Vật liệu là gì? Vật liệu cơ khí là gì?

Vật liệu học là khoa học nghiên cứu các mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất của vật liệu, trên cơ sở đó đề ra các biện pháp công nghệ nhằm cải thiện tính chất và sử dụng thích hợp và ngày một tốt hơn

1. Vật liệu là gì?

Vật liệu ở đây chỉ dùng để chỉ những vật rắn mà con người dùng để chế tạo dụng cụ, máy móc, thiết bị, xây dựng công trình và có thể được dùng thay thế các bộ phận cơ thể hoặc thể hiện ý đồ nghệ thuật. Như vậy tất cả các chất lỏng, khí cho dù quan trọng song cũng không phải là đối tượng nghiên cứu trong vật liệu học.

Dựa theo cấu trúc, tính chất đặc trưng người ta phân biệt 4 nhóm vật liệu chính bao gồm

• Vật liệu kim loại
• Vật liệu hữu cơ (Polymer)
• Vật liệu vô cơ (Ceramic)
• Vật liệu composite

Vật liệu kim loại

Vật liệu kim loại thường là tổ hợp chủ yếu của các nguyên tố kim loại, trong đó nhiều điện tử là của chung không thuộc về nguyên tử nào. Vật liệu kim loại thông dụng là thép, gang, đồng, nhôm, titan,…. và các hợp kim của chúng.

Các tính chất điển hình của vật liệu kim loại là:

• Đắt và khá đắt,
• Dẫn điện, dẫn nhiệt tốt,
• Có ánh kim, phản xạ ánh sáng, không cho ánh sáng thường đi qua,
• Dẻo, dễ biến dạng dẻo (cán, kéo, rèn, ép,…)
• Có độ bền cơ học, nhưng kém bề hóa học,
• Trừ nhôm ra các kim loại thông dụng như sắt, đồng,… đều khá nặng,
• Nhiệt độ chảy biến đổi trong phạm vi từ thấp đến cao, nên đáp