Kim loại học - Phần 1 ppt

Tiểu luân môn Kim Loại Học- thực hiện Nguyễn Văn Khải

Phần I Đại cương về kim loại

1.1 Kim loại là gì

Hiện nay người ta đã biết hơn 100 nguyên tố hóa học gồm hai loại ;kim loại và ánh kim, trong đó kim loại chiếm

tới ¾ . để phân biệt được hai loại này ta phải dựa vào hệ số nhiệt độ của điện trở : đối với kim loại hệ số này là

dương (+), tức là khi tăng nhiệt độ ,điện trở xẽ tăng lên, đối với ánh kim hệ số này là âm (-)

1.1.1 Liên kết kim loại

Là liên kết kim loại hình thành bởi lực hút tĩnh điện giữa ion dương kim loại nằm ở các nút mạng tinh thể và các

electron tự do di chuyển trong toàn bộ mạng lưới tinh thể kim loại

Ion dương kim loại

Hút

nhau

Kim loại có những tính chất vật lí chung là: tính dẻo, tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt và ánh kim

a) Tính dẻo: các lớp mạng tinh thể kim loại khi trượt lên nhau vẫn liên kết được với nhau nhờ lực hút tĩnh điện

của các electron tự do với các cation kim loại. Những kim loại có tính dẻo cao là Au, Ag, Al, Cu, Zn…

1

Tiểu luân môn Kim Loại Học- thực hiện Nguyễn Văn Khải

b) Tính dẫn điện: nhờ các electron tự do có thể chuyển dời thành dòng có hướng dưới tác dụng của điện trường.

Nói chung nhiệt độ của kim loại càng cao thì tính dẫn điện của kim loại càng giảm. Kim loại dẫn điện tốt nhất là

Ag, tiếp sau là Cu, Au, Al, Fe…

c) Tính dẫn nhiệt: nhờ sự chuyển động của các electron tự do mang năng lượng (động năng) từ vùng có nhiệt độ

cao đến vùng có nhiệt độ thấp của kim loại. Nói chung kim loại nào dẫn điện tốt thì dẫn nhiệt tốt

d) Ánh kim: nhờ các electron tự do có khả năng phản xạ tốt ánh sáng khả kiến (ánh sáng nhìn thấy)

1.1.2 những tính chất vật lí chung của kim loại như trên chủ yếu do các electron tự do trong kim loại gây

ra

3. Cấu tạo tinh thể của các kim loại

Hầu hết các kim loại ở điều kiện thường đều tồn tại dưới dạng tinh thể (trừ Hg).

Trong tinh thể kim loại, nguyên tử và ion kim loại nằm ở những nút của mạng tinh thể. Các electron hoá trị liên kết

yếu với hạt nhân nên dễ tách khỏi nguyên tử và chuyển động tự do trong mạng tinh thể.

Đa số các kim loại tồn tại dưới ba kiểu mạng tinh thể phổ biến sau :

a) Mạng tinh thể lục phương

Trong tinh thể, thể tích của các nguyên tử và ion kim loại chiếm 74%, còn lại 26% là các

khe rỗng. Thuộc loại này có các kim loại : Be, Mg, Zn,...

b) Mạng tinh thể lập phương tâm diện

Các nguyên tử, ion kim loại nằm trên các đỉnh và tâm các mặt của hình lập phương.

Trong tinh thể, thể tích của các nguyên tử và ion kim loại chiếm 74%, còn lại 26%

là các khe rỗng. Thuộc loại này có các kim loại : Cu, Ag, Au, Al,...

c) Mạng tinh thể lập phương tâm khối

Các nguyên tử, ion dương kim loại nằm trên các đỉnh và tâm của hình lập phương.

Trong tinh thể, thể tích của các nguyên tử và ion kim loại chỉ chiếm 68%, còn lại 32%

là các khe rỗng. Thuộc loại này có các kim loại : Li, Na, K, V, Mo,...

1.1.3 Tính chất vật lí chung của kim loại

1. Tính dẻo

Khác với phi kim, kim loại có tính dẻo : dễ rèn, dễ dát mỏng và dễ kéo sợi. Vàng là kim loại có tính dẻo cao, có

thể dát thành lá mỏng đến mức ánh sáng có thể xuyên qua.

Kim loại có tính dẻo là vì các ion dương trong mạng tinh thể kim loại có thể trượt lên nhau dễ dàng mà không

tách ra khỏi nhau nhờ những electron tự do chuyển động dính kết chúng với nhau.

