Vật liệu cơ khí là gì? Tính chất và phân loại vật liệu cơ khí?

1. Vật liệu cơ khí là gì? 

Vật liệu cơ khí là gì? Vật liệu cơ khí là những chất hoặc hợp chất được con người dùng để làm ra các sản phẩm cơ khí, như máy móc, thiết bị xây dựng, nhà cửa… Vật liệu cơ khí là đầu vào trong quá trình sản xuất hoặc chế tạo, và phải đáp ứng các yêu cầu về tính chất cơ lý, nhiệt động lực học, độ bền, độ cứng, độ dẻo, khả năng chịu mài mòn, khả năng chịu ăn mòn và khả năng tái chế. 

Có nhiều loại vật liệu cơ khí được sử dụng trong công nghiệp và cuộc sống, như kim loại, polyme, gốm, thủy tinh, xi măng, đá, vải sợi và vật liệu compozit. Mỗi loại vật liệu có những ưu và nhược điểm riêng, và phải được lựa chọn phù hợp với mục đích sử dụng và điều kiện hoạt động. 

Ví dụ, kim loại có độ bền cao nhưng nặng và dễ bị ăn mòn; polyme có độ dẻo cao nhưng dễ bị biến dạng khi nhiệt độ cao; gốm có khả năng chịu nhiệt cao nhưng dễ bị vỡ khi va đập; thủy tinh có tính trong suốt nhưng dễ bị trầy xước; xi măng có tính bền vững nhưng cần thời gian để đóng rắn; đá có tính thẩm mỹ cao nhưng khó gia công; vải sợi có tính linh hoạt cao nhưng dễ bị rách; vật liệu compozit có tính kết hợp các ưu điểm của các vật liệu khác nhau nhưng có chi phí cao. 

Vật liệu cơ khí là một lĩnh vực quan trọng của kỹ thuật cơ khí, liên quan đến việc nghiên cứu, thiết kế, phân tích, chọn lựa, xử lý và kiểm tra các vật liệu để tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ của các sản phẩm cơ khí.

2. Tính chất của vật liệu cơ khí:

– Độ bền cơ học: Tính chất này liên quan đến khả năng của vật liệu chịu được lực tác động mà không bị biến dạng quá mức hoặc vỡ vụn. Độ bền cơ học được đánh giá dựa trên các yếu tố như độ cứng, độ dẻo, độ bền kéo, độ bền nén và độ bền uốn.

– Độ cứng: Độ cứng là khả năng của vật liệu chống lại biến dạng dưới tác động của lực nén. Vật liệu cứng có tính chất kháng biến dạng và ít dẻo. Độ cứng thường được xác định bằng các phép đo như độ cứng Brinell, Rockwell hoặc Vickers.

– Độ dẻo: Độ dẻo là khả năng của vật liệu biến dạng mà không gây ra vỡ. Vật liệu dẻo có khả năng uốn cong và co dãn dưới tác động của lực kéo hoặc lực lực. Độ dẻo thường được xác định bằng các thử nghiệm uốn hoặc kéo.

– Độ bền kéo: Độ bền kéo là khả năng của vật liệu chịu được lực kéo mà không bị vỡ. Nó liên quan đến khả năng của vật liệu chống lại sự căng đứt và kéo dài trước khi đứt. Độ bền kéo thường được xác định bằng các thử nghiệm kéo.

– Độ bền uốn: Độ bền uốn là khả năng của vật liệu chịu được lực uốn mà không gãy. Độ bền uốn cần được xem xét khi vật liệu phải chịu lực uốn trong các ứng dụng cơ khí. Độ bền uốn thường được xác định bằng các thử nghiệm uốn chân không hoặc uốn ba điểm.

Tổ chức hiệp ước Vacsava khối quân sự gồm 7 nước theo chế độ xã hội chủ nghĩa ở Trung và Đông Âu, gồm Liên Xô, Ba Lan, Bulgaria, Đông Đức, Hungary, Romania….. Vậy Tính chất, mục đích và vai trò của Hiệp ước Vacsava là gì?

