Sức bền vật liệu - Chương 5: Kim loại và hợp kim màu thông dụng

1 CHƯƠNG 5 KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MÀU THÔNG DỤNG 5.1. NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM 5.2. ĐỒNG VÀ HỢP KIM ĐỒNG 5.3. THIẾC- CHÌ- KẼM 5.4. HỢP KIM Ổ TRƯỢT NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM 2 3 CHƯƠNG 5: KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MÀU THÔNG DỤNG 5.1. NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM 5.1.1. Nhôm nguyên chất 1. Các đặc tính của nhôm - Là kim loại chỉ có một dạng thù hình, mạng tinh thể là lập phương tâm mặt, có màu sáng bạc; Lý tính  Khối lượng riêng :  = 2.7 g/cm3  Dẫn điện, dẫn nhiệt : tốt  Nhiệt độ nóng chảy : T = 660oC : thấp Hóa tính Al + O2 Al2O3 : Sít chặt (không xốp), liên kết chặt với nền kim lọai => Bảo vệ lớp bên trong  Không bị ăn mòn 4 CHƯƠNG 5: KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MÀU THÔNG DỤNG 5.1. NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM 5.1.1. Nhôm nguyên chất Cơ tính  Độ dẻo: =40% cao  Độ bền :  = 60 KG/mm2 : thấp  Độ cứng : HB = 25 : thấp Al  Biến dạng nguội  HB,  Tính công nghệ Gia công áp lực : Cán, kéo  Sợi, dây, thanh, tấm Gia công đúc : Dễ nấu chảy + Co ngót:lớn =>Tính đúc kém  5 CHƯƠNG 5: KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MÀU THÔNG DỤNG 2. Ký hiệu TCVN 1659-75 Chữ : Al Số : % Al Ví dụ : Al99 : Al = 99 % Al99.5 : Al = 99.5 % Các mác nhôm : Al 99 Al 99.5 Al 99.7 Al 99.95 Al 99.97 Al 99.99 6 CHƯƠNG 5: KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MÀU THÔNG DỤNG 3. Ứng dụng Sản xuất dây và cáp điện Xây dựng: lá nhôm, tấm lợp Công nghệ thực phẩm : Thùng đựng, bao gói Đồ dùng gia đình: xoong, nồi Sản xuất hợp kim Sản xuất hóa chất 7 5.1. NHÔM VÀ HỢP KIM NHÔM 5.1.2. Hợp kim nhôm - Theo giản đồ trạng thái Al có thể chia hợp kim nhôm của hệ bất kỳ nào thành hai nhóm là biến dạng và đúc. - Hợp kim nhôm biến dạng: + Các hợp kim (bên trái F) có tổ chức là dung dich rắn ở mọi nhiệt độ, không có chuyển biến pha nên không hoá bền bằng nhiệt luyện; + Các hợp kim (F – C’) có tổ chức là dung dịch rắn + pha thứ hai, hoá bền bằng nhiệt luyện. - Hợp kim nhôm đúc: là loại (bên phải điểm C’) trong tổ chức có cùng tinh. 8 5.1.2. Hợp kim nhôm a, Hợp kim nhôm biến dạng + Hợp kim nhôm với 4%Cu - b = 25  30 Kg/mm 2, sau 57 ngày b = 40Kg/mm 2 → hoá già tự nhiên; + Đura (đuraluminium – nhôm cứng) là hợp kim ba nguyên tố Al – Cu – Mg ( 4%Cu, 2%Mg). Ngoài ra còn có Fe,Si,Mn - Độ bền cao b = 42  47 Kg/mm 2, HB = 100,  = 15  18%, - Khối lượng riêng  = 2,8 g/cm3. - Độ bền riêng rất lớn ( b/  = 1516), trong khi thép CT51 là (6  6, 5), gang là (1,5 6) Dùng trong công nghiệp chế tạo máy bay, tàu vũ trụ, khung xe, sườn tàu biển, dụng cụ thể thao và xây dựng Nhược điểm của đura là tính chống ăn mòn kém( khắc phục bằng cách phủ nhôm nguyên chât).   