi tr ườ ng thấm cacbon-nitơ là hỗn hợ p thấmcacbon ở thế khí có pha thêm 3-5% NH3, trong lớ p thấm có tạo thành pha cacbonitrit

b. Quá trình thấm

Thấm cacbon-nitơ có thể tiến hành ở nhiệt độ 820-860oC trong hỗn hợ p muối nóng chảychứa natri xianua. Trong bể muối có thành phần NaCN 20-25%, NaCl 25-50%, Na2CO3 25-50%sau 1h thấm ở nhiệt độ trên có thể đạt đượ c lớ p thấm có chiều dày 0,3mm và sau khi tôi và ram ở nhiệt độ 180-200oC có thể đạt đượ c độ cứng bề mặt 58-62HRC

Giả sử r ằng, khi có sự tham gia của oxy, trong bể muối xảy ra các phản ứng sau:2NaCN + O2 2NaCNO

2NaCNO + O2 Na2CO3 + CO + 2N2CO CO2+C

Các muối trung tính NaCl và Na2CO3 cho thêm vào để nâng cao nhiệt độ nóng chảy củahỗn hợ p muối, nó làm giảm sự bay hơ i của các muối đắt tiền và độc hại ở nhiệt độ thấm. Nhượ cđiểm thấm xianua là tính độc hại của muối xianua do đó thờ i gian hiện nay ngườ i ta đang nghiêncứu các phươ ng pháp thấm cabon-nitơ bằng các hỗn hợ p muối xianat và cacbônat không độc.





PHẦN 3

CÁC LOẠI VẬT LIỆU

Chương 5

Thép và gang

5.1. Khái niệm chung về thép cacbon và thép hợ p kim

Thép là loại vật liệu kim loại có cơ tính tổng hợ p cao, có thể chịu tải tr ọng r ất nặng và phức tạ p, đó là vật liệu chế tạo máy thông dụng, chủ yếu và quan tr ọng nhất. Hầu như mọi thépđều có thể áp dụng nhiệt luyện và hóa nhiệt luyện để thay đổi cơ tính theo hướ ng mong muốn.Do có khả năng biến dạng dẻo tốt, trong công nghiệ p thép đượ c cung cấ p dướ i các dạng bánthành phẩm: dây, sợ i, thanh, tấm, lá, băng, ống, góc và các dạng hình khác nhau r ất thuận tiệncho sử dụng. Ngoài khả năng biến dạng dẻo một số nhóm thép còn có tính hàn tốt, r ất tiện sử dụng trong xây dựng. Tính đúc của thép nói chung không cao song một số mác có thể tiến hànhđúc thành các sản phẩm định hình tươ ng đối phức tạ p. Do những ưu điểm như vậy thép đượ c coilà vật liệu xươ ng sống của công nghiệ p.

Theo thành phần hóa học có hai loại thép: cacbon và hợ p kim. Tr ướ c tiên hãy phân biệt, sosánh các đặc tính cơ bản của hai loại thép này

5.1.1. Thép cacbon5.1.1.1. Thành phần hoá học

Thành phần hoá học của thép cacbon gồm chủ yếu là Fe và C, ngoài ra còn có chứa mộtsố nguyên tố khác nữa tuỳ theo điều kiện luyện thép. Nhưng nhìn chung hàm lượ ng của cácnguyên tố trong thép cacbon khống chế trong phạm vi sauC < 2%, Mn< 0,8%, Si < 0,5%, P,S < 0,05%, Cr, Ni. Cu, W, Mo, Ti r ất ít 0,1 đến 0,2%.Mn và Si là hai tạ p chất có tác dụng nâng cao cơ tính của thép cacbon, P, S là tạ p chất giảm chấtlượ ng thép, nâng cao tính giòn nguội trong thép, nhưng lại tạo tính dễ cắt gọt cho thép.

5.1.1.2.Phân loại thép cacbon

Có nhiều cách để phân loại thép cacbon, mỗi cách cho biết một đặc tr ưng riêng biệt cần

chú ý để sử dụng thép đượ c tốt hơ n.

a. Theo độ sạch tạ p chất có hại và phươ ng pháp luyện

Rõ ràng là thép càng ít tạ p chất có hại (P,S) và các khí ( H,O,N) có độ dẻo, độ dai càng caotức có cơ tính tổng hợ p cao, chất lượ ng càng cao. Các phươ ng pháp nhiệt luyện thép khác nhaucó khả năng loại tr ừ tạ p chất có hại khác nhau này ở các mức khác cao thấ p khác nhau do đó tạocho thép chất lượ ng tốt, xấu khác nhau. Có nhiều phươ ng pháp luyện thép song cho đến hiện naytrên thế giớ i chỉ tồn tại ba phươ ng pháp chính là lò mactanh, lò điện hồ quang và lò thổi oxy từ đỉnh

Theo mức độ sạch tạ p chất từ thấ p đến cao có các mức chất lượ ng sau





+ Chất lượ ng thườ ng, lượ ng P,S chỉ khử đượ c đến mức 0,05% cho mỗi nguyên tố. Cấ p chấtlượ ng này chỉ áp dụng cho nhóm thép có yêu cầu không cao như một số thép xây dựng thôngdụng.

+ Chất lượ ng tốt, lượ ng P,S đượ c khử đến mức 0,04% cho mỗi nguyên tố. Phươ ng pháp nhiệtluyện bằng lò mactanh và lò điện hồ quang dễ dàng đạt đượ c cấ p chất lượ ng này. Cấ p chất lượ ngnày thườ ng áp dụng cho các nhóm thép chế tạo máy thông dụng

+ Chất lượ ng cao, lượ ng P,S đượ c khử đến mức 0,03% cho mỗi nguyên tố. Vớ i các biện pháp k ỹ thuật bổ sung( dùng chất khử mạnh, tuyển chọn nguyên liệu vào...) vẫn có thể đạt đượ c cấ p chấtlượ ng này bằng phươ ng pháp luyện thép trong lò điện hồ quang.

+ Chất lượ ng r ất cao, lượ ng P,S đượ c khử triệt để nhất 0,02% cho mỗi nguyên tố. Vớ i các lò điệnhồ quang không thể đạt đượ c giớ i hạn này. Thép sau khi luyện ở lò này đượ c tinh luyện tiế p tục:khử tạ p chất ngoài lò bằng xỉ tổng hợ p, bằng điện xỉ.

b. Theo phươ ng pháp khử oxyTheo mức độ khử oxy có triệt để hay không ngườ i ta chia ra hai loại thép sôi và thép lặng

Thép sôi là loại không đượ c khử oxy triệt để, tức chỉ bằng chất khử không mạnh nên trongthép vẫn còn FeO và do đó có phản ứng:

Khí Co bay lên làm mặt thép lỏng chuyển động giống như bị sôi ( nên có tên gọi là thépsôi) và tạo ra bọt khí trong thỏi đúc. Khi cán nóng tiế p theo phần lớ n bọt khí đượ c hàn kín lại nênnói chung không ảnh hưở ng xấu đến cơ tính của thép đã qua biến dạng nóng.

Các đặc điểm của thép sôi:

+ Do không đượ c khử bằng fero silic nên chứa r ất ít silic, nên ferit của thép r ất mềm dẻo và dễ dậ p nguội

+ Không cho thép dùng thép sôi để chế tạo các vật đúc định hình vì các r ỗ khí làm giảm mật độ,tậ p trung ứng suất gây ảnh hưở ng xấu đến cơ tính.

+ Không cho phép dùng thép sôi để làm các k ết cấu hàn chảy, do trong thép vẫn còn oxy nên khichảy lỏng phản ứng tạo s lại xảy ra, mối hàn chứa nhiều bọt khí.

Thép lặng là loại đượ c khử oxy triệt để bằng cả fero mangan và fero silic là chất khử mạnhvà nhôm, nên trong thép không xảy ra phản ứng trên, mặt thép lỏng luôn phẳng lặng nên gọi làthép lặng

Đặc điểm của thép lặng là:+ Do đượ c khử bằng fero silic nên chứa một lượ ng nhất định silic, thườ ng trong khoảng 0,15-0,3% vì thế ferit của thép cứng và bền hơ n, khó dậ p nguội hơ n.

+ Trong tổ chức không có r ỗ khí nên có cấu trúc xít chặt hơ n, có cơ tính cao hơ n thép sôi, các vậtđúc bằng thép phải đượ c chế tạo bằng thép lặng, tuy nhiên lõm co trong thép lặng khá lớ n

+ Trong các k ết cấu hàn chảy chỉ đượ c phép dùng thép lặng.

+ Các chi tiết thấm cacbon chỉ đượ c làm bằng thép lặng

Do các đặc tính tr ội hơ n thép sôi, thép lặng đượ c sử dụng r ộng rãi hơ n.

FeO + C Fe + CO





Nằm trung gian giữa hai thép trên là thép nửa lặng, nó chỉ khử đượ c oxy bằng fero manganvà nhôm. Tính chất của nó nằm trung gian giữa thép sôi và thép lặng. Tuy xuất hiện sau songthép nửa lặng có khuynh hướ ng thay thế cho thép sôi.

c. Theo công dụng

Theo mục đích sử dụng ngườ i ta có thể phân chia thép cacbon thành hai nhóm thép k ết cấuvà thép dụng cụ

- Thép k ết cấu là loại đượ c dùng làm các k ết cấu, chi tiết chịu tải do đó ngoài yêu cầu về độ bềnđảm bảo còn cần phải có đủ độ dẻo, dai. Đây là nhóm thép sử dụng r ất nhiều trong các l ĩ nh vựccủa đờ i sống và k ỹ thuật. Trong nhóm này có thể phân chia tiế p thành hai nhóm nhỏ hơ n đó làthép xây dựng và thép chế tạo máy

- Thép dụng cụ loại này chủ yếu là công cụ nên yêu cầu chủ yếu là độ cứng và tính chống màimòn cao.

5.1.1.3. Ký hiệu thép cacbon

Tiêu chuẩn Việt Nam đã quy định những loại thép cacbon chính. Theo TCVN 1765-75 quyđịnh các mác thép k ết cấu cacbon chất lượ ng thườ ng để làm thép xây dựng, đượ c sử dụng ở tr ạngthái cung cấ p không qua nhiệt luyện. Thép đượ c ký hiệu là CT vớ i ý ngh ĩ a là thép cacbon chấtlượ ng thườ ng, vớ i các chữ ở đằng sau cùng: s chỉ thép sôi, n chỉ thép nửa lặng, nếu không có chữ gì thì là thép lặng. Trong nhóm thép này lại chia ra làm ba phân nhóm A, B, C. Phân nhóm A phân loại các mác theo giớ i hạn bền kéo tối thiểu đạt đượ c tính theo đơ n vị kG/mm2, ví dụ làCT38, CT38n, CT38s là ba mác thép có cùng σ b ≥ 38 kG/mm2. Các phân nhóm B,C ký hiệugiống như nhóm A tuy nhiên có thêm chữ B và C ở đầu ví dụ BCTxx, CCTxx.

TCVN 1766-75 quy định các mác thép k ết cấu cacbon chất lượ ng tốt để chế tạo máy qua

nhiệt luyện, do vậy phải đượ c đảm bảo cả thành phần hóa học lẫn cơ tính, các mác đượ c ký hiệu bằng chữ C và phần vạn cacbon trung bình. Ví dụ C40 là mác có khoảng 0,4% cacbon

TCVN 1822-76 quy định các mác thép dụng cụ cacbon bằng CD ( C là cacbon, D là dụngcụ) vớ i số tiế p theo chỉ lượ ng cacbon trung bình tính theo phần vạn CDxx, ví dụ CD80 là mácthép có 0,8% C.

5.1.2. Thép hợ p kim

5.1.2.1. Thành phần hoá học

Thép hợ p kim là loại thép ngoài thành phần Fe, C, các tạ p chất trong quá trình chế tạocòn có các nguyên tố đặc biệt đượ c đưa vào vớ i một lượ ng nhất định để thay đổi cấu trúc và tínhchất của thép. Đó là các nguyên tố hợ p kim: Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Mo, Ti, Cu, B.

Giớ i hạn hàm lượ ng để từ đó phân chia ranh giớ i giữa khi là tạ p chất và khi là thành phầnhợ p kim của các nguyên tố như sau:

Mn: 0,8-1,0% Si: 0,5-0,8% Cr: 0,2-0,8% Ti>0,1% Cu>0,1%

Ni: 0,2-0,6% W: 0,1-0,5% Mo: 0,05-0,2% B> 0,002%

Thép hợ p kim có cơ tính cao hơ n thép cacbon, chịu đượ c nhiệt độ cao hơ n và có những tính chấtvật lí và hoá học đặc biệt như chống tác dụng ăn mòn của môi tr ườ ng cao…

5.1.2.2. Phân loại thép hợ p kim





Đối vớ i thép hợ p kim có nhiều cách phân loại hơ n và mỗi loại cũng cho biết một đặc tr ưngcần biết để sử dụng tốt hơ n.

a. Theo t ổ chứ c cân bằ ngTheo tổ chức cân bằng ở tr ạng thái ủ, vớ i lượ ng cacbon tăng dần có thể lần lượ t đượ c các

thép vớ i tổ chức sau:

+ Thép tr ướ c cùng tích peclit + ferit tự do

+ Thép cùng tích peclit

+ Thép sau cùng tích peclit + cacbit tự do

+ Thép lêđêburit có lêđêburit

Trong tr ườ ng hợ p thép đượ c hợ p kim hóa cao chủ yếu bằng một trong hai nguyên tố Cr, Mn hayCr-Ni, sẽ có:

+ Thép ferit Loại có Cr r ất cao ( >17%) và thườ ng r ất ít cacbon

+ Thép austenit Loại có Mn cao ( >13%) và thườ ng có cacbon cao

b. Theo t ổ chứ c thườ ng hóa

Theo tổ chức thườ ng hóa các mẫu nhỏ o25, theo lượ ng nguyên tố hợ p kim tăng lên sẽ cócác thép sau đây:

+ Thép họ peclit: loại hợ p kim thấ p, đườ ng cong chữ C sát tr ục tung, nguội trong không khí đượ chỗn hợ p ferit-xêmentit tức peclit, xoocbit, trôxit, phần lớ n thép thuộc loại này.

+ Thép họ mactenxit: loại hợ p kim hóa trung bình ( >4-6%) và cao, đườ ng cong chữ C dịch sang

phải khá mạnh, nguội trong không khí cũng đượ c mactenxit.+ Thép họ austenit: loại có chứa Cr cao và Ni cao ( >8%) hoặc Mn ( > 13%) cao, chúng mở r ộngkhu vực γ và hạ thấ p điểm Ms nên làm nguội trong không khí ( chỉ đến nhiệt độ thườ ng, cao hơ nMs) cũng không có chuyển biến gì, giữ nguyên tổ chức austenit

c. .Theo nguyên t ố hợ p kim

Dựa vào tên nguyên tố hơ m kim chính đưa vào để gọi như:

+ Thép chỉ có một nguyên tố hợ p kim chính như Cr, Mn đượ c lần lượ t gọi là thép crôm, thépmangan, chúng là các thép hợ p kim đơ n giản.

+ Thép có hai hay nhiều nguyên tố hợ p kim như Cr-Ni, Cr-Ni-Mo đượ c lần lượ t gọi là thép

crôm-niken, thép crôm-niken-môlipđen, chúng là các thép hợ p kim hóa phức tạ p.d. Theo t ổ ng l ượ ng nguyên t ố hợ p kim

Theo tổng lượ ng của các nguyên tố hợ p kim có trong thép từ thấ p đến cao, ngườ i ta chiara:

+ Thép hợ p kim thấ p: loại có tổng lượ ng < 2,5% ( thườ ng là thép peclit)

+ Thép hợ p kim trung bình: loại có tổng lượ ng từ 2,5 đến 10% ( thườ ng là thép họ từ peclit đếnmactenxit)

+ Thép hợ p kim cao: Loại có tổng lượ ng > 10% ( thườ ng là họ mactenxit hay austenit)





e.Theo công d ụng

Theo công dụng ngườ i ta chia thép hợ p kim ra làm ba nhóm:

+ Thép hợ p kim k ết cấu+ Thép hợ p kim dụng cụ

+ Thép hợ p kim đặc biệt

5.1.2.3. Các cách kí hiệu thép hợ p kim

Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1659-75, thép hợ p kim đượ c kí hiệu bằng hệ thống kíhiệu hóa học và số ( tỉ lệ phần tr ăm các nguyên tố trong hợ p kim). Thí dụ thép 9 Mn2 có 0,09%C và 2%Mn.

Theo tiêu chuẩn Nga, thép hợ p kim đượ c kí hiệu theo hệ thống chữ cái đầu tiếng Nga củatên các nguyên tố hoá học và tỉ lệ phần tr ăm của chúng trong hợ p kim. Ví dụ Crôm-X, Niken-H,Vonfram-B, silic-C, Nito-A, Côban-K…

Theo tiêu chuẩn trung quốc kí hiệu thép giống của liên Liên Xô cũ chỉ thay chữ bằng kíhiệu hoá học.

Tiêu chuẩn M ĩ thì kí hiệu thép hợ p kim theo SAE-Hội k ĩ sư ô tô M ĩ -dùng hệ thống chữ số để kí hiệu. Hai số đầu ghi loại thép ( ví dụ: 2 –Niken, 3-crôm-niken…)

5.2. Thép xây dự ng

5.2.1. Đặc đ i ể m chung và phân loại

a. Đặc đ iể m chung

Các k ết cấu thép xây dựng thườ ng là các thanh dầm dài ghép lại vớ i nhau bằng các mốihàn chảy hoặc bằng bulông, tán rivet, vì vậy chúng đòi hỏi một số yêu cầu k ỹ thuật sau:

Về cơ tính ngoài các yêu cầu về độ bền mà bất cư vật liệu k ết cấu nào đòi hỏi ra, thép xâydựng cần phải có:

- Độ dẻo cao để phù hợ p vớ i đòi hỏi trong quá trình chế tạo các thanh dầm thườ ng phải chịu uốn

- Độ dai tốt để có thể chịu đượ c các tải tr ọng va đậ p do phươ ng tiện giao thông hay các tác động bên ngoài một cách đột ngột

Về tính công nghệ thép xây dựng phải có tính hàn cao và đảm bảo phần lớ n các k ết cấukim loại đượ c ghép lại bằng cách hàn chảy.

Về thành phần hóa học, để đảm bảo độ dẻo, độ dai và tính hàn cao thép bị hạn chế hàmlượ ng cacbon.

Do tính chất chịu lực và do đặc thù của kích thướ c ( thườ ng là r ất dài) do đó r ất khó tiếnhành nhiệt luyện trên thành phẩm, vì vậy khả năng nhiệt luyện không đượ c đặt ra vớ i thép này

b. Phân loại

Theo thành phần hóa học hay độ bền, thép xây dựng có hai phân nhóm lớ n: thép thôngdụng hay thép hợ p kim thấ p độ bền cao





Theo công dụng có thể chia ra thép chuyên làm cốt bê tong, thép chuyên làm cầu…

5.2.2. Thép thông d ụng

Vật liệu thép cacbon thườ ng ở dạng đã qua cán nóng ( tấm, thanh, dây, thép hình chữ U,I, thép góc..) chủ yếu để dùng trong xây dựng, không đượ c gia công tiế p theo để tăng chất lượ ng.Thành phần lưu huỳnh và phótpho khá cao.

Tiêu chuẩn Việt Nam quy định kí hiệu thép cacbon thườ ng nhóm A bằng 2 chữ GT và sau đó làđộ bền giớ i hạn ( kG/cm2)

Tiêu chuẩn Nga kí hiệu là CT và sau là chỉ số 0,1,2,3,4,5,6 ( số nhóm tăng thì thành phần C tăngvà cơ tính cũng tăng)

Thép cacbon thườ ng chia làm ba loại A, B, C.

Loại thép A là thép cacbon thườ ng chỉ qui định về cơ tính. Bảng 5-1 trình bày cơ tính của thép

cacbon thườ ng loại A của Việt Nam và Nga. Theo TCVN 1765-75 ký hiệu thép nhóm này là CTvà sau đó là tr ị số độ bền giớ i hạn ( kG/mm2)

Ví dụ CT38 là thép cacbon thườ ng nhóm A có σ b=38 kG/mm2.

Thép loại B là thép cacbon thườ ng qui định về thành phần hoá học, cơ tính không qui định. Loạithép này đượ c dùng trong các k ết cấu khi chế tạo phải gia công nhiệt ( rèn, hàn, nhiệt luyện).Theo TCVN ký hiệu thép nhóm này như nhóm A tuy nhiên có thêm chữ B ở đầu và con số theosau chỉ thành phần hoá học. Thành phần hoấ học của thép B đượ c giớ i thiệu ở bảng 5-2

Thép loại C là thép cacbon thườ ng đượ c quy định cả về cơ tính lẫn thành phần. Loại thép nàytrong kí hiệu Việt Nam thêm chữ C, còn Nga có thêm chữ B. Thép loại C thườ ng dùng trong cáck ết cấu hàn và cốt thép cho bê tông cốt thép.

Bảng5.1. C ơ tính của thép cacbon thườ ng của Việt Nam và Nga

Số hiệu thép σb, N/mm2 δ, %

Nga Việt Nam

CTO CT31 >310 20

CT1 CT33 320-420 31

CT2 CT38 340-440 29

CT3 CT42 380-490 21

CT4 CT42 420-540 21

CT5 CT51 500-640 17





Bảng5.2. thành phần hóa học của thép B

Số hiệu thép C,% Mn,% Si trong thép % S, % P, %

Nga Việt Nam sôi nửa lặng lặng Không lớ n hơ n

CTO BCT31 0,23 - - - - 0,06 0,07

CT1 BCT33 0,06-0,12 0,25-0,5 0,05 0,05-0,17 0,12-0,3 0,05 0,04

CT2 BCT34 0,09-0,15 0,25-0,5 0,5 0,05-0,17 0,12-0,3 0,05 0,04

CT3 BCT38 0,14-0,22 0,3-0,65 0,07 0,05-0,17 0,12-0,3 0,05 0,04

CT4 BCT42 0,18-0,27 0,4-0,7 0,07 0,05-0,17 0,12-0,3 0,05 0,04

5.2.3. Thép hợ p kim thấ p độ bền cao

Loại thép này có nhiều tính năng cao hơ n thép thông dụng, đặc biệt là có độ bền cao hơ ntrong khi các chỉ tiêu cơ tính khác vẫn đảm bảo yêu cầu của thép xây dựng. Để nâng cao độ bềnmà không làm hại nhiều các chỉ tiêu khác nhau, ngườ i ta hợ p kim hóa thấ p thép bằng nhiềunguyên tố hòa tan vào ferit nhưng ít làm hại tính hàn như Mn, Si, Cr, Cu…Để duy trì độ dẻo vàđộ dai có thể còn hợ p kim hóa bằng các nguyên tố tạo cacbit mạnh như V, Nb để giữ cho hạtnhỏ. Ngoài làm tăng độ bền, hợ p kim hóa thấ p còn làm tăng tính chống ăn mòn trong khí quyển,

đặc biệt khi thép chứa khoảng 0,2 đến 0,3% Cu.Tuy có những ưu điểm nhất định song loại thép này cũng có một số nhượ c điểm như tính

hàn có phần hơ i kém hay nâng cao nhiệt độ giòn lạnh, dễ bị phá hủy giòn ở nhiệt độ r ất thấ p.

Tiêu chuẩn Việt Nam đối vớ i loại thép này quy định một số mác như sau:

+ loại 1% Mn ( 14Mn, 15MnV, 19Mn)

+ Loại 2% Mn ( 09Mn2, 14Mn2, 18Mn2)

+ Loại 1% Mn + 0,6% Si ( 12MnSi, 16MnSi)

5.2.4. Thép làm cố t bê tông

Đây là loại thép chuyên dùng làm cốt cho bê tông làm tăng khả năng chịu kéo, uốn và tảitr ọng động cho cấu kiện, r ất thườ ng gặ p hàng ngày. TCVN 1651-85 chia các thép làm cốt bêtông ra làm bốn cấ p C I, C II, C III, C IV.

+ Cấ p C I là cấ p chịu lực kém nhất dùng thép tròn tr ơ n vớ i mác CT38

+ Cấ p C II là cấ p dùng thép có đốt vớ i mác CT51

+ Cấ p C III, C IV là các cấ p chịu lực cao hơ n vớ i các mác 35MnSi, 18Mn2Si





5.4. Thép chế tạo máy

5.4.1. Các yêu cầu chung

Các chi tiết máy truyền động cần phải có độ cứng vững, độ bền đạt yêu cầu đối vớ i biếndạng đàn hồi và biến dạng dẻo, độ tin cậy và độ bền lâu đảm bảo. Trong số các loại vật liệu khácnhau, thỏa mãn tốt nhất các yêu cầu nêu trên là hợ p kim trên cơ sở sắt đó là gang và đặc biệt làthép. Độ cứng vững cao và giá thành r ẻ làm cho thép đượ c ứng dụng r ộng rãi để chế tạo các k ếtcấu trong ngành xây dựng, vỏ, thân máy, ốc vít..Thông thườ ng các loại thép sử dụng chế tạo máy phải đáp ứng đượ c các yêu cầu cơ bản sau:

a Cơ tính: Tính chất cơ bản của chi tiết máy là khả năng chịu tải tr ọng t ĩ nh và động do vậy yêucầu cơ bản là có độ bền cao và đô dai tốt phù hợ p vớ i điều kiện của tải tr ọng. Độ bền cao sẽ giúpmáy có công suất lớ n nhưng nhẹ và nhỏ gọn. Tuy nhiên trong chế tạo máy, ngườ i ta coi tr ọnggiớ i hạn chảy vì các chi tiết máy ở dạng lắ p ghép không cho phép có biến dạng dẻo khi làm việc

Độ dai va đậ p r ất quan tr ọng đối vớ i chi tiết máy chịu tải tr ọng động do phải tăng tải mộtcách đột ngột. Chính chỉ tiêu này quyết định độ tin cậy khi làm việc, nó đảm bảo khó bị phá hủygiòn. Ngoài ra thep làm chi tiết máy còn đòi hỏi độ cứng cao vì các chi tiết máy cần phải có độ cứng bề mặt cao để đảm bảo tính chống mài mòn khi co sát trong quá trình làm việc

b. Tính công nghệ: Hầu như tất cả các chi tiết máy tr ướ c khi tr ở thành thành phẩm đều phải tr ảiqua các nguyên công cắt gọt để tạo ra hình dạng, hình dáng, kích thướ c và đô bóng như xác định,vì thế các loại thép chế tạo máy phải có khả năng gia công thích hợ p nhằm làm giảm giá thànhsản phẩm

c. Về thành phần hóa học thép chế tạo máy theo hàm lượ ng và tác dụng các nguyên tố hợ p kimđượ c chia thành hai nhóm chính và phụ

+ Nhóm nguyên tố hợ p kim chính chiếm tỷ lệ chủ yếu trong các nguyên tố đưa vào, có tác dụnglàm tăng độ bền nhờ nâng cao độ thấm tôi đó là các nguyên tố Cr, Mn, Si, Ni

+ Nhóm nguyên tố hợ p kim đượ c đưa vào thép vớ i lượ ng r ất nhỏ thườ ng < 0,1% nhằm mục đíchcải thiện một vài nhượ c điểm hay nâng cao một vài tính chất nào đó do nguyên tố chính đưa vào,đó là các nguyên tố Ti, Zr, Nb, V và Mo.

5.4.2. Các nhóm thép chế t ạo máy

Có ba nhóm thép chế tạo máy chính vớ i các đặc điểm khác nhau về thành phần cacbon,hợ p kim, chế độ nhiệt luyện, cơ tính và công dụng:

+ Thép thấm cacbon có thành phần cacbon thấ p ( dẻo, dai), muốn đạt độ bền cao phải tôi+ramthấ p

+ Thép hóa tốt có thành phần cacbon trung bình, để nâng cao cơ tính phải tôi+ram cao

+ Thép đàn hồi có thành phần cacbon tươ ng đối cao, để đạt giớ i hạn đàn hồi cao phải tôi+ramtrung bình.

