Tính chất cơ bản của vật liệu cơ khí

Bài viết trình bày yêu cầu và các tính chất cơ bản của vật liệu cơ khí.

Vật liệu cơ khí với khái niệm thông dụng là tất cả vật chất mà con người sử dụng trong sản xuất cơ khí để tạo dựng nên sản phẩm cho cuộc sống. Như vậy, liệu rằng tất cả mọi vật liệu đều có thể trở thành vật liệu cơ khí?. Điều này còn phụ thuộc vào vật liệu chế tạo ra sản phẩm cơ khí đó có đáp ứng được yêu cầu về tính sử dụng, tính công nghệ và tính kinh tế hay không. Chỉ khi vật liệu thỏa mãn các yêu cầu cơ bản, sản phẩm cơ khí mới có thể đạt được độ tin cậy và bền lâu trong điều kiện làm việc thực tế.

Mục lục

1. Khái niệm về vật liệu cơ khí
2. Các yêu cầu chung đối với vật liệu cơ khí
   • a. Yêu cầu về tính sử dụng
   • b. Yêu cầu về tính công nghệ
   • c. Yêu cầu về tính kinh tế
3. Tính chất cơ bản của vật liệu cơ khí
   • a. Tính chất cơ học
   • b. Tính chất vật lý
   • c. Tính chất hóa học
   • d. Độ tin cậy
   • e. Tuổi thọ
   • f. Tính chất công nghệ

1. Khái niệm về vật liệu cơ khí

         Vật liệu cơ khí với khái niệm thông dụng là tất cả vật chất mà con người sử dụng trong sản xuất cơ khí để tạo dựng nên sản phẩm cho cuộc sống như: thiết bị máy móc trong công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, y tế, văn hóa, giáo dục….

          Khái niệm vật liệu cơ khí rất rộng, đa dạng và có tính chất tương đối. Có những lại vật liệu như kim loại, chất dẻo, compozit…không chỉ dùng trong sản xuất cơ khí, mà còn rất cần trong xây dựng, trong kỹ thuật điện, trong công nghiệp hóa học, thực phẩm….

          Vật liệu cơ khí chủ yếu có nguồn gốc từ ba nhóm vật liệu lớn: Vật liệu kim loại, vật liệu hữu cơ-polyme và vật liệu ceramic.

2. Các yêu cầu chung đối với vật liệu cơ khí

          Vật liệu dùng trong cơ khí, để chế tạo các chi tiết máy, các dụng cụ, các kết cấu công trình…chịu tải cơ học. Những sản phẩm này có hình dạng, kích thước phong phú và yêu cầu sử dụng đa dạng. Hầu hết đều chịu tải tĩnh, động, chu kỳ và có thể ở nhiệt độ thấp hoặc cao trong môi trường khác nhau. Nhân tố này quyết định các yêu cầu, tính chất đối với vật liệu. Có thể khái quát thành 3 dạng yêu cầu chính sau:

a. Yêu cầu về tính sử dụng

Để đảm bảo một sản phẩm cơ khí có thể sử dụng ( tức làm việc được trong thực tế), yêu cầu vật liệu chế tạo ra chúng phải có cơ tính, các tính chất vật lý và hóa học đảm bảo để thỏa mãn: tính sử dụng, độ tin cậy và bền lâu của sản phẩm trong điều kiện cụ thể. Vì vậy khi lựa chọn vật liệu để chế tạo sản phẩm, thường lấy các tính chất cơ học làm tiêu chuẩn chính, kết hợp có xem xét đến những yêu cầu tính chất khác.

b. Yêu cầu về tính công nghệ

Yêu cầu này chủ yếu nhằm giảm khó khăn cho việc chế tạo chi tiết. Tính công nghệ của vật liệu được hiểu là khả năng có thể gia công bằng các phương pháp đúc, hàn, gia công bằng áp lực, tính thấm tôi, tính cắt gọt…Tính công nghệ rất quan trọng vì nó quyết định năng suất và chất lượng sản phẩm.

c. Yêu cầu về tính kinh tế

Đây là một nhu cầu tất yếu của sản phẩm, tính hàng hóa của sản phẩm, đòi hỏi vật liệu chế tạo chúng phải làm sao cho giá thành thấp nhất trong khi các yêu cầu về công nghệ và sử dụng được thỏa mãn.