ĐURA 9 5.1.2. Hợp kim nhôm b, Hợp kim nhôm đúc: (hệ hợp kim Al - Si ) + Silumin đơn giản (Al – Si) là HK nhôm đúc mà thành phần chủ yếu là Al và Si với hàm lượng Si=10  13%, còn lại 87-90% Al, độ bền và độ dẻo thấp (b =13 Kg/mm 2, δ =3%). Do đó phải biến tính để nâng cao cơ tính(sau biến tính b = 18 Kg/mm 2 ) Dùng để đúc các chi tiết có hình dáng phức tạp nhưng độ bền không cao( tải nhẹ) + Silumin phức tạp: - Là hợp kim Al với 4  10%Si ngoài ra còn có thêm các nguyên tố Cu, Mg, Zn, Mn... (có b = 20  25 Kg/mm 2, δ =1  6 %). Thường dùng: AlSi8Mg,AlSi6MgMnCu7.. Dùng làm bộ ly hợp, pittong động cơ các loại, ngoài ra dùng làm thân và nắp đcơ ôto 6 SiLUMIM 11 ĐỒNG VÀ HỢP KIM ĐỒNG 12 13 CHƯƠNG 5: KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MÀU THÔNG DỤNG 5.2. ĐỒNG VÀ HỢP KIM ĐỒNG 5.2.1. Đồng nguyên chất ( Cu ) a, Các đặc tính của đồng - Đồng là kim loại chỉ có một dạng thù hình, mạng tinh thể là lập phương tâm mặt. (cdck12) Lý tính  Khối lượng riêng :  = 8.94 g/cm3 : lớn  Dẫn điện, dẫn nhiệt : tốt  Nhiệt độ nóng chảy : T = 1083oC : tđ cao Hóa tính Cu + O2 Cu2O : Sít chặt (không xốp), liên kết chặt với nền kim lọai Không bị ăn mòn 14 CHƯƠNG 5: KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MÀU THÔNG DỤNG 5.2. ĐỒNG VÀ HỢP KIM ĐỒNG 5.2.1. Đồng nguyên chất ( Cu ) 1. Các đặc tính của đồng Cơ tính  Độ dẻo: - cao  Độ cứng, Độ bền: HB = 40-thấp ;  =16-thấp Cu  Biến dạng nguội  HB=125,  =45KG/mm2 Tính công nghệ Gia công áp lực: Cán, kéoSợi, dây, thanh, tấm Gia công đúc : Tnc-cao  Khó nấu chảy Tính hàn : tốt 15 CHƯƠNG 5: KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MÀU THÔNG DỤNG 5.2. ĐỒNG VÀ HỢP KIM ĐỒNG 5.2.1. Đồng nguyên chất ( Cu ) 2. Ký hiệu TCVN 1659-75 Chữ : Cu Số : % Cu Ví dụ : Cu 99.95 : Cu = 99.95 % Các mác đồng : Cu 99.90 Cu 99.95 Cu 99.97 Cu 99.99 16 CHƯƠNG 5: KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MÀU THÔNG DỤNG 5.2. ĐỒNG VÀ HỢP KIM ĐỒNG 5.2.1. Đồng nguyên chất ( Cu ) 3. Ứng dụng Sản xuất dây và cáp điện Sản xuất hợp kim Sản xuất hóa chất Đồ gia dụng 17 Đồng thau (La tông) Đồng thanh (Brông) Brông thiếc Brông berili Brông silic Brông nhôm Latông dẻo Latông cứng • Cu Brông chì 5.2. ĐỒNG VÀ HỢP KIM ĐỒNG 18 5.2. ĐỒNG VÀ HỢP KIM ĐỒNG 5.2.2. Hợp kim