0 0
0
No products in the cart.

Vật liệu công nghiệp

I Tổng quan về vật liệu

1.Phân loại vật liệu
Để có cái nhìn tổng quát về tính đa dạng của vật liệu, người ta sắp xếp thành từng nhóm vật liệu theo thành phần hỗn hợp (hợp kim) hoặc theo cùng đặc tính trong nhóm vật liệu (Hình 1).

hinh1-phan-loai
 

Ba nhóm chính của vật liệu là kim loại, phi kim loại và vật liệu kết hợp. Chúng có thể được tiếp tục chia thành nhóm phụ, thí dụ như vật liệu sắt chia thành 2 nhóm phụ là vật liệu thép và vật liệu gang hoặc kim loại ngoài sắt phân ra 2 nhóm kim loại nặng và kim loại nhẹ.
1.1.Thép
Thép là những vật liệu gốc sắt với độ bền cao. Chúng được chủ yếu đưa vào sản xuất những cơ phận phải chịu và truyền lực: ốc, vít, bulông, bánh xe răng, prôfin (thép hình), trục (Hình 2).

hinh2-chi-tiet
 


1.2.Gang sắt đúc
Gang sắt là những vật liệu gốc sắt có tính dễ đúc. Gang được đúc thành cấu kiện có hình dáng phức tạp mà phương pháp đúc dễ thực hiện nhất, thí dụ thân hộp động cơ (Hình 2).
1.3.Kim loại nặng
(Tỷ trọng ϱ nặng hơn 5 kg/dm3) Kim loại nặng như là đồng, kẽm, crôm, kền, chì. Chúng được sử dụng vì những đặc tính điển hình: Thí dụ như đồng dùng làm dây quấn động cơ điện và máy phát điện vì khả năng dẫn điện tốt (Hình 3).

hinh3-cau-kien
 

Crôm và kền, thí dụ là các yếu tố hợp kim trong thép để đạt được các tính chất nhất định hoặc để cải thiện.
1.4. Kim loại nhẹ (Tỷ trọng ϱ nhẹ hơn 5 kg/dm3)
Kim loại nhẹ là nhôm, manhê và ti-tan. Đây là những vật liệu nhẹ có loại có độ bền cao. Lĩnh vực ứng dụng chính của chúng là những cấu kiện nhẹ, thí dụ cho ô tô hoặc máy bay (Hình 3)
Vật liệu thiên nhiên
Đây là những chất có trong thiên nhiên như các loại
đá hoặc gỗ. Ứng dụng: thí dụ đá granit dùng làm nền
cho bàn kiểm tra (bàn máp, marbre) (Hình 1).

hinh1-phi-kim
 


1.5.Vật liệu nhân tạo
Thuộc vào loại này là nhóm vật liệu lớn gốc chất dẻo cũng như thủy tinh và gốm. Chất dẻo có đặc điểm nhẹ, cách điện, từ loại mềm dẻo như cao su đến loại đã định hình (dạng ổn định) và cứng. Ứng dụng của chúng rất đa dạng từ vật liệu làm bánh xe cho đến cấu kiện của hộp số nhỏ (Hình 1). Vật liệu gốm trong công nghiệp được ứng dụng vì độ cứng và độ bền mài mòn thí dụ như mảnh dao cắt, vòi phun, vòng trượt.
1.6.Vật liệu kết hợp (compozit)
Vật liệu kết hợp được thành hình do sự kết nối của nhiều loại vật liệu với nhau và thống nhất trong một vật liệu mới có những đặc tính ưu điểm của từng vật liệu riêng lẻ. Thí dụ chất dẻo được gia cố bằng sợi thủy tinh có độ bền cao, dẻo dai và nhẹ (Hình 2).

hinh2-cau-kien-ket-hop
 

Một loại vật liệu kết nối khác là kim loại cứng, có độ cứng của hạt cứng và độ dẻo của kim loại kết nối (Hình 2). Kim loại cứng được dùng làm vật liệu cắt.

