Bài 4: Vật liệu kim loại và hợp kim
Nội dung lý thuyết
I. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
- Sắt (Fe) và hợp kim của nó (thép và gang) được gọi là sắt và hợp kim của sắt.
- Nhôm (Al), đồng (Cu), nickel (Ni), kẽm (Zn), chromium (Cr),... và hợp kim của chúng được gọi là kim loại và hợp kim màu.
- Sắt và hợp kim của sắt rẻ hơn kim loại và hợp kim màu, vì vậy được sử dụng nhiều hơn trong cơ khí.
- Tuy nhiên, kim loại và hợp kim màu có nhiều tính chất có giá trị như:
+ Độ bền, độ dẻo.
+ Khả năng chống ăn mòn.
+ Tính trang trí cao.
II. TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT LIỆU KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
1. Tính chất cơ học
- Kim loại và các hợp kim của nó có tính dẻo, đàn hồi, và độ bền kéo, độ bền nén nhất định.
- Kim loại cứng, có màu sắc ánh kim, có thể dát mỏng và gia công thành nhiều hình thù đa dạng.
- Mỗi kim loại và hợp kim có các tính chất cơ học khác nhau, phụ thuộc vào thành phần của chúng.
2. Tính chất vật lí
- Tính chất vật lí cơ bản của kim loại bao gồm:
+ Khối lượng riêng.
+ Nhiệt độ nóng chảy.
+ Tính giãn nở.
+ Tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện và từ tính.
- Kim loại và hợp kim có tính dẫn điện tốt nhờ các ion.
- Kim loại có tính dẫn nhiệt và từ tính tốt, cùng với điểm nóng chảy cao.
- Hầu hết kim loại ở thể rắn ở nhiệt độ môi trường, chỉ trừ thuỷ ngân và copernixi ở thể lỏng.
3. Tính chất hóa học
- Sắt và hợp kim của sắt dễ bị oxi hoá và ăn mòn trong môi trường acid muối.
- Hầu hết kim loại và hợp kim màu khó phản ứng hoá học, không dễ bị oxi hoá và không bị gỉ.
4. Tính công nghệ
- Thép: tính rèn, cắt gọt, đột, dập,... cao nhưng tính đúc thấp.
- Gang: không có khả năng rèn, dập nhưng tính đúc tốt.
- Các kim loại màu và hợp kim của chúng có tính rèn, dập, cán ép, cắt gọt cao vì độ dẻo lớn, một số có tính đúc tốt như đồng và hợp kim đồng.
III. MỘT SỐ VẬT LIỆU KIM LOẠI VÀ HỢP KIM THÔNG DỤNG
1. Gang
- Gang là hợp kim của sắt và carbon, hàm lượng C chiếm từ 2,14% đến 4,3%, có tính giòn, màu xám đặc trưng.
- Gang dẫn điện tốt, chịu ăn mòn kém, không có khả năng rèn, dập nhưng đúc tốt.
- Trong cơ khí, gang được dùng để chế tạo các chi tiết bạc trượt, các vỏ máy.
2. Thép carbon
- Thép carbon là hợp kim của sắt và carbon nhỏ hơn 2,14% với các tạp chất silic, manganese,...
- Thép carbon:
+ Có cơ tính tổng hợp cao và khả năng biến dạng dẻo tốt.
+ Có tính dẫn nhiệt tốt, điện trở lớn và tính chịu ăn mòn kém.
+ Có tính rèn, cắt gọt, đột dập, hàn, mài và là vật liệu xương sống của các ngành công nghiệp.
- Được sử dụng để sản xuất dụng cụ cắt, khuôn dập và các dụng cụ đo lường trong ngành cơ khí.
3. Thép hợp kim
- Thép hợp kim chứa nguyên tố hợp kim như Mn, Si, Cr, Ni, Ti,...
- Thép hợp kim có tính nhiệt luyện, bền ở nhiệt độ cao và tính chống ăn mòn tốt.
- Trong ngành cơ khí, thép hợp kim dùng để chế tạo các chi tiết chịu lực, nhiệt, ăn mòn và nâng cao tuổi thọ máy.
4. Nhôm và hợp kim nhôm
- Hợp kim nhôm là hợp kim của nhôm với các nguyên tố khác như đồng, thiếc, manganese,...
- Nhôm và hợp kim nhôm có:
+ Độ bền thấp.
+ Tính dẻo cao, mềm, dễ uốn.
+ Dễ dàng gia công trên các máy móc gia công cơ khí.
- Hợp kim nhôm cứng hơn, độ giãn dài tốt hơn, độ bền cao hơn và nhiều công dụng hơn.
- Nhôm và hợp kim nhôm có tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao.
- Trong ngành cơ khí, hợp kim nhôm được dùng trong chế tạo:
+ Máy bay.
+ Thiết bị ngành hàng không.
+ Đóng tàu.
+ Gia công cơ khí,...
5. Đồng và hợp kim đồng
- Hợp kim đồng là hợp kim của đồng với các nguyên tố hoá học khác để tạo thành nhiều loại hợp kim đồng khác nhau.
- Đồng và hợp kim đồng có tính dẻo, độ bền cao, tính dẫn điện và nhiệt tốt.
- Trong ngành cơ khí, đồng được sử dụng phổ biến làm các:
+ Ổ trượt.
+ Bánh răng.
+ Bánh vít.
6. Nickel và hợp kim nickel
- Hợp kim nickel là hợp kim của nickel với các nguyên tố khác như đồng, thiếc, manganese, silic, magnesium,...
- Nickel là một kim loại với màu sáng bạc trắng, hơi ngả vàng nhẹ.
- Nickel và hợp kim nickel có khả năng chống mài mòn tốt.
- Sử dụng chế tạo thép không gỉ, nam châm và nhiều ứng dụng khác trong cơ khí.
IV. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐƠN GIẢN NHẬN BIẾT TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA KIM LOẠI VÀ HỢP KIM
1. Quan sát màu sắc và mặt gãy của các mẫu
Quan sát màu sắc bên ngoài và mặt gãy của mẫu để nhận biết loại vật liệu kim loại và hợp kim.
2. Xác định tính cứng, tính dẻo
Sử dụng lực tay bẻ đoạn dây để nhận biết tính cứng và tính dẻo của vật liệu.
3. Xác định khả năng biến dạng
- Để kiểm tra tính biến dạng của kim loại và hợp kim, có thể dùng búa đập vào phần đầu các mẫu.
- Quan sát mẫu nào bị dẹt nhiều hơn thì có tính cứng cao hơn.
4. Xác định tính giòn của vật liệu
Dùng búa đập và quan sát vật liệu nào dễ gãy, vỡ thì có tính giòn lớn hơn.
5. Xác định khối lượng riêng
- Khối lượng riêng là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu.
- Dùng để biết được mức độ nặng nhẹ của các loại vật liệu khác nhau.