đồng - Theo thành phần hoá học các hợp kim đồng được phân thành đồng thau và đồng thanh a, Đồng thau – Latông (L): hợp kim đồng và kẽm -Đồng thau đơn giản: Cu + Zn. Hợp kim này có độ dẻo cao, độ bền và độ cứng phụ thuộc vào lượng Zn, khi %Zn tăng, b , HB tăng. Thường dùng LCu90Zn10, LCu70Zn30 làm các ống dẫn nhiệt, dẫn nước, lá đồng trong kỹ thuật điện. -Đồng thau phức tạp: ngoài Cu và Zn còn có các nguyên tố khác như Pb, Sn, Al, Ni để cải thiện tính chất của hợp kim. - Pb làm tăng tính cắt gọt, Sn làm tăng tính chống ăn mòn; Al,,Ni làm tăng cơ tính. LCuZn29Sn1( la tông có 1%Sn, 29%Zn, còn lại Cu); LCuZn40Pb1 19 5.2. ĐỒNG VÀ HỢP KIM ĐỒNG b, Đồng thanh – Brông (B): - Là hợp kim của đồng với các nguyên tố khác trừ Zn, như: Cu – Sn gọi là đồng thanh thiếc, Cu – Al là đồng thanh nhôm, + Đồng thanh thiếc (Cu – Sn) - là hợp kim chủ yếu gồm hai nguyên tố Cu và Sn, thường dùng hợp kim có < 15%Sn. Brông thiết có độ bền cao, tính dẻo tốt, tính chống ăn mòn tốt, thường dùng BCuSn10Pb1; BCuSn5Zn2Pb5 để làm ổ trượt, báng răng, lò xo.. + Đồng thanh nhôm (Cu – Al) - là hợp kim chủ yếu gồm hai nguyên tố Cu và Al Brông nhôm có độ bền cao hơn brông thiết, tính chống ăn mòn tốt nhưng khó đúc. Thường dùng thay brông thiết vì rẻ tiền. BCuAlFe4, BCuAl10Fe4Ni4 20 5.2. ĐỒNG VÀ HỢP KIM ĐỒNG b, Đồng thanh – Brông (B): + Đồng thanh berili (Cu – Be) - là hợp kim chủ yếu gồm hai nguyên tố Cu-Be gọi là đồng đàn hồi - Có độ cứng cao. - Tính đàn hồi rất cao - Tính chống ăn mòn và độ dẫn điện tốt - Thường dùng làm lò xo trong các thiết bị điện. - Ký hiệu: BCuBe2 1. Thiếc: - Ký hiêu:Sn, khối lượng riêng :  = 8,94 g/cm3 - Nhiệt độ nóng chảy cao tonc = 232 0C; - Độ cứng rất thấp(5 - 8 HB), khi nhiệt độ càng tăng thì độ cứng càng thấp(ở 1800C độ cứng chỉ còn khoảng 1,8 HB) - Độ dẻo cao và tính chống ăn mòn tốt. Công dụng: - Dùng để hàn đắp - Chế tạo hợp kim ổ trượt - Tráng thiếc lên bề mặt thép làm “ tôn mạ thiếc”, dùng trong công nghệ đồ hộp, bảo quản thực phẩm. 21 5.3. THIẾC – CHÌ – KẼM 2. Chì: - Ký hiêu: Pb, khối lượng riêng :  = 11,34 g/cm3 - Nhiệt độ nóng chảy cao tonc = 327 0C; - Độ cứng thấp, độ dẻo cao - Có tính chống phóng xạ tôt, không bị ăn mòn bởi một số axit. Công dụng: - Làm các cực trong bình điện ắc quy, làm cầu chì. - Lót thùng chứa axit. - Dùng làm hợp kim chế tạo chữ in. - Làm áo và tấm chắn chống tia phóng xạ trong vật lý hạt nhân 22 5.3. THIẾT – CHÌ – KẼM 3. Kẽm: - Ký hiêu: Zn, khối lượng riêng :  = 7,14 g/cm3 - Nhiệt độ nóng chảy cao tonc = 410 0C; - Tính chống ăn mòn tốt - Độ dẻo cao Công dụng: - Dùng để tráng kẽm cho tôn lợp nhà và các kết cấu thép nhằm chống ăn mòn kim loại - Hợp kim của kẽm với đồng chế tạo ra đồng thau và hợp kim làm ổ trượt. 