Vật liệu cơ khí là gì? Tính chất các nhóm và ứng dụng của vật liệu cơ khí

Vật liệu cơ khí là gì?

Vật liệu cơ khí là các loại vật liệu được sử dụng để chế tạo các sản phẩm và chi tiết máy trong ngành cơ khí. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định tính năng và hiệu quả của các sản phẩm cuối cùng, đảm bảo chúng đáp ứng được yêu cầu về chất lượng, độ bền, và khả năng chịu tải.

Đặc điểm của vật liệu cơ khí bao gồm khả năng chịu tải, độ bền cơ học, và tính chất đặc biệt về dẫn điện, dẫn nhiệt, hoặc khả năng chống ăn mòn. Tùy vào yêu cầu của từng ứng dụng, các vật liệu cơ khí có thể được lựa chọn từ nhiều nhóm khác nhau như kim loại, vật liệu vô cơ, vật liệu hữu cơ (polymer), và composite. Việc chọn lựa và sử dụng các vật liệu cơ khí phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất của các sản phẩm cơ khí.

Tính chất cơ bản của vật liệu cơ khí

Tính chất cơ học

Đây là các thuộc tính biểu thị khả năng chịu đựng và phản ứng của vật liệu khi chịu tác động lực, bao gồm các yếu tố quan trọng như độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai.

Độ bền là yếu tố quan trọng nhất, độ bền có khả năng chịu tải của vật liệu mà không bị phá vỡ, bao gồm độ bền kéo (khi chịu lực kéo), độ bền nén (khi chịu lực nén), và độ bền uốn (khi chịu lực uốn). Độ bền càng cao thì vật liệu càng thích hợp cho các ứng dụng chịu tải lớn
Độ cứng là khả năng chống lại biến dạng vĩnh viễn khi chịu tác động của lực. Độ cứng cao giúp vật liệu chịu được va đập mà không bị biến dạng, rất quan trọng cho các chi tiết máy chịu mài mòn.
Độ dẻo là hả năng thay đổi hình dạng mà không bị nứt gãy, giúp vật liệu thích ứng tốt với gia công và các ứng dụng yêu cầu sự linh hoạt về hình dạng.
Độ dai là khả năng hấp thụ năng lượng từ các lực va chạm mà không bị phá hủy, đặc biệt hữu ích cho các chi tiết máy thường xuyên phải chịu va đập hoặc rung động.

Tính chất vật lý

Khối lượng riêng

Đo lượng khối lượng trên một đơn vị thể tích, ảnh hưởng đến tính cơ động và khả năng chịu tải của vật liệu. Vật liệu có khối lượng riêng thấp phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tính nhẹ.

Nhiệt độ nóng chảy

Nhiệt độ tại đó vật liệu chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng. Vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao thích hợp cho môi trường nhiệt độ cao hoặc các ứng dụng yêu cầu chịu nhiệt.

Tính dẫn nhiệt

Khả năng truyền nhiệt giúp vật liệu thích hợp cho các ứng dụng làm mát hoặc giữ nhiệt, như bộ phận tản nhiệt hoặc vật liệu cách nhiệt.

Tính dẫn điện

Khả năng truyền dẫn dòng điện của vật liệu, ảnh hưởng đến ứng dụng trong ngành điện, như dây dẫn và các bộ phận mạch điện.

Tính chất hóa học

Vật liệu có khả năng chống mài mòn, chống lại các tác động hóa học như axit, bazơ, hoặc muối, đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng chịu ảnh hưởng của môi trường bên ngoài như biển, nhà máy hóa chất.
Khả năng giữ nguyên các tính chất hóa học khi tiếp xúc với môi trường khắc nghiệt, thích hợp cho các chi tiết máy vận hành trong điều kiện khắc nghiệt.