5.5. Thép dụng cụ

5.5.1. Các yêu cầu chung

a. Cơ tính





Tính chất cơ bản của dụng cụ cắt là tác động lực vào phôi, sản phẩm mà không hay ít bị ăn mòn,do vậy yêu cầu cơ bản là có độ cứng cao và tính chống mài mòn cao. Độ cứng cao và phải caohơ n hẳn độ cứng của phôi, sản phẩm, do vậy tùy từng loại dụng cụ cần độ cứng yêu cầu tối thiểukhác nhau. Tính chống mài mòn cao để đảm bảo cho dụng cụ làm việc đượ c lâu dài, gia côngđượ c khối lượ ng lớ n sản phẩm mà không bị giảm hay mất cấ p chính xác. Tuy nhiên cũng phảichú ý đến độ dai va đậ p, không cho phép thấ p giá tr ị quy định để tránh gãy vỡ .

b.Thành phần hóa học

Cacbon: Cacbon quyết định độ cứng và tính chống mài mòn nên ở những loại dụng cụ cần yêucầu này cao như dao cắt, dụng cụ biến dạng nguội và dụng cụ đo có yêu cầu cacbon tối thiểu caohơ n. 0,7-1%. Còn đối vớ i các dụng cụ gia công phôi mềm hay ở tr ạng thái nóng có thể thấ p hơ n,khoảng 0,3-0,5%.

Hợ p kim: Đưa nguyên tố hợ p kim vớ i lượ ng ít vào thép là để tăng tính thấm tôi do vậy làm đượ c

các dụng cụ nhỏ vớ i hình dạng tươ ng đối phức tạ p. Các nguyên tố hợ p kim đưa vào cũng làmtăng tính chống ram do đó nâng cao tính cứng nóng, song do vớ i lượ ng ít hiệu quả này khôngđáng k ể. Đưa nguyên tố hợ p kim ( chủ yếu là W,Mo) vớ i lượ ng nhiều vào thép, ngoài tác dụngtăng mạnh tính thấm tôi còn có mục đích là gây cản tr ở mạnh quá trình ram do nâng cao mạnhnhiệt độ phân hóa của mactenxit, nâng cao tính cứng nóng. Chính vì vậy hầu như các dụng cụ làm việc trên máy đều làm bằng thép hợ p kim.

5.5.2. Các nhóm thép d ụng cụ

Theo bản chất của quá trình gia công, có thể chia các dụng cụ thành ba nhóm lớ n sau đây.

+ Dụng cụ cắt (gọi là dao cắt) vớ i đặc tr ưng tạo hình là tạo ra phoi, như dao tiện, phay, bào,tuốt...

+ Dụng cụ biến dạng vớ i đặc tr ưng tạo hình bằng biến dạng dẻo như tr ục cán, khuôn dậ p, khuônép chảy...ở cả tr ạng thái nguội lẫn tr ạng thái nóng.

+ Dụng cụ đo như palame, thướ c cặ p, dưỡ ng.. tuy không làm thay đổi hình dạng, kích thướ c sản phẩm, nhưng cũng không thể thiếu trong sản xuất cơ khí.

5.5.2.1 Thép hợ p kim làm d ụng cụ cắ t

a. Yêu cầu đối vớ i vật liệu làm dụng cụ cắt

Các loại dao làm việc trong điều kiện phay, bào, doa...tuy có những nét khác biệt song về cơ bảnlà giống nhau và có thể coi tiện là nguyên công điển hình.

+ Để tạo phoi, lưỡ i cắt chịu áp lực r ất lớ n tạo ra công cơ học để tách kim loại.Vì vậy dao cắt phảicó độ cứng cao hơ n hẳn phôi. Tr ườ ng hợ p thông dụng ( cắt thép gang thông thườ ng vớ i HB trêndướ i 200) dao phải có độ cứng HRC > 60, các tr ườ ng hợ p khác phải thấ p hơ n hoặc cao hơ n gíatr ị trên. Để đạt đượ c yêu cầu này dao phải đượ c làm bằng thép vớ i lượ ng cacbon tối thiểu là0,7%

+ Dao phải có tính chống mài mòn cao để chống tạo thành rãnh lõm, yêu cầu này đặc biệt quantr ọng đối vớ i tr ườ ng hợ p gia công chính xác. Tính chống mài mòn của thép phụ thuộc vào cácyếu tố sau.

- Độ cứng: có giá tr ị càng cao tính chống mài mòn càng tốt. Thườ ng là khi độ cứng HRC ở mứccao hơ n 60, cư tăng thêm một đơ n vị tuổi bền của dao tăng thêm khoảng 25-30%.





- Lượ ng cacbit dư: càng cao tính chống mài mòn càng cao. Các thép cùng tích và sau cùng tíchsau khi tôi tuy hầu như có độ cứng như nhau, song tính chống mài mòn khác nhau, càng xa cùngtích ( tức càng nhiều cacbon tính chống mài mòn càng cao) do nhiều cacbit. Chính vì lý do này phần lớ n thép làm dụng cụ cắt có lượ ng cacbon >1%

+ Công tách phoi và ma sát biến thành nhiệt và phần lớ n lại tậ p trung ở lưỡ i cắt làm cho phầnnày nóng lên rõ r ệt, do đó sẽ làm xấu khả năng cắt gọt của dao. Đặc biệt khi cắt gọt vớ i tốc độ cao, nhiệt độ lưỡ i cắt cao vượ t quá 200-300oC, mactenxit bị phân hóa, độ cứng HRC thấ p dướ i60, dao không còn khả năng cắt gọt. Do vậy vớ i dao cắt cần năng suất cao phải đưa vào thépnhững nguyên tố tạo cho thép tính cứng nóng: chúng hòa tan vào sắt và do có ái lực mạnh vớ icacbon nên giữ nguyên tố này ở lại trong mactenxit tớ i 500-600oC. Vì vậy khi cắt gọt vớ i tốc độ cao, dao tuy bị nóng lên song vẫn giữ đượ c tổ chức mactenxit vớ i độ cứng cao đủ để cắt.

b. Thép làm dao có năng suất thấp

-Thép cacbonLoại thép này có các mác CD70, CD80, CD90, CD100, CD110... chúng có các đặc tính

như sau:

Ư u điểm: Sau khi tôi + ram thấ p có thể đạt HRC> 60 đủ để cắt. Dễ biến dạng nóng, gia công cắtvà r ẻ

Nhượ c điểm:

+ Độ thấm tôi thấ p, vớ i các dao lớ n hơ n , lớ p tôi mỏng, sau thờ i gian làm việc khi mài lại khôngcòn đủ độ cứng nên cần phải tôi lại, do đó không thuận tiện khi sử dụng.

+ Tính cứng nóng thấ p do mactenxit không đượ c hợ p kim hóa, có tính chống ram kém.

-Thép hợ p kimĐó là nhóm thép có thành phần cacbon cao và đượ c hợ p kim hóa thấ p và vừa phải vớ i đặc

tính có độ thấm tôi tốt hơ n hay tính chống mài mòn cao.

Loại có tính thấm tôi tốt là loại đượ c hợ p kim hóa bằng 1%Cr vớ i mác điển hình 90CrSi. Thành phần hợ p kim như vậy có tác dụng:

+ Cải thiện tính thấm tôi vì thế có thể làm dao nhỏ vớ i hình dạng phức tạ p như mũi khoan, doa,taro bàn ren, lượ c ren, phay...

+ Nâng cao chút ít tính cứng nóng. Silic cùng vớ i crôm còn càn tr ở mạnh quá trình ram ở dướ i250-300oC vì thế có tính cứng nóng đến trên dướ i 300oC

90CrSi tươ ng đối r ẻ vớ i tính năng làm việc tốt hơ n thép cacbon nên đượ c dùng tươ ng đối phổ biến trong chế tạo các loại dao cắt k ể trên. Tuy nhiên mác 90CrSi cũng có nhượ c điểm mà đángk ể nhất là dẽ thoát cacbon khi nung nên phải chú ý bảo vệ khi tôi.

Loại có tính chống mài mòn cao là loại có cacbon r ất cao > 1,3% vớ i 0,5%Cr và 4-5%W mácCrW5. Do có cacbon r ất cao và nhiều vonfram là nguyên tố tạo thành cacbit mạnh nên trong théptồn tại một lượ ng lớ n cacbit làm tăng r ất mạnh tính chống mài mòn.

c. Thép làm dao có năng suất cao – Thép gió

Đây là loại thép làm dao quan tr ọng nhất, tốt nhất, thỏa mãn cao nhất các yêu cầu đối vớ i vật liệulàm dao:





+ Tốc độ cắt 35-80mm/phút ( 3 đến 7 lần so vớ i loại trên)

+ Tính chống mài mòn và tuổi bền cao ( 8 đến 10 lần)

+ Độ thấm tôi đặc biệt cao ( tôi thấu vớ i tiết diện bất k ỳ)Các thành phần của thép gió có tác dụng như sau:

Cacbon biến đổi trong giớ i hạn khá r ộng từ 0,7 đến 1,5% đủ để hòa tan mactenxit và tạo thànhcacbit vớ i các nguyên tố tạo thành cacbit mạnh là W, Mo và đặc biệt là V. Khi thêm 1%V phảiđưa thêm 0,1-0,15% vào thép. Cả hai tác dụng đó làm cho thép gió cứng và làm tăng mạnh tínhchống mài mòn.

Crôm có trong mọi thép gió vớ i lượ ng giống nhau, khoảng 4% có tác dụng làm tăng độ thấm tôi. Nhờ tổng lượ ng ( Cr+W+Mo) cao nên thép gió có khả năng tự tôi, tôi thấu vớ i tiết diện bất k ỳ vàcó thể áp dụng tôi phân cấ p.

Vonfram là nguyên tố hợ p kim quan tr ọng nhất không những vì có tỷ lệ cao nhất ( 6-8%) màchinh là do tạo ra tính cứng nóng cao, nên có suất cao. Là nguyên tố tạo thành cacbit mạnh,vonfram chủ yếu nằm ở dạng Fe3W3C, khi nung nóng nó hòa tan vào austenit nên sau khi tôimactenxit chứa nhiều vonfram.

Molipden đượ c dùng để thay thế vonfram đắt lại có tỷ lệ quá cao. Môlipden có cấu trúc tinh thể và tính chất r ất giống vonfram nên có thể thay thế cho nhau theo tỷ lệ nguyên tử là 1:1, song domôlipden r ẻ hơ n lại nhẹ hơ n vì thế đem lại hiệu quả kinh tế cao.

Vanadi là nguyên tố tạo thành cacbit r ất mạnh. VC r ất ít hòa tan vào austenit khi nung, trongthép nó ở dạng các phần tử cứng, phân tán, làm tăng tính chống mài mòn và giữ cho hạt nhỏ khitôi. Mọi thép gió đều có ít nhất 1% V, khi vượ t quá 2% tính chống mài mòn tăng lên, song không

nên dùng quá 5% vì làm xấu mạnh tính mài.Côban không tạo thành cacbit, nó chỉ hòa tan vào sắt ở dạng dung dịch r ắn vớ i hàm lượ ng vượ tquá 5% tính cứng nóng của thép gió tăng lên rõ r ệt. Nhượ c điểm của thép gió chứa coban là dễ bị thoát cacbon khi tôi và khi chứa quá nhiều thép bị giòn.

5.5.2.2. Thép làm d ụng cụ đ o

a. Điều kiện làm việc và yêu cầu

Trong sản xuất cơ khí thườ ng xuyên sử dụng các loại dụng cụ đo vớ i các cấ p chính xáckhác nhau: palme, thướ c cặ p, thướ c đo độ dài, đo góc…chúng luôn cọ sát vớ i chi tiết gia công vàsản phẩm do đó dễ bị mòn, biến dạng, làm sai lệch k ết quả đo. Để đảm bảo độ chính xác củadụng cụ đo thép đem dùng phải đạt các yêu cầu sau.

1. Độ cứng và tính chống mài mòn cao để đảm bảo không hay ít bị mòn ở các phần làm việc, giữ đượ c độ chính xác cao trong thờ i gian làm việc lâu dài. Đối vớ i cấ p chính xác cao độ cứng HRCyêu cầu là 63-65.

2. Ổn định kích thướ c tức kích thướ c không hay r ất ít thay đổi trong suốt đờ i làm việc ( có thể kéo dài hang chục năm hay hơ n), điều này đượ c đảm bảo bằng hai chỉ tiêu sau:

- Hệ số giãn nở vì nhiệt nhỏ

- Sự ổn định của tổ chức đạt đượ c trong thờ i gian dài.

3. Độ nhẵn bong bề mặt cao ( tớ i cấ p 14) khi mài và ít bị biến dạng khi nhiệt luyện





Như vậy thép làm dụng cụ đo cũng đòi hỏi độ cứng và tính chống mài mòn cao như dao cắt songkhông yêu cầu tính cứng nóng nên không cần làm bằng thép gió.

b. Thép làm dụng cụ đo cấ p chính xác caoĐể đạt độ cứng và tính chống mài mòn cao vớ i HRC 63-65 phải dùng loại thép có khoảng

1% C, hợ p kim hóa thấ p ( do các dụng cụ đo đều có tiết diện nhỏ) qua tôi cứng. Tuy nhiên để đạtđượ c hai yêu cầu sau phải dùng các nguyên tố hợ p kim và nhiệt luyện thích hợ p.

- Để hợ p kim hóa thườ ng dùng crôm và mangan ( khoảng 1% mỗi nguyên tố), chúng nâng caođộ thấm tôi ( tôi thấu khi tôi dầu), ít biến dạng.

- Để ổn định kích thướ c thép sau khi tôi phải đượ c hóa già. Để đạt đượ c cả ba yêu cầu trên nhiệtluyện k ết thúc phải đảm bảo cho thép đạt tổ chức mactenxit ( tôi ) chứ không phải là mactenxitram như các dạng khác vì mactenxit tôi có những đặc điểm đó là độ cứng và tính chống mài mòncao, do đó bảo đảm độ nhẵn bong cao khi mài, và đặc biệt là có hệ số giãn nở vì nhiệt r ất nhỏ.

Như vậy sau khi tôi thép k ể trên đã đạt đượ c hầu hết các yêu cầu tr ừ yêu cầu về ổn địnhcủa tổ chức đạt đượ c trong thờ i gian dài do mactenxit ( tôi ) và austenit dư không ổn định chuyển biến vớ i tốc độ r ất chậm ở nhiệt độ thườ ng và phân bố lại ứng suất dư làm thay đổi thể tích kíchthướ c và hình dạng vớ i giá tr ị r ất nhỏ. Để ổn định mactenxit ( tôi ) và austenit dư phải tiến hànhhóa già thép tôi ở 120-140oC trong 1 đến 2 ngày. Do ở thấ p hơ n nhiệt độ ram, mactenxit tôi cũngnhư austenit dư không bị chuyển biến, bị ổn định hóa và không thể chuyển biến trong suốt thờ igian sau đó.

Các thép thườ ng dùng là các mác 100Cr, 100CrWMn và ký hiệu 140CrMn.

c.Thép làm dụng cụ đo cấ p chính xác thấ p.

Đối vớ i dụng cụ đo cấ p chính xác thấ p chỉ yêu cầu bề mặt làm việc cứng và chống màimòn là đủ, do đó không yêu cầu dùng các mác thép hợ p kim cùng vớ i tôi+hóa già như trên.

Có thể dùng các mác thép k ết cấu thong qua hóa bền bền bề mặt như thép cabon thấ p như cácmác C15, C20 hay các thép cacbon trung bình C45, C50, C55 qua tôi bề mặt+ram thấ p.

5.6. Thép đặc biệt

5.6.1. Đặc đ i ể m chung và phân loại

Đây là loại thép có những tính chất ưu việt tuy chúng đượ c sử dụng vớ i khối lượ ng khônglớ n nhưng có ý ngh ĩ a quyết định, không thể thiếu trong một số l ĩ nh vực k ỹ thuật, chúng cónhững đặc điểm chung như sau.

- Về thành phần cacbon, phần lớ n loại thép này có cacbon r ất thấ p ( <0,1-0,15%), cũng có thépyêu cầu cacbon r ất cao.

- Về thành phần hợ p kim, phần lớ n loại thép này thuộc loại hợ p kim hoá cao ( > 10%) hay r ấtcao ( >20%) song thườ ng chỉ dùng một ( hợ p kim hoá đơ n giản như crôm, mangan hoặc silic)hay hai nguyên tố hợ p kim chủ yếu ( như crôm-niken).

5.6.2. Thép không r ỉ

Thép không r ỉ bao gồm một họ hợ p kim trên cơ sở sắt mà tính chất cơ bản của chúng làchống ăn mòn trong các môi tr ườ ng khác nhau. Mỗi loại thép không r ỉ chỉ có khả năng chống ăn





mòn trong một môi tr ườ ng nhất định. Tính chống ăn mòn hay nói cách khác là độ bền ăn mòncủa thép chia ra các cấ p sau:

+ Tính chống ăn mòn cao: khi chiều sâu kim loại bị xâm thực nhỏ hơ n 0,125mm/năm+ Tính chống ăn mòn đạt yêu cầu: khi chiều sâu kim loại bị xâm thực từ 0,125 đến 1,25mm/năm

+ Tính chống ăn mòn yếu ( không đạt yêu cầu): khi độ xâm thực lớ n hơ n 1.25mm/năm

Nguyên nhân của hiện tượ ng thép bị r ỉ là do ăn mòn điện hoá, vì vậy nguyên lý chung để chế tạo thép không r ỉ đó là : thứ nhất, nâng cao thế điện cực của ferit và cacbit ( hai pha cơ bảntrong thép ) lên xấ p xỉ nhau, làm giảm dòng điện ăn mòn. Thứ hai, làm cho thép có tổ chức một pha vớ i thành phần đồng nhất.

Thép không r ỉ có đặc điểm chung đó là hàm lượ ng cacbon thấ p ( càng thấ p tính chống ănmòn càng tốt ), thành phần crôm và hợ p kim cao. Các loại thép không r ỉ đều có hàm lượ ng crômlớ n hơ n 12,5%. Sau đây là một số loại thép không r ỉ

a. Thép không rỉ hai pha ferit:

Là loại thép không r ỉ có 0,1-0,4% cacbon và 13% Cr vớ i hai pha là pherit và cacbit crom,gồm các mác sau: 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13 và 40Cr13. Nhóm thép này có tính chống ăn mòncao trong không khí, nướ c sông, nướ c máy và axit HNO3. Công dụng làm đồ trang sức, ốc vítkhông r ỉ, chi tiết chịu nhiệt < 450oC, dụng cụ mổ, ổ bi chống ăn mòn.

Tính chống ăn mòn cao của thép này đượ c giải thích như sau:

Khi crôm hòa tan vào ferit đến các giớ i hạn khoảng n/8 nguyên tử thì thế điện cực của nó tănglên đột ngột. Chỉ cần khoảng 12,5% tức 1/8 nguyên tử Cr, điện thế điện cực của ferit từ giá tr ị -0,44V tăng vọt lên gần +0,2V. Do vậy thép chứa 13% Cr có tính chống ăn mòn cao hơ n hẳn thép

chứa 12%Cr.Khi crôm hòa tan vào ferit làm nồng độ crôm trong pha này tăng lên, giúp tạo nên lớ p màng oxytCr 2O3 để tạo nên sự thụ động hóa làm tăng tính chống ăn mòn. Điều này giải thích:

+ Các thép không gỉ đều chứa crôm cao

+ Tăng cacbon tạo nhiểu cacbit crôm làm giảm lượ ng crôm hòa tan trong ferit, làm giảm tínhchống ăn mòn.

+ Tôi gồm nung nóng thép đến nhiệt độ cao 1000oC làm cacbit hòa tan vào dung dịch r ắn r ồinguội nhanh giúp pha này tr ở nên giàu crôm hơ n sẽ cải thiện đượ c tính chống ăn mòn.

b. Thép không rỉ một pha ferit

Là loại thép có hàm lượ ng cacbon thấ p từ 0,08 đến 0,2% vớ i lượ ng crôm r ất cao từ 17-25%Cr, tính chống ăn mòn của loại thép này cao hơ n loại trên. Nhóm thép này sử dụng đượ c trongmôi tr ườ ng nướ c biển, môi tr ườ ng axit, công nghiệ p hoá dầu và một số l ĩ nh vực khác. Chúnggồm các mác sau: 12Cr17, 15Cr25Ti…vớ i các đặc tính như sau:

+ Thép không có chuyển biến pha, thù hình, luôn luôn có tổ chức ferit nên không thể hóa bền bằng tôi, ngoài ra khi nung nóng để làm cho hạt lớ n và làm xấu cơ tính.

+ Nung lâu thép ở nhiệt độ cao hơ n 475oC sẽ xuất hiện các pha giòn.

c. Thép không rỉ một pha austenit





Đặc tính của loại thép này là không những chứa crôm cao mà còn chứa niken cao, nó làloại thép đượ c sử dụng nhiều nhất và chiếm tỷ lệ áp đảo trong thép không gỉ do nó có các tínhchất chống ăn mòn công nghệ và cơ tính tốt.

Về tính chống ăn mòn, ngoài HNO3 nó có thể chịu đượ c cả H2SO4 ( vớ i mọi nồng độ và ở nhiệt độ thườ ng), HCl ( loãng và ở nhiệt độ thườ ng)

Về cơ tính và tính công nghệ, có thể thấy r ằng do có tổ chức austenit nên thép có độ dẻocao và khả năng hóa bền biến dạng mạnh

Để nâng cao tính chống ăn mòn phải làm cho thép có tổ chức một pha austenit đồng nhất,không cho phép có cacbit crôm. Tiến hành austenit hóa bằng cách nung đến nhiệt độ cao để cacbit hòa tan hết vào austenit r ồi sau đó làm nguội nhanh để cố định các tổ chức này. Thao tácnày trong thực tế vẫn quen gọi là tôi vì về hình thức giống hệt tôi thông thườ ng, song cần chú ýlà nó không tạo ra mactenxit cứng như khi thực hiện vớ i thép k ết cấu mà cố định tổ chức một pha

austenit đồng nhất nên có tính chống ăn mòn tốt nhất.d. Thép không gỉ hóa bền tiết pha

Họ thép này có những đặc điểm sau.

- Về thanh phần và tổ chức nó r ất gần vớ i họ austenit song vớ i lượ ng crôm, niken thấ p hơ n đôichút, có them Al, Cu, Mo…và tổ chức austenit không thật ổn định.

- Vừa có tính công nghệ cao vừa có cơ tính cao: r ất dễ biến dạng và gia công cắt thép ở tr ạng tháimềm, sau đó hóa bền nó bằng hóa già ở nhiệt độ thấ p nhờ đó tránh đượ c biến dạng và oxy hóa.

Nhờ cơ tính cao họ thép này đượ c dùng làm k ết cấu máy bay. Mác thép dùng nhiều của họ này làAISI 361.

5.6.3. Thép bền nóng

Là loại thép có khả năng chịu tải tr ọng lâu dài trên 500oC, đượ c sử dụng trong các l ĩ nh vựcnhư: nồi hơ i, động cơ phản lực, tên lửa…

Yêu cầu chung của thép bền nóng như sau:

+ Có tính ổn định nóng cao: là khả năng bền hoá học ở nhiệt độ cao, có khả năng chống lại lớ pvỏ oxi và ngăn cản sự phát triển của nó.

+ Có tính bền nóng lớ n: Là khả năng vật liệu chịu đượ c tải tr ọng ở nhiệt độ cao, Ở nhiệt độ caodướ i tác dụng của tải tr ọng không đổi nhỏ hơ n giớ i hạn chảy, kim loại bị biến dạng dẻo một cáchchậm chạ p theo thờ i gian và gọi là dão. Đánh gía độ bền của thép ở nhiệt độ cao bằng hai chỉ tiêu

là độ bền dão và giớ i hạn dão. Độ bền dão là ứng suất gây ra biến dạng dão tại nhiệt độ đã chosau một thờ i gian xác định. Giớ i hạn dão là ứng suất cần thiết để có biến dạng xác định sau thờ igian thử xác định tại nhiệt độ đã cho.

Trong môi tr ườ ng làm việc ở nhiệt độ cao độ bền hóa học của thép bị giảm do sự ăn mònhóa học ôxy hóa thép trong không khí khô. Sự tạo thành lớ p vảy ôxit và sự phát triển nhanh củanó sẽ nhanh chóng làm giảm tiết diện chịu tải và làm giảm độ bền. Sự tạo thành lớ p vảy ôxitnhanh đột ngột do cấu trúc chủ yếu của FeO xố p, không có tính bảo vệ. Vì vậy phải hợ p kim hóathép bằng crôm, môlipđen, silic để tạo nên các lớ p bảo vệ cần thiết.

Thép bền nóng là l ĩ nh vực hết sức r ộng lớ n, không thể đề cậ p hết vì thế trong tài liệu nàychỉ giớ i hạn giớ i thiệu thép bền nóng làm xupap xả của động cơ và làm tua bin hơ i.





a.Thép làm xupap xả:

Xu páp xả của động cơ đốt trong làm việc trong điều kiện chịu tải tr ọng cao, mài mòn và va

đậ p lớ n, bị ăn mòn do khí cháy, chịu nhiệt độ 650-700o

C. Để làm xu pap xả thườ ng sử dụng loạithép cacbon trung bình ( 0,35-0,5%) và có hàm lượ ng crom cao ( 9-10%), và 2%Si. Một số loạimác thông dụng là: 40Cr9Si2, 40Cr10Si2Mo…

b.Thép làm nồi hơ i và tua bin hơ i:

Các nồi hơ i và tuabin hơ i tại các nhà máy nhiệt điện thườ ng làm việc ở nhiệt độ 540oC vàáp suất 250atm hay ở nhiệt độ 560oC và ap suất 160atm, Để đảm bảo tuổi thọ lâu dài ta phải sử dụng các loại thép phù hợ p

Vớ i nhiệt độ nhỏ hơ n 450oC có thể dùng các mác thép CT34, CT38, C15, C20 làm nồihơ i, ống dẫn hơ i ở nhiệt độ 540-560oC có thể sử dụng các mác 12CrMo, 12CrMoV. Cánh tuabincó thể dùng các mác thép 15Cr12WNiMoV

5.7. Gang

Gang là vật liệu đượ c dùng khá phổ biến trong chế tạo máy và xây dựng cơ bản. Nhìnchung gang có cơ tính tổng hợ p kém thép song có nhiều đặc điểm quý cần tận dụng triệt để đó lànhiệt độ chảy thấ p hơ n, dễ nấu luyện, tính đúc tốt và dễ gia công cắt.Trong công nghiệ p thườ ngchỉ dùng ba loại gang là gang xám, gang tr ắng và gang cầu.