3. Tính chất cơ bản của vật liệu cơ khí

a. Tính chất cơ học

          Tính chất cơ học (cơ tính) là khả năng biến dạng và chống biến dạng. Quá trình biến dạng của vật liệu bao gồm ba giai đoạn: Biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và phá hủy.

          Biến dạng có ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật và cuộc sống. Các chi tiết máy, kết cấu công trình, đều được thiết kế sao cho chúng làm việc trong vùng đàn hồi. Ngoài ra, người ta còn tận lượng tính đàn hồi của vật liệu để chế tạo các chi tiết như lò xo, nhíp… Nhờ có khả năng chảy dẻo của vật liệu, có thể gia công (cán, kéo, vuốt…) chúng thành các sản phẩm có hình dạng mong muốn. Có những vật liệu rất khó biến dạng dẻo, song lại có tính dẻo tốt một cách kỳ lạ. Ví dụ, từ một gam hợp kim cromvangan – hợp kim trên cơ sở của niken kết hợp với crôm, vanađi và gali có thể kéo ra 1 kilomet dây rất mảnh như tơ nhện.

          Trong thực tế, người ta cũng rất cần sự cứng vững của các chi tiết máy, kết cấu công trình không được biến dạng trong quá trình sử dụng, khả năng chống lại biến dạng thể hiện độ bền của vật liệu. Các hiện tượng biến dạng, phá hủy là những thuộc tính của vật liệu và được gọi chung là cơ tính.

           Cơ tính vật liệu trong các điều kiện sử dụng thực tế rất khác nhau.Các đại lượng đặc trưng cho tính chất cơ học của vật liệu có thể kể đến như:

• Giới hạn bền quy ước σb
• Giới hạn chảy σch
• Giới hạn đàn hồi σđh
• Độ dẻo δ
• Độ dai va đập ak
• Độ cứng
• Độ bền mỏi
• Tính chống mài mòn

b. Tính chất vật lý

Trong các tính chất vật lý quan trọng nhất của vật liệu sử dụng trong cơ khí cần quan tâm tới như sau:

• Tính chất nhiệt

Khi một vật rắn hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt, nhiệt độ của nó sẽ tăng lên và kích thước cũng như nhiều tính chất khác thay đổi. Những đặc trưng quan trọng nhất của tính chất nhiệt bao gồm tính dãn nở nhiệt, độ dẫn nhiệt và tỷ nhiệt, các đặc trưng này đều có thể tìm được trong các sổ tay cơ khí.

• Tính chất điện

Tính chất điện quan trọng nhất của vật liệu dùng trong cơ khí là tính dẫn điện.

• Tính chất từ

Hiện tượng các vật liệu biểu hiện lực hút hoặc lực đẩy có ảnh hưởng lên các vật liệu khác gọi là hiện tượng “từ”. Đá nam châm thiên nhiên, sắt, một số loại thép là vật liệu có từ tính điển hình. Vật liệu từ có tầm quan trọng lớn trong hàng loạt ngành công nghiệp như chế tạo động cơ điện, máy phát và máy biến thế điện, điện thoại, máy tính…

c. Tính chất hóa học

Tính chất hóa học đáng quan tâm nhất đối với vật liệu dùng trong cơ khí là tính ổn định hóa học. Tính ổn định hóa học (tính trơ) của vật liệu, khi nó tiếp xúc với môi trường sẽ không bị oxy hóa, không tác dụng với axit, bazơ, muối, nước…Thông thường mỗi vật liệu có tính ổn định hóa học ứng với từng môi trường ổn định.