2. Tính dẫn điện

Khi đặt một hiệu điện thế vào hai đầu dây kim loại, những electron tự do trong kim loại sẽ chuyển động thành

dòng có hướng từ cực âm đến cực dương, tạo thành dòng điện.

Kim loại dẫn điện tốt nhất là Ag, sau đó đến Cu, Au, Al, Fe,...

2

Tiểu luân môn Kim Loại Học- thực hiện Nguyễn Văn Khải

Nhiệt độ của kim loại càng cao thì tính dẫn điện của kim loại càng giảm do ở nhiệt độ cao, các ion dương dao

động mạnh cản trở dòng electron chuyển động.

3. Tính dẫn nhiệt

Tính dẫn nhiệt của các kim loại cũng được giải thích bằng sự có mặt các electron tự do trong mạng tinh thể.

Các electron trong vùng nhiệt độ cao có động năng lớn, chuyển động hỗn loạn và nhanh chóng sang vùng có

nhiệt độ thấp hơn, truyền năng lượng cho các ion dương ở vùng này nên nhiệt lan truyền được từ vùng này đến

vùng khác trong khối kim loại.

Thường các kim loại dẫn điện tốt cũng dẫn nhiệt tốt.

4. ánh kim

Các electron tự do trong tinh thể kim loại phản xạ hầu hết những tia sáng nhìn thấy được, do đó kim loại có vẻ

sáng lấp lánh gọi là ánh kim

1.2 .1 Sắt các bon

1. Cac bon (C): Cacbon lµ nguyªn tè ¸ kim, cã hai d¹ng thï h×nh: GraphÝt (gang) vµ Kim c¬ng.

ë ®iÒu kiÖn thêng Cacbon æn ®Þnh ë thÓ GraphÝt, cßn Kim c¬ng æn ®Þnh ë nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt cao.

Trong hîp kim S¾t – Cacbon, Cacbon ë thÓ GraphÝt (G). GraphÝt cã kiÓu m¹ng lôc gi¸c; mÒm.

Trong thiªn nhiªn phÇn lín Cacbon ë d¹ng v« ®Þnh h×nh (c¸c lo¹i than).

2. S¾t (Fe):S¾t lµ kim lo¹i, trong thiªn nhiªn S¾t cã trong c¸c lo¹i quÆng, ®Êt ®¸, cã kh¸ nhiÒu

ë líp vá tr¸i ®Êt. S¾t vµ hîp kim cña S¾t ®ãng vai trß to lín trong sù tiÕn hãa vµ ph¸t triÓn cña

lÞch sö loµi ngêi.

S¾t tuy cã ®é bÒn, ®é cøng kh¸ cao song chưa ®¸p øng ®îc c¸c yªu cÇu cña kü thuËt. Trong kü thuËt thêng

sö dông c¸c hîp kim cña s¾t, cã c¬ tÝnh cao h¬n, hÇu nh kh«ng dïng s¾t nguyªn chÊt.

* C¬ tÝnh cña s¾t:

- σb kÐo = 250 N/mm2

- σch = 120 N/mm2

- δ = 50 %

- Ψ = 85 %

- HB = 80 KG/mm2

- αk = 3000 KJ/m2

* TÝnh thï h×nh cña s¾t:

S¾t tån t¹i ë hai d¹ng: Feα vµ Feγ

- Feα cã kiÓu m¹ng lËp ph¬ng thÓ t©m; tån t¹i ë c¸c kho¶ng nhiÖt ®é :

+ Díi 9110 C

+ Tõ 13920 C ®Õn 15390 C

- Feγ cã kiÓu m¹ng lËp ph¬ng diÖn t©m; tån t¹i ë c¸c kho¶ng nhiÖt ®é: Tõ 9110 C ®Õn 13920C.

1.2.2 C¸c t¬ng t¸c cña Fe - C

S¾t vµ Cacbon t¬ng t¸c víi nhau theo hai c¸ch:

3

Tiểu luân môn Kim Loại Học- thực hiện Nguyễn Văn Khải

- Cacbon hßa tan vµo s¾t t¹o thµnh dung dÞch r¾n Fe – C.

- Cacbon t¸c dông víi s¾t t¹o thµnh hîp chÊt hãa häc.