5.7.1. Đặc đ i ể m chung của các loại gang

a. Tổ chứ c tế vi

Đặc điểm về tổ chức tế vi quan tr ọng nhất chi phối các đặc điểm khác là phần lớ n hay toàn

bộ cacbon trong các gang chế tạo máy ở dạng tự do hay grafit. Tổ chức tế vi của gang đượ c chialàm hai phần: phần kim loại là grafit hay cacbon tự do và phần còn lại là nền kim loại vớ i các tổ chức khác nhau:

- Ferit khi toàn bộ cacbon ở dạng tự do không có cacbon liên k ết

- Ferit-peclit hay peclit khi phần lớ n C ở dạng tự do và r ất ít ( <0,8%) ở dạng liên k ết, cácgang khác nhau chỉ là ở dạng của grafit như phân biệt trên tổ chức tế vi của các mẫu tẩmthực

- Gang xám grafit có dạng tấm (phiến,lá...) là dạng tự nhiên khi đúc

- Gang cầu grafit có dạng quả cầu tròn, phải qua biến tính đặc biệt

- Gang dẻo: grafit có dạng cụm ( tụ tậ p thành đám), qua phân hóa từ xementitb. Thành phần hóa học

Trong số các nguyên tố trong gang, nguyên tố có ảnh hưở ng mạnh nhất đến sự tạo thànhgrafit là silic. Silic càng nhiều hay đúng hơ n tổng lượ ng C+Si càng cao sự grafit hóa càng mạnh,càng hòan toàn, cacbon liên k ết càng ít, thậm chí không có. Vì vậy về cơ bản ngườ i ta coi gang làhợ p kim ba cấu tử Fe-C-Si. Bảng cho thấy thành phần hóa học của các loại gang





Bảng 5.3.thành phần hóa học của các loại gang

Loại gang

Thành phần hóa học %

C Si Mn S P

Tr ắng 3,3-3,6 0,4-1,2 0,25-0,8 0,06-0,2 0,05-0,2

Xám 3,0-3,7 1,2-2,5 0,25-1 <0,12 0,05-1

C ầu 3,0-4,0 1,8-3 0,1-0,8 <0,03 <0,1

Dẻ o 2,0-2,6 1-1,6 0,2-1 0,04-0,2 <0,2

5.7.2. Gang xám

Đây là loại gang phổ biến nhất, thông thườ ng nếu không nói rõ đó là loại gang gì thì ta phải hiểu đó là gang xám. Tùy theo mức độ grafit hóa gang xám có ba loại:

+ Gang xám ferit: Tổ chức của nó bao gồm nền kim loại là sắt nguyên chất k ỹ thuật và grafit.Loại gang này có độ bền thấ p nhất

+ Gang xám ferit-peclit: Gồm có nền kim loại là thép tr ướ c cùng tích và grafit, lượ ng cacbontrong nền kim loại < 0,8%

+ Gang xám peclit: Gồm có nền kim loại là thép cùng tích và grafit, lượ ng cacbon trong nền kim

loại là 0,8%, loại gang này có độ bền cao nhất trong các loại gang xám.

Hình 5.1 t ổ chứ c t ế vi của gang xám, gang xám peclit (a), gang xám ferit – peclit(b),

gang xám peclit (c)

a. Cơ tính

Loại gang này có những đặc điểm về cơ tính như sau:

- Độ bền thấ p, giớ i hạn bền kéo < 350-400MPa ( thườ ng trong khoảng 150-350 MPa) chỉ bằng một nửa của thép thông dụng, 1/3 của thép hợ p kim





- Độ dẻo và độ dai thấ p, có thể xem như vật liệu dòn.

Nguyên nhân cơ tính thấ p của gang xám là do có tổ chức grafit tấm vớ i độ bền r ất thấ p ( có thể

coi bằng không), có dạng bề mặt lớ n, coi như vết nứt r ỗng chia cắt r ất mạnh nền kim loại và sự tậ p trung ứng suất ở các đầu nhọn của tấm grafit làm giảm r ất mạnh độ bền kéo. Tuy nhiên cấutrúc này ít làm hại độ bền nén ( giớ i hạn bền nén của gang xám không kém thép).

b. Phươ ng pháp nâng cao cơ tính

Cải thiện các tổ chức sẽ dẫn đến nâng cao cơ tính chủ yếu là giớ i hạn bền kéo.

- Làm giảm lượ ng grafit tức giảm số lượ ng vết nứt r ỗng. Muốn vậy tr ướ c hết phải làmgiảm lượ ng cacbon ( tổng ) của gang

- Làm nhỏ mịn grafit, tức giảm kích thướ c vết nứt r ỗng. Muốn vậy phải biến tính ganglỏng bằng fero mangan, ferosilic.

Bảng cơ tính của các loại gang xámĐể làm tăng hơ n nữa độ cứng, độ bền gang xám đượ c hợ p kim hóa và tiến hành tôi+ram

- Hợ p kim hóa có tác dụng chủ yếu là hóa bền nền kim lọai ( tạo peclit phân tán nhỏ mịndạng xocbit), nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn, tính chịu nhiệt và hiệu quả đối vớ inhiệt luyện

- Tôi+ram khi tôi+ram grafit là pha ổn định nên không có biến đổi gì về tỷ lệ, hình dạng,kích thướ c và sự phân bố.

c. Các mác gang xám và công dụng

Các nướ c đều đánh số các mác gang theo giớ i hạn bền kéo tối thiểu theo kG/mm2 hoặc MPa,

riêng Mỹ theo ksi. TCVN 1659-75 quy định ký hiệu các mác gang là GX xx-xx, trong đó hainhóm số lần lượ t chỉ giớ i hạn bền kéo và giớ i hạn bền uốn tối thiểu tính theo kG/mm2.

- Các mác gang có độ bền thấ p < 150MPa đượ c dùng làm các vỏ, nắ p không chịu lực ( chỉ để che chắn)

- Các mác gang có độ bền trung bình 150-200 MPa, vớ i nền ferit-peclit tấm nhỏ mịn qua biến tính đượ c dùng làm các chi tiết chịu tải tr ọng nhẹ, ít chịu mài mòn như vỏ hộ p giảmtốc, thân máy, bích, cacte, ống nướ c.

- Các mác gang có độ bền tươ ng đối cao 200-300MPa vớ i nền peclit+grafit tấm nhỏ mịnqua biến tính đượ c dùng lamf các chi tiết chịu tải tr ọng tươ ng đối cao như bánh r ăng, bánh đà, xecmăng, thân máy.

- Các mác gang có độ bền cao > 300 MPa vớ i nền peclit nhỏ mịn và grafit tấm r ất nhỏ mịnqua biến tính cẩn thận đượ c dùng làm các chi tiết chịu tải cao, chịu mài mòn như bánhr ăng chữ V, tr ục chính, vỏ bơ m thủy lực.

5.7.3. Gang cầu

Gang cầu là loại gang có độ bền ở dạng cao nhất do grafit ở dạng thu gọn nhất. Theo mứcđộ grafit hóa gang cầu đượ c chia làm ba loại:

+ Gang cầu ferit: nền kim loại là sắt nguyên chất và grafit cầu

+ Gang cầu ferit-peclit: nền kim loại là thép tr ướ c cùng tích và grafit cầu





+ Gang cầu peclit: nền kim loại là thép cùng tích và grafit cầu

Hình 5.2. t ổ chứ c t ế vi của gang cầu, gang cầu ferit (a), gang cầu ferit-peclit (b), gang cầu peclit (c)

a. Cơ tínhDo grafit ở dạng thu gọn nhất ít chia cắt nền kim loại nhất nên nó làm giảm r ất ít cơ tính

của nền vì vậy gang cầu duy trì đượ c 70-90% độ bền của nền kim loại ( thép). Các đặc điểmvề cơ tính của gang cầu là:

- Giớ i hạn bền kéo và giớ i hạn bền chảy khá cao tức là tươ ng đươ ng vớ i thép chế tạo máy.

- Độ dẻo và độ dai nhất định, tuy có kém thép song cao hơ n gang xám r ất nhiều

b. Về đặc điểm chế tạo

Về phối liệu, gang cầu đượ c chế tạo bằng cách biến tính gang xám lỏng nên về cơ bản thành phần của chúng giống nhau, tuy nhiên cũng có một vài điểm khác biệt như sau:

- C+Si cao hơ n- Không có hay có r ất ít các nguyên tố cản tr ở cầu hóa như Ti, Al, Sn, Zn

- P, đặc biệt là S thấ p hơ n

c. Các mác gang cầu và công dụng

Các nướ c đều đánh số gang cầu theo giớ i hạn bền kéo tối thiểu theo kG/mm2 (xx)hay MPa (xxx), riêng Hoa K ỳ theo ksi. Theo TCVN 1659-75 có quy định ký hiệu gangcầu bằng GC xx-xx trong đó các nhóm số lần lượ t là giớ i hạn bền tối thiểu tính theo đơ nvị kG/mm2 và độ giãn dài tối thiểu tính theo phần tr ăm

Công dụng chính của gang cầu đó là dùng làm các chi tiết vừa chịu tải tr ọng kéo

và va đậ p cao, đồng thờ i dễ tạo hình bằng phươ ng pháp đúc. Chi tiết điển hình làm bằnggang cầu là tr ục khuỷu. Đó là chi tiết có hình dạng phức tạ p, chịu tải tr ọng lớ n và chịumài mòn. Khi làm bằng thép phải dùng các phôi thép lớ n qua rèn ép trên các máy ép lớ ntạo ra phôi gia công vớ i lượ ng dư lớ n ,tốn công cắt nếu thay bằng gang cầu thiết bị sử dụng có phần đơ n giản hơ n tạo ra vật thể đúc gần vớ i thành phẩm hơ n do đó chi phí giacông thấ p hơ n.

Trong thờ i gian gầy đây gang cầu đượ c sản xuất vớ i lượ ng khá lớ n dùng làm ốngnướ c dùng trong xây dựng cơ bản vì nó có ưu điểm hơ n so vớ i các vật liệu thườ ng dùngtr ướ c đây là gang xám và thép.





5.7.4. Gang d ẻ o

Là loại gang có grafit tươ ng đối nhỏ gọn ở cụm và bông, tính dẻo tươ ng đối cao, mặtgãy có màu xám. Nhìn bề ngoài r ất khó phân biệt vớ i gang xám. Tùy theo mức độ grafit hóagang dẻo đượ c chia làm ba loại:+ Gang dẻo ferit: Là loại gang có nền kim loại là sắt nguyên chất k ỹ thuật, trên đó grafit dạng bông hay cụm đượ c phân bố.+ Gang dẻo ferit-peclit: là loại gang có nền là thép tr ướ c cùng tích, grafit cụm hay bông+ Gang dẻo peclit: là loại gang có nền là thép cùng tích, grafit dạng cụm hay bông.

Hình 5.3. t ổ chứ c t ế vi của gang d ẻo, gang d ẻo ferit (a), gang d ẻo ferit-peclit(b), gang d ẻo peclit (c)

a. Cơ tính

Do grafit ở dạng cụm và lượ ng cacbon của gang r ất thấ p nên gang dẻo có độ bền gầnnhư gang cầu song hơ n hẳn gang xám.

b. Đặc điểm chế tạo

Gang dẻo đượ c chế tạo bằng cách ủ từ gang tr ắng nên về cơ bản thành phần hóa họccủa chúng giống nhau: C + Si thấ p. Tùy thuộc vào cách tiến hành có thể có các loại gangdẻo sau:

- Gang dẻo lõi tr ắng, là loại quá trình ủ xảy ra trong môi tr ườ ng ôxy hóa làm thoát cacbonmạnh ( thườ ng dùng môi tr ườ ng là quặng sắt) nên cacbon ủ bị giảm mạnh nên mặt gãy cómàu sang.

- Gang dẻo lõi đen, là loại quá trình ủ xảy ra trong môi tr ườ ng trung tính hay không bị oxyhóa mạnh, cacbon ủ vẫn còn nhiều nên mặt gãy vẫn có màu tối

Tùy thuộc vào nền kim loại, quá trình ủ grafit hóa có triệt để hay không có:- Gang dẻo ferit: grafit hóa triệt để, không có cacbit, xêmentit thờ i gian ủ dài ở 1000 và

700oC

- Gang dẻo peclit: grafit hóa vừa phải, nên kim loại còn khoảng 0,6 đến 0,8% C ở dạngcacbit, xêmentit, thờ i gian ủ tươ ng đối ngắn ( chưa đến 2 ngày) ở nhiệt độ 1000oC

- Gang dẻo ferit-peclit: Trung gian giữa hai loại trên ( thờ i gian ủ ở 700oC ngắn hơ n khi ủ gang dẻo ferit.

c.Các mác gang dẻo và công dụng





Các nướ c thườ ng đánh số các mác gang dẻo theo giớ i hạn bền kéo tối thiểu và độ giãn dàitươ ng đối.

TCVN 1659-75 có quy định ký hiệu các mác gang dẻo bằng GZ xx-xx trong đó cặ p số đầu chỉ giớ i hạn bền tối thiểu theo đơ n vị kG/mm2, cặ p số sau chỉ độ giãn dài tối thiểu theo %.

Các chi tiết làm bằng gang dẻo phải thỏa mãn đồng thờ i ba yêu cầu là: hình dạng phức tạ p, thànhmỏng, chịu va đậ p. Chỉ cần không thỏa mãn một trong các yêu cầu trên việc chế tạo bằng gangdẻo hoặc là không thể đượ c hoặc là không kinh tế, lúc đó làm bằng vật liệu khác r ẻ hơ n.





Chươ ng 6Hợ p kim màu

6.1. Nhôm và hợ p kim nhôm

Nhôm và hợ p kim nhôm là loại vật liệu đượ c sử dụng r ất r ộng rãi thứ hai sau thép, vật liệunày r ất phù hợ p và đượ c ứng dụng trong nhiều l ĩ nh vực khác nhau, trong một số tr ườ ng hợ p đemlại hiệu qủa kinh tế r ất lớ n và không thể thay thế đượ c.

6.1.1. Nhôm nguyên chấ t và phân loại hợ p kim nhôm

a. Đặc tính của nhôm nguyên chất.

Nhôm là nguyên tố có mạng tinh thể lậ p phươ ng tâm mặt, có màu sáng bạc, nhôm có các đặcđiểm lý hoá cụ thể như sau:

+ Khối lượ ng riêng nhỏ, chỉ bằng 1/3 thép ( khoảng 2,7 g/cm3). Do vậy làm giảm khối lượ ng k ếtcấu, chi tiết vì thế nhôm đượ c sử dụng r ộng rãi trong nghành giao thông vận tải, k ết cấu xâydựng…

+ Có tính chống ăn mòn nhất định trong môi tr ườ ng do bên ngoài của nhôm luôn có một lớ pmàng oxit nhôm ngăn cản tác dụng của môi tr ườ ng đến lớ p nhôm bên trong

+ Tính dẻo r ất cao vì thế nó dễ dàng kéo ép thành các tấm các sợ i biên dạng phức tạ p

+ Nhiệt độ nóng chảy của nhôm thấ p 657oC

b. Phân loại hợ p kim nhôm:

Trong k ỹ thuật nhôm nguyên chất hầu như không đượ c sử dụng mà thay vào đó ngườ i tahay sử dụng hợ p kim nhôm. Hợ p kim nhôm đượ c phân ra làm hai nhóm: hợ p kim nhôm đúc vàhợ p kim nhôm biến dạng.

+ Hơ p kim nhôm biến dạng: là hợ p kim chứa một lượ ng ít các nguyên tố hợ p kim có thành phầnnằm bên trái điểm b trên giản đồ dướ i đây. Để sản xuất các sản phầm tử nhóm hợ p kim nàyngườ i ta dùng các phươ ng pháp biến dạng. Loại hợ p kim này đượ c phân chia làm hai phân lớ pnhỏ: hoá bền đượ c bằng nhiệt luyện và không hoá bền đượ c bằng nhiệt luyện.

- Hợ p kim không hoá bền đượ c bằng nhiệt luyện: gồm các hợ p kim có thành phần nằm bên trái

điểm a, các hợ p kim này có tổ chức là dung dịch r ắn ở mọi nhiệt độ, không có biến đổi pha nênkhông thể hoá bền bằng nhiệt luyện, chỉ có thể hóa bền bằng biến dạng nguội mà thôi

- Hợ p kim nhôm biến dạng hoá bền đượ c bằng nhiệt luyện: gồm các hợ p kim có thành phần nằm bên phải điểm a, ở nhiệt độ thườ ng có tổ chức hai pha là dung dịch r ắn và pha thứ hai. Khi nungđến nhiệt độ cao hơ n giớ i hạn bão hoà thì pha thứ hai hoà tan hết vào dung dịch r ắn nên có thể hóa bền bằng nhiệt luyện.





Theo TCVN 1659-75 ký hiệu hợ p kim nhôm biến dạng như sau: đầu tiên là ký hiệu củanguyên tố nhôm, tiế p theo là ký hiệu của các nguyên tố hợ p kim, các số đứng sau nguyên tố hợ pkim chỉ lượ ng của chúng theo phần tr ăm.

Ví dụ AlCu4,4Mg0,4Mn0,8

+ Hợ p kim nhôm đúc: Gồm các hợ p kim chứa khá nhiều các nguyên tố hợ p kim, có thành phầnnằm bền phải điểm b. Các hợ p kim này có nhiệt độ nóng chảy thấ p hơ n, có tổ chức cùng tinh nêntính đúc cao. Theo TCVN 1659-75 ký hiệu của hợ p kim nhôm đúc như ký hiệu của hợ p kimnhôm biến dạng chỉ khác có chữ Đ ở cuối để chỉ hợ p kim nhôm đúc. Do có nhiều pha thứ hai (thườ ng là hợ p chất hóa học) hợ p kim giòn hơ n không thể biến dạng dẻo đựơ c. Khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện của nhóm này nếu có cũng không cao vì không có biến đổi mạnh của tổ chứckhi nung nóng.

6.1.2.H ợ p kim nhôm bi ế n d ạng

Ta chỉ nghiên cứu hợ p kim nhôm hóa bền đượ c bằng nhiệt luyện vì chúng có vai trò quantr ọng trong nghành vật liệu.

1. Hợ p kim nhôm vớ i 4% đồng

Hợ p kim nhôm vớ i 4% đồng là cơ sở của hầu hết các hợ p kim nhôm biến dạng. Từ giản đồ đồng-nhôm ta thấy đồng hoà tan trong nhôm khá nhiều ở nhiệt độ cao, nhưng lại giảm r ất mạnhkhi hạ nhiệt độ ( còn 0,5% ở nhiệt độ thườ ng), lượ ng đồng dư đượ c tiết ra dướ i dạng hợ p chấthoá học, CuAl2II

Ở nhiệt độ thườ ng tổ chức cân bằng của hợ p kim là dung dịch r ắn α chứa 0,5% Cu và mộtlượ ng nhỏ, CuAl2II, ( khoảng 7%), có độ cứng và độ bền thấ p ( 200Mpa). Khi nung nóng đến caohơ n đườ ng giớ i hạn hoà tan ( 520oC) pha CuAl2II hoà tan hết vào α và chỉ còn lại một pha làdung dịch r ắn của nhôm chứa 4% đồng. Khi làm nguội nhanh sau đó pha CuAl2II không k ị p tiếtra nên ta có dung dịch r ắn α quá bão hoà đồng ở nhiệt độ thườ ng độ bền tăng lên một ít (250-300Mpa) và tươ ng đối dẻo. Sau khi tôi từ 5 đến 7 ngày độ bền và độ cứng đạt đượ c cao nhất ( lênđến 400 MPa ). Hiện tượ ng này gọi là hoá già tự nhiên. Nếu sau khi tôi ta tiến hành nung nóng

Hình 6.1. góc Al của giản đồ nhôm-nguyên tố hợ p kim





thì thờ i gian sẽ rút ngắn lại nhưng độ bền đạt đượ c sẽ có giá tr ị thấ p hơ n. Quá trình này gọi làhoá già nhân tạo.

2. ĐuraĐura là hợ p kim hệ Al-Cu-Mg trong đó hàm lượ ng Cu là 4%, hàm lượ ng Mg từ 0,5-1,5%,

còn lại là nhôm, các nguyên tố hợ p kim đặc biệt là Mg làm tăng mạnh mẽ hiệu quả khi nhiệtluyện tôi và ram. Ngoài ra trong thành phần của Đura thườ ng có thêm Fe, Si và Mn. Fe và Si làtạ p chất thườ ng gặ p trong nhôm mà không thể khử bỏ hết đượ c còn Mn là hợ p chất đưa vào để tăng tính chống ăn mòn của Đura. Đura có những đặc điểm sau:

+ Có độ bền cao 450-480 MPa, có khối lượ ng riêng nhỏ 2,7 g/cm3, vì vậy nhôm có độ bền riênglớ n.

+ Tính chống ăn mòn kém do trong nhôm có nhiều pha vớ i các thế điện cực khác nhau, để khắc phục nhượ c điểm này ngườ i ta phủ một lớ p nhôm mỏng lên bề mặt đura bằng cách cán nóng.

Đura là loại vật liệu đượ c sử dụng r ất nhiều trong công nghiệ p chế tạo máy bay do chúng có độ bền riêng lớ n

6.1.3. H ợ p kim nhôm đ úc

a. Các đặc điểm

Như đã nói hợ p kim nhôm đúc trong tổ chức phải gồm chủ yếu là cùng tinh và do đó chứanhiều hợ p kim hơ n.

Cơ tính của vật đúc hợ p kim phụ thuộc nhiều vào tốc độ nguội và biến tính. Đúc trongkhuôn kim loại do nguội nhanh hơ n trong khuôn cát nên tổ chức nhận đượ c nhỏ mịn hơ n, cảithiện mạnh cơ tính. Biến tính có tác dụng mạnh đến tổ chức và cơ tính của hợ p kim Al-Si.

b. Silumin đơ n giản

Là hợ p kim nhôm đúc mà thành phần chủ yếu là nhôm và silic vớ i thành phần Silic từ 10-13%. Tổ chức chủ yếu là cùng tinh r ất thô to ( các tinh thể Si có dạng hình que) độ bền và độ dẻokhá thấ p. Do vậy phải biến tính để nâng cao cơ tính. Để biến tính ngườ i ta thườ ng dùng hỗn hợ pdung dịch muối NaF và NaCl.

Silumin đơ n giản có đặc điểm là:

+ Có tính đúc cao ( do tổ chức chủ yếu là cùng tinh)

+ Cơ tính thấ p, không hoá bền đượ c bằng nhiệt luyện

Do đó siliumin đơ n giản thườ ng đượ c dùng định hình các chi tiết đúc phức tạ p, yêu cầu độ bềnkhông cao.





Hình6.2. t ổ chứ c t ế vi của silumin tr ướ c (a) và sau biế n tính (b)

c.Silumin phứ c tạp

Siliumin phức tạ p cũng có tính đúc tốt, tuy nhiên cơ tính của nó cao hơ n do trong thành phần có thêm nguyên tố Cu, Mg có tác dụng tốt khi tôi và hoá già. Công dụng của siliumin phứctạ p là làm pittông các loại động cơ nhẹ, dễ tạo hình và ít k ẹt. Ngoài ra còn làm thân và nắ p độngcơ ô tô.

Hình 6.4. Giản đồ tr ạngthái của hợ p kim Al-Si

Hình 6.3. ảnh tế vi củasilumin phức tạ p





6.2. Đồng và hợ p kim đồng

6.2.1. Đồng nguyên chấ t và các đặc tính của hợ p kim đồng

a. Các đặc tính của đồng đỏ

Đồng là kim loại có kiểu mạng tinh thể lậ p phươ ng tâm mặt, không có tính đa hình. Đồngnguyên chất có màu đỏ nên gọi là đồng đỏ. Đồng có các đặc điểm sau:

+ Tính dẫn điện và dẫn nhiệt cao. Về tính dẫn điện chỉ đứng sau vàng và bạc.

+ Chống ăn mòn tốt trong khí quyển, nướ c, nướ c biển hay kiềm, axit hữu cơ do có lớ p Cu2O trên bề mặt.

+ Tính dẻo r ất cao, dễ biến dạng nóng, dễ chế tạo thành các thành phẩm, bán thành phẩm

+ Độ bền không cao lắm chỉ khoảng σ b=220 MPa, nhưng sau khi biến dạng dẻo độ bền tăng lên

đáng k ể σ b = 425 MPa+ Tính đàn hồi khá tốt nhưng khi chứa nhiều tạ p chất giảm đi mạnh

Tuy nhiên đồng có một số nhượ c điểm như sau:

+ Khối lượ ng riêng lớ n 8,94 g/cm3

+ Tính gia công cắt gọt kém, do phoi quá dẻo không gãy, để cải thiện thườ ng cho thêm chì vào.

+ Nhiệt độ nóng chảy cao 1083oC, tính đúc kém, độ chảy loãng nhỏ.

Theo TCVN 1659-75 đồng nguyên chất đượ c kí hiệu là Cu và các số chỉ lượ ng chứa của nótrong đó. Ví dụ Cu 99,99 có 99,99% Cu

6.2.2. Phân loại hợ p kim đồngTrong k ỹ thuật ít khi sử dụng đồng nguyên chất mà chủ yếu là sử dụng hợ p kim đồng. Hợ p

kim đồng trong k ỹ thuật tồn tại ở hai dạng chủ yếu là latông và brông

Latông (đồng thau) là hợ p kim của đồng vớ i nguyên tố chủ yếu là k ẽm

Brông (đồng thanh) là hợ p kim của đồng vớ i các nguyên tố khác tr ừ k ẽm.

a. Latông: Đượ c chia làm hai loại: latông đơ n giản và latông phức tạ p. Latông đơ n giản là hợ pkim đồng chỉ gồm hai nguyên tố là đồng và k ẽm, latông phức tạ p là hợ p kim đồng ngoài đồng vàk ẽm còn có thêm một vài nguyên tố khác.

Theo TCVN 1659-75 qui định ký hiệu latông như sau: đầu tiên là chữ L ( chỉ số latông)

tiế p theo là nguyên tố Cu và các nguyên tố hợ p kim. Số đứng sau các nguyên tố hợ p kim chỉ hàmlượ ng của chúng theo phần tr ăm.

Ví dụ LcuZn30 là latông có 30% k ẽm và 70% đồng.

+ Latông đơ n giản: Trong thực tế dùng loại chứa ít hơ n 45% Zn nên tổ chức của nó chỉ có dungdịch r ắn α và pha điện tử β, α là dung dịch r ắn xen k ẽ của k ẽm trong đồng chứa đến 39% Zn ở nhiệt độ 454oC, đây là pha chủ yếu quyết định tính chất của latông. β là pha điện tử ứng vớ i côngthức CuZn ( N=3/2), là pha cứng dòn và hoá bền cho latông,

+ Latông một pha: thườ ng chứa ít hơ n 35% Zn, có tính dẻo cao, đượ c cán nguội thành bán thành phẩm làm chi tiết máy qua dậ p sâu. Latông vớ i lượ ng k ẽm nhỏ từ 5-12% có màu đỏ nhạt dùng để





làm tiền xu, huy chươ ng, khuy áo quần. Các latông một pha thườ ng bền và r ất dẻo nên để dẽ giacông cắt gọt ngườ i ta thườ ng pha thêm 0,3-4% Pb.

+ Latông hai pha: thườ ng chứa 40% Zn, latông hai pha cứng, bền và ít dẻo hơ n so vớ i latông một pha, đượ c cung cấ p dướ i dạng băng, ống, tấm để làm các chi tiết máy cần độ bền cao.

+ Latông phức tạ p: Ngoài Cu và Zn còn cho thêm các nguyên tố Pb (để tăng tính cắt gọt), Sn (tăng tính chống ăn mòn trong nướ c biển), Al và Ni (để nâng cao giớ i hạn bền), latông phức tạ pdùng làm các chi tiết máy yêu cầu độ bền cao.

b. Brông: Là hợ p kim của đồng vớ i các nguyên tố không phải là k ẽm như Su, Al, Be. TheoTCVN chúng đượ c ký hiệu giống như latông chỉ khác là thay chữ L ở đầu bằng chữ B

+ Brông thiếc: là hợ p kim đồng vớ i các nguyên tố chủ yếu là thiếc, đây là hợ p kim đồng đượ c sử dụng lâu đờ i nhất. Đặc điểm của brông thiếc là:

- Độ bền cao, độ dẻo tốt

- Tính đúc tốt: ít co ngót, điền đầy khuôn cao

- Chống ăn mòn cao, đặc biệt trong không khí ẩm và môi tr ườ ng biển

Có các loại brông thiếc sau:

Hình 6.6 giản đồ tr ạngthái của hợ p kim Cu-Zn

Hình 6.5. tổ chức tế vi của latông 1 pha (a) và của latông 2 pha (b)





1. Brông thiếc biến dạng: thườ ng chứa ít hơ n 8% Sn, tổ chức là dung dịch r ắn α, thườ ng chothêm các nguyên tố hợ p kim như P, Zn, Pb để nâng cao cơ tính, giảm ma sát và tăng tínhgia công cắt…Công dụng của loại brông thiếc này là làm bạc lót, bánh r ăng…

2. Brông thiếc đúc: là loại chứa nhiều hơ n 10% Sn, công dụng làm các phù điêu, tượ ng đài,hoạ tiết trang trí.

+ Brông nhôm: là hợ p kim của đồng vớ i nhôm là chủ yếu. Từ giản đồ của Cu-Al ta thấy đồng cóthể hoà tan tối đa là 10% nhôm. Tổ chức của nó chủ yếu là dung dịch r ắn thay thế của Al trongCu có độ dẻo khá bền. Khả năng chống ăn mòn cao trong khí quyển và nướ c biển công nghiệ pdo bề mặt có lớ p Al2O3.