d. Độ tin cậy

Là xác suất không xuất hiện hỏng trong một thời gian hoặc một phạm vi làm việc nào đó. Ví dụ, độ tin cậy làm việc không hỏng của bánh răng sau khi chạy 300000 km là 0,9. Điều đó nghĩa là, sau khi làm việc như vậy thì có 10% bánh răng hỏng vì mòn, tróc hoặc gãy…Vậy độ tin cậy của bánh răng là 90%. Độ tin cậy của kết cấu phụ thuộc vào khả năng của vật liệu chống lại các phá hủy khi xuất hiện các ứng suất cực đại. Hay nói cách khác độ tin cậy là khả năng  của vật liệu làm việc bình thường trong thời gian ngắn hạn, dưới tác dụng của tình huống (ứng suất, nhiệt độ, môi trường) ngoài tính toán. Tình huống nguy hiểm nhất là sự xuất hiện phá hủy giòn. Bởi vậy để nâng cao độ tin cậy của kết cấu phải áp dụng các biện pháp giảm khả năng (xác xuất) phá hủy giòn, muốn vậy vật liệu kết cấu cần có đủ độ dẻo và độ dai va đập.

e. Tuổi thọ

Tuổi thọ đặc trưng cho khả năng vật liệu chống lại sự phát triển dần của phá hủy, đảm bảo duy trì khả năng làm việc của chi tiết trong thời gian đã định. Đây là chỉ tiêu có tính chất tổng hợp của vật liệu. Nguyên nhân mất khả năng làm việc rất khác nhau, thường do sự phát triển của quá trình mỏi, mài mòn,…

Làm tăng tuổi thọ có nghĩa làm giảm vận tốc phá hủy đến mức tối thiểu. Đối với đa số các chi tiết máy, tuổi thọ được xác định bởi độ bền mỏi và tính chống mài mòn.

f. Tính chất công nghệ

Các tính chất công nghệ quan trọng đối với vật liệu cơ khí bao gồm:

Tính cắt gọt thể hiện khả năng chịu gia công bằng phương pháp cắt (tiện, phay, bào, mài…). Nhân tố ảnh hưởng quan trọng đến tính cắt gọt là độ cứng. Ví dụ, để có thể gia công cắt thuận lợi, đạt độ bóng bề mặt cao, độ cứng của thép khoảng 180- 200 HB.

Tính hàn là khả năng chịu gia công bằng các phương pháp hàn (hàn hồ quang, hàn hơi, hàn tiếp xúc…) không phải mọi kim loại có thể hàn với nhau dễ dàng. Tính hàn của kim loại phụ thuộc vào thành phần hóa học, bản chất vật liệu, chủng loại vật liệu….

Tính đúc là khả năng điền đầy kim loại lỏng vào khuôn. Tính đúc phụ thuộc vào độ nhớt của kim loại lỏng, khoảng kết tinh, lượng co ngót, khả năng điền đầy khuôn,  thành phần hóa học. Các hợp kim cùng tinh thường có tính đúc tốt.

Tính thấm tôi là khả năng khi tôi chuyển biến thành tổ chức mactenxit của thép. Độ thấm tôi đặc trưng cho tính thấm tôi. Thép có độ thấm tôi càng cao thì khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện càng lớn.

Như vậy, các tính chất cơ bản của vật liệu cơ khí có thể kể đến như: Tính chất cơ học, Tính chất vật lý, Tính chất hóa học, Độ tin cậy, Tuổi thọ và Tính chất công nghệ. Ngoài ra, mỗi chủng loại vật liệu có được ứng dụng để chế tạo sản phẩm cơ khí hay không còn tùy thuộc vào giá thành của chúng.

Nói cách khác, để một loại vật liệu được sử dụng vào sản xuất cơ khí cần thỏa mãn các yêu cầu tổng hợp về tính sử dụng, tính công nghệ và tính kinh tế. Do đó, đối với doanh nghiệp sản xuất, chế tạo; bài toán vật liệu đã, đang và sẽ luôn là một trong những bài toán cần giải quyết hàng đầu để đảm bảo sản phẩm chế tạo không những đáp ứng được nhu cầu sử dụng mà còn đảm bảo được sự cạnh tranh về giá thành.