II Đặc tính của vật liệu

1.Lý tính vật liệu 

Lý tính mô tả đặc tính của vật liệu, không lệ thuộc vào hình dáng, được thể hiện qua những đại lượng vật lý.

hinh1-ty-trong
 

Người ta có thể tưởng tượng bằng hình ảnh tỉ trọng là trọng lượng của một khối vuông đều cạnh với cạnh dài 1dm. Đơn vị tỉ trọng là kg/dm3, g/cm3, hoặc t/m3 cho chất đặc và chất lỏng hoặc kg/m3 cho chất khí (Bảng 1).

bang1-ty-trong-cac-chat
 


1.1.Điểm hóa lỏng (nhiệt độ nóng chảy)
Điểm hóa lỏng là nhiệt độ từ đó vật liệu bắt đầu nóng chảy. Điểm này được đặt đơn vị là độ Celcius (0C) hay độ Kelvin (K) (Bảng 2).

bang2-nhiet-do-hoa-long
 

Kim loại nguyên chất có một điểm hóa lỏng chính xác. Kim loại hỗn hợp (hợp kim), thí dụ như thép và hợp kim CuZn, có một khoảng hóa lỏng.
1.2.Tính dẫn điện (khả năng dẫn điện)
Tính dẫn điện mô tả khả năng dẫn điện của một chất. Bạc, đồng, nhôm là những chất dẫn điện rất tốt. Chúng được dùng làm vật liệu dẫn điện (Bảng 3).

bang3-do-dan-dien-tin-theo-phan-tram-dong
 

Những chất không dẫn điện được gọi là vật liệu cách điện. Thuộc vào nhóm này là những chất dẻo, gốm, thủy tinh.
1.3.Giãn nở chiều dài do nhiệt (Hình 1)

hinh1-gian-cho-chieu-dai-do-nhiẹt
 


Hệ số giãn nở nhiệt theo chiều dài α là độ dài thay đổi Δl của một vật thể có chiều dài 1m khi nhiệt độ thay đổi Δt = 10C. Sự gia tăng chiều dài Δl ở dụng cụ đo đạc, ở cấu kiện hoặc ở chi tiết gang đúc phải được lưu tâm giải quyết. Những chi tiết gang bị rút nhỏ lại sau khi đúc, phải được thêm kích thước để bù trừ.
1.4.Tính dẫn nhiệt
Tính dẫn nhiệt là thước đo về khả năng hấp thụ nhiệt lượng của một chất (Hình 2).

hinh2-tinh0dan-nhiet

2 Tính cơ học (Cơ tính) - công nghệ

2.1.Khái niệm 

Tính cơ học – công nghệ là đặc trưng cho sức chịu đựng của vật liệu dưới tác động lực trong trường hợp sử dụng và sản xuất của cấu kiện.

2.2. Biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo
Dưới tác động lực, các vật liệu biến dạng rất khác nhau. Một lưỡi cưa bằng vật liệu dụng cụ đã tôi chẳng hạn, có thể bị uốn cong và đàn hồi trở về dạng ban đầu sau khi lực tác động mất đi (Hình 1).

hinh1-tinh-dan-hoi-luoi-cua
 

Phản ứng này được gọi là biến dạng đàn hồi (biến dạng co giãn) hay tính đàn hồi của vật liệu. Thí dụ như thép của lưỡi cưa hoặc lò-xo có tính chất đàn hồi thuần túy. Ngược lại, một thanh chì khi bị uốn cong sẽ giữ được phần lớn hình dáng của sự biến dạng. Vật liệu này biến dạng dẻo gần như hoàn toàn (Hình 2).

hinh2-tinh-dan-hoi-chi
 

 Tính chất này được gọi là tính biến dạng dẻo của vật liệu. Thí dụ như thép hoặc sắt ở nhiệt độ rèn hầu như có tính biến dạng dẻo thuần túy.
2.3.Phản ứng biến dạng đàn hồi-dẻo
Một thanh thép carbon hình vuông cho thấy khi bị uốn cong, có cả phần biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo. Khi uốn cong nhiều, thanh thép sẽ chỉ đàn hồi lại một phần mà thôi, phần còn lại sẽ tồn tại thành biến dạng dẻo (Hình 3).

hinh3-bien-dang-dan-hoi
 

Trong trường hợp tải trọng cao vật liệu này có biến dạng đàn hồi - dẻo. Nhiều vật liệu có tính biến dạng dẻo và đàn hồi như thép không tôi, hợp kim nhôm và hợp kim đồng. Nhiều vật liệu khác nhau có khả năng chịu biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi - dẻo.
2.4.Độ dai, độ giòn và độ cứng
Dai là từ ngữ gọi tính chất của một vật liệu có thể để biến dạng đàn hồi hoặc biến dạng dẻo, nhưng có một lực đối kháng rất cao chống lại sự biến dạng. Thí dụ thép xây dựng hoặc thép không sét gỉ là vật liệu dai. Giòn là từ ngữ chỉ những vật liệu mà nếu chịu tải đột ngột sẽ bị vỡ thành nhiều mảnh. Gốm và thủy tinh, hay kể cả một số loại gang sắt và thép tôi không đúng phương pháp cũng được xem là giòn. Tính cứng được hiểu là sự đối kháng của một vật liệu đối với sự thâm nhập của vật kiểm tra (kiểm thể) (Hình 4).