- Brông nhôm một pha: vớ i 5-9% Al, đượ c sử dụng khá r ộng rãi để chế tạo bộ ngưng tụ hơ i, hệ thống trao đổi nhiệt…

- Brông hai pha: vớ i > 9,4% Al, vớ i sự xuất hiện của pha β ( hợ p chất điện tử là Cu3Al) chỉ

ổn định trên 565o

C.

6.3. Các hợ p kim ổ trượ t

6.3.1. Yêu cầu đố i vớ i hợ p kim làm ổ tr ượ t

Để làm ổ tr ượ t các hợ p kim phải thoả mãn các yêu cầu sau đây:

+ Có hệ số ma sát nhỏ vớ i bề mặt tr ục thép, đây là yêu cầu quan tr ọng nhất đối vớ i hợ p kim làmổ tr ượ t. Do vậy tổ chức của nó phải tạo ra diện tích tiế p xúc vớ i bề mặt tr ục là nhỏ nhất và phảicó khe hở để chứa dầu bôi tr ơ n. Hợ p kim đượ c chế tạo theo nguyên lý hạt cứng phân bố trên nền

mềm, đây là loại thông dụng nhất, ngoài ra có thể dùng nguyên lý nền cứng hạt mềm có hệ số masát lớ n hơ n. Trong quá trình làm việc phần mềm bị mòn đi và tạo thành rãnh chứa dầu bôi tr ơ n.

+ Ít làm mòn cổ tr ục thép, và chịu đượ c áp lực cao để bảo vệ tr ục thép khỏi mòn do nó đắt hơ n.Muốn vậy ổ tr ượ t phải đượ c làm bằng các hợ p kim mềm để không làm hại tr ục như Sn, Al,Cu…song lại phải đủ độ bền nhất định để chịu đượ c áp lực cao. Để nâng cao khả năng chịu áplực cao và tiết kiệm kim loại màu, các ổ tr ượ t thườ ng đượ c chế tạo bằng cách đúc tr ắng hay gắnép lên trên máng thép

+ Tính công nghệ tốt

+ Giá thành r ẻ

6.3.2. H ợ p kim ổ tr ượ t có nhi ệt độ chả y thấ pa. Babit thiếc

Hợ p kim ổ tr ượ t đầu tiên do Babbit ( ngườ i Anh) tìm ra có sự k ết hợ p tươ ng đối tốt giữa ma sát,cơ tính và tính chống ăn mòn song quá đắt do chứa nhiều Sn. Thườ ng dùng làm các ổ tr ượ t quantr ọng vớ i tốc độ lớ n và trung bình như trong động cơ diezen và tuabin. Thườ ng dùng hai mác là83% Sn-11%Sb-6%Cu và 88%Sn-8%Sb-3%Cu-1%Ni

b. Babit chì

Là hợ p kim trên cơ sở Pb vớ i 6-16% Sn, 6-16%Sb và 1% Cu vớ i tổ chức là cùng tinh Pb+Sb lànền mềm, các phần tử SnSb, Cu3Sn là hạt cứng.





6.3.3. H ợ p kim nhôm làm ổ tr ượ t

Hợ p kim nhôm là loại đáp ứng khá toàn diện các yêu cầu của hợ p kim ổ tr ượ t và hiện đã

đượ c dùng r ất r ộng rãi nhờ ma sát nhỏ, nhẹ, tính dẫn nhiệt cao, chống ăn mòn cao trong dầu, đặc biệt là cơ tính cao hơ n, tuy tính công nghệ hơ i kém.

Hợ p kim nhôm làm ổ tr ượ t phổ biến nhất là hệ Al-Sn, trong đó lượ ng Sn có thể biến đổi từ 3 đến 20%, chúng tạo nên các pha mềm ngay trong hạt dung dịch r ắn của Al, nhờ đó làm tăngtính chống ma sát. Vớ i lượ ng Sn nhiều hơ n 20% đượ c sử dụng để cán ép lên băng thép dẻo dùngtrong chế tạo bạc lót.

Các ổ tr ượ t bằng hợ p kim nhôm chịu đượ c áp lực cao, tốc độ vòng lớ n nên đượ c dùngnhiều trong động cơ điêzen.





Chương 7

Vật liệu polymeCác hợ p chất hữu cơ có khối lượ ng phân tử lớ n thườ ng đượ c gọi là những hợ p chất cao

phân tử hay polyme, đã đượ c tạo thành trong thiên nhiên ngay từ đầu tồn tại của trái đất. Ví dunhư xenlunozơ -thành phần chủ yếu của tế bào thực vật và protit-thành phần chủ yếu của tế bàosống-đều là những hợ p chất cao phân tử quan tr ọng trong đờ i sống con ngườ i.

Từ thờ i xưa ngườ i ta đã biết sử dụng các vật liệu polyme thiên nhiên như sợ i bông, tơ tằm,sợ i gai, sợ i len làm quần áo, giấy để viết.

Đến năm 1833 Gay Lussac tổng hợ p đượ c polyeste là polytactit khi đun nóng axit lactic,Braconnot điều chế đượ c trinitroxenlulozơ bằng phươ ng pháp chuyển hoá đồng dạng. Từ đó, polyme đã chuyển sang thờ i kì tổng hợ p bằng các phươ ng pháp thuần tuý hoá học, đi sâu nghiên

cứu cấu trúc polyme, nhất là những polyme thiên nhiên.Tr ải qua hơ n 130 năm, cho đến năm 1925, Staudinger đưa ra k ết luận về cấu trúc của phân

tử polyme, cho r ằng phân tử polyme có dạng sợ i và lần đầu tiên dùng danh từ “ cao phân tử”.Thuyết này tuy có một số nhượ c điểm nhưng vẫn đượ c dùng làm cơ sở cho đến ngày nay.

Sau khi thiết lậ p những nguyên tắc hình thành phân tử polyme, vật liệu polyme đã cónhững bướ c phát triển nhanh chóng. Đồng thờ i vớ i việc tìm ra những vật liệu polyme mớ i, các phươ ng pháp tổng hợ p vật liệu polyme cũng đượ c cải tiến r ất nhiều.

Ngày nay nền công nghiệ p sản xuất vật liệu polyme cũng có bướ c tiến lớ n trong việc cảitiến các phươ ng pháp gia công, như các phươ ng pháp đổ khuôn, phươ ng pháp gia công cơ học.v.v.

Quy mô sản xuất polyme hiện nay r ất lớ n, càng ngày càng đáp ứng đượ c yêu cầu của cácnghành k ỹ nghệ, phục vụ đờ i sống và k ỹ thuật hiện đại như k ỹ nghệ cao su, chất dẻo, tơ sợ i, thực phẩm, xây dựng, cơ khí, dượ c liệu, điện tử, tên lửa và du hành vũ tr ụ…

7.1. Khái niệm

7.1.1. Đị nh nghĩ a

Hợ p chất cao phân tử hay polyme là những hợ p chất chứa một số lớ n những đơ n vị đơ ngiản, gọi là mắt xích cơ bản hay là những đơ n vị cấu trúc cơ bản từ những chất đơ n giản ban đầugọi là monome.

Ví dụ

n CH2 CH2 n CH2 CH2 CH2 CH2

n

Danh từ polyme dùng cho những hợ p chất có khối lượ ng phân tử lớ n của mạch phân tử, bở i vì những phân tử có khối lượ ng phân tử lớ n, có cấu trúc phức tạ p không phải do lặ p đi lặ p lạinhững đơ n vị cấu tạo monome không đượ c gọi là polyme.





7.1.2. Phân loại polyme

Có r ất nhiều cách để phân loại polyme, tuy nhiên ngườ i ta thườ ng phân loại polyme theo

những căn cứ sau đây:+ Theo nguồn gốc hình thành có polyme thiên nhiên và polyme tổng hợ p

+ Theo thành phần hoá học của mạch chính phân tử polyme có

- Polyme mạch cacbon: mạch phân tử đượ c cấu tạo chỉ từ nguyên tố cacbon polyme nàythu đượ c từ olefin hay hydrocacbon no và dẫn xuất của chúng

- Polyme dị mạch: mạch chính đượ c cấu tạo từ cacbon và vài nguyên tố phổ biến như N,O, S, P..

CH2 CH2 On

polyetylenoxit

NH(CH2)6 NHCO(CH2)4CO

polyhexametylenadipamit

- Polyme mạch vô cơ : mạch chính bao gồm những nguyên tử không phải là cacbon. Nếu phân tử có mạch nhánh là các gốc mạch cacbon thì gọi là polyme cơ nguyên tố.

Si O

CH3

CH3 n

polydimetylsiloxan

P O

O

OH n

polyphotphat

+ Theo cấu trúc mạch phân tử:

- Polyme không có mạch nhánh hay còn gọi là polyme mạch thẳng

- Polyme mạch nhánh

- Polyme mạch không gian ba chiều.

-Theo thứ tự xắ p xế p của các mắt xích trong mạch mà ta có các loại mạch polyme điều hòa haykhông điều hòa. Ở đây ta quan tấm đến cấu tạo điều hòa không gian của polyme vì nó ảnh hưở ng

Hình 7.1.polyme mạch nhánh





đến một số tính chất của polyme. Tùy thuộc vào cách xắ p xế p và mức độ đối xứng có thể chia racác loại isotactic, syndiotactic và atactic

C

C

C

C

C

C

H H H

H H H

R R R

H H H

(a)

C

CC

CC

CH H

H R H

H H H

R

H

HR

(b)

C

CC

CC

CH H

H R

H

H

R

H H

HH

(c)

R

+ Theo tính chất cơ lý là chất dẻo hay chất đàn hồi, đây là cách phân loại phổ biến nhất hiện nay,theo cách này polyme đượ c phân chia thành những loại như sau:

- Nhựa nhiệt dẻo: là nhóm vật liệu quan tr ọng nhất trong các polymer tổng hợ p, bao gồm tất cả các hợ p chất cao phân tử có kích thướ c nhất định, mạch thẳng hay mạch nhánh. Nhựa nhiệt dẻocó thể chuyển từ tr ạng thái r ắn sang tr ạng thái dẻo bở i sự gia nhiệt và quá trình này là thuậnnghịch, có thể lậ p đi lặ p lại nhiều lần. Do đó nhựa nhiệt dẻo có thể tái sinh. Ví dụ các loại nhựanhiệt dẻo là polyetylen (PE), polyvinylclorua (PVC)…

- Cao su và chất đàn hồi: đó là những polyme mạch thẳng mà lực liên k ết thứ cấ p r ất yếu, để cóthể sử dụng đượ c phải tạo ra các cầu nối liên k ết ngang giữa các mạch đại phân tử để tạo thànhmạng lướ i không gian ba chiều. Đặc tr ưng của cao su là chúng có khả năng giãn dài cao đến1000%, tuy nhiên do có sự tạo thành liên k ết ngang nên chúng không có khả năng tái sinh đượ c.

- Nhựa nhiệt r ắn: là loại polymer mà giữa các mạch đại phân tử của chúng liên k ết vớ i nhau bằngnhững liên k ết ngang, mật độ liên k ết ngang này r ất dày đặc. Do có cấu trúc không gian ba chiềutính chất cơ học và đặc biệt là khả năng chịu nhiệt của nhựa nhiệt r ắn cao hơ n nhiều so vớ i nhựa

nhiệt dẻo. Nhựa nhiệt r ắn tạo thành cấu trúc không gian ba chiều vớ i khối lượ ng phân tử r ất lớ nnên chúng không có khả năng tái sinh đượ c. Một số loại nhựa nhiệt r ắn thông dụng là Polyestekhông no, epoxy, phenol fomandehit…

Hình 7.2. cấu tạo của polymeđiều hòa lậ p thể, isotactic (a),sydiontactic (b), atactic (c)





Hình 7.3. C ấ u trúc phân t ử của nhự a nhiệt d ẻo vô định hình a), nhự a nhiệt d ẻo bán tinh thể b),

cao su và chấ t đ àn hồi c), nhự a nhiệt r ắ n d)

7.2. Cấu trúc phân tử polyme và tính chất

7.2.1. C ấ u trúc phân t ử polyme

Cấu trúc chung của polyme gồm cấu trúc phân tử và cấu trúc ngoại vi phân tử, ngh ĩ a là sự sắ p đặt tươ ng hỗ giữa các phân tử thẳng trong chất polyme. Cấu trúc ngoại vi phân tử xuất hiệndo ảnh hưở ng của lực hút giữa các phân tử và chuyển động nhiệt của chính các phân tử. Dạngchuyển động nhiệt quan tr ọng nhất và đặc tr ưng nhất của các cao phân tử là sự quay các phần phân tử đối vớ i nhau.

Cấu trúc ngoại vi phân tử của polyme là cấu trúc đượ c tạo nên do sự xắ p sế p khác nhau

của các đại phân tử, cụ thể hơ n polyme đượ c đặc tr ưng bằng nhiều loại cấu trúc ngoại vi phân tử ở tr ạng thái tinh thể và khả năng ổn định trình tự xắ p sế p ngay từ trong tr ạng thái vô định hình.

Các cao phân tử trong polymer không đượ c sắ p xế p sít chặt, thướ c đo mật đô xế p chặtđượ c gọi là thể tích tự do. Tùy theo thể tích tự do mà polyme ở trong một các tr ạng thái vật lýsau: dạng thủy tinh, đàn hồi cao, chảy nhớ t. Nhiệt độ chuyển biến từ tr ạng thái này sang tr ạngthái kia đượ c đặc tr ưng bằng nhiệt độ hóa thủy tinh Ttt và nhiệt độ chảy nhớ t Tch.

Sự khác nhau giữa các tr ạng thái của polyme thể hiện rõ nhất khi biến dạng, ở tr ạng tháithủy tinh việc quay liên k ết trong các phân tử lớ n r ất khó khăn thì polyme là thể r ắn đàn hồi. Khiđặt

tải tr ọng, biến dạng đàn hồi không vượ t quá vài phần tr ăm và tr ở về không khi tháo tải. Khi biến

dạng sẽ có sự sai lệch góc hóa tr ị Ở tr ạng thái đàn hồi cao xuất hiện khi thể tích tự do khoảng 2,5%, tr ạng thái này polyme

như là một chất đàn hồi. Dướ i tác động của tải tr ọng các phần tử lớ n bị xoắn bây giờ đượ c nắnthẳng và kéo căng, biến dạng đạt tớ i 500-800%, khoảng cách các nguyên tử trong mạch đại phântử bị thay đổi không đáng k ể. Khi tháo tải tr ọng thì do chuyển động nhiệt trong thờ i gian vài phần mườ i giây sẽ hồi phục các đại phân tử về hình dạng cân bằng. Như vây biến dạng ở tr ạngthái đàn hồi cao là biến dạng thuận nghịch





Ở tr ạng thái chảy nhớ t, dướ i tác dụng của tải tr ọng các cao phân tử bị nắn thẳng va tr ượ tlên nhau, chảy nhớ t là quá trình không thuận nghịch tạo thành phần chủ yếu của biến dạng. Saukhi tháo tải tr ọng thì polyme ngừng chảy nhớ t và giữ nguyên tr ạng thái hiên có.

Như vậy cấu trúc phân tử polymer không bị thay đổi ở những tr ạng thái vật lý khác nhau (nếu không có sự đứt liên k ết đồng hóa tr ị ở những đại phân tử). Trong khi đó cấu trúc ngoại vi phân tử dễ dàng thay đổi.

7.2.1.1 Cấu dạng và độ mềm dẻo của mạch polyme

Polyme là những phân tử mạch r ất dài đượ c tạo ra từ nhiều mắt xích gọi là monome. Cácmắt xích tronh mạch có thể xắ p xế p đều đặn hay không đều đặn, có thể phân nhánh hay có cấutạo mạng lướ i và cấu tạo không gian bất k ỳ. Khi kéo một mẫu polyetylen và khảo sát cấu tạo phân tử của nó bằng quang phổ thì nhận thấy mạch phân tử có những kích thướ c sau:

Như vậy chiều dài của mạch lớ n hơ n r ất nhiều so vớ i chiều ngang. Mạch phân tử polymetuy dài nhưng không phải thẳng tắ p mà chúng mềm dẻo uốn khúc hoặc cuộn r ối. Sở d ĩ có hiệntượ ng này là do có sự quay nội tại phân tử do mạch quá dài, và độ mềm dẻo này của mạch donhiều yếu tố chi phối trong đó liên quan đến độ phân cực của mạch. Ta có thể dễ dàng hình dungra sự bất cân đối về chiều dài và chiều r ộng của phân tử polymer thông qua một ví dụ về sợ i chỉ

có đườ ng kính 1mm trong khi đó chiều dài hàng chục mét do đó nó r ất dễ dàng uốn cong và cuộnr ối.

Ta sẽ xem xét cụ thể hơ n nữa về sự quay nội tại của phân tử polyme. Để đơ n giản ta xétmột mạch polyme độc lậ p, các nguyên tử cacbon liên k ết vớ i nhau bằng liên k ết hóa tr ị. Các mắtxích của mạch luôn ở tr ạng thái chuyển động nhiệt, ngh ĩ a là một mắt xích có thể quay tươ ng đốivớ i mắt xích bên cạnh. Như thế ngh ĩ a là các mắt xích có thể chiếm các vị trí của mắt xích bêncạnh và mạch polyme có độ uốn dẻo cực đại. Trong mạch phân tử polyme các góc hóa tr ị là cácđại lượ ng hoàn toàn xác định, khi các mắt xích quay thì các góc hóa tr ị thay đổi không đáng k ể. Như vậy thực tế mạch polyme không có khả năng quay tự do, các mặt xích chỉ có khẳ năng daođộng tươ ng đối vớ i mắt xích bên cạnh, song nếu các mắt xích này ở xa nhau không chịu ảnhhưở ng lẫn nhau thì các mắt xích này có thể quay tự do. Nếu sự quay xung quanh một góc hóa tr ị là 36o thì nguyên tử thứ ba quay một góc 72o đối vớ i nguyên tử thứ nhất và đến sự quay củanguyên tử thứ 11 đã tr ở lại vị trí của nguyên tử thứ nhất.





Hình 7.4. mạch phân t ử polyme có độ uố n khúc cự c đại (a), góc hóa tr ị trong mạch là đại l ượ ng hoàn toàn

xác định (b), các mắ t xích ở xa nhau có thể quay t ự do t ươ ng đố i (c)

Vấn đề là trong quá trình quay của mắt xích này vớ i mắt xíchkhác trong mạch đại phân tử, lực nội phân tử sẽ làm thay đổi thế

năng của mạch polyme. Đối vớ i mỗi mạch phân tử sự khác nhau củathế năng có thể biểu diễn như là: U=f(φ), vị trí của một mắt xích cóthế năng U1 và một mắt xích khác có thế năng U2 thì năng lượ ngchuyển từ vị trí này đến vị trí khác là ΔU= U2 –U1 đặc tr ưng cho độ uốn dẻo của mạch polyme gọi là độ uốn dẻo nhiệt động học. Độ uốndẻo này biểu hiện khả năng chuyển hóa cấu dạng của polyme. Tuynhiên ngoài khả năng uốn khúc còn có vận tốc chuyển dịch từ vị trínày đến vị trí khác, vận tốc biến đổi hình thái sắ p xế p phụ thuộc vàoTỷ lệ năng lượ ng hoạt hóa Uo và thế năng tươ ng tác ngoài gọi là độ uốn dẻo động học. Giá tr ị Uo càng lớ n tốc độ quay càng chậm, độ uốn dẻo càng nhỏ. Hai giá tr ị độ uốn dẻo này có thể khôngtrùng nhau.

Độ mềm dẻo của mạch polyme phụ thuộc vào một số yếu tố sau:

+ Hàng rào thế năng quay Uo, hàng rào thế năng quay phụ thuộc vào cấu tạo của mạch polyme.Đối vớ i các loại polyme mach cacbon tươ ng tác nội phân tử không lớ n, năng lượ ng chuyển hóakhông lớ n giá tr ị Uo không lớ n nên mạch có độ uốn dẻo cao như polyetylen. Khi đưa vào mạchnhững nhóm thế phân cực lúc đó tăng tươ ng tác nội phân tử làm tăng Uo do đó làm giảm độ mềmdẻo của mạch

+ Khả năng quay không phụ thuộc vào chiều dài mạch polyme vì thế năng quay do tươ ng tác củacác mắt xích ở khoảng cách gần. Do đó khối lượ ng phân tử polyme không ảnh hưở ng đến nănglượ ng quay song làm tăng số cấu dạng

+ Tươ ng tác giữa các phân tử làm giảm độ linh động của các mắt xích thì các liên k ết ngang hóahọc lại càng làm giảm độ linh động của các mắt xích. Vì thế độ mềm dẻo của mạch polyme phụ thuộc vào mật độ liên k ết ngang

+ Kích thướ c của nhóm thế trên mạch ảnh hưở ng đến độ mềm dẻo của mạch vì nó làm khó khăncho sự quay của các mắt xích

+ Nhiệt độ không làm ảnh hưở ng nhiều đến thế năng quay nhưng ảnh hưở ng đến tốc độ quay củacác mắt xích. Ở tất cả các polyme khi tăng nhiệt độ, độ dẻo động học của mạch tăng lên.

Hình 7.5. sự phụ thuộc của U o vào





7.2.1.2. Cấu trúc ngoại vi phân tử của polyme

Yếu tố cấu trúc là toàn bộ phân tử polyme có khả năng sắ p xế p chồng chất lên nhau tạo

thành những cấu trúc lớ n hơ n gọi là cấu trúc ngoại vi phân tử. Về cơ bản có 4 loại cấu trúc ngoạivi phân tử sau:

+ Cấu trúc dạng hạt

+ Cấu trúc dạng tấm thườ ng đặc tr ưng cho các polyme ở tr ạng thái đàn hồi

+ Cấu trúc dạng sợ i thườ ng gặ p ở giai đoạn đầu của sự k ết tinh polyme

+ Cấu trúc tinh thể lớ n thườ ng gặ p ở giai đoạn sau của sự k ết tinh polyme

a.Cấu trúc hạt cầu

Hình thành do những phân tử polyme có mạch đủ uốn dẻo có khả năng cuộn thànhnhững hạt cầu. Sự phân bố polyme trong những hạt cầu đều lộn xộn và hầu như những polyme

nào có khả năng tạo hạt đều là những polyme vô định hình.

Polyme dạng hạt cầu không còn có những tính chất liên quan đến chiều dài mạch như độ uốn dẻo thấ p hơ n và thườ ng làm giảm độ bền cơ học. Nếu polyme có khối lượ ng phân tử đồngnhất như polyme thiên nhiên có thể tạo thành tinh thể do sự tổ hợ p đơ n giản các hạt cầu. Các tinhthể này cũng tuân theo qui tắc pha và các tính chất nhiệt động học như tinh thể thườ ng.

Các polyme tổng hợ p, do khối lượ ng phân tử khác nhau, các hạt cầu có kích cỡ khác nhaunên không tạo thành tinh thể

b. Cấu trúc bó

Cấu trúc bó là cấu trúc thẳng, có tính sắ p xế p tr ật tự cao hơ n. Cấu trúc bó không phải chỉ là

sự sắ p xế p song song vài phân tử polymer mà bó bao gồm nhiều dãy mạch phân tử, trong đó các phân tử sắ p xế p liên tục vớ i nhau và các đầu mạch ở các vị trí khác nhau trong mạch.

Khả năng của polyme có khả năng tổ hợ p thành bó phụ thuộc vào độ uốn dẻo, độ lớ n tươ ngtác giữa các phân tử và một vài yếu tố khác. Nếu bó không có tính điều hòa nghiêm ngặt thi docó ứng suất nội bên trong nên có thể nhận dạng uốn cong hay đa giác và như vậy không thể thamgia vào quá trình k ết tinh đượ c.

Cấu trúc dạng bó khi tham gia vào quá trình k ết tinh có giớ i hạn phân chia và đượ c đặctr ưng bằng sức căng bề mặt trong đó ứng suất nội nhỏ hơ n nhiều, khi đó nó tr ở thành pha mớ i, pha tinh thể. Tuy ứng suất nội nhỏ hơ n nhưng xuất hiện năng lượ ng bề mặt dư vì thế các bó sẽ đượ c xế p gấ p lại dướ i góc 180oC để thành dải có bề mặt nhỏ hơ n, để giảm ứng suất bề mặt nữacác dải sẽ xế p thành tấm bằng cách ghép các bề mặt phẳng của dải lại vớ i nhau

Hình 7.6. S ơ đồ t ạo thành





7.2.2. S ự k ế t tinh của polyme

Polyme tinh thể có một số đặc điểm sau:• Vật liệu Polymer có thể tồn tại ở dạng tinh thể nhưng nút mạng là các phân tử.• Kích thướ c phân tử lớ n và phức tạ p nên Polymer chỉ k ết tinh một phần (0-95%)• Khối lượ ng riêng của Polymer tinh thể lớ n hơ n so vớ i vô định hình.

Các yế u t ố ảnh hưở ng đế n độ k ế t tinh của polyme

Lự c giữ a các phân t ử và các loại Polymer+ Lực giữa các phân tử nhỏ, năng lượ ng cố k ết thấ p và mạch mềm dẻo thì Polymer có các

đặc tính của elastomer+ Khi năng lượ ng cố k ết cao hơ n phụ thuộc vào nhóm biên làm cho mạch cứng và có

những tính chất của nhựa.+ Khi năng lượ ng cô k ết vẫn cao hơ n, vật liệu có khả năng chịu ứng suất cao hơ n, độ bền

cao và có tính chất của sợ i, đặc biệt khi phân tử đối xứng thì thuận lợ i cho quá trình k ết tinh. Ả nh hưở ng của cấ u trúc đề u đặn

+ Cấu trúc đều đặn làm tăng khuynh hướ ng k ết tinh.+ Nhóm thế trong monomer vinyl (CH2-CHX) có thể tạo ra polymer có cấu hình khác biệt

nhau đó là 2 cấu trúc lậ p thể đều đặn (isotactic và syndiotactic) và một cấu trúc ngẫu nhiênatactic. Polymer vớ i cấu trúc lậ p thể đều đặn sẽ có độ cứng cao hơ n, điểm chảy cao hơ n và ít tanhơ n trong dung môi so vớ i dạng atacic.

+Copolymer chứa có cấu trúc đều đặn (như ABABAB hoặc kiểu khối) cho thấy khuynhhướ ng k ết tinh còn ngượ c lại polymer phân bố ngẫu nhiên thể hiện bản chất vô định hình, độ cứng thấ p, điểm chảy thấ p và tinh tan cao.

Ả nh hưở ng của hiệu ứ ng không gian+ Ảnh hưở ng của nhóm thế vào tính chất của polymer phụ thuộc vào vị trí, kích thướ c,

hình dạng và sự tươ ng tác lẫn nhau giữa các nhóm này. Nhóm Methyl hoặc phenyl làm cho độ linh động của mạch thấ p nhưng ngăn chặn tốt sự xế p chặt của mạch. Những nhóm chức này tạora các đơ n vị lưỡ ng cực và nó góp phần vào sự k ết tinh.

+ Mách nhánh và liên k ết mạng trong sợ i là k ết quả không mong muốn trong quá trình phávỡ thể k ết tinh nhưng một lượ ng nhỏ liên k ết mạng có thể làm gia tăng một vài tính chất vật lýsau khi vật liệu đượ c gia công và kéo thẳng.

Ả nh hưở ng của độ mề m d ẻo mạch Polymer+ Khuynh hướ ng k ết tinh trong một vài polymer gia tăng khi tính mềm dẻo gia tăng.