Tính chất công nghệ

Tính đúc là khả năng của vật liệu có thể đúc thành các hình dạng phức tạp, thường được dùng trong sản xuất các chi tiết có hình dạng đặc thù.
Tính hàn là khả năng liên kết các mảnh vật liệu lại với nhau thông qua quá trình hàn. Vật liệu có tính hàn tốt giúp quá trình chế tạo và lắp ráp trở nên dễ dàng hơn.
Khả năng gia công cắt gọt là khả năng của vật liệu có thể gia công thành các chi tiết nhỏ và chính xác qua cắt, phay, tiện. Đặc điểm này quan trọng cho các sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao.

Các nhóm vật liệu cơ khí

Vật liệu kim loại

Vật liệu kim loại có khả năng dẫn điện và nhiệt tốt, tính chất cứng chắc và độ bền cao. Chúng dễ gia công và phổ biến trong nhiều ứng dụng từ xây dựng, sản xuất đến kỹ thuật.

Sắt, thép có giá thành thấp, độ bền và độ dẻo cao, có khả năng chịu mài mòn, rất phù hợp cho ngành gia công cơ khí.
Nhôm là vật liệu nhẹ, bền, có tính chống oxy hóa cao, dẫn nhiệt và điện tốt, phù hợp cho các ứng dụng cần trọng lượng nhẹ như vỏ thiết bị, các sản phẩm trang trí.

Vật liệu vô cơ

Đặc điểm nổi bật của vật liệu vô cơ là độ giòn cao, khó biến dạng và khả năng chịu nhiệt tốt, ứng dụng chủ yếu trong các ngành xây dựng và sản xuất vật liệu chịu nhiệt.

Gốm, sứ, thủy tinh là các vật liệu bền nhiệt, chống mài mòn, thường được dùng trong các ứng dụng cách điện và chịu nhiệt.

Vật liệu hữu cơ - Polime

Vật liệu hữu cơ có khối lượng nhẹ, chịu được tác động nhiệt nhưng không dẫn điện, thích hợp cho các sản phẩm cách điện và cách nhiệt.

Nhựa PVC, PE có khả năng chống mài mòn, chống hóa chất tốt, thường được sử dụng làm vật liệu cách nhiệt, làm ống nước, vỏ bọc thiết bị.

Vật liệu tổng hợp - Composite

Composite là sự kết hợp của nhiều loại vật liệu, có tính chất cơ học vượt trội hơn so với vật liệu thành phần ban đầu.

Composite gỗ nhựa có độ bền cơ học cao, chống ăn mòn, thường được ứng dụng trong các sản phẩm cần tính chất vượt trội về bền nhiệt và chống hóa chất.

Ứng dụng của vật liệu cơ khí

Vật liệu kim loại - Lựa chọn cho độ bền và tính linh hoạt cao

Kim loại là nhóm vật liệu phổ biến nhất trong cơ khí nhờ độ bền và khả năng chịu lực vượt trội. Dưới đây là các ứng dụng chính của từng loại kim loại

Thép không gỉ (inox) được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm và y tế nhờ khả năng chống ăn mòn tuyệt vời. Với thành phần hợp kim gồm ít nhất 10.5% crom, inox có thể chống lại quá trình oxy hóa và phản ứng hóa học với các tác nhân như axit và kiềm. Thông số kỹ thuật phổ biến của inox như SUS304, SUS316 giúp xác định độ bền kéo (từ 490 - 620 MPa) và độ giãn dài từ 40% trở lên, thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu vệ sinh an toàn.
Thép carbon với độ bền kéo cao, khả năng chịu va đập tốt, thép carbon là vật liệu lý tưởng trong các chi tiết máy chịu lực như bánh răng, trục, và khung xe. Đặc biệt, thép carbon với hàm lượng carbon từ 0.2% - 2% cung cấp độ cứng tốt, giúp chịu được các điều kiện tải trọng cao. Các loại phổ biến như thép C45, S45C được gia công dễ dàng, mang lại khả năng chịu mài mòn tốt, phù hợp cho ngành xây dựng và giao thông.
Nhôm (Al) nhẹ và chống ăn mòn, phù hợp cho các ứng dụng cần tính nhẹ và khả năng tản nhiệt tốt như chế tạo thân máy bay, vỏ điện thoại, và các chi tiết điện tử. Nhôm 6061-T6 với độ bền kéo từ 275 MPa đến 310 MPa và độ giãn dài 12-17% là sự lựa chọn tuyệt vời cho các chi tiết đòi hỏi tính linh hoạt và trọng lượng nhẹ.