Ứng dụng công nghệ LIGA chế tạo thành công vi lò xo phẳng

 Bằng kỹ thuật LIGA (Lithographie Galvanoformung Abformung), nhóm nghiên cứu Blog Vật liệu Cơ khí đã chế tạo thành công vi lò xo đồng ứng dụng trong hệ thống vi cơ điện tử (MEMS).

Phát triển công nghệ vũ khí siêu nhỏ là một trong những hướng nghiên cứu quan trọng nhằm phát triển vũ khí mới trong tương lai. Để đáp ứng nhu cầu phát triển vũ khí siêu nhỏ, các quốc gia đã áp dụng các công nghệ khác nhau nhằm chế tạo cảm biến và thiết bị vi cơ điện tử.

Trong đó, vi lò xo phẳng là một chi tiết quan trọng trong các hệ thống vi điều khiển, gia tốc kế và hệ thống MEMS khác. Vi lò xo phẳng chủ yếu được chế tạo từ kim loại và Si. Các thí nghiệm li tâm của nhóm nghiên cứu Robinson CH (Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật Phát triển Vũ khí Mỹ ) chỉ ra rằng lò xo Si dễ bị vỡ trong môi trường chịu va đập, điều này hạn chế việc ứng dụng lò xo Si trong môi trường chịu va đập. Bên cạnh đó, các lò xo Ni của hệ thống MEMS được chế tạo bằng phương pháp LIGA lại bị biến dạng dẻo sau nhiều lần kéo nén, không thể khôi phục về trạng thái ban đầu, do đó chưa đáp ứng được yêu cầu sử dụng. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu Feng Peng Zhou (Đại học KHCN Nam Kinh, Trung Quốc) đã đánh giá rằng phương pháp electroforming (tạo hình điện hóa) thu được kim loại đồng có cơ tính vượt trội so với Ni. Tuy nhiên, cơ tính kim loại đồng được tạo bởi kỹ thuật tạo hình điện hóa phụ thuộc rất nhiều vào các thông số công nghệ.

Vậy nên, tối ưu hóa thông số công nghệ, nâng cao độ mỏi của vi lò xo, đáp ứng yêu cầu sử dụng lâu dài của hệ thống MEMS là điều hoàn toàn cần thiết.

Nhóm nghiên cứu Blog Vật liệu Cơ khí đã sử dụng công nghệ UV-LIGA chế tạo vi lò xo phẳng bằng đồng. Quy trình chế tạo được trình bày như hình 1. Kích thước vi lò xo phẳng chế tạo được được trình bày trong hình 2 (đơn vị tính: mm), lò xo có bề rộng dây lò xo 500 μm.     

Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn điện, chu kỳ và mật độ dòng điện đến độ mỏi của vi lò xo. Dùng kính hiển vi điện tử quét (Quant 250FEG) quan sát tổ chức tế vi; thiết bị nhiễu xạ tia X (Bruker-AXS D) chụp quang phổ. Dùng thiết bị kéo nén cấp tải nhỏ (chuyển vị cố định 0,2 mm) để đánh giá độ mỏi của lò xo.

Kết quả nghiên cứu thu được như hình 3, 4:

Bằng kỹ thuật tạo hình điện hóa chế tạo thành công vi lò xo phẳng bằng đồng có bề rộng dây lò xo 500 μm, độ mỏi lớn nhất đạt 517 lần.

Qua phân tích khảo sát, nhóm nghiên cứu xác định được độ mỏi của vi lò xo tăng khi chu kỳ dương giảm; Độ mỏi đạt được lớn nhất khi mật độ dòng điện 3 A/dm2 ; dùng nguồn điện mạch xung đối xứng chế tạo vi lò xo có độ mỏi cao hơn nguồn điện một chiều hoặc nguồn điện mạch xung. Thông số tối ưu chế tạo vi lò xo phẳng bằng đồng gồm: Nguồn điện mạch xung đối xứng, chu kỳ dương 10%, chu kỳ âm 10 %, mật độ dòng điện 3 A/dm2.

Hướng phát triển của đề tài: Từ kết quả nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục áp dụng công nghệ UV-LIGA chế tạo chi tiết MEMS có cơ tính đáp ứng yêu cầu làm việc thực tế.