Polymer chứa các nối đơ n C-C, C-N, và C-O cho phép thay đổi nhanh hình dạng cấu tạo và điều

Hình 7.7. C ấ u trúc ngoại vi phân t ử d ạng bó (a), d ải (b) và t ấ m (c)





này góp phần tạo nên tính mềm dẻo trong mạch Polymer và hình thành các tinh thể. (PE, PP,PVC)

+ Độ cứng của mạch cũng làm tăng dạng k ết tinh bở i sự giớ i hạn một cách chắc chắn tr ậttự sắ p xế p tốt trong mạch Polymer. Do đó Poly-p-phenylene là mạch thẳng không thể gấ p ở nhiệtđộ cao.

7.2.3. Tính chấ t cơ học của polyme

Tính bền của vật liệu polyme chính là sức bền của vật liệu này đối vớ i sự phá huỷ vật liệu.Tính bền vật liệu thườ ng đượ c xác định bằng độ lớ n năng lượ ng của liên k ết giữa các nguyên tố của vật thể, song trên thực tế tính bền của vật liệu bao giờ cũng nhỏ hơ n tính bền năng lượ ng liênk ết giữa các nguyên tử hay ion, bở i vì cấu trúc tinh thể thực của vật liệu không bao giờ đượ c đềuđặn như tinh thể lý tưở ng, mà bao giờ cũng có những khuyết tật hay vết nứt r ạn, là những chỗ dễ bị phá huỷ nhất.

Độ bền cơ học thườ ng đặc tr ưng bằng ứng suất gây ra sự phá huỷ của vật thể.Ở tr ạng thái bình thườ ng, các tiểu phân polyme ở tr ạng thái cân bằng ở khoảng cách r o đối

vớ i nhau, các lực hút và đẩy cân bằng vớ i nhau và vật thể có giá tr ị thế năng cực tiểu. Khi có tácdụng của lực bên ngoài, thế năng U tăng và phụ thuộc vào khoảng cách r theo phươ ng trình bánđịnh lượ ng của Morse:

2 .( ) ( ). 2 .o ob r r b r r U D e D e− − − −= −

Trong đó : D là năng lượ ng phân ly của liên k ết, b là hằng số đối vớ i liên k ết đã cho.

Khi đặt một ứng suất kéo hình thành một lực chống lại lực đó, ta có phươ ng trình vi phân của Utheo r:

2 ( ) ( )2 . 2 .o ob r r b r r dU bD e bD edr

σ − − − −= = − +

Trong giớ i hạn r o-r max, cân bằng giữa lực hút và đẩy vẫn đượ c bảo toàn, có khuynh hướ ng đưavật thể tr ở lại tr ạng thái ban đầu. Sự tăng ứng suất kéo đến khi r vượ t quá giá tr ị cực đại r max gâyra sự phá huỷ vật thể và giá tr ị σ giảm nhanh khi tăng r. Như vậy về bản chất ứng suất σmax làứng suất tớ i hạn, cao hơ n nó thì cân bằng bị phá huỷ, vật thể bị phá huỷ, ngh ĩ a là σmax là giá tr ị lýthuyết của độ bền cơ học

Độ bền của polyme không những phụ thuộc vào ứng suất tác dụng, vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào thờ i gian đặt lực. Thờ i gian bắt đầu tác dụng lực cho đến khi phân huỷ gọi là tuổithọ của vật liệu. Sự phụ thuộc của độ bền vào thờ i gian ở một tr ọng lực t ĩ nh gọi là độ mỏi t ĩ nh

của vật liệu, ở một tr ọng lực động gọi là độ mỏi động của vật liệu

Tuổi thọ của vật liệu polyme tuân theo phươ ng trình chung:

. A e ασ τ −=

τ là tuổi thọ, σ là ứng suất, A và α là hằng số phụ thuộc vào bản chất vật liệu.

Khi dẽo dãn mẫu polyme tuổi thọ của polyme phụ thuộc vào ứng suất và nhiệt độ tuân theo phươ ng trình:

U

kT oe

γσ

τ τ −

=





vớ i Uo là năng lượ ng hoạt hoá cần phải khắc phục để phân cắt đượ c liên k ết, ngh ĩ a là năng lượ nghoạt hoá phân huỷ polyme khi không có lực, γ là hệ số xác định tính bền của vật thể r ắn, τo làhằng số thườ ng bằng 10-12-10-13. đối vớ i tất cả các vật thể.

Tuổi thọ của polyme là quá trình không thuận nghịch, ngh ĩ a là không phụ thuộc vào cáchđặt lực tác dụng lên mẫu, khi có tác dụng của lực sẽ tạo thành những vết nứt r ạn vi mô. Nhữngvết nứt r ạn bắt đầu từ những chỗ có ứng suất cao. Do có những r ạn nứt nên làm xấu nhiều tínhchất quang học, làm đục bề mặt mà thườ ng gọi là sự bạc hoá bề mặt polyme.

a.C ơ chế phá hu ỷ ( thuyế t dao động trung bình ổ n của độ bền):

Thông thườ ng để tính toán độ bền các vật thể r ắn ngườ i ta thườ ng tính các lực liên k ếtcủa các phần tử trong vật thể ( nguyên tử, ion v.v..). Tuy nhiên độ bền tính toán đượ c gọi là độ bền lý thuyết thườ ng lớ n hơ n độ bền đo đượ c ( gọi là độ bền k ỹ thuật khoảng hai bậc)

Để giải thích sự khác biệt này, Griffith đề ra giả thiết về sự tồn tại của các vết nứt (khuyết tật ) trong vật thể, đặc biệt là trên bề mặt. Theo Griffith ứng suất tậ p trung trên vết nứtvượ t xa ứng suất trung bình trên mẫu và mẫu sẽ bị phá huỷ khi ứng suất tậ p trung trên vết nứtvượ t quá giá tr ị tớ i hạn. Giả thiết này đượ c chứng minh bở i thí nghiệm của Iôphê và cộng sự: khikéo mẫu tinh thể muối ăn đồng thờ i hoà tan bề mặt mẫu bằng nướ c nóng ( nhằm xoá bỏ các vếtnứt trên bề mặt) thì độ bền của mẫu tăng vọt từ 4 lên đến 1500 Mpa

Tuy nhiên thuyết Griffith không tính tớ i yếu tố thờ i gian do đó khái niệm ứng suất pháhuỷ tớ i hạn tr ở nên không xác định: mẫu có thể bị phá huỷ ở những giá tr ị ứng suất khác nhaunếu thờ i gian tác động của tải tr ọng là khác nhau.

Việc nghiên cứu một cách có hệ thống độ bền lâu của các vật liệu khác nhau cả về tính

chất lẫn cấu trúc đã cho phép phảt triển lý thuyết dao động nhiệt không bình ổn để giải thích đặctr ưng động học của sự phá huỷ và độ bền. Theo nhà bác học Zhurkov cho r ằng chính năng lượ ngnhiệt mà cụ thể là sự dao động của nó đóng vai trò chủ yếu trong quá trình phá huỷ. Tại những vị trí trong vật thể mà năng lượ ng dao động nhiệt vượ t quá năng lượ ng liên k ết thì liên k ết sẽ đứt.Ứ ng suất bên ngoài sẽ tạo điều kiện để tích luỹ các dao động nhiệt theo một hướ ng và giảm nănglượ ng hoạt hoá của sự phá huỷ.

Tính chất cơ học đặc biệt của polyme (độ bền cao k ết hợ p vớ i biến dạng lớ n) là do sự tồntại của hai dạng liên k ết bên trong vật liệu: liên k ết hoá học có năng lượ ng cao và liên k ết giữacác phân tử vớ i năng lượ ng thấ p và độ dài lớ n hơ n. Khi chịu tải các liên k ết hoá học trong polyme sẽ bị căng và các liên k ết căng nhất sẽ bị đứt dướ i tác động của dao động nhiệt.

Như vậy quá trình tạo thành các vết nứt và phá huỷ polyme có thể giải thích như sau:dướ i tác dụng của ứng suất bên ngoài, các liên k ết hoá học trong polyme bị căng lên. Các daođộng nhiệt không ổn định làm tăng đột ngột năng lượ ng và làm đứt liên k ết hoá học. Nhiệt độ càng cao thì xác suất đứt liên k ết càng lớ n.

Số lượ ng các liên k ết quá tải không nhiều nhưng có vai trò quyết định trong quá trình pháhuỷ. Trong polyme tinh thể, chúng xuất hiện ở các phần vô định hình, trên các phân tử nốí giữacác vùng tinh thể. Chính ở vùng này, nơ i chủ yếu là các phân tử bị đứt sẽ xuất hiện các vết nứtmầm ( vết nứt siêu vi mô) kích thướ c khoảng 10-104 Ao. Các vết nứt này có dạng đĩ a nằm vuônggóc vớ i hướ ng của tải tr ọng. Chúng chỉ xuất hiện khi có tải tr ọng và không mất đi khi tháo tải.





Những vết nứt mầm có thể hoà nhậ p vớ i nhau tạo thành vết nứt vi mô nhìn thấy đượ c trên bề mặtvật thể qua kính hiển vi quang học.

Vết nứt mầm và vết nứt vi mô không xuất hiện tức thờ i khi tải tr ọng đặt lên mẫu mà chỉ xuất hiện sau một khoảng thờ i gian nào đó. Sau đó các vết nứt này lớ n dần lên, đồng thờ i trongmẫu xuất hiện các vết nứt mớ i vì thế kích thướ c các vết nứt r ất khác nhau. Tốc độ xuất hiện vếtnứt (là số vết nứt xuất hiện trên 1cm2 bề mặt trong một đơ n vị thờ i gian) và tốc độ phát triển vếtnứt ( là sự tăng độ dài vết nứt phát triển qua kính hiển vi trong một giây) phụ thuộc vào nhiệt độ và ứng suất. Nhiệt độ càng cao và ứng suất càng lớ n thì cả hai tốc độ trên càng tăng. Sau khi đạttớ i một giớ i hạn nào đó số lượ ng vết nứt sẽ không tăng nữa nhưng kích thướ c của chúng vẫn tiế ptục tăng. K ết quả là trong mẫu xuất hiện những vết nứt lớ n nhất gọi là vết nứt tr ục. Tốc độ pháttriển vết nứt này lớ n hơ n ứng suất trung bình của mẫu r ất nhiều. Do đó vết nứt nhanh chóng pháttriển xuyên qua toàn bộ thiết diện và mẫu bị phá huỷ.

b.Nhữ ng nhân t ố ảnh hưở ng đế n độ bền cơ học:

Dướ i tác dụng của lực cơ học, tính bền cơ học của polyme phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúchoá học của mạch polyme, sự phân bố tươ ng hỗ của các mạch, sự hiện diện của các chất khácnhư chất độn, môi tr ườ ng trong sản xuất vật liệu.

Tính bền cơ học phụ thuộc vào cấu trúc hoá học, trong đó tính bền của các liên k ết hoá họccủa các nguyên tố và tươ ng tác giữa các phân tử. Chẳng hạn, những polyme có những nhóm phân cực mạnh, tươ ng tác giữa các mạch polyme lớ n thì có tính bền cơ học cao hơ n, những polyme có định hướ ng song song các mạch phân tử thì tính bền cơ học cũng cao hơ n.

Cấu trúc hoá học của mạch polyme tạo nên một tổ hợ p tính chất cơ học, song điều chế một polyme có tính bền cơ học cao không phải chỉ bằng phươ ng pháp tổng hợ p polyme, bằng sự thayđổi cấu trúc hoá học mớ i mà sự thay đổi cấu trúc hoá học thườ ng đượ c thực hiện trong quá trìnhgia công vật liệu. Chẳng hạn trong sản xuất cao sư, tính bền cơ học không chỉ phụ thuộc vào tính phân cực khác nhau của polyme mà còn phụ thuộc vào sự k ết tinh, cao su k ết tinh có tính bềncao hơ n so vớ i cao su không k ết tinh. Chẳng hạn trong quá trình sản xuất cao su, tính bền cơ họckhông chỉ phụ thuộc vào tính phân cực khác nhau của polyme mà còn phụ thuộc vào sự k ết tinh,cao su k ết tinh có tính bền cao hơ n so vớ i cao su không k ết tinh.

Tính bền cơ học cũng chịu ảnh hưở ng của chất độn ( dạng bột hay sợ i). Chất độn làm tăngtính bền cơ học của polyme gọi là chất độn hoạt hoá, ngượ c lại là chất độn không hoạt hoá.Thườ ng dùng các chất độn hoạt hóa trong sản xuất cao su như bồ hóng, silicagel, làm tăng tính bền của cao su ở tr ạng thái đàn hồi cao.

Tính bền của một tổ hợ p polyme và chất độn gây nên bở i một lực k ết dính giữa các phân

tử polyme ( cohension) và lực bám dính giữa chất độn và polyme (adhesion). Ở những chỗ cóchất độn, tạo nên những nút giữa các mạch vớ i nhau và tăng thêm sự tham gia của các lực hoá tr ị trong quá trình phân huỷ mẫu.

7.3. Một số phươ ng pháp gia công polyme

7.3.1. Công nghệ cán

Quá trình cán là một trong những phươ ng pháp sản xuất đượ c sử dụng trong công nghiệ pgia công vật liệu polyme. Trong công nghệ này vật liệu polyme ( nhựa nhiệt dẻo) đuợ c chế tạothành tấm hoặc màng sau khi đi qua khe cán giữa các tr ục cán





Phươ ng pháp cán thườ ng dùng để chế tạo màng PVC, màng mỏng này đượ c sử dụng để đóng gói công nghiệ p lươ ng thực thực phẩm, trong ngành xây dựng và sản xuất đồ chơ i.

Việc sản xuất màng PVC bằng máy cán thườ ng đượ c thực hiện theo hai công đoạn.+ Công đoạn dẻo hóa

+ Công đoạn tạo màng

Cụm đầu tiên của dây chuyền cán là cụm định lượ ng, ở đây vật liệu đượ c cung cấ p mộtlượ ng chất phụ gia thích hợ p, sau đó hỗn hợ p nguyên liệu này đượ c tr ộn vớ i nhau và đượ c dẻohóa bằng máy tr ộn tr ục vít. Sau khi vật liệu đượ c dẻo hóa đượ c đưa vào khe của tr ục cán sẽ dínhlên tr ục cán có tốc độ dài lớ n hơ n hoặc nóng hơ n và cứ như thế nó đượ c đưa vào khe tr ục tiế ptheo. Tốc độ dài của tr ục theo phươ ng kéo ngày càng lớ n. Điều r ất quan tr ọng là phải làm saodọc theo chiều dài tr ục cán nhiệt độ phải ổn định, đồng đều vì nếu có sự chênh lệch nhiệt độ sẽ xuất hiện sự thay đổi đườ ng kính tr ục cán, dẫn đến bề dày của màng mỏng không đều. Màng

mỏng sau đó đượ c dẫn qua nhiều tr ục làm nguội đến nhiệt độ thườ ng và đượ c cuộn lại vớ i tốc độ không đổi.

Trong công nghiệ p ngườ i ta thườ ng sử dụng nhất là các máy cán có 4 hoặc 5 tr ục xế p theodạng chữ I, L, F, Z.

7.3.2. Công nghệ đ ùn

Đây là phươ ng pháp gia công vật liệu polyme đượ c sử dụng r ất phổ biến, máy đùn thựcchất là một thành viên trong dây chuyền sản xuất. Một dây chuyền sản xuất hoàn chỉnh bao gồmcác thiết bị như: thiết bị tạo hình, bộ phận chỉnh hình, bộ phận kéo sản phẩm, bộ phận thu sản phẩm hoặc cắt sản phẩm thành từng đoạn nhất định.

Quá trình công nghệ đùn như sau: Tr ục vít quay ở trong xylanh tr ục tròn đượ c nungnóng, khối chất dẻo đã đượ c định lượ ng nằm trong khe rãnh giữa tr ục vít và xylanh sẽ đượ c làmnóng chảy, làm nhuyễn, đượ c tr ục vít vận chuyển lên phía tr ướ c và qua khe hở định hình của đầuđùn nó đượ c đẩy ra ngoài thành sản phẩm.

Cấu trúc của một máy đùn khá phức tạ p, tuy nhiên về cơ bản nó bao gồm những bộ phậnchủ yếu sau:

+ Động cơ

+ Hộ p giảm tốc

+ Tr ục vít và xylanh

Hình 7.8 dây chuyềncán1. là máy đẩy vật liệunền2. là tr ục gia nhiệt sơ

bộ 3. là tr ục ép sát

4. tr ục làm nguội5. cuộn ngượ c tấm6. bộ phận kéo7. sản phẩm đượ c





+ Bộ phận cung cấ p liệu

+ Các đầu định hình ( tùy thuộc vào yêu cầu của sản phẩm)

Phươ ng pháp đùn thườ ng đượ c sử dụng để sản xuất các sản phẩm dạng ống, tấm địnhhình, phươ ng pháp này chỉ áp dụng cho những chất dẻo khi nóng chảy cần phải có độ cứng nhấtđịnh, điều này là cần thiết vì khi ra khỏi đầu định hình phải giữ đượ c hình dạng tạo ra nó.

7.3.3.Công nghệ đ úc áp l ự c (hay còn g ọi là đ úc phun)

Vật liệu sử dụng trong công nghệ đúc dướ i áp lực thườ ng ở dạng hạt. Vớ i phươ ng pháp

đúc áp lực có thể gia công các chất dẻo nhiệt dẻo cũng như nhiệt cứng.Quá trình đúc áp lực gồm 3 công đoạn chính:

+ Công đoạn dẻo hóa và chuyển hóa vật liệu sang tr ạng thái nóng chảy

+ Công đoạn điền đầy khuôn và làm nguội sản phẩm

+ Lấy sản phẩm ra khỏi khuôn

Những bộ phận chính của máy ép khuôn

1. Phễu nạ p liệu 2. Xylanh nguyên liệu 3. Tr ục vít

4. Đầu phun 5. Bộ phận truyền động 6. Khuôn

Hình 7.9. sơ đồ máyđ ùn một tr ục vít, 1.hộ p giảm t ố c, 2. phễ unạ p liệu, 3. đầu đ ùn, 4.tr ục vít, 5. rãnh vít, 6.băng gia nhiệt

Hình 7.10 sơ đồ máy đ úc phun





Quá trình đúc áp lực như sau: Đầu tiên vật liệu đượ c định lượ ng ở thiết bị đặt trên xylanhcủa máy. Vật liệu sau đó đi vào rãnh của tr ục vít nằm trong xylanh. Do chuyển động quay củatr ục vít, vật liệu đượ c vận chuyển lên phía tr ướ c về phía vòi phun, trong suốt quá trình đó vậtliệu tiế p nhận nhiệt từ thành xilanh do các phần tử nung nóng cung cấ p. Quá trình nung nóngcũng xảy ra tươ ng tự như trong máy đùn, song tr ục vít ở đây không làm nhiệm vụ ép đẩy vật liệuđượ c nóng chảy về phía vòi phun mà nhờ áp lực đẩy đượ c hình thành trong quá trình quay làmcho nó bị kéo lùi về phía sau, như vậy lượ ng vật liệu cần thiết để điền đầy vào khuôn đượ c tậ pk ết ở khoảng tr ống phía tr ướ c tr ục vít. Trong quá trình điền đầy khuôn tr ục vít thực hiện chuyểndịch dọc tr ục về phía tr ướ c và đẩy khối vật liệu nóng chảy qua vòi phun vào khuôn. Vật liệutrong khuôn đượ c làm nguội và có hình dáng theo khuôn, sau đó khuôn tách ra và sản phẩmđượ c lấy ra.

7.3.4. Công nghệ thổ i vật r ỗ ng

Công nghệ thổi vật r ỗng có thể hiểu khái quát như sau: Đầu tiên ngươ i ta tạo hình đoạn ốngchất dẻo nhiệt dẻo đượ c đùn ra bằng khí nén áp lực cao từ phía trong nó thành sản phẩm cầnthiết. Khâu thổi sản phẩm tiến hành trong khuôn r ỗng hai nửa sao cho đoạn ống chất dẻo đượ cđùn ra ở tr ạng thái dẻo nóng sẽ tiế p nhận biên dạng của khoang r ỗng trong khuôn mẫu, sau đóđượ c làm nguội

Vớ i phươ ng pháp này quá trình sản xuất đượ c chia ra làm nhiều bướ c: bướ c đùn ống tạothành phôi và bướ c tạo hình sản phẩmDây chuyền thổi vật r ỗng gồm những thiết bị chính sau:+ Máy đùn và đầu đùn để đùn phôi liệu+ Cụm thổi sản phẩm+ Khuôn thổi và cơ cấu k ẹ p khuôn+ Các thiết bị phụ tr ợ

Quá trình thổi vật r ỗng như sau: Các chai, bình thùng chứa hoặc các sản phẩm tươ ng tự khitạo kích cỡ cần thiết phải có nút cho hình dáng của miệng cổ vật thể. Thông qua nút ngườ i ta dẫnkhí vào thổi, không khí có trong khoang r ỗng của khuôn đượ c dẫn ra. Nút tạo thành hình cổ vậtthể có thể đưa vào tr ướ c khi đóng khuôn đối vớ i vật thể có kích thướ c lớ n, sau khi đóng khuônđối vớ i loại kích thướ c nhỏ. Một số sản phẩm không cần cổ miệng có thể dùng kim để dẫn khí.Kim này đượ c chọc vào ống ở một vị trí nhất định trên khuôn và sau khi đóng khuôn lại. Tùythuộc vào sự sử dụng của sản phẩm vị trí chọc kim có thể hàn lại.

Hình 7.11 S ơ đồ qui trình côngnghệ thổ i vật r ỗ ng, 1. Đư a phôivào khuôn, 2. Đóng khuôn, 3.thổ i khí vào khuôn, 4. tháokhuôn l ấ sản hẩ m





7.4. Các loại vật liệu polyme chính và công dụng

7.4.1. Các loại nhự a nhi ệt d ẻ o thông d ụng

+ Polyetylen

( CH2 – CH2 )n

Phụ thuộc vào điều kiện tổng hợ p có ba loại polyetylen:

- Polyetylen áp suất cao thu đượ c ở áp suất đến 1500 atm và nhiệt độ 180oC, kích thíchtrùng hợ p bằng oxi.

- Polyetylen áp suất trung bình đượ c trùng hợ p trong môi tr ườ ng pha loãng ở 35-40atm và125-150oC vớ i xúc tác oxit crôm trên chất mang oxit nhôm và oxti silic

- Polyetylen áp suát thấ p thấ p trùng hợ p trong dung môi hữu cơ ở áp suất không vượ t quá

5 atm và nhiệt độ thấ p hơ n 60o

C, xúc tác phức của Siegler-Natta.Tính chất của các loại polyetylen cho bở bảng sau:

Loại nhự a

LDPE

MDPE HDPE Mạch nhánh Mạch thẳng

Tỷ tr ọng (g/cm3)

Nhiệt độ nóng chảy oC

0.920

107-115

0.918-0.935

122-124

0.926-0.941

120-130

0.941-0.965

130-137

Tính chấ t cơ : Độ bền kéo (N/mm2)

Độ bền uốn (N/mm2)

Mođun kéo N/mm2

Mođun uốn(N/mm2)

Độ bền va đậ p IZOD( J/m2)

Độ cứng

4-6

70-280

-

280

-

D40-50

13-28

280-560

-

420

53-106

22-32

140-420

35-49

700

27-800

D50-60

22-27

1200

420-1300

-

1000

27-1060

D60-70

Tính chấ t nhiệt

Độ giãn nở nhiệt

Hệ số dẫn nhiệt (W/mK)

2.5

0.30

- 2.2

0.36

2.0

0.48





Ứ ng dụng: Polyetylen là vật liệu dạng sáp, sản xuất trong k ỹ nghệ ở dạng khối hay hạy màngvà hạt, đượ c gia công chủ yếu bằng phươ ng pháp ép lá hay thổi dướ i áp suất, chủ yếu dùngđể sản xuất các ống bền vớ i ăn mòn, bọc cách điện dây dẫn, màng bao bì, các dạng chai bìnhkhác nhau, sản xuất các dây dẫn trong vô tuyến điện, bưu điện nhờ tính chất cách điện tốt.

+ Polypropylen

Polypropylen cũng đượ c trùng hợ p theo phươ ng pháp giống như trùng hợ p etylen, song phươ ng pháp trùng hợ p ưu việt nhất là trùng hợ p điều hoá lậ p thể khi có xúc tác Siegler-Nattanhư Al(C2H5)3 hoặc Al(iso-C4H9)3 và TiCl3.

Polypropylen nhẹ hơ n tất cả các polyme k ết tinh đã biết, có độ bền cao, cứng và r ắn. Nhờ có cấu trúc tinh thể, polypropylen giữ đượ c hình dạng và tính bền cơ học tốt cho đến nhiệt độ mềm hoá nên có thể chịu đượ c quá trình khử trùng.

Polypropylen có tính cách điện cao như polyetylen nhưng tính bền hoá học tốt hơ n.Polypropylen đượ c dùng làm các bình đựng chất lỏng nóng, màng trong suốt, chai lọ đựng hoáchất.

+ PP đượ c sử dụng nhiều trong l ĩ nh vực kéo sợ i. Độ bền kéo của nó có thể tăng 15 lần khi đuợ ckéo căng định hướ ng.

+ Màng PP định hướ ng đượ c sử dụng nhiều trong các l ĩ nh vực bao bì, băng keo.

+ Các tấm PP sử dụng trong các sản phẩm nhiệt định hình.

+ PP sử dụng trong các sản phẩm ép phun, đùn bọc cáp cách điện.

PP còn đượ c gia cườ ng các loại khoáng hoặc sợ i thủy tinh

+ Polystyren

Polystyren trùng hợ p bằng chất kích thích trong khối, nhũ tươ ng hay huyền phù trong khíquyển nitơ hay khí cacbonic.

Polystyren là chất r ắn dạng thuỷ tinh không màu, thấu quang đến 90% ánh sáng vùng khả kiến, tỷ khối 1,05 ở 80-150oC là vật liệu giống cao su, phân tích ở 250-300oC thành styren vàmột số chất khác.

Polystyren bền vớ i nướ c, axit và bazơ , tan trong hydrocacbon thơ m và este, không tantrong xăng và r ượ u. Nhờ có moment lưỡ ng cực thấ p, polystyren có độ thẩm điện môi nhỏ nêndùng trong k ỹ thuật tần số cao.