Xem thêm: Ưu điểm của dao phay thép

Vật liệu vô cơ - Khả năng chịu nhiệt và ổn định hóa học

Vật liệu vô cơ được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp cần khả năng chịu nhiệt cao và không dẫn điện.

Gốm được biết đến với khả năng chịu nhiệt độ cực cao, gốm thích hợp cho các lò nung, đầu đốt và các chi tiết chịu nhiệt độ khắc nghiệt. Gốm kỹ thuật có thể chịu nhiệt độ lên đến 1600°C và thường được ứng dụng trong các ngành công nghiệp năng lượng và sản xuất gốm sứ.
Thủy tinh cường lực được sử dụng trong các cửa sổ máy bay, lò phản ứng vì khả năng chịu nhiệt cao và độ trong suốt. Với điểm nóng chảy khoảng 1700°C, thủy tinh không chỉ chống chịu được nhiệt độ mà còn không bị ăn mòn khi tiếp xúc với các chất hóa học.

Vật liệu hữu cơ (Polime)

Vật liệu hữu cơ có tính cách điện và cách nhiệt tốt, phù hợp cho các ứng dụng điện và điện tử.

PVC (Polyvinyl chloride) với khả năng chống ăn mòn tốt và độ bền cao, PVC được sử dụng làm ống dẫn nước, lớp phủ cách điện. Đặc biệt, PVC có độ dày dao động từ 0.5 - 5 mm, khả năng chịu nhiệt đến 60°C, là lựa chọn an toàn cho các hệ thống ống dẫn và cáp điện.
PE (Polyethylene) làm nguyên liệu cho các sản phẩm đóng gói và vật liệu xây dựng, nhờ đặc tính chống thấm nước, độ bền kéo cao (20 MPa đến 40 MPa) và khả năng chống ăn mòn tốt.

Vật liệu tổng hợp (Composite)

Composite là sự kết hợp hoàn hảo của các loại vật liệu khác nhau để tạo ra tính năng vượt trội cho các ứng dụng đặc thù.

Composite carbon-fiber với trọng lượng nhẹ nhưng độ bền cao, carbon-fiber composite là lựa chọn tối ưu cho ngành hàng không, xe đua và các sản phẩm yêu cầu khối lượng nhẹ nhưng độ bền cực cao. Độ bền kéo của composite này lên đến 600 MPa và trọng lượng chỉ bằng 1/4 so với thép, là yếu tố lý tưởng trong việc giảm khối lượng và tiết kiệm năng lượng.
Composite sợi thủy tinh với khả năng chống ăn mòn, composite sợi thủy tinh thường được sử dụng cho các công trình ngoài trời và dưới nước như tàu thuyền, bồn chứa hóa chất. Loại composite này có thể chịu được tác động của nhiệt độ từ -40°C đến 200°C và độ bền kéo đạt 100 MPa đến 200 MPa, giúp đảm bảo tuổi thọ cao trong điều kiện khắc nghiệt.

thietbicnc.vn đã các thông tin hữu ích về vật liệu cơ khí. Việc lựa chọn đúng vật liệu cho từng khâu sản xuất sẽ giúp doanh nghiệp tối ưu hóa chi phí, gia tăng tuổi thọ sản phẩm, và đáp ứng được yêu cầu về an toàn và hiệu quả.