Ngoài các tính chất trên, vật liệu cơ khí cũng có thể có các tính chất khác như khả năng chịu nhiệt, khả năng truyền dẫn nhiệt và điện, độ bền mài mòn, độ bền hóa học và tính chất từ tính. Tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng cụ thể, các tính chất này cần được xem xét và lựa chọn vật liệu phù hợp.

3. Các nhóm vật liệu cơ khí:

Các nhóm Vật liệu cơ khí thường được phân loại theo thành phần hóa học, tính chất vật lý và kỹ thuật. Một số nhóm Vật liệu cơ khí phổ biến là:

– Thép: là hợp kim của sắt và cacbon, có độ bền cao, dẻo dai và khả năng chịu nhiệt độ và áp suất tốt. Thép được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng cơ khí, như làm khung xe, bánh răng, ống dẫn và kết cấu.

– Nhôm: là kim loại nhẹ, có độ dẫn điện và nhiệt tốt, có khả năng chống ăn mòn và hình thành các hợp kim với các kim loại khác. Nhôm được sử dụng trong các ứng dụng cơ khí yêu cầu trọng lượng thấp, như làm vỏ máy bay, xe đạp và đồ gia dụng.

– Đồng: là kim loại mềm, có độ dẫn điện và nhiệt xuất sắc, có màu đỏ nâu và có thể hàn và đúc dễ dàng. Đồng được sử dụng trong các ứng dụng cơ khí liên quan đến điện, như làm dây điện, ổ cắm và biến áp.

– Magiê: là kim loại nhẹ nhất trong các kim loại thông thường, có độ bền cao so với trọng lượng, có khả năng chống ăn mòn và hình thành các hợp kim với các kim loại khác. Magiê được sử dụng trong các ứng dụng cơ khí yêu cầu trọng lượng rất thấp, như làm bộ phận máy bay không người lái, xe đua và máy ảnh.

– Titan: là kim loại có độ bền cao nhất trong các kim loại thông thường, có khả năng chịu nhiệt độ cao, chống ăn mòn và hình thành các hợp kim với các kim loại khác. Titan được sử dụng trong các ứng dụng cơ khí yêu cầu độ bền vượt trội, như làm bộ phận máy bay phản lực, tàu vũ trụ và dao phẫu thuật.

4. Phân loại vật liệu cơ khí:

Vật liệu cơ khí có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, như nguồn gốc, cấu tạo, tính chất hay khả năng gia công. Dưới đây là một số loại vật liệu cơ khí phổ biến:

– Vật liệu kim loại: Đây là loại vật liệu có tính dẫn điện tốt, có ánh kim, có độ dẻo và độ cứng cao. Vật liệu kim loại bao gồm nhiều nhóm nhỏ hơn, như sắt, thép, gang, nhôm, đồng, niken, titan… Mỗi loại kim loại có những đặc điểm và ứng dụng riêng biệt. Ví dụ, sắt là nguyên liệu cho sản xuất gang và thép, nhôm là kim loại có khối lượng nhẹ và chống ăn mòn tốt, thép là hợp kim của sắt và cacbon có độ bền cao…

– Vật liệu vô cơ – ceramic: Đây là loại vật liệu có tính dẫn điện kém, không biến dạng và rất giòn. Thường nóng chảy ở nhiệt độ rất cao. Vật liệu vô cơ – ceramic bao gồm các loại như gốm, sứ, thủy tinh, gạch thường, gạch chịu lửa… Một số ứng dụng của vật liệu vô cơ – ceramic là làm bát đĩa, đồ trang sức, linh kiện điện tử…

– Vật liệu hữu cơ – polyme: Đây là loại vật liệu có tính dẫn điện kém, nhưng có khả năng biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao. Hai nguyên tố thành phần chủ yếu trong vật liệu hữu cơ là cacbon và hydro. Vật liệu hữu cơ – polyme bao gồm các loại như gỗ, cao su, vật liệu hữu cơ nhân tạo như polyetylen (PE), polyvinyl clorua (PVC)… Một số ứng dụng của vật liệu hữu cơ – polyme là làm đồ nội thất, đồ chơi trẻ em, bao bì…

– Vật liệu kết hợp – compozit: Đây là loại vật liệu có sự kết hợp giữa hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau. Các loại vật liệu kết hợp – compozit thường có tính chất tốt hơn so với các thành phần riêng lẻ. Ví dụ: bê tông cốt thép là sự kết hợp giữa bê tông và thép, vật liệu kim loại và polymer là sự kết hợp giữa kim loại và polyme, vật liệu polymer và ceramic là sự kết hợp giữa polyme và ceramic…

5. Ứng dụng của vật liệu cơ khí:

Vật liệu cơ khí được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và ứng dụng khác nhau. 