hinh4-bien-dang-do-cung
 

Vật liệu cứng như là thép đã tôi, kim loại cứng và bột mài. Vật liệu mềm có thể kể là nhôm, đồng. Các dụng cụ, mặt trượt cũng như mặt bị ăn mòn cần độ cứng cao.
2.5.Các loại ứng lực
Tùy theo hướng của lực tác động lên cấu kiện, trong vật liệu có nhiều loại ứng lực. Khi hai nguồn lực nghịch hướng từ cấu kiện đi ra trên cùng một đường tác động, thì đó là một ứng lực kéo (Hình 5).

hinh5-ung-luc-keo-ep
 

Khi hai lực tác động nghịch hướng cùng xâm nhập cấu kiện, thì đó là tác động nén Ngoài ra còn những hình thức tác động lực khác là uốn, cắt, xoắn và uốn dọc (oằn) (Hình 1).

hinh1-cac-loai-ung-luc-khac
 

Với từng loại ứng lực, mỗi vật liệu có một giới hạn tải và được gọi là độ bền. Tùy theo loại ứng lực mà ta có giới hạn tải như độ bền kéo, độ bền nén, độ bền uốn, độ bền cắt v.v. Trong kỹ thuật thì tham số vật liệu quan trọng nhất là độ bền kéo.
2.6.Độ bền kéo, giới hạn đàn hồi
Để diễn tả độ lớn của ứng lực kéo trong một cấu kiện không lệ thuộc vào kích thước của vật này, người ta sử dụng số chia giữa lực kéo tác động F và tiết diện của cấu kiện So.

ung-suat-kheo
 

Đại lượng này được gọi là ứng suất kéo σz. Đơn vị của ứng suất kéo là N/mm2. Để xác định độ lớn cho khả năng chịu tải của một vật liệu người ta dùng ứng suất kéo trong mẫu thử nghiệm ở một tình trạng biến dạng nhất định (Hình 2).

hinh2-thanh-mau-thu
 

Khi mẫu thử bị tác động với một sức kéo nhỏ, đầu tiên nó sẽ chỉ giãn đàn hồi. Điều này xảy ra khi lực kéo tác động dưới mức lực giới hạn của sự biến dạng đàn hồi Fe. Nếu nâng cao sức kéo khỏi mức lực giới hạn Fe, thì sự giãn chiều dài của thanh mẫu bắt đầu mạnh mẽ hơn. Tình trạng này được gọi là vật liệu bị “kéo dài”. Sự biến dạng chủ yếu là phần biến dạng dẻo. Ứng suất kéo nằm sát kề mức kéo giãn trong vật liệu được gọi là giới hạn đàn hồi Re. Tác động lực của giới hạn là tỉ số Fe chia cho So và là giới hạn cho sự tác động của một vật liệu mà không có hậu quả biến dạng dẻo đáng kể. Nếu tác động lực kéo ở thanh mẫu kiểm nghiệm được tăng cao hơn giới hạn đàn hồi, thanh mẫu sẽ bắt đầu thắt lại và cuối cùng bị đứt (Hình 2). Ứng lực trong vật liệu ở lực kéo lớn nhất Fm là độ bền kéo Rm. Lực này được tính bằng tỷ số Fm và So và là ứng lực kéo tối đa có thể đạt được trong vật liệu. Giới hạn đàn hồi Re và độ bền kéo Rm có cùng đơn vị N/mm2. Thí dụ thép S235JR có giới hạn đàn hồi là Re=235 N/mm2 và độ bền kéo Rm=360 N/mm2.

cong-thuc
 


2.7.Độ giãn, giới hạn giãn gãy
Do tác động của lực, thanh mẫu thử bị kéo dài ra (Hình 2). Tỉ số giữa sự tăng độ dài L chia cho chiều dài ban đầu Lo tính theo phần trăm được gọi là độ giãn ε. Độ giãn tồn tại sau khi gãy thanh mẫu gọi là độ giãn gãy A. Độ giãn gãy là kích cỡ độ giãn tối đa của một vật liệu.
2.8. Độ bền mài mòn
Giữa hai chi tiết máy di chuyển ngược hướng với nhau thí dụ như bệ máy và bàn trượt dọc của một máy tiện, sự ma sát và hao mòn ở bề mặt của cấu kiện xuất hiện (Hình 3).

hinh3-hao-mon-be-mat
 

Ngoài sự phối hợp vật liệu và dầu bôi trơn, độ bền mài mòn của cấu kiện còn tùy thuộc vào dạng ứng lực như: lực, tốc độ, nhiệt độ, thời gian tác động, loại di chuyển và môi trường xung quanh.