23 5.3. THIẾC – CHÌ – KẼM 24 CHƯƠNG 5: KIM LOẠI VÀ HỢP KIM MÀU THÔNG DỤNG 5.3. HỢP KIM Ổ TRƯỢT 5.3.1. Yêu cầu đối với hợp kim ổ trượt - Có hệ số ma sát nhỏ với bề mặt trục thép; - Ít làm mòn cổ trục thép và chịu được áp lực cao; - Tính công nghệ tốt: dễ đúc, khả năng bám dính vào vỏ thép( ngoài thép, trong HK mầu); - Rẻ. 5.3.2. Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy thấp (Babit) - Hợp kim có ổ trượt trên cơ sở của kim loại có nhiệt độ chảy thấp như: Sn, Pb, Zn, Al có tên chung là babit. + Đặc tính chung của babit là rất mềm nên ít làm mòn cổ trục thép, có hệ số ma sát bé và giữ được dầu tốt, nhưng không chịu được áp suất và nhiệt độ cao. 25 5.3. HỢP KIM Ổ TRƯỢT HỢP KIM LÀM Ổ TRƯỢT 26 27 5.3.2. Hợp kim ổ trựơt có nhiệt độ chảy thấp (Babit) a, Babit thiếc(Sn-Sb-Cu) - Babit thiếc có tính dẫn nhiệt tốt, dẻo và bền, chống ăn mòn thường dùng để chế tạo các ổ trượt quan trọng với tốc độ lớn và trung bình như trong tuốc bin, động cơ Diezen. Thường sử dụng: có 2 mác 1. 83%Sn, 11%Sb, 6%Cu. 2. 88%Sn, 8%Sb, 3%Cu,1%(Ni+Cu). Tổ chức: nền mềm: dung dịch rắn là Sn(Sb) màu xẫm hạt cứng: pha là SnSb và hợp kim Cu3Sn (hay Cu6Sn5)   b, Babit chì (Pb-Sb-Sn) - Là hợp kim trên cơ sở chì(Pb) với 6  16%Sn và 6  16 %Sb, còn lại là Pb. Sử dụng ổ trượt trong động cơ xăng, thay thế babit thiết(rẻ) trong điều kiện không chịu va đập. - Tổ chức: nền mềm là cùng tinh (Pb+Sb), hạt cứng SnSb, Cu3Sn c, Babit nhôm (Al-Sn), (Al-Sb-Mg) - Là loại hợp kim ổ trượt có hệ số ma sát nhỏ, nhẹ, dẫn nhiệt cao, chống ăn mòn cao trong dầu, cơ tính cao, giá thành hạ, tính công nghệ kém. Dùng trong đcơ diezen(áp lực cao, tốc độ vòng quay lớn) 28 5.3.2. Hợp kim ổ trựơt có nhiệt độ chảy thấp (Babit) 29 5.3. HỢP KIM Ổ TRƯỢT 5.3.3. Hợp kim ổ trượt có nhiệt độ chảy cao - Là loại hợp kim chịu được nhiệt độ cao, áp lực lớn do đó có độ bền cao. Thường dùng gang xám và đồng thanh. + Gang xám: - Thường dùng loại gang có nền Peclit nhỏ mịn đóng vai trò nền cứng và Grafit đóng vai trò hạt mềm đồng thời là rãnh chứa dầu. Dùng làm ổ trượt cho các loại trục có tốc độ vòng quay chậm, chịu áp lực cao. + Đồng thanh thiếc(Brông thiếc) - Ổ trượt làm bằng đồng thanh thiếc chịu được áp lực lớn và tốc độ vòng quay cao. hạt mềm Pb, nền cứng Cu,Sn,Zn + Đồng thanh chì (Brông chì) - Có nền dai(cứng) là Cu, hạt mềm là Pb → hệ số ma sát hơi lớn nhưng có độ bền mỏi cao, dẫn nhiệt và độ dẻo cao.