+ Polystyren: là polyme vô định hình, dòn và cứng, có nhiệt độ chảy mềm ở khoảng 90oC. Để tăng cườ ng khả năng chịu va đậ p của loại nhựa này ngườ i ta thườ ng k ết hợ p nó vớ i cao su ( chủ yếu là cao su butadien). Nhựa PS không biến tính đượ c ứng dụng r ộng rãi nhất để làm bao bì vàlàm vật liệu cách điện. PS chịu va đậ p cao đượ c ứng dụng làm các tách café và đồ dùng gia đình.+ Styren-acrylonitryl: Loại nhựa này có khả năng chống chịu va đậ p và nhiệt độ r ất tốt vì thế đượ c ứng dụng để làm đồ dùng gia đình và các thiết bị dụng cụ điện.+ Acrylonitryl-butadien-styren: Đôi khi ngườ i ta gọi loại nhựa này là polyme ghép của ba loại polyme. ABS có khả năng chịu va đậ p vô cùng tốt và nhiệt độ chảy mềm tươ ng đối cao khoảng110oC. Loại chất dẻo này úng dụng r ất r ộng rãi trong công nghiệ p ôtô, sản xuất đồ chơ i, thiết bị viễn thông và đồ dùng gia đình.7.4.4. Polymetylmetacrylat





Tên thươ ng mại của loại nhựa này là pespec và pexiglas, nó là một polyme vô định hình,tươ ng đối cứng và trong suốt. Nhiệt độ chảy mềm của nó là 110oC. Hầu hết các ứng dụng củaloại chất dẻo này đều dựa trên tính chất quang học của nó làm đồ trang trí, làm đèn giao thông,vỏ bọc đèn đườ ng…+ Polyamit

Loại chất dẻo này đượ c biết đến vớ i tên gọi là “nylon”, nó là sự tậ p hợ p của các loại polyme khác nhau trong cấu trúc mạch do đó tuỳ theo sự liên tục của số nguyên tử cacbon trongmạch chính ngườ i ta đã tạo ra các loại polyamit khác nhau: PA-6, PA-6,6, PA-11, PA-4,6…Polyamit là một polyme tinh thể vớ i nhiệt độ chảy mềm tươ ng đối cao giữa 200 và 300oC.Chúng có khả năng chịu va đậ p tốt do chúng hấ p thụ nướ c từ khí quyển. Hơ n nữa khả năng chịumài mòn tốt cùng vớ i hệ số ma sát thấ p làm cho chúng có r ất nhiều ứng dụng trong k ỹ thuật vídụ như trong ổ tr ục và bánh r ăng. Thông thườ ng polyamit đượ c gia cườ ng bằng sợ i thuỷ tinhngắn để cải thiện độ cứng của chúng.+ Polyoximetylen(POM )

Đây là một polyme tinh thể, nhiệt độ chảy mềm khoảng 180oC. Tính chất cơ học của loạivật liệu polyme này r ất tốt vì thế chúng có thể thay thế hầu hết các kim loại trong các ứng dụng. Nhiều k ết cấu k ỹ thuật đượ c làm từ POM ví dụ như các thiết bị phụ tr ợ của ôtô, một số chi tiếtcủa máy móc, bánh r ăng, thanh dầm…+ Polycacbonat (PC)

Đây là một loại polyme vô định hình dạng thuỷ tinh trong suốt có tính chất cơ học vôcùng tốt đặc biệt là độ bền va đậ p. Nó có thể sử dụng thay thế thuỷ tinh và kim loại trong một số ứng dụng. Ngoài ra có thể dùng sợ i thuỷ tinh ngắn để gia cườ ng cho PC để tăng cườ ng tính chấtvà mở r ộng phạm vi ứng dụng của chúng. Nhượ c điểm chính của PC đó là khả năng chịu pháhoại của môi tr ườ ng kém và r ễ bị nứt khi tiế p xúc vớ i các chất lỏng hữu cơ .+ Polyphenylenoxit (PPO) hay còn gọi là polyphenylen ete (PPE)

Là một polyme vô định hình có nhiệt độ hoá mềm khoảng 210oC, trong quá trình gia côngngườ i ta thườ ng tr ộn thêm PS để làm quá trình gia công dễ dàng hơ n. PPO là một polyme có tínhchất r ất tốt vì thế chúng đượ c ứng dụng trong công nghiệ p ôtô, sản xuất đồ dùng gia đình hay cáck ết cấu cơ khí…

+ Polyvinylclorua

Polyvinylclorua là polyme vô định hình, các mạch phân tử ở dạng ziczắc theo tr ật tự k ếthợ p đầu-đuôi, trong đó hai phân tử clo phân bố về cùng một phía của mặt phẳng mạch polyme.

Hiện nay trong công nghiệ p ngườ i ta sản xuất hai loại polyvinylclorua:

+ Polyvinylclorua hoá dẻo, mềm và đàn hồi, gọi là plasticat vớ i chất hoá dẻo là các este của axit

phatalic vớ i ancol cao. Chất hoá dẻo đưa vào làm tăng tính chảy, cho phép gia công ở nhiệt độ thấ p hơ n nhưng làm giảm tính bền hoá học, độ bền nhiệt và tính chất cách điện.

Plasticat thườ ng đượ c sử dụng để sản xuất các màng mềm và các vật liệu khác nhau

+ Vinylplast là sản phẩm của polyme không có chất hoá dẻo. Nó đượ c tr ộn vớ i chất ổn định vàcán trên để định hình thành màng, tấm và ống..

Trong sản xuất bao tay, dây cao su, áo mưa.. ngườ i ta thườ ng dùng dạng past của polyvinylclorua là dạng sữa của polyme bột trong chất hoá dẻo có độ nhớ t nhỏ và tính k ết dínhlớ n nên có thể tạo màng trên vải, giấy, da..





+ Polytetrafloetylen

Đây là polyme đượ c biết đến vớ i tên gọi thươ ng mại là teflon. PTFE có tính chất vô cùng

đặc biệt đó là nhiệt độ nóng chảy trên 327

o

C, độ bền hoá chất r ất tốt và hệ số ma sát vô cùngthấ p. Polytetrafloetylen là polyme nặng nhất trong các polyme vớ i tỷ khối 2,2-2,3 bền vớ i nhiệtvà hóa học r ất cao, giớ i hạn nhiệt độ gia công r ộng từ -190oC đến 300oC, bền trong thờ i gian lâuở 260oC, trong 4-6h ở nhiệt độ 450oC, bền vớ i axit đặc ở nhiệt độ cao, hệ số ma sát thấ p nênđượ c dùng sản xuất vòng bi làm việc trong môi tr ườ ng xâm thực mà không cần chất bôi tr ơ n,dùng làm các dụng cụ máy tần số cao làm việc ở nhiệt độ cao. Mặc dù PTFE có một số cácnhượ c điểm như độ bền cơ học thấ p, dẽ bị dão, giá thành cao và gia công gặ p nhiều khó khăn tuynhiên vớ i những tính chất đặc biệt ở trên nó vẫn đượ c sử dụng trong r ất nhiều các ứng dụng như làm ổ tr ục, làm đườ ng ống bền hoá chất, làm vòng đệm và làm lớ p chống dính trong các thiết bị nấu ăn…

Teflon khối lượ ng phân tử lớ n thườ ng đượ c k ết hợ p vớ i chất độn bồ hóng và phụ gia khác

là nguyên liệu có độ bền mài mòn gấ p 10 lần teflon, r ẻ và dễ gia công gọi là ebolon.+ Cenluloaxetat(CA): Không giống như các polyme đã đượ c đề cậ p ở trên đây không phải làmột polyme đượ c tổng hợ p hoàn toàn mà là dẫn xuất của sợ i thực vật. CA có độ bền, độ dai tốt,gia công dễ dàng vì thế chúng đượ c ứng dụng trong nhiều l ĩ nh vực ví dụ như làm băng từ, làmđồ chơ i, và trong một số chi tiết của ôtô.+ Polybutylen (PB): Đây là loại polyme thuộc họ hàng polyolefin giống như PE hay PP, tuynhiên PB ít đượ c sử dụng hơ n do giá thành cao. Mặc dù nhiệt độ nóng chảy và độ cứng của PBkhông khác nhiều so vớ i PE nhưng khả năng chịu phá huỷ của môi tr ườ ng, chịu dão và độ daicao hơ n so vớ i PE và PP. Nhựa PB đượ c ứng dụng làm bao bì cỡ lớ n và các loại ống vận chuyểnnướ c nóng.

7.4.2. Các loại nhự a nhi ệt r ắn thông d ụng+ Phenol-fomandehit (PF): Loại nhựa này đượ c tổng hợ p lần đầu tiên và có tên thươ ng mại làBakelit vào năm 1907. Nhựa PF ở dạng bột trong quá trình gia công và đượ c đúc trong khuônthành các sản phẩm mong muốn như các ổ cắm điện, cần câu cá hay đượ c ép vớ i gỗ để tạo vậtliệu lớ p+ Ure-fomandehit (UF): Loại nhựa này đượ c so sánh vớ i PF nhưng nó có một đặc điểm làkhông màu và bóng hơ n PF. Những ứng dụng chính của nó cũng giống như PF.+ Melamin-fomandehit (MF): Loại nhựa này có tính chất tốt hơ n UF, vì thế nó đựoc sử dụngtrong nhiều l ĩ nh vực ví dụ như các thiết bị điện, đô trang trí+ Polyeste không no (UP): Loại nhựa này đượ c tr ộn vớ i cấu tử thứ hai là styren, tác nhân khơ imào và chất xúc tiến trong quá trình đóng r ắn để hình thành cấu trúc mạng lướ i không gian ba

chiều. Phản ứng này có thể xảy ra ở nhiệt độ phòng. Nhựa UP có thể sử dụng sợ i thuỷ tinh làmchất gia cườ ng để chế tạo chai lọ, đườ ng ống, tàu thuyền và r ất nhiều k ết cấu khác ứng dụngtrong nhiều l ĩ nh vực khác nhau.+Nhự a Epoxy (EP): Loại nhựa này cũng đượ c tr ộn vớ i cấu tử thứ hai gọi là tác nhân đóng r ắnđể xảy ra phản ứng đóng r ắn. Nhựa EP cũng đượ c gia cườ ng bằng các loại sợ i như sợ i thuỷ tinh,sợ i cacbon để tạo thành vật liệu compozit và ứng dụng trong nhiểu l ĩ nh vực giống như nhựa UP. Ngoài ra nhựa EP còn làm keo dán





7.4.3.Elastome t ổ ng hợ p+ Cao su styren-butadien(SBR): Đây là loại cao su quan tr ọng nhất, nó là copolyme của styren

và butadien vớ i một tỷ lệ thích hợ p trong đó cao su thiên nhiên luôn chiếm phần lớ n hơ n. Quátrình lưu hóa đượ c tiến hành vớ i lưu huỳnh, chất độn gia cườ ng là muội than đen. Loại cao sunày đượ c sử dụng r ất phổ biến để làm lố p xe bở i vì khả năng chống mài mòn tốt và hệ số ma sátthấ p.+ Cao su butyl (BR): Là một dẫn xuất từ polyisobutylen, tuy nó có bản chất cao su nhưngkhông thực hiện quá trình lưu hoá mà tr ải qua phản ứng đồng trùng hợ p ghép vớ i một lượ ng nhỏ isopren. Loại cao su này có khả năng biến dạng đàn hồi r ất thấ p.





Chươ ng 8

Vật liệu compozit8.1. Khái niệm chung

Vật liệu compozit đã xuất hiện từ r ất lâu trong cuộc sống, khoảng 5.000 năm tr ướ c Côngnguyên ngườ i cổ đại đã biết vận dụng vật liệu compozit vào cuộc sống ( ví dụ: sử dụng bột đátr ộn vớ i đất sét để đảm bảo sự dãn nở trong quá trình nung đồ gốm). Ngườ i Ai Cậ p đã biết vậndụng vật liệu compozit từ khoảng 3.000 năm tr ướ c Công nguyên, sản phẩm điển hình là vỏ thuyền làm bằng lau, sậy tẩm pitum về sau này các thuyền đan bằng tre chát mùn cưa và nhựathông hay các vách tườ ng đan tre chát bùn vớ i r ơ m, dạ là những sản phẩm compozit đượ c ápdụng r ộng rãi trong đờ i sống xã hội. Sự phát triển của vật liệu compozit đã đượ c khẳng định vàmang tính đột biến vào những năm 1930 khi mà stayer và Thomat đã nghiên cứu, ứng dụng

thành công sợ i thuỷ tinh; Fillis và Foster dùng gia cườ ng cho Polyeste không no và giải pháp nàyđã đượ c áp dụng r ộng rãi trong ngành công nghiệ p chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho đạichiến thế giớ i lần thức hai. Năm 1950 bướ c đột phá quan tr ọng trong ngành vật liệu compozi đólà sự xuất hiện nhựa Epoxy và các sợ i gia cườ ng như Polyeste, nylon,…

Từ năm 1970 đến nay vật liệu compozit nền chất dẻo đã đượ c đưa vào sử dụng r ộng rãitrong các ngành công nghiệ p và dân dụng, y tế, thể thao, quân sự vv…

Tính ưu việt của vật liệu compozit là khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các k ết cấu sản phẩm theo những yêu cầu k ỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn, các thành phần cốt củacompozit có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo cho các thành phần liên k ếthài hoà tạo nên các k ết cấu có khả năng chịu nhiệt và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiệnkhắc nghiệt của môi tr ườ ng Một trong các ứng dụng có hiệu quả nhất đó là compozit polymer ,đây là vật liệu có nhiều tính ưu việt và có khả năng áp dụng r ộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu môi tr ườ ng, r ễ lắ p đặt, có độ bền riêng và các đặc tr ưng đàn hồi cao, bền vững vớ imôi tr ườ ng ăn mòn hoá học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấ p. Khi chế tạo ở một nhiệt độ và áp suấtnhất định dễ triển khả đượ c các thủ pháp công nghệ, thuận lợ i cho quá trình sản xuất.

8.1.1. Đị nh nghĩ a

Vật liệu compozit là vật liệu đượ c chế tạo tổng hợ p từ hai hay nhiều vật liệu khác nhaunhằm mục đích tạo ra một vật liệu mớ i có tính năng ưu việt hơ n hẳn vật liệu ban đầu. Vật liệuCompozit đượ c cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo cho compozit có đượ c các đặc tínhcơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các thành phần của compozi liên k ết, làm việc hàihoà vớ i nhau.





Nhữ ng thành phần cơ bản của vật liệu compozit bao g ồm:+ Thành phần cốt: thành phần cốt có thể là sợ i, hạt, blend… nhằm đảm bảo cho vật liệu compozitcó những tính năng cơ học cần thiết+ Vật liệu nền nhằm đảm bảo cho sự liên k ết và làm việc hài hoà giữa các thành phần của vậtliệu compozit vớ i nhau

+ Phụ gia và chất độn

8.1.2. Phân loại

Có r ất nhiều cách khác nhau để phân loại vật liệu compozit. Về mặt khoa học và côngnghệ, ngườ i ta phân loại compozit theo bản chất của vật liệu nền. Cho đến nay căn cứ vào phanền có thể phân loại compozit thành bốn loại cơ bản như sau:

a. Composit nền polyme đượ c chế tạo hiện nay đã có đặc tính cơ lý cao hơ n kim loại, nhẹ hơ nkim loại, cách nhiệt, cách điện tốt hơ n và r ất bền vớ i các tác nhân hóa học và môi tr ườ ng. Ví dụ,một ống dẫn dầu khí d =100 mm, có tr ọng lượ ng khoảng 3 - 4 kg/m và có thể khai thác sử dụngtừ 50 - 70 năm; trong khi ống thép cùng đườ ng kính và độ dày, nặng gấ p 4 - 5 lần và chỉ sử dụngđượ c từ 5 - 10 năm và r ất hay bị gỉ. Vật liệu composit polyme đang đượ c thay thế cho kim loạiđể chế tạo các chi tiết của thân, vỏ máy bay, tên lửa, thân vỏ động cơ , các khung, dầm, vách ngăncủa máy bay.... Năm 1991, composit chỉ chiếm có 3% khối lượ ng, nhưng đến năm 2000 đãchiếm đến 65% khối lượ ng của máy bay. Composit polyme còn đượ c ứng dụng làm các ống dẫndầu khí, hóa chất, thân vỏ và các chi tiết của ôtô và các thiết bị khác của ngành chế tạo máy.

Vật liệu compozit

Vật liệuCompozit

polyme

Vật liệuCompozitkim loại

Vật liệuCompozitgốm

Vật liệuCompozitcacbon

Hình 8.1 pha gia cườ ng và pha nề ncủa compozit đơ n giản





Để nâng cao tính năng cơ lý và giảm tr ọng lượ ng của vật liệu, xu hướ ng dùng sợ i cacbon làmcốt cho composit polyme đang đượ c áp dụng và phát triển r ất r ộng rãi. Composit polyme sợ icacbon có hệ số giãn nở nhiệt thấ p, độ cứng cao nên đượ c dùng để chế tạo những loại ăng tencần sự ổn định cao về kích cỡ , hình dáng trong điều kiện bức xạ không đều. Sợ i cacbon tươ ngthích r ất tốt vớ i các mô của cơ thể sống vì vậy composit polyme sợ i cacbon còn đượ c dùng chế tạo các bộ phận thay thế trong cơ thể ngườ i như xươ ng, chất hàn r ăng, vỏ hộ p sọ. Các loại vảicacbon khi băng các vết bỏng làm cho chúng mau lành và khi gỡ lại r ất róc, không gây thươ ngtổn. Loại vải cacbon dùng trong y học đã đượ c các nhà khoa học Việt Nam phối hợ p vớ i các nhàkhoa học của Viện NIGRAPHIT (Liên bang Nga) sản xuất và ứng dụng thành công tại Việt Nam.

Nhượ c điểm lớ n nhất của composit polyme và ở các k ết cấu chịu nhiệt độ cao có độ bềnkhông lớ n. Việc bổ sung các phụ gia như bột kim loại, bột gốm, bột cacbon... vào nền polyme đãnâng cao các đặc tính cơ lý như độ bền, độ cứng, độ mài mòn của loại vật liệu composit này.

b.Đối vớ i composit nền gốm: việc đưa các cốt sợ i như sợ i kim loại góp phần hạn chế tính giòncủa gốm. Hiện nay vật liệu composit gốm cốt sợ i kim loại và các oxit kim loại, sợ i gốm, sợ icacbon phát triển r ất mạnh.+ Compozit gốm sợ i kim loại: những sợ i kim loại hay đượ c dùng là sợ i wonfram, molipđen,thép…Mục đích dùng sợ i kim loại là để tạo ra những cốt dẻo, đảm bảo cho sự nguyên khối củagốm sau khi nứt. Vật liệu compozit gốm kim loại đượ c sản xuất chủ yếu bằng phươ ng pháp dậ pnóng, hoặc đúc xỉ.+ Compozit gốm sợ i cacbon: việc chế tạo vật liệu compozit nền gốm sợ i cacbon r ất triển vòng bở i vì gốm tươ ng tác vớ i sợ i cabon ở nhiệt độ cao hơ n nhiều so vớ i kim loại.

Composit nền gốm là vật liệu có độ cứng cao, bền nén cao, có tính cách nhiệt, cách điện cao,chịu mài mòn và bền hóa học nên đượ c dùng phổ biến trong chế tạo máy và chịu đượ c nhiệt độ

lên tớ i 2.000 - 2.500o

K, như chế tạo đệm chịu nhiệt của tr ục cánh quạt tua bin động cơ các ăngten ở mũi các vật thể bay vũ tr ụ cần phải thu hồi tr ở về trái đất, mũi nắn dòng tên lửa,...c.Composit kim loại đượ c ứng dụng và phát triển ngày càng mạnh mẽ, mang lại hiệu quả kinhtế, k ỹ thuật cao trong cơ khí - chế tạo máy. Vật liệu composit kim loại có nền là kim loại hoặchợ p kim, còn phần cất có thể là kim loại hoặc phi kim loại. Cốt của composit kim loại là các loạisợ i có độ bền cao hoặc mo đun đàn hồi cao nhằm làm tăng tính năng cơ lý cho compositComposit kim loại có các chỉ tiêu cơ lý cao và ổn định, bền nhiệt trong khoảng nhiệt độ cao vàthờ i gian lớ n hơ n nhiều so vớ i nền polyme. Một ví dụ phổ biến nhất của composit kim loại là vậtliệu nhôm - bo (nền nhôm, cốt sợ i bo), đượ c ứng dụng nhiều trong hàng không. Ở Mỹ, vật liệunày đượ c sử dụng trong chế tạo máy bay F 106A, cho phép giảm tr ọng lượ ng của máy bay, tăngđượ c 115% tải tr ọng hữu ích mà không hề ảnh hưở ng đến tốc độ và tầm bay. Việc dùng

composit nhôm - bo trong máy bay IL-62 của Nga cho phép giảm đượ c 17% tr ọng lượ ng, trongkhi vẫn giữ đượ c các tính năng bay khác.Để chế tạo vật liệu composit kim loại nhẹ, ngườ i ta hay dùng sợ i cacbon trên nền nhôm. Mặc

dù composit nhôm - cacbon có độ bền không cao hơ n nhiều so vớ i những hợ p kim nhôm tốt nhấtnhưng lại nhẹ hơ n và có độ cứng gấ p 2,5 lần so vớ i các hợ p kim nhôm, có độ bền mỏi cao (như titan, thép hợ p kim) và có hệ số giãn nở nhiệt thấ p trong khoảng 293-673oK. Đây là vật liệu lýtưở ng để chế tạo các chi tiết chịu tải lực và nhiệt cao như vỏ tua bin, ống xả động cơ máy bay vàtên lửa.

Sợ i cacbon cũng đượ c dùng làm cốt cho các kim loại nền như đồng, chì, k ẽm để chế tạo cácchi tiết cho ngành cơ khí chế tạo máy đòi hỏi lâu mòn, hệ số ma sát bé, tính dẫn điện, chịu nhiệt





và có khả năng bảo toàn tính chất cơ lý khi nóng. Ví dụ, composit chì - cacbon có độ bền và mođun đàn hồi cao gấ p 10 lần chì thông thườ ng.

Composit kim loại nền đồng hoặc bạc vớ i các cốt vonfram hoặc molipđen có thể dùng để chế tạo các công tắc điện không mòn cho dòng điện mạnh, điện thể cao. Composit kim loại nền rômvà niken, cốt sợ i kim loại phân tán là các oxit nhôm cũng như các composit kim loại khác vớ inền là những hợ p kim bền nhiệt và cốt là các sợ i kim loại khó nóng chảy là những vật liệu lýtưở ng để chế tạo các chi tiết máy bền nhiệt của tua bin khí. Composit kim loại giữ vị trí r ất quantr ọng trong công nghiệ p và quốc phòng.d.Composit cacbon - cacbon là vật liệu có các cốt sợ i cacbon trên cơ sở nền cacbon. Nềncacbon có tính chất cơ lý và nhẹ tươ ng tự như sợ i cacbon nên khi k ết hợ p vớ i sợ i cacbon sẽ chochúng ta một loại vật liệu siêu bền, siêu nhẹ. Thông thườ ng, để đưa đượ c 1 kg lên vũ tr ụ tiêu tốnkhoảng 20.000 - 30.000 USD, vì vậy việc phát triển và ứng dụng vật liệu cacbon - cacbon trongvũ tr ụ đã tr ở thành xu hướ ng chủ đạo trong các năm gần đây.

Năm 1985, việc phát hiện ra cacbon C60 (fulleren) đã mở ra một chân tr ờ i mớ i trong l ĩ nhvực vật liệu siêu bền, siêu nhẹ. Một số nơ i trên thế giớ i đã thành công trong việc dùng C60 làmnền cho compozit

8.2. Vật liệu Polyme Compozit

Vớ i các vật liệu compozitpolyme có pha nền là nhựa tổng hợ p ( nhựa nhiệt dẻo hoặcnhiệt r ắn), các cốt thườ ng là vải hoặc sợ i thủy tinh, sợ i aramit, sợ i cacbon hoặc cốt sợ i tạ p lai.Mỗi loại có tính năng ưu khuyết điểm và hiệu quả riêng. Trên thực tế thành phần cốt luôn chiếm60-65% thể tích của vật liệu composzit. Nếu thành phần cốt chiếm quá nhiều lúc đó các thành phần cốt gần nhau sẽ nảy sinh tươ ng tác dẫn đến sự tậ p trung ứng suất làm giảm sức bền của vậtliệu. Sau đây là thành phần của vật liệu polyme compozit

8.2.1. Thành phần của vật li ệu

8.2.1.1 Vật liệu cốt

Hiện nay, vớ i các vật liệu polyme compozit có pha nền là nhựa tổng hợ p, các cốt thườ ng làvải hoặc sợ i thủy tinh, sợ i aramit, sợ i cacbon…Mỗi loại sợ i có những tính năng ưu khuyết điểmvà hiệu quả riêng ( bảng ). Ngoài ra cũng sử dụng một số loại sợ i khác như sợ i bazan, sợ i polyetylen

Bảng 8.1. Tính chấ t của một số loại sợ i gia cườ ng cho vật liệu compozit

Tính chất Tên sợ i

Thủy tinh Bor Cacbon Aramit

Độ bền riêng Cao Cao Trung bình R ất cao

Môđun riêng Thấ p Cao R ất cao Trung bình

Độ bền va đập R ất tốt Bình thườ ng Thấ p R ất tốt

Độ dãn dài khi đứ t Cao Thấ p Trung bình Trung bình

Tính dẫn nhiệt Thấ p Trung bình Cao Thấ p





Độ dãn nở nhiệt Trung bình Trung bình R ất thấ p R ất thấ p

Khả năng chống ôn Tốt Bình thườ ng Khá tốt R ất tốt

Độ nhạy cảm vớ i sự hỏng hoặc gia cônglại

Bình thườ ng Bình thườ ng Cao Thấ p

+ Sợ i thủy tinh: Sợ i thủy tinh đượ c sử dụng r ộng rãi để chế tạo vật liệu polyme compozit. Ư uđiểm của loại sợ i này là nhẹ, chịu nhiệt khá, ổn định vớ i các tác động của môi tr ườ ng, có độ bềncơ học cao và độ dẫn nhiệt thấ p

Sợ i thủy tinh có hai dạng điển hình: sợ i dài và sợ i ngắn. Thông thườ ng chúng có dạng hìnhtr ụ tròn, ngoài ra cũng gặ p sợ i thủy tinh có thiết diện ngang tam giác, hình vuông, lục giác…

Sợ i thủy tinh có nhiều loại song có 6 loại phổ biến nhất như sau:

+ E-glass: thuộc loại cách điện. Loại này có tính đa dạng, chất lượ ng cao và thích hợ p vớ i hầuhết các ứng dụng

+ A-glass: thủy tinh kiềm, nhẹ và tươ ng đối bền nhưng chịu nướ c kém hơ n nhiều so vớ i E-glass

+ C-glass: chịu hóa chất

+ S-glass và R-glass có độ bền cao và ứng dụng chủ yếu cho ngành hàng không

+ Thủy tinh môđun cao: loại này có tỷ tr ọng cao và kém mềm dẻo hơ n.

Tính chất của một số loại thủy tinh trình bày ở bảng 8.2

Bảng 8.2 Tính chấ t của các loại sợ i thủ y tinh

Tính chất Loại thủy tinh

E A C S R

Tỷ trọng, g/cm3 2,56 2,45 2,45 2,49 2,58

Độ bền kéo, GN/m2 3,6 3,3 - 4,5 4,4

Môđun Young, GN/m2 7,9 69,5 - 86,2 84,8

Điểm nóng chảy, oC 850 700 690 - 990

Các dạng vật liệu gia cườ ng từ sợ i thủy tinh:

+ Mat: là dạng chung nhất đượ c sản xuất bằng cách cắt nhỏ các chùm sợ i đơ n liên tục thành cácsợ i ngắn có chiều dài khoảng 50mm. Những sợ i ngắn đó đượ c r ải thành tấm trên băng tải lướ ichạy liên tục. Chất k ết dính đượ c sử dụng để giữ các sợ i lại vớ i nhau, gia nhiệt, cho ép nhẹ vàquấn thành cuộn.

+ Sợ i ngắn: Sợ i ngắn cũng đượ c sử dụng độc lậ p, thí dụ để sản xuất tổ hợ p tạo hình trên cơ sở nhựa polyester hoặc nhựa nhiệt dẻo. Chiều dài sơ ngắn thay đổi trong khoảng từ 3 đến 50mm





+ Sợ i bện: Sợ i bện đượ c sản xuất từ chùm sợ i đơ n bằng cách xoắn 20 đến 40 vòng/m tr ướ c khiquấn thành cuộn để dệt vải

+ Sợ i thô: Sợ i thô ở dạng bó hình tr ụ do chùm sợ i chậ p lại nhưng không xoắn và đượ c sử dụngtr ực tiế p

+ Vải mịn: Do mỏng nên đôi khi đượ c gọi là lụa. Chúng đượ c sử dụng để sản xuất vật liệu lớ p cóđộ bền cao nhất nhưng không phải lúc nào cũng thấm ướ t đượ c triệt để. Độ bền kéo có giá tr ị lớ nnhất khi sử dụng vải mịn

Có ba phươ ng pháp chính để sản xuất sợ i thủy tinh:

- Kéo sợ i từ dung dịch nóng chảy qua khuôn ( quá trình một giai đoạn )

- Kéo sợ i từ những phôi thủy tinh đượ c sấy nóng ( quá trình hai giai đoạn )

- Nhận đượ c những sợ i ngắn từ các tia dung dịch nóng chảy bằng cách thổi bằng không khí, hơ i,

gas…+ Sợ i bazan: Sợ i bazan đượ c chế tạo từ nguyên liệu đá bazan. Đá bazan có nguồn gốc nhamthạch do các núi lửa khi hoạt động phun ra r ồi k ết tinh lại.