– Xây dựng và kiến trúc: Vật liệu cơ khí như thép và nhôm được sử dụng để xây dựng và cung cấp kết cấu cho các công trình kiến trúc như tòa nhà, cầu, đường ống, hầm mỏ, nhà xưởng và cấu trúc công nghiệp khác.

– Ô tô và hàng không: Vật liệu cơ khí như thép hợp kim, nhôm và sợi carbon được sử dụng trong sản xuất ô tô, máy bay và các phương tiện vận chuyển khác. Chúng cung cấp độ bền, độ nhẹ và khả năng chịu tải tốt.

– Công nghiệp hàng hải: Vật liệu cơ khí chịu được môi trường biển mặn và khắc nghiệt được sử dụng trong công nghiệp hàng hải, bao gồm các thành phần của tàu thủy, giàn khoan dầu khí, cầu cảng và các thiết bị liên quan.

– Máy móc và thiết bị công nghiệp: Vật liệu cơ khí được sử dụng trong sản xuất máy móc và thiết bị công nghiệp, bao gồm các bộ phận máy, các bộ phận chịu lực, vòng bi, các khối đúc và các phụ tùng.

– Năng lượng: Vật liệu cơ khí được sử dụng trong ngành năng lượng, bao gồm sản xuất và vận hành các nhà máy điện, các thiết bị năng lượng tái tạo như pin mặt trời và gió, cũng như trong ngành dầu khí và khai thác mỏ.

– Công nghiệp chế biến: Vật liệu cơ khí được sử dụng trong các ngành công nghiệp chế biến như thực phẩm, hóa chất, dược phẩm, bột giấy và công nghệ môi trường.

– Công nghệ cao: Vật liệu cơ khí được sử dụng trong công nghệ cao như sản xuất vi mạch, thiết bị điện tử, thiết bị y tế và các ứng dụng công nghệ mới như robot học, in 3D và điện tử mềm.

Tóm lại, vật liệu cơ khí có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp và lĩnh vực khác nhau. Chúng cung cấp độ bền, độ cứng và khả năng chịu lực để đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng cơ khí khác nhau.

6. Quy trình gia công Vật liệu cơ khí:

Quy trình gia công vật liệu cơ khí là một quá trình biến đổi hình dạng, kích thước hoặc tính chất của vật liệu bằng cách sử dụng các phương pháp cắt, uốn, dập, ép, hàn, đúc hoặc gia nhiệt. Quy trình này có thể được thực hiện bằng tay hoặc bằng máy, tùy thuộc vào độ phức tạp và yêu cầu của sản phẩm. Mục đích của quy trình gia công vật liệu cơ khí là tạo ra các sản phẩm có chức năng, độ bền, độ chính xác và độ thẩm mỹ cao. Quy trình gia công vật liệu cơ khí bao gồm các bước sau:

– Lựa chọn vật liệu phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và kinh tế của sản phẩm.

– Thiết kế và lập trình quy trình gia công, bao gồm việc xác định các tham số như tốc độ, lực, nhiệt độ, áp suất, lượng dầu mỡ và dung dịch làm mát.

– Chuẩn bị và kiểm tra các dụng cụ, máy móc và thiết bị cần thiết cho quy trình gia công.

– Thực hiện quy trình gia công theo thứ tự đã lập trình, kiểm soát chất lượng và an toàn lao động trong quá trình gia công.

– Kiểm tra và đánh giá sản phẩm sau khi gia công, xử lý các lỗi hoặc sai sót nếu có.

– Bảo quản và bảo trì các dụng cụ, máy móc và thiết bị sau khi sử dụng.