+ Dung dÞch r¾n Fe – C: Cacbon cã ®êng kÝnh nguyªn tö nhá h¬n S¾t nªn dung dÞch r¾n Fe – C lµ dung

dÞch r¾n xen kÏ.

Feα hßa tan: cã díi 0,02 ®Õn 0,1 %C.

Feγ hßa tan: cã díi 2,14 %C

ThÐp vµ gang lµ hai hîp kim phæ biÕn cña Fe – C

+ Hîp chÊt hãa häc cña Fe víi C (Xementit:Fe3C) S¾t t¸c dông víi Cacbon t¹o thµnh 3 hîp chÊt: Fe3C

(6,67%C), Fe2C (9,67%C) vµ FeC (17,67%C) Tuy nhiªn, c¸c hîp kim cña Fe – C thêng chøa díi

5%Cacbon (thÐp vµ gang), nªn trong chóng chØ gÆp Fe3C

+ Hîp chÊt hãa häc cña Fe víi Cacbon(Xementit: Fe3C) Fe3C t¹o thµnh khi lîng Cacbon trong hîp kim

lín h¬n giíi h¹n hßa tan cña nã trong S¾t. Fe3C lµ pha kh«ng æn ®Þnh, ë nhiÖt ®é cao sÏ bÞ ph©n hñy thµnh

Fe vµ C. Fe3C rÊt dßn vµ cøng (kho¶ng 800 hb).

1.3. Giảng đồ trạng thái

1.3.1. Kh¸i niÖm

- §Þnh nghÜa: Gi¶n ®å tr¹ng th¸i lµ biÓu ®å chØ râ sù phô thuéc cña tr¹ng th¸i pha víi thµnh phÇn hãa häc

cña hîp kim, gi÷a nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt. C¸c hÖ hîp kim kh¸c nhau cã kiÓu gi¶n ®å tr¹ng th¸i kh¸c nhau vµ

®îc x¸c lËp chñ yÕu b»ng thùc nghiÖm.

- C«ng dông: Tõ gi¶n ®å cã thÓ x¸c ®Þnh ®îc nhiÖt ®é ch¶y, nhiÖt ®é chuyÓn biÕn pha cña hîp kim víi

thµnh phÇn ®· cho khi nung ch¶y vµ khi lµm nguéi; tõ ®ã cã thÓ x¸c ®Þnh ®îc chÕ ®é nhiÖt khi ®óc, gia

c«ng ¸p lùc vµ nhiÖt luyÖn. Chó ý: nhiÖt ®é chuyÓn biÕn vµ cÊu t¹o pha trªn gi¶n ®å chØ øng víi tr¹ng th¸i

c©n b»ng.

- C¸ch x©y dùng: Gi¶n ®å tr¹ng th¸i cña hÖ hîp kim ®îc x©y dùng b»ng thùc nghiÖm. Nguyªn t¾c chung ®Ó

x©y dùng gi¶n ®å cña hÖ hîp kim lµ: dïng mét lîng lín c¸c mÉu víi c¸c thµnh phÇn kh¸c nhau, b»ng c¸c

ph¬ng ph¸p hãa nhiÖt luyÖn ®Ó x¸c ®Þnh c¸c tæ chøc h×nh thµnh ë tõng kho¶ng nhiÖt ®é.

1.3.2 noi dung giảng đồ

4

Tiểu luân môn Kim Loại Học- thực hiện Nguyễn Văn Khải

Trªn gi¶n ®å tr¹ng th¸i Fe – C chØ tr×nh bµy ®Õn 6,67% C, øng víi hîp chÊt hãa häc Xementit Fe3C.

* C¸c tæ chøc mét pha:

+Xementit (Xe hoÆc Fe3C): N»m ë biªn bªn ph¶i (®êng DFKL)

5

100%Fe

3

C

6,67%c

A

b

c

d

f

k

l

e

g

s

p

q

n

j

h

Láng ( L)

Austenit (γ)

L + γ

L + Xe I

L + α

6000c

10 20 30 40 50 60 70 80 90

0,8 1 2 2,14 3 4 4,3 5 6

α

γ + α

α + γ

α

α + Xe III α + P P Xe II + P Xe I + Le (P + Xe)

γ + Xe II + Le(γ + Xe) Xe I + Le (γ + Xe)

γ + Xe II

P + Xe II + Le (P + Xe)

11470C

7270C

9110c

16000c

15390c

13920c