Từ cuối những năm 70 tr ở lại đây, các nhà khoa học vật liệu đã có nhiều thành công trongviệc chế tạo các sản phẩm compozit từ cốt sợ i bazan cho nhiều l ĩ nh vực của nền kinh tế và đếnnay, những công nghệ sản xuất chúng ngày càng hoàn thiện. Các sản phẩm từ đá bazan. Các sản phẩm từ đá bazan có đặc tính cơ ,lý, hóa tốt hơ n hẳn so vớ i các sản phẩm truyền thống là bôngsợ i thủy tinh hoặc amian.

Sợ i bazan ngoài những ưu điểm nổi tr ội so vớ i sợ i thủy tinh và sơ i amian như trên ta đãthấy còn có ưu điểm là không độc hại cho ngườ i và sinh vật, ngoài ra nó có độ bền cao dướ i tác

động của ánh sáng mặt tr ờ i vì vậy r ất thích hợ p cho việc sản xuất ra các sản phẩm cho nướ c nhiệtđớ i nắng và mưa nhiều như nướ c ta.

Bảng 8.3. So sánh tính chấ t của sợ i bazan và sợ i thủ y tinh

Tính chất Sợ i bazan Sợ i thùy tinh, mác E

H ệ số d ẫ n nhiệt λ (W/mK) 0,031-0,038 0,034-0,04

Khố i l ượ ng riêng, kg/m3 2600-2800 2540-2600

Môđ un đ àn hồi, kg/mm2

9100-11000 Không quá 7200

Độ bề n kéo, %

+ ở 20oC

+ ở 200oC

+ ở 400oC

100

95

82

100

92

52

+ Sợ i cacbon: Ngày nay sợ i cacbon đượ c sử dụng r ộng rãi để chế tạo vật liệu compozitứng dụng trong nhiều l ĩ nh vực của nền kinh tế quốc dân. Vớ i ưu điểm như r ất nhẹ ( khối lượ ng





riêng dướ i 2g/cm3), chịu đượ c nhiệt độ cao lên vài nghìn độ trong môi tr ườ ng tr ơ , hệ số ma sátvà dãn nở nhiệt thấ p, r ất bền vững vớ i điều kiện khí hậu và các phản ứng hóa học, có những tínhchất điện vật lý đa dạng, đặc biệt có mô đun đàn hồi r ất cao. Về mặt cơ học vấn đề mấu chốt làsợ i cacbon có độ bền và môđun đàn hồi cao hơ n so vớ i các vật liệu khác. Có thể nói việc pháthiện ra sợ i cacbon và đưa chúng vào sử dụng đã làm nên một cuộc cách mạng về vật liệu. Đếnnay sợ i cacbon chủ yếu đượ c chế tạo từ ba nguồn nguyên liệu chính: polyacrilonitril ( PAN), từ pec dầu mỏ và từ xenlulohidrat. Sau đây là một số tính chất của sợ i cacbon từ các nguyên liệu ban đầu khác nhau

Sợ i cacbon có cấu trúc giống than chì (graphite) hình tổ ong (Hình 2). Những cấu trúc tổ ong này đượ c tạo thành bằng những nối cộng hóa tr ị (những đườ ng gạch thẳng trong hình) r ất bền chắc cũng như trong kim loại và ceramic. Sợ i cacbon có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo thànhcác lớ p liên k ết vớ i nhau, nhưng cách nhau khoảng 3,35 A°. Các nguyên tử cacbon liên k ết vớ inhau, trong một mặt phẳng, thành mạng tinh thể hình lục lăng, vớ i khoảng cách giữa các nguyêntử trong mỗi lớ p là 1,42 A°. Sợ i cacbon có cơ tính tươ ng đối cao, có loại gần tươ ng đươ ng vớ isợ i thủy tinh, lại có khả năng chịu nhiệt cực tốt. Nó cho thấy một độ cứng siêu việt tiềm ẩn trongnhững sợ i carbon. Thật vậy, nhờ vào phươ ng pháp chế tạo sợ i carbon đượ c liên tục cải thiện quanhiều thậ p niên, độ cứng của loại sợ i nầy đượ c nâng cao từ 200 đến 600 và bây giờ đã đạt đến825 GPa, cao hơ n thép 4 lần nhưng (tỷ tr ọng) vẫn nhẹ hơ n thép 4 lần (Bảng 1). Như vậy, vớ i một

tr ọng lượ ng tươ ng đươ ng sợ i carbon "siêu cứng" nầy cứng hơ n thép 16 lần.

Hình. 8.1 cấu trúc của sợ i cacbon





Bảng 8.4. đặc tr ư ng của sợ i cacbon theo nguyên liệu ban đầu

Tính chất

Sợ i cacbon trên cơ sở PAN Sợ i trên cơ sở pec

tinh thể lỏng Độ bề n cao Độ dãn dài cao Mô đ un cao

Mô đ un đ àn hồikéo, GPa

230-240 230-250 350-450 380-690

Độ bề n khi kéo,GPa

3,0-3,5 4,0-4,5 2,0-2,5 2,1-2,4

Độ dãn dài khiđứ t, %

1,3-1,4 1,7-1,8 0,5-0,6 -

Khố i l ượ ng riêng,

kg/m3

1740-1780 740-1780 1780-1840 2000

8.2.1.2. Vật liệu nền

Vật liệu nền giữ vai trò cực k ỳ quan tr ọng trong việc chế tạo ra vật liệu compozit. Chính vìvậy, chúng phải đáp ứng đượ c các yêu cầu về mặt khai thác cũng như về mặt công nghệ.

Yêu cầu về mặt khai thác tr ướ c hết là những yêu cầu cơ lý đối vớ i vật liệu nền, đòi hỏi nền phải đảm bảo đượ c cho vật liệu compozit làm việc bền vững khi chịu tải, đảm bảo đượ c sự làmviệc đồng đều hiệu quả giữa các thành phần cốt, độn vớ i các dạng đặt tải khác nhau. Bản thân vậtliệu nền sẽ xác định vật liệu mớ i tạo ra chịu đượ c đến nhiệt độ nào. Vật liệu nền cũng quyết định

khả năng chịu đựng của vật liệu compozit dướ i tác động của môi tr ườ ng, tác động hóa học vàmột vài tính chất khác của vật liệu compozit nói chung.

Yêu cầu về mặt công nghệ vớ i vật liệu nền đượ c đặt ra trong quá trình sản xuất compozitvà các k ết cấu sản phẩm từ chúng. Trong quá trình làm ra các sản phẩm compozit có một đặcđiểm quan tr ọng cần lưu ý là thườ ng chế tạo các bán thành phẩm trung gian gọi là các prepreg để chế tạo các sản phẩm k ết cấu, ví dụ sản xuất các bình compozit, các ống compozit, trong quátrình quấn các chi tiết này chính chúng vừa tạo ra vật liệu, lại vừa tạo ra các k ết cấu compozit. Vìvậy, vật liệu nền phải đáp ứng đượ c các đòi hỏi nảy sinh trong quá trình công nghệ: như độ nhớ t,sự phân bố đều các cốt bên trong. Đối vớ i compozit polymer vật liệu nền thườ ng sử dụng là nhựanhiệt r ắn và nhựa nhiệt dẻo.

a.N ề n nhự a nhiệt r ắ nVật liệu nền nhiệt r ắn có độ nhớ t thấ p, dễ hòa tan và đóng r ắn lại khi nung nóng ( có hoặc

không có chất xúc tác) và sau khi đóng r ắn thì tạo thành cấu trúc mạng lướ i không gian khôngthuận nghịch. Trong quá trình chế tạo vật liệu compozit ngườ i ta thườ ng bổ sung thêm các dungmôi vào vật liệu nền nhằm làm giảm độ nhớ t, làm quá trình phối hợ p giữa vật liệu nền và vật liệucốt đượ c dễ dàng hơ n. Thông thườ ng ngườ i ta hay sử dụng những loại nhựa nhiệt r ắn sau đây:

+ Nhựa phenol fomandehit: loại nhựa này đượ c tổng hợ p bằng cách đa tụ phenol và fomandehit. Nhượ c điểm của loại nhựa này khi đóng r ắn là độ co ngót khá lớ n, ngoài ra loại nhựa này có tínhgiòn cao dẫn đến tạo ra những ứng suất dư trong quá trình đóng r ắn.





+ Nhựa polyeste: là sản phẩm đa tụ của axit hữu cơ không no hoặc anhidrit của chúng vớ i cácalcol đa chức. Những nhựa này là những chất r ắn, dễ hòa tan trong những dung môi khác nhau.Ư u điểm của loại nhựa này là khi đóng r ắn có độ bền cao vớ i nướ c, dầu khoáng, axit vô cơ , tínhcách điện tốt và đặc biệt là độ nhớ t thấ p, đảm bảo thuận lợ i cho quá trình gia công. Nhượ c điểmcủa loại nhựa này là cơ tính không cao khi đóng r ắn, sự dính bám vớ i các chất cốt không cao, độ co cũng đáng k ể và trong thành phần có các momone.

Nhựa polyester đượ c sử dụng r ộng rãi trong công nghệ compozit. Polyester loại nàythườ ng là loại không no, đây là nhựa nhiệt r ắn, có khả năng đóng r ắn ở dạng lỏng hoặc ở dạngr ắn nếu có điều kiện thích hợ p. Thông thườ ng ngườ i ta gọi polyester không no là nhựa polyester.Polyester có nhiều loại, đi từ các acid, glycol và monomer khác nhau, mỗi loại có những tínhchất khác nhau. Chúng có thể r ất khác nhau trong các loại nhựa UPE khác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố :

+ Thành phần nguyên liệu

+ Phươ ng pháp tổng hợ p+ Tr ọng lượ ng phân tử + Hệ đóng r ắn+ Hệ chất độnBằng cách thay đổi các yếu tố trên, ngườ i ta sẽ tạo ra nhiều loại nhựa UPE có các tính chất

đặc biệt khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng. Có hai loại polyester chính thườ ng sử dụngtrong công nghệ compozit. Nhựa orthophthalic cho tính kinh tế cao, đượ c sử dụng r ộng rãi. Cònnhựa isophthalic lại có khả năng kháng nướ c tuyệt vờ i nên đượ c xem là vật liệu quan tr ọng trongcông nghiệ p, đặc biệt là hàng hải.Đa số nhựa polyester có màu nhạt, thườ ng đượ c pha loãngtrong styrene. Lượ ng styrene có thể lên đến 50% để làm giảm độ nhớ t của nhựa, dễ dàng cho quátrình gia công. Ngoài ra, styrene còn làm nhiệm vụ đóng r ắn tạo liên k ết ngang giữa các phân tử

mà không có sự tạo thành sản phẩm phụ nào. Polyester còn có khả năng ép khuôn mà không cầnáp suất.Polyester có thờ i gian tồn tr ữ ngắn là do hiện tượ ng tự đóng r ắn của nó sau một thờ i gian.

Thông thườ ng, ngườ i ta thêm vào một lượ ng nhỏ chất ức chế trong quá trình tổng hợ p polyesterđể ngăn ngừa hiện tượ ng này. Nhà sản xuất có thể cung cấ p nhựa ở dạng tự nhiên hay có dùngmột số phụ gia. Nhựa có thể đượ c sản xuất để chỉ cần cho xúc tác vào là sử dụng đượ c. Như đãđề cậ p ở trên, cần phải có thờ i gian để polyester tự đóng r ắn. Tốc độ trùng hợ p quá chậm chomục đích sử dụng, vì vậy cần dùng chất xúc tác và chất xúc tiến để đạt độ trùng hợ p của nhựatrong một khoảng thờ i gian nào đó.Khi đã đóng r ắn, polyester r ất cứng và có khả năng kháng hoáchất. Quá trình đóng r ắn hay tạo k ết ngang đượ c gọi là quá trình Polymer hóa. Đây là phản ứnghoá học chỉ có một chiều. Cấu trúc không gian này cho phép nhựa chịu tải đượ c mà không bị giòn.

Cần phải chuẩn bị hỗn hợ p nhựa tr ướ c khi sử dụng. Nhựa và các phụ gia khác phải đượ c phân tán đều tr ướ c khi cho xúc tác vào. Phải khuấy đều và cẩn thận để loại bỏ bọt khí trong nhựaảnh hưở ng quá trình gia công. Điều này r ất quan tr ọng do bọt khí còn trong nhựa sẽ ảnh hưở ngtính chất cơ lý, làm cấu trúc sản phẩm bị yếu. Cần phải chú ý r ằng việc dùng xúc tác và xúc tiếnvớ i hàm lượ ng vừa đủ sẽ cho vật liệu những tính chất tốt nhất. Nếu quá nhiều xúc tác sẽ làm quátrình gel hoá xảy ra nhanh hơ n, ngượ c lại, nếu ít xúc tác quá trình đóng r ắn sẽ bị chậm lại.

+Vinylester có cấu trúc tươ ng tự như polyester, nhưng điểm khác biệt chủ yếu của nó vớ i polyester là vị trí phản ứng, thườ ng là ở cuối mạch phân tử do vinyl ester chỉ có k ết đôi C=C ở





hai đầu mạch mà thôi. Toàn bộ chiều dài mạch phân tử đều sẵn chịu tải, ngh ĩ a là vinylester daivà đàn hồi hơ n polyester. Vinylester có ít nhóm ester hơ n polyester, nhóm ester r ất dễ bị thủy phân, tức là vinylester kháng nướ c tốt hơ n các polyester khác, do vậy nó thườ ng đượ c ứng dụnglàm ống dẫn và bồn chứa hoá chất. Khi so sánh vớ i polyester thì số nhóm ester trong vinyl esterít hơ n, ngh ĩ a là vinyl ester ít bị ảnh hưở ng bở i phản ứng thủy phân.

Thườ ng dùing vật liệu này như là lớ p phủ bên ngoài cho sản phẩm ngậ p trong nướ c, như làvỏ ngoài của tàu, thuyền. Cấu trúc đóng r ắn của vinyl ester có khuynh hướ ng dai hơ n polyester,mặc dù để đạt tính chất này, nhựa cần nhiệt độ cao sau đóng r ắn.

+ Nhựa cơ silic: loại nhựa này có ưu điểm là có khả năng làm việc trong dải nhiệt độ r ất r ộng, bền vớ i các tác động của dung môi hữu cơ và axit vô cơ , có tính cách điện cao. Nhượ c điểm củachúng là có đặc tính cơ học thấ p hơ n so vớ i các loại nhựa khác ở nhiệt độ dướ i 100oC. Việc chế tạo các chi tiết bằng nhựa cơ silic thườ ng phải xử lý dướ i áp lực cao và quá trình đóng r ắn khádài.

+ Nhựa epoxy: Nhựa epoxy đượ c tạo thành từ những mạch phân tử dài, có cấu trúc tươ ng tự vinylester, vớ i nhóm epoxy phản ứng ở vị trí cuối mạch. Nhựa epoxy không có nhóm ester, dođó khả năng kháng nướ c của epoxy r ất tốt. Ngoài ra, do có hai vòng thơ m ở vị trí trung tâm nênnhựa epoxy chịu ứng suất cơ và nhiệt nó tốt hơ n mạch thẳng, do vậy, epoxy r ất cứng, dai vàkháng nhiệt tốt. Nhựa epoxy, ta dùng chất đóng r ắn để tạo mạng không gian ba chiều. Chất đóngr ắn ưa sử dụng là amine, đượ c cho vào epoxy, lúc này giữa chúng sẽ xảy ra phản ứng hoá học.Thườ ng nhóm epoxy sẽ phản ứng k ết khối vớ i nhóm amine, tạo ra cấu trúc phân tử ba chiều phức tạ p. Amine k ết hợ p vớ i epoxy theo một tỉ lệ nhất định, đây là yếu tố quan tr ọng vì việc tr ộnđúng tỉ lệ đảm bảo cho phản ứng xảy ra hoàn toàn. Nếu tỉ lệ tr ộn không đúng thì nhựa chưa phảnứng hoặc chất đóng r ắn còn dư trong hỗn hợ p sẽ ảnh hưở ng đến tính chất sản phẩm sau đóng r ắn.

Để đảm bảo tỉ lệ phối tr ộn chính xác, nhà sản xuất thườ ng công thức hoá các thành phần và đưara một tỉ lệ tr ộn đơ n giản bằng cách đo khối lượ ng hay thể tích của chúng.Cả nhựa epoxy lỏng và tác nhân đóng r ắn đều có độ nhớ t thấ p thuận lợ i quá trình gia công.Epoxy đóng r ắn dễ dàng và nhanh chóng ở nhiệt độ phòng từ 5-150oC, tuỳ cách lựa chọn chấtđóng r ắn. Một trong những ưu điểm nổi bật của epoxy là co ngót thấ p trong khi đóng r ắn. Lựck ết dính, tính chất cơ lý của epoxy đượ c tăng cườ ng bở i tính cách điện và khả năng kháng hoáchất.Ứ ng dụng của epoxy r ất đa dạng, nó đượ c dùng làm: keo dán, hỗn hợ p xử lý bề mặt, hỗnhợ p đổ, sealant, bột trét, sơ n.Nhựa epoxy có r ất nhiều ưu điểm và đượ c sử dụng r ộng rãi để chế tạo compozit có tính cơ học cao, độ bám dính cao vớ i nhiều loại cốt, tiện lơ i khi xử lý công nghệ,tạo dáng k ết cấu và có thể giữ lâu ở tr ạng thái chưa đóng r ắn, tiện lợ i cho việc chế tạo các k ết cấucompozit và các bán thành phẩm. Nhượ c điểm của epoxy là chịu nhiệt tuơ ng đối thấ p. Đặc tr ưngcơ học của epoxy bị giảm đi r ất nhanh vớ i nhiệt độ gần nhiệt độ thủy tinh hóa polymer. Việc biến tính epoxy có thể nâng nhiệt độ chịu nhiệt độ cao hơ n một chút. Sau đây là bảng trình bàytính chất của một số vật liệu nền nhiệt r ắn.

Bảng 8.5. tính chấ t của một số vật liệu nề n nhiệt r ắ n

Tính chất Phenol -fomandehit Cơ silic Polyeste Epoxy

Độ bề n kéo, MPa 40-70 20-50 30-70 35-100

Độ bề n nén, MPa 100-125 60-100 80-150 90-160





Khố i l ượ ng riêng,103 kg/m3

1,2-1,3 1,35-1,4 1,2-1,35 1,2-1,3

Bề n nhiệt, oC 140-180 250-280 50-80 130-150

Độ giãn dài t ươ ngđố i, %

0,4-0,5 0,3-0,5 1-5 2-9

H ệ số dãn nở vìnhiệt, 106 /K

6-8 2-4,2 6-9 4,8-8

Độ ng ậm nướ c sau24h, %

0,3-0,4 0,08-0,12 0,1-0,2 0,01-0,08

b. N ề n nhự a nhiệt d ẻo

Compozit có vật liệu nền trên cơ sở polyme nhiệt dẻo có độ tin cậy cao, bở i vì mức độ ứngsuất nảy sinh ngay sau khi chế tạo thành sản phẩm r ất thấ p. Ư u điểm nữa về mặt công nghệ là:giảm đi công đoạn đóng r ắn, khả năng thi công, tạo dáng sản phẩm dễ dàng, có thể khắc phụcnhững khuyết tật trong quá trình sản xuất và tận dụng phế liệu hoặc gia công lại lần thứ hai.

Nhượ c điểm chính của vật liệu compozit nền nhiệt dẻo là không chịu đượ c nhiệt độ cao vàkhi xử lý công nghệ gặ p khó khăn do độ nhớ t của các dụng dịch nóng chảy khá cao. Chính vìvậy, việc sử dụng nền nhựa nhiệt dẻo trong chế tạo vật liệu compozit còn r ất nhiều hạn chế.

8.2.3. Chấ t độn và phụ gia8.2.3.1. Chấ t độn

Chất độn là những chất thêm vào trong vật liệu mục đích chính là để giảm giá thành vậtliệu, trong một số tr ườ ng hợ p cũng làm nâng cao độ bền cơ học của vật liệu. Có r ất nhiều loạichất độn đượ c sử dụng cho vật liệu compozit, mỗi loại chất độn có một đặc điểm riêng về giáthành và tính chất. Những loại chất độn đượ c sử dụng chủ yếu trong công nghiệ p chế tạo các sản phẩm từ vật liệu compozit đó là: bột nhẹ, bột mica, bột barit, bột SiO2…

Chất độn( cốt)Đóng vai trò là chất chịu ứng suất tậ p trung vì độn thườ ng có tính chất cơ lý caohơ n nhựa. Ngườ i ta đánh giá độn dựa trên các đặc điểm sau:

•Tính gia cườ ng cơ học.•Tính kháng hoá chất, môi tr ườ ng, nhiệt độ.•Phân tán vào nhựa tốt.•Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt.•Thuận lợ i cho quá trình gia công.•Giá thành hạ, nhẹ.

Tuỳ thuộc vào từng yêu cầu cho từng loại sản phẩm mà ngườ i ta có thể chọn loại vật liệu độncho thích hợ p. Có hai dạng độn:





•Độn dạng sợ i: sợ i có tính năng cơ lý hoá cao hơ n độn dạng hạt, tuy nhiên, sợ i có giá thành caohơ n, thườ ng dùng để chế tạo các loại vật liệu cao cấ p như: sợ i thủy tinh, sợ i carbon, sợ i Bo, sợ icacbua silic, sợ i amide…

•Độn dạng hạt: thườ ng đượ c sử dụng là : silica, CaCO3, vẩy mica, vẩy kim loại, độn khoáng, caolanh, đất sét, bột talc, hay graphite, carbon… khả năng gia cườ ng cơ tính của chất độn dạng hạtdượ c sử dụng vớ i mục đích sau:- Giảm giá thành- Tăng thể tích cần thiết đối vớ i độn tr ơ , tăng độ bền cơ lý, hoá, nhiệt, điện, khả năng chậm cháy- Dễ đúc khuôn, giảm sự tạo thành bọt khí trong nhựa có độ nhớ t cao ảnh hưở ng đến gia công- Cải thiện tính chất bề mặt vật liệu, chống co rút khi đóng r ắn, che khuất sợ i trong cấu tạo tăngcườ ng sợ i, giảm toả nhiệt khi đóng r ắn. Cốt sợ i cũng có thể là sợ i tự nhiên (sợ i đay, sợ i gai, sợ ilanh, xơ dừa, xơ tre, bông…), có thể là sợ i nhân tạo (sợ i thuỷ tinh, sợ i vải, sợ i poliamit…). Tuỳ theo yêu cầu sử dụng mà ngườ i ta chế tạo sợ i thành nhiều dạng khác nhau : sợ i ngắn, sợ i dài, sợ i

r ối.

Việc tr ộn thêm các loại cốt sợ i này vào hỗn hợ p có tác dụng làm tăng độ bền cơ học cũngnhư độ bền hoá học của vật liệu PC như : khả năng chịu đượ c va đậ p ; độ giãn nở cao ; khả năngcách âm tốt ; tính chịu ma sát- mài mòn ; độ nén, độ uốn dẻo và độ kéo đứt cao ; khả năng chịuđượ c trong môi tr ườ ng ăn mòn như : muối, kiềm, axít… Những khả năng đó đã chứng tỏ tính ưuviệt của hệ thống vật liệu PC mớ i so vớ i các loại Polyme thông thườ ng. Và, cũng chính vì nhữngtính năng ưu việt âý mà hệ thống vật liệu PC đã đượ c sử dụng rông rãi trong sản xuất cũng như trong đờ i sống.

8.2.3.2. Phụ gia

Phụ gia đượ c đưa vào sản phẩm trong quá trình chế tạo vật liệu compozit nhằm mục đíchnâng cao tính cơ , lý, hóa của sản phẩm, và thườ ng đượ c đưa vào vớ i một lượ ng không nhiều. Cácloại phụ gia đượ c sử dụng chủ yếu cho vật liệu PC là: chất chống oxy hóa, chất chống tia tử ngoại, chất chống cháy, chất liên k ết…+ Chất pha loãng Tính chất cuả polyester phụ thuộc không những vào hàm lượ ng nối đôi và nhóm ete, vào mạchthơ m hay thẳng, mức độ đa tụ mà còn phụ thuộc vào tính chất cuả tác nhân nối ngang –monomer.Các monomer khâu mạch ngang đượ c dùng để đồng trùng hợ p vớ i các nối đôi trongnhựa UPE, tạo k ết ngang, thườ ng là chất có độ nhớ t thấ p (dạng lỏng) nên còn có tác dụng làmgiảm độ nhớ t của hỗn hợ p, do vậy chúng còn đượ c gọi là chất pha loãng. Monomer pha loãng

phải thỏa mãn các điều kiện sau:•Đồng trùng hợ p tốt vớ i polyester, không trùng hợ p riêng r ẽ tạo sản phẩm không đồng nhất, làmảnh hưở ng đến tính chất cuả sản phẩm, hoặc còn sót lại monomer làm sản phẩm mềm dẻo, kém bền.•Monomer phải tạo hỗn hợ p đồng nhất vớ i polyester, tốt nhất là dung môi cho polyester. Lúc đónó hoà tan hoàn toàn vào giữa các mạch phân tử polyester, tạo thuận lợ i cho phản ứng đóng r ắnvà tạo độ nhớ t thuận lợ i cho quá trình gia công•Nhiệt độ sôi cao, khó bay hơ i trong quá trình gia công và bảo quản.•Nhiệt phản ứng đồng trùng hợ p thấ p, sản phẩm đồng trùng hợ p ít co rút.•Ít độc.





Để đóng r ắn polyester, ngườ i ta dùng các monomer : styrene, metyl meta acrylat (MMA), vinyl,triallil xianuarat, … trong đó styrene đượ c sử dụng nhiều nhất do có những tính chất ưu việt:•Có độ nhớ t thấ p.•Tươ ng hợ p tốt vớ i polyester, khả năng đồng trùng hợ p cao, tự trùng hợ p thấ p.•Đóng r ắn nhựa nhanh.•Sản phẩm chịu thờ i tiết tốt, cơ lý tính cao, cách điện tốt.•Khả năng tự bốc cháy thấ p.+ Chất tách khuôn, chất làm kín và các phụ gia khác •Chất róc khuôn- Chất róc khuôn có tác dụng ngăn cản nhựa bám dính vào bề mặt khuôn.- Chất róc khuôn dùng trong đắ p tay là loại chất róc khuôn ngoại đượ c bôi tr ực tiế p lên khuôn.- Một số chất róc khuôn: wax, silicon, dầu mỏ, mỡ heo…•Chất làm kín:- Vớ i khuôn làm từ các vật liệu xố p như gỗ, thạch cao thì cần phải bôi chất làm kín tr ướ c khi

dùng chất róc khuôn.- Các chất làm kín xâm nhậ p vào các lỗ xố p, ngăn chặn nhựa bám vào.- Một số chất làm kín: Cellulose acetate, wax, silicon, stearic acid, nhựa furane, véc ni, sơ nmài…•Chất tẩy bọt khí- Bọt khí làm sản phẩm compozit bị giảm độ chịu lực, độ chịu thờ i tiết và thẩm mỹ bề mặt.- Lượ ng thườ ng sử dụng: 0.2-0.5% lượ ng nhựa.- Lưu ý: nên cho chất tẩy bọt khí vào nhựa tr ướ c khi dùng các thành phần khác.•Chất thấm ướ t sợ i:- Có tác dụng tăng khả năng thấm ướ t sợ i giúp sử dụng độn nhiều hơ n.- Lượ ng dùng: 0.5-1.5% so vớ i độn.