3 Kỹ thuật gia công và hóa tính công nghệ

3.1.Đặc tính kỹ thuật gia công

Đặc tính kỹ thuật gia công mô tả sự thích ứng của các vật liệu cho những phương pháp sản xuất khác nhau (Hình 1).
• Tính đúc của một vật liệu trong trường hợp khi nóng chảy cómột độ loãng cao, để có thể đổ đầy bộ khuôn đúc và đông đặc mà không có bọt khí. Nhiều loại gang sắt, hợp kim đúc gốc nhôm, hợp kim đồng kẽm và hợp kim đúc của kẽm có tính dễ đúc.
• Tính biến dạng là khả năng của một vật liệu bị biến dạng dẻo dưới tác động của lực thành hình dạng một chi tiết. Những phương pháp biến dạng nóng là cán nóng, rèn. Những phương pháp biến dạng nguội là cán lạnh, uốn, bẻ cạnh hoặc vuốt sâu. Dễ biến dạng là các loại thép có thành phần carbon thấp, sắt ròng mềm cũng như hợp kim nhôm và hợp kim đồng. Không có khả năng biến dạng là những loại gang đúc gốc sắt.
• Tính gia công cắt gọt đưa ra câu trả lời, khi nào và dưới điều kiện nào một vật liệu được sử dụng cho phương pháp cắt gọt thí dụ như tiện, phay, mài. Đại lượng để đánh giá cho sự thích ứng với gia công cắt gọt là phẩm chất của bề mặt gia công, điều kiện cắt gọt và tuổi thọ của dụng cụ cắt. Phần lớn những vật liệu kim loại đều có tính chất phù hợp cho việc gia công cắt gọt, đặc biệt là thép và thép hợp kim cấp thấp, những loại gang sắt cũng như nhôm và hợp kim nhôm. Khó gia công cắt gọt là những hợp kim rất dai như đồng được làm mềm, thép không gỉ và titan cũng như nhóm vật liệu thật cứng như thép tôi.


hinh1-1
hinh1-dac-tinh-gia-cong


• Tính hàn mô tả khả năng thích hợp hoặc không thích hợp của một vật liệu cho phương pháp hàn. Thép và thép hợp kim thấp với hàm lượng carbon thấp có thể được hàn rất tốt. Với những phương pháp hàn đặc biệt, người ta cũng có thể hàn được những thép hợp kim hàm lượng cao cũng như hợp kim nhôm và hợp kim đồng.
• Tính tôi được (Khả năng tôi cứng được) và tính nhiệt luyện (Khả năng xử lý nhiệt được) là khả năng của một vật liệu đạt được sự nâng cao độ cứng và độ bền qua một phương pháp nhiệt luyện có chủ đích. Tính tôi được có ở đa số các loại thép, một vài loại gang và hợp kim nhôm có đặc tính tôi được qua phương pháp nhiệt luyện.
3.2.Hóa tính và tính công nghệ (Tính hóa học-công nghệ)

Hóa tính và tính công nghệ tìm hiểu những tác động làm thay đổi vật liệu do ảnh hưởng của môi trường và chất có tính ăn mòn (môi trường tác động) cũng như nhiệt độ cao.
• Tính chịu ăn mòn diễn tả phản ứng của một vật liệu tác động phá hủy của không khí ẩm, khí quyển vùng kỹ nghệ, nước nhiễm bẩn hoặc những chất có tính ăn mòn khác. Sự phá hủy khởi sự từ mặt ngoài của vật liệu do quá trình hóa học và điệnhóa được gọi là ăn mòn (Hình 2).

hinh2-tinh-chiu-an-mon
 

Không bị ăn mòn thí dụ như thép không gỉ cũng như nhiều hợp kim đồng và nhôm. Thép carbon và thép hợp kim thấp cũng như gang trở nên sét gỉ vì bị ăn mòn trong không khí ẩm hoặc trong bầu khí quyển tại khu công nghiệp. Qua xử lý bề mặt, một lớp sơn hay lớp phủ có thể tránh được sự ăn mòn cho một thời gian dài.
• Một đặc tính hóa - kỹ thuật nữa là khả năng chống sét gỉ (ăn mòn) ở nhiệt độ cao (Hình 1). Đặc tính này mô tả phản ứng của vật liệu ở nhiệt độ cao.

hinh1-set-ri-o-nhiet-do-cao
 


• Ở một số vật liệu, thí dụ như chất dẻo, khi lựa chọn còn phải để ý tới khả năng dễ bốc cháy.


Chat hỗ trợ
Chat ngay