•Chất tăng độ phân tán•Chất ngăn thoát hơ i styrene+ Xúc tác – Xúc tiến •Xúc tácCác chất xúc tác chỉ đượ c cho vào nhựa tr ướ c khi gia công. Vai trò của chúng là tạo gốc tự dokích động cho quá trình xúc tác phản ứng đồng trùng hợ p.Tác nhân kích thích cho sự tạo thành gốc tự do có thể là chất xúc tiến, bức xạ ánh sáng, tia tử ngoại hay nhiệt độ.Chất xúc tác gồm các loạiXúc tác Peroxide + Peroxide : thông dụng nhất là benzoil-peroxide

Nó là loại bột tr ắng, tồn tại ở ba dạng : khô (khoảng 5% ẩm), paste trong nướ c (khoảng 25%nướ c), và thông dụng nhất là paste trong tricresyl-phosphonate hay dimetyl phthalate (khoảng70% peroxide). Nó đượ c dùng để đóng r ắn nhựa polyester (ở nhiệt độ khoảng trên 80Oc) vàthườ ng đượ c dùng vớ i tỉ lệ 0,5-2% so vớ i nhựa. Khi cho vào nhựa nó thườ ng ở dạng paste vì ở dạng Ngoài ra các chất xúc tác thuộc loại peroxide còn có:+ Di-t-butyl peroxide (CH3)3-C-O-O-C-(CH3)3 + Di-acetyl peroxide (CH3)3-CO-O-O-OC-(CH3)3 + Hydroperoxide :+ t-butyl-hydroperoxide (CH3)3-COOH





+ Cumen-hydroperoxide C6H5-C-(CH3)2-O-OH

Hai loại MEKP và HCH đượ c dùng để đóng r ắn nguội cho nhựa polyester.MEKP là tên viết tắt cuả metyl ethyl keton peroxide, nó thực chất là hỗn hợ p của một số hợ pchất peroxide, thành phần thay đổi tùy thuộc vào nhà sản xuất. Nó là chất oxi hoá mạnh nên phảitránh tiế p xúc vớ i oxi. HCH là sản phẩm phản ứng giữa hydroperoxide vớ i cyclohexanol peroxide và đượ c gọi tên là cyclo-hexanol peroxide. Tuy nhiên nó là hỗn hợ p của ít nhất haitrong bốn chất sau (theo Criegree, Schorenberg và Becke)Xúc tác azo và diazo + Diazo aminobenzen: C6H5-NH-N=N-C6H5 + Dinitric cuả acid diizobutyric: NC(CH3)2-N=N-C(CH3)2-COO-CN+ Dimetyl ester cuả acid diizobutyric: C2H5-OOC-C(CH3)2-N=N-C(CH3)2-COO-C2H5

•Chất xúc tiến:Chất xúc tiến là chất đóng vai trò xúc tác cho phản ứng tạo gốc tự do cuả chất xúc

tác. Dùng chất xúc tiến sẽ giảm đượ c nhiệt độ và thờ i gian đóng r ắn một cách đáng k ể và có thể đóng r ắn nguội. Gồm các loại:

Xúc tiến kim loại: Xúc tiến kim loại là muối cuả kim loại chuyển tiế p như: cobalt, chì, mangan,ceri, … và các acid như: naphthenic, linoleic, octonic,… hoà tan tốt trong polymer. Loại xúc tácnày thườ ng dùng chung vớ i các chất xúc tác dạng hydroperoxit (MEKP, HCH).Amin bậc ba:Loại xúc tiến này thườ ng đượ c dùng vớ i các chất xúc tác peroxide, thuộc loại nàythườ ng gặ p+ Dimetyl-aniline ( DMA ) : C6H5N(CH3)2+ Dietyl-aniline ( DEA ) : C6H5N(C2H5)2+ Dimetyl-p-toluidin ( DMPT ) : CH3C6H5N(CH3)2

8.2.4. Đặc đ i ể m tính chấ t sử d ụng của vật li ệu polyme compozit

Độ bền và độ cứng cao của vật liệu polyme compozit làm cho các chi tiết chuyển động như bánh xe, tr ục quay có khả năng hoạt động nhanh hơ n r ất nhiều so vớ i cac chi tiết làm bằng hợ pkim. Khác vớ i vật liệu truyền thống, sự phá hủy của vật liệu polyme compozit khi đạt đến tảitr ọng tớ i hạn không xảy ra tức thờ i, ngh ĩ a là không xảy ra hư hỏng thảm họa. Vật liệu này tiế ptục biến dạng mà vẫn duy trì đượ c khả năng làm việc ở các tải tr ọng thấ p hơ n tải tr ọng phá hủy.Cơ chế phá hủy như vậy đảm bảo cho các chi tiết chế tạo từ vật liệu này làm việc vớ i đô tin cậycao.

+ Khi sử dụng vật liệu PC gia cườ ng bằng sợ i có môđun cao sẽ giảm đượ c mômen quán tính ở

tốc độ tớ i hạn của các tr ục quay và do đó giảm đượ c số lượ ng các gối hay ổ đỡ trung gian, hoặccho phẻ p tr ục quay làm việc vớ i tốc độ cao hơ n

+ Chống ăn mòn là đặc tính của loại vật liệu này dựa vào việc lựa chọn loại nhựa nền thích hợ p

+ Tính ổn định kích thướ c của các k ết cấu từ vật liệu PC là điều kiện r ất quan tr ọng để ứng dụngtrong thiết bị máy công nghiệ p, kính viễn vọng, cánh tay robot

+ Các chi tiết và liên k ết tiêu chuẩn từ vật liệu PC có thể sản xuất nhanh và kinh tế hơ n so vớ itr ườ ng hợ p dùng kim loại. Đồng thờ i dễ thay thế hơ n

+ Vật liệu PC có khả năng cách âm và giảm xóc tuyệt vờ i. Độ rung về âm thanh và cơ học có thể giảm 10% so vớ i kim loại.





+ Tính chất ma sát và mài mòn của vật liệu PC gia cườ ng bằng sợ i cacbon là r ất tốt. Hệ số ma sátcủa compozit cacbon trên thép chỉ bằng 40% so vớ i thép trên thép có bôi tr ơ n.

+ Vật liệu PC có khả năng chịu khí hậu tốt trong môi tr ườ ng nướ c biển+ Do khối lượ ng nhẹ, nên các chi tiết chế tạo từ PC r ất dễ tháo r ờ i và vận chuyển

+ Giảm đượ c phế liệu trong quá trình gia công, do các chi tiết từ vật liệu PC thườ ng đượ c làmtheo đúng hình dáng và sản phẩm yêu cầu chứ không phải bằng phươ ng pháp phay bào tiệnkhoan như đối vớ i kim loại.

8.3. Một số phươ ng pháp chế tạo k ết cấu từ vật liệu polyme compozit

8.3.1. Đặc trư ng chung của công nghệ

Vì vật liệu compozit là vật liệu đượ c chế tạo nên từ hai hay nhiều thành phần khác nhau, vìthế quá trình chế tạo chúng và các k ết cấu từ compozit là sự tổng hòa của r ất nhiều quá trình vàthao tác công nghệ khác nhau. Đặc tr ưng chung của công nghệ chế tạo các k ết cấu sản phẩm từ compozit polyme bao gồm những thao tác cơ bản sau:+ Chuẩn bị vật liệu nền và cốt ( bao gồm cả việc kiểm tra chất lượ ng và tính chất của chúng xemcó phù hợ p vớ i yêu cầu k ỹ thuật không, xử lý bề mặt sợ i cốt để tăng độ bền k ết dính, loại bỏ cácchất bẩn và tạ p chất, sấy khô…)+ K ết dính vật liệu nền và cốt: Việc k ết dính này có hai cách thức: tr ực tiế p và gián tiế p. Phươ ng pháp tr ực tiế p là phươ ng pháp mà trong quá trình sản xuất k ết cấu tr ực tiế p k ết dính từ các vậtliệu thành phần ban đầu, bỏ qua giai đoạn chuẩn bị các bán thành phẩm. Phươ ng pháp gián tiế plà phươ ng pháp các chi tiết của k ết cấu đượ c tạo ra từ các bán thành phẩm, khi sợ i đã đượ c tẩmnhựa nền từ tr ướ c

Cho đến nay đã có r ất nhiều quá trình sản xuất chế tạo các k ết cấu chi tiết từ compozit vớ inhững hình dạng cấu trúc và mục đích sử dụng khác nhau. Những công nghệ cơ bản sẽ đượ c giớ ithiệu ngay sau đây

8.3.2. Một số phươ ng pháp gia công chế tạo k ết cấu từ compozit

Vớ i sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, đặc biệt là cơ khí tự động hóa và tinhọc ngày nay có r ất nhiều phươ ng pháp gia công vật liệu PC, tùy thuộc vào mục đích vào qui môsản xuất vào tính chất và kích thướ c của k ết cấu cũng như vào yêu cầu k ỹ thuật mà lựa chọn phươ ng pháp gia công thích hợ p. Sau đây là một số phươ ng pháp gia công phổ biến:

+ Lăn ép bằng tay: Đây là phươ ng pháp dùng rulô hay chổi quét tẩm nhựa lên vải sợ i. Sợ i giacườ ng xế p trong khuôn. Sử dụng các loại gia cườ ng khác nhau cho các phần k ết cấu của sản phẩm. Sau đó tẩm nhựa lên sợ i gia cườ ng r ồi dùng rulô ép để loại bỏ không khí. Tiế p tục sử dụngk ỹ thuật như trên cho đến khi k ết cấu đạt đến độ dày cần thiết. Tách sản phẩm sau một thờ i gianxác định để cho nhựa nền đóng r ắn hoàn toàn. Chú ý là tr ướ c khi gia công để cho dễ dàng táchsản phẩm phải bôi lên khuôn một chất chống dính thích hợ p. Phươ ng pháp gia công này sử dụngr ất phổ biến vì thiết bị máy móc đơ n giản, không cần công nhân có trình độ tay nghề cao tuynhiên nhượ c điểm của nó là r ất độc hại đối vớ i sức khỏe của ngườ i thi công tr ực tiế p và làm ônhiễm môi tr ườ ng.





Điểm đặc biệt của quá trình công nghệ này là nhận đượ c sản phẩm vớ i kích cỡ chính xác,và có độ nhẵn bề mặt ở phần tiế p xúc vớ i khuôn trong quá trình chế tạo. Khuôn có thể đượ c chế tạo từ vật liệu tùy ý, nhưng phải đảm bảo đượ c độ cứng và đảm bảo đượ c khi thi công tạo đượ cdáng sản phẩm vớ i kích cỡ đạt yêu cầu. Ngoài ra khuôn còn phải chịu đượ c các tác động hóa họccủa nhựa nền. Thông thườ ng khuôn đượ c chế tạo từ gỗ, thạch cao, bê tông, kim loại.

Các l ỗ i k ỹ thuật và cách khắ c phục trong phươ ng pháp đắ p tay:

Các sai hỏng Nguyên nhân Cách khắc phục

Gel coat dính khuôn Sử dụng không đúng chấtróc khuôn

Bôi lại chất róc khuôn và giữ khô. Nếu còn có thể phun PVOH trên lớ pwax

Nhựa đi qua lớ pgelcoat Gelcoat bị tr ươ ng và tách rakhỏi bề mặt khuôn do khôngđủ chất đóng r ắn và do styrentrong nhựa

Cho gelcoat đóng r ắn nhanh. Lớ pgelcoat khoảng 0.025 – 0.035mm làvừa. Đóng r ắn nhanh lớ p nhựa phủ trêngelcoat bằng cách thêm vào chất xúctiến

Bề mặt sản phẩmmờ không bóngláng

Lấy sản phẩm nhanh. bề mặtkhuôn bị làm bẩn.

Kéo dài thờ i gian đóng r ắn củagelcoat và sản phẩm

Lớ p gel coat có các

lỗ khuyết

Do sự phồng lên của lớ p

gelcoat (lớ p gelcoat bị tách rakhỏi lớ p nhựa) và giữ khôngkhí trong đó.

Phun gel coat thành nhiều lớ p.

kiểm tra các vết tr ươ ng sau khi đắ p.Sửa chữa liền sau khi tháo khuôn bằngcách đắ p mastic.

Bọt, tr ươ ng phồng,r ỗ trên mặt gelcoat

Bọt khí, dung môi, dơ , nhiệtđộ sinh ra trong quá trình giacông quá cao

Hạn chế bọt khi trong quá trìnhkhuấy tr ộn xúc tác. giữ ổn định trongthờ i gian ngắn sau khi tr ộn và tr ướ ckhi phun. Làm sách khu vực làm việcvà khuôn

Hinh.8.2 Công nghệ l ăn épbằ ng tay. 1.con l ăn, 2.khuôn,3.gel cố t, 4. sợ i gia cườ ng,5.chấ t chố ng dính, 6. nhự anề n





Xuất hiện các vùngmền

Đóng r ắn không đồng đều Đưa thêm xúc tác và tr ộn k ỹ

Có những vết r ỗ lớ n Sử dụng quá nhiều chất róckhuôn tại các góc sản phẩmlàm cho gelcoat không thấmướ t vùng này

Cẩn thận khị chọn lựa và sử dụng chấtróc khuôn

Xuất hiện cácrãnh và khe nứt

Vết nứt lớ n là do tại đólớ p gelcoat quá dày hay nhiệtđộ tỏa ra lớ n.

Phun gelcoat đồng đều hơ n. Tr ộnchất xúc tác k ỹ hơ n. Cẩn thận trong khi phun.

Các vếtkhuyết dọc theo bềmặt.

Độ nhớ t của nhựa quáthấ p, khuôn và nhiệt độ phòng quá cao.

Điều chỉnh lại độ nhớ t của nhựa.Giản nhiệt độ phòng và khuôn

Bọt khí Bọt khí bị giữ trong sợ isau khi thấm ướ t nhựa.

Khử bọt cẩn thận hơ n, có thể thấm tr ướ c một lượ ng nhựa lên khuôn.Có thể pha thêm một lượ ng nhỏ màuxanh vào nhựa để có thể nhận thấy bọtdễ dàng

+ Ép nóng trong khuôn: Quá trình hiệu quả kinh tế nhất để sản xuất trên qui mô lớ n các k ết cấucó kích thướ c nhỏ đến trung bình. Chế tạo sản phẩm bằng máy ép thủy lực và khuôn kim loạiđượ c gia nhiệt. Sợ i gia cườ ng đượ c xế p vào trong khuôn gia nhiệt đượ c phủ một lớ p chống dính. Nhựa có chất xúc tác đượ c rót lên. Khuôn đượ c đóng mở chính xác phụ thuộc vào tốc độ phảnứng của nhựa. Phươ ng pháp này

+ Đúc kéo: Để chế tạo sản phẩm dạng thanh thẳng hoặc uốn, vớ i thiết diện không đổi đượ c giacườ ng chắc chắn theo một phươ ng. Sản phẩm gia cườ ng đượ c thấm nhựa trong bể nhựa đã choxúc tác. Sau đó sợ i gia cườ ng đã tẩm nhựa đượ c kéo qua một khuôn gia nhiệt để gạt bỏ phầnnhựa thừa, tạo hình cho sản phẩm đồng thờ i đóng r ắn nhựa.

Hình 8.3 công nghệ ép nóngtrong khuôn, 1. tr ục d ẫ nđộng, 2. nhự a+sợ i, 3. khuônd ươ ng, 4. khuôn âm, 5. đ iệntr ở gia nhiệt





+ Phươ ng pháp quấ n: Công nghệ quấn các k ết cấu compozit đã xuất hiện vào đầu những năm60 của thế k ỷ tr ướ c, tr ải qua một thờ i gian khá dài hoàn thiện công nghệ đến nay công nghệ quấn

đã đạt đến trình độ tiên tiến tự động hoặc bán tự động, cho phép chế tạo đượ c nhiều loại k ết cấucó độ bền cao

Trong phươ ng pháp quấn sợ i gia cườ ng đượ c tẩm nhựa có xúc tác cho cuộn xung quanhmột tr ục quay tròn có hình dáng của mặt trong k ết cấu cần chế tạo. Sau khi quấn vớ i những số lần quấn nhất định theo các chiều khác nhau, đạt đượ c độ dày và cấu trúc cốt thiết k ế, sản phẩmđượ c tr ải qua quá trình đóng r ắn và tháo sản phẩm. Sản phẩm có tỷ lệ sợ i gia cườ ng cao nên tínhchất cơ học cao.

Công nghệ quấn chủ yếu đượ c dùng để chế tạo các k ết cấu có hình dạng của vật thể quay,các ống k ỹ thuật, ống dẫn dầu, nướ c, hóa chất, các lọai bình chứa, xitec, vỏ động cơ tên lửa, cácthùng chuyên tr ở vận tải, các thân vỏ của máy bay. Chính vì ứng dụng trong r ất nhiều l ĩ nh vực

của khoa học k ỹ thuật như vậy nên phươ ng pháp này là một trong những phươ ng pháp r ất quantr ọng trong công nghệ chế tạo compozit.

+ Công nghệ SMC hay còn gọi là cán tấm: Theo phươ ng pháp này nhựa sau khi tr ộn sẽ đượ c bơ m lên màng nhựa ở cả hai vị trí cùng một lúc, sợ i liên tục sẽ đượ c cắt bở i một dao cắt phía trênmáy và r ải đều lên vào giữa hai lớ p nhựa. Toàn bộ nguyên vật liệu này sẽ đi qua bộ phận cántấm. Hệ thống cán tấm này nhằm tạo ra sự thấm uớ t đồng đều của nhựa lên sợ i.

Hình 8.4. Công nghệ đ úckéo, 1. Khuôn đ óng r ắ n, 2.con l ăn kéo, 3. thớ t gianhiệt, 4. S ợ i gia cươ ng, 5.tang quay, 6 bể t ẩ m nhự anề n, 7. sản phẩ m

Hình 8.5. Công nghệ cuôn, 1. Đầu cấ p sợ i,2. động cơ , 3. thânmáy, 4 sợ i đ ã t ẩ mnh a 5. lõi tr c





Nhữ ng ư u đ iể m của công nghệ SMC

Kiểm soát đượ c sợ i trong SMC do đó điều chỉnh tính năng cơ lý tính của sản phẩm

Sản phẩm đuợ c ép trong khuôn có thể tạo gân, tạo lỗ hoặc đưa chi tiết phụ vào Tr ọng lượ ng nhẹ, SMC có tr ọng lượ ng riêng nhẹ hơ n cấu trúc kim loại.

Ổn định kích thướ c, SMC có độ ổn định kích thướ c trong những điều kiện nhiệt độ vàmôi tr ườ ng. Sự thay đổi thể tích khi gia công cũng có thể kiểm soát theo lượ ng phụ giađưa vào trong công thức.

+ Công nghệ khuôn chân không ô tôcla: Phươ ng pháp này đượ c áp dụng để sản xuất các sản phẩm có kích thướ c lớ n vớ i cấu trúc phức tạ p, vớ i những đòi hỏi và ổn định về tiêu chuẩn cơ lýhóa khi khai thác sử dụng chúng và vớ i số lượ ng sản phẩm lớ n. Quá trình chế tạo sản phẩm đượ cthực hiện dướ i sự chênh lệch áp lực lên màng đàn hồi điapham trong bình otocla. Nhiệt độ trong

bình đượ c làm tăng lên sau khi đưa khuôn có vật liệu vào. Các túi chân không đàn hồi điaphamcó tác dụng phân bố đồng đều áp suất lên khuôn. Dướ i tác dụng của nhiệt độ và áp lực ép của túichân không vật liệu đóng r ắn thành sản phẩm mong muốn.

8.4. Ứ ng dụng của vật liệu polyme compozit

Hiện nay, các l ĩ nh vực ứng dụng của vật liệu compozit hết sức phong phú, từ những sản phẩm đơ n giản như bồn tắm, thùng chứa nướ c, tấm lợ p… cho đến những chi tiết và k ết cấu phức

Hình 8.6 dây chuyề n công

nghệ SMC, 1.SMC,2,4.màng nhự a, 3. sợ i, 5nhự a. 6. dao cắ t sợ i, 7. sợ ing ắ n

Hình 8.7 .khuôn chân khôngô tôc la, 1. gia nhiệt, 2. khôngkhí vào, 3. vật liệu, 4. hútchân không, 5. khuôn, 6. túi

điapham.





tạ p có những yêu cầu đặc biệt trong máy bay, tàu vũ tr ụ. Những ứng dụng quan tr ọng của vậtliệu compozit có thể qui về những l ĩ nh vực lớ n sau đây:

8.4.1. Ứ ng d ụng trong chế t ạo ôtô và các phươ ng ti ện giao thông trên mặt đấ tViệc sử dụng vật liệu compozit trong chế tạo ô tô đem lại những hiệu quả sau đây;

+ Giảm tr ọng lượ ng, tiết kiệm nhiên liệu, tăng các thông số sử dụng, chịu ăn mòn tốt

+ Tăng độ lớ n của chi tiết, giảm chi phí sản xuất.

+ Giảm độ ồn và độ rung, tăng độ tiện nghi

+ Giảm nguy hiểm cho ngườ i khi xảy ra tai nạn

+ Giảm vốn đầu tư cho thiết bị sản xuất

Hiện nay hầu hết các loại ô tô đua và nhiều chi tiết trên các ô tô vận tải và hành khách

đượ c chế tạo từ vật liệu compozit.

8.4.2. Ứ ng d ụng trong l ĩ nh vự c đ óng tàu

Vật liệu polyme compozit dạng chất dẻo tăng cườ ng bằng sợ i thủy tinh đượ c ứng dụngr ộng rãi trong công nghiệ p đóng tàu từ thờ i điểm bắt đầu sử dụng vật liệu đó vào công nghiệ pnăm 1940. Độ bền riêng lớ n, tuổi thọ cao, bền vớ i môi tr ườ ng nướ c biển, đơ n giản khi sử dụngvà sửa chữa, độ dẫn nhiệt thấ p hơ n so vớ i kim loại. Ngoài ra vật liệu này còn cho phép ngườ ithiết k ế tàu sử dụng độ mềm dẻo của vật liệu vào các k ết cấu mà những kim loại thông thườ ngkhông có.

Đối vớ i tàu chiến và đặc biệt là tàu ngầm tiếng động của động cơ chân vịt là một tr ở ngạir ất lớ n trong thiết k ế và sử dụng tàu, thật ra, chân vịt tàu ngầm đã đượ c nghiên cứu r ất k ỹ trên phươ ng diện thiết k ế hình dạng, vật liệu, thủy động lực học và âm học. Nó đượ c chế tạo bằnghợ p kim nickel, nhôm và đồng, có đườ ng kính 6 m, nặng hơ n 40 tấn. Thờ i gian cần để hoànthành một chân vịt là 12 tháng. Hợ p kim nầy có khả năng chống rung r ất hiệu quả nhưng tiếngồn gây ra bở i sự tác động giữa nướ c và khối kim loại khổng lồ nặng 40 tấn vẫn không thể giảmthiểu. Chân vịt compozitdùng sợ i carbon đang đượ c các nhà khoa học và k ỹ sư thiết k ế đặc biệtlưu tâm. Đây là một thách thức lớ n nhưng cũng có thể là lờ i giải cho trong việc chống rung giảmtiếng ồn, giảm thờ i gian sản xuất, giảm tiêu hao nhiên liệu, tăng vận tốc, tăng sự linh hoạt trongthao tác chiến đấu.

8.4.3. Ứ ng d ụng trong hàng không và vũ tr ụ

Theo số liệu thống kê của hãng sản xuất máy bay Airbus, khi sử dụng chất dẻo tăng cườ ng bằng sợ i cabon trong sản xuất loại máy bay A380 thì có sự thay đổi một cách cơ bản về chi phícho vật liệu sản xuất. Do chất dẻo cacbon đắt nên giá thành của máy bay tăng từ 20,5-73,8%song chi phí sản xuất lại giảm từ 79,5-22,9%. Nếu tính chung thì hiệu quả kinh tế vẫn cao hơ n.Vấn đề quan tr ọng nhất là giảm đượ c tr ọng lượ ng k ết cấu, nhờ vậy mà giảm đượ c tiêu hao nhiênliệu, tăng khối lượ ng vận chuyển và tầm bay xa.

Trong ngành vũ tr ụ, việc chế tạo các chi tiết của tàu vũ tr ụ bằng vật liệu compozit sợ icacbon r ất phổ biến và chỉ có vật liệu đó mớ i đáp ứng đượ c những yêu cầu công nghệ và k ỹ thuậtmà các chi tiết đòi hỏi. Vớ i mép và cánh tàu vũ tr ụ một yêu cầu k ỹ thuật là vật liệu phải chịu





đượ c nhiệt độ cao và bền vững vớ i các tải khí động lực học và sự thay đổi nhiệt độ lớ n trên bề mặt các chi tiết khi bị va chạm. Đối vớ i loa phụt của động cơ tên lửa nhờ có vật liệu compozitsợ i cacbon mà bộ phân quan tr ọng này trong vòng 15 năm tr ở lại đây đã có những thay đổi lớ nvề kích cỡ , cấu trúc và hình dáng.

Vật liệu compozit cacbon-cacbon cũng đượ c xem là vật liệu tốt nhất để làm chóp khí độngcơ tên lửa. Những chóp này đượ c làm từ vật liệu compozit cacbon có độ bền cao vớ i sự ô xy hóacủa không khí ở nhiệt độ cao, các thử nghiệm gần đây cho thấy r ằng chóp khí làm bằng loại vậtliệu này giữ đượ c hình dáng và bảo vệ đượ c các thiết bị bên trong tên lửa khi làm việc ở điềukiện nhiệt độ trên 2760oC và vận tốc lớ n hơ n 5370m/s.

8.4.4. Các ứ ng d ụng quan tr ọng khác của vật li ệu polyme compzozit

Vật liệu polyme compozit trên cơ sở sơ i cacbon tươ ng thích r ất tốt vớ i các mô của cơ thể sống, vì vậy vật liệu sợ i cacbon này đượ c dùng đê chế tạo các thiết bị y tế, các bộ phận thay thế

như xươ ng, chất hàn r ăng, vỏ sọ não. Các loại vải cabon khi băng các vết bỏng làm cho chúngmau lành và khi gỡ thay băng r ất róc, không gây thươ ng tổn cho vết thươ ng vừa mớ i lành. Những năm gần đây polyme compozit sợ i cacbon còn đượ c dùng để chế tạo ra các thiết bị viễnthông đặc biệt là anten do nó có hệ số giãn nở nhiệt thấ p, độ cứng cao và dẫn nhiệt tốt.

Ngoài ra do có độ bền hóa học cao, compozit polyme sợ i cacbon còn đượ c dùng nhiềutrong công nghiệ p hóa chất để chế tạo các ống dẫn, các bể chứa, các loại máy bơ m, các loại bìnhchứa các hóa chất và các thiết bị khác phải làm việc trong môi tr ườ ng hóa học độc hại.

Đối vớ i ngành luyện kim vật liệu compozit có thể chế tạo ra các khuôn đúc áp lực cho việcdậ p nóng các kim loại và các hợ p kim khó nóng chảy. Các khuôn đúc bằng vật liệu này có độ bền cơ lý cao, chịu đượ c nhiệt độ cao, bền vớ i ứng suất nóng, lại nhẹ và có thờ i gian sử dụng lâu

hơ n khuôn đúc làm từ các vật liệu truyền thống.




TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đình Đức, vật liệu compozit cơ học và công nghệ, nhà xuất bản

khoa học k ỹ thuật Hà Nội, 2007.

2. Nghiêm Hùng, vật liệu học cơ sở , nhà xuất bản khoa học k ỹ thuật, 2007

3. Tr ần V ĩ nh Diệu, Tr ần Trung Lê, môi tr ườ ng trong gia công chấ t d ẻo và compozit , nhà xuất

bản đại học Bách Khoa Hà Nội, 20074. J.W.Martin, material for engineering , third edition, CRC Press

5. GauTam R. DesiRaJu, Crystal design: structure and function, Wiley

6. Michael F. Ashby, David R.H Jones, enginerring material: an introduction to their properities

and application, Butterworth Heinmann

7. Richard J.D. Tilley, Crystals and Crystals structure, John Wiley and Sons, LTD

8. R.J. Crawford, Plastics enginerring , Third Edition, Butterworth Heinmannn.

9. Arie Ram, Fundamentals of Polymer enginerring , Plenum Pres.

10. Daniel Gay, Suong V. Hoa, Stephen W. Tsai, Composites material: Design and application,

Bài giảng Vật liệu kỹ thuật - Bộ môn Cơ học - Vật liệu

Documents

Transcript of Bài giảng Vật liệu kỹ thuật - Bộ môn Cơ học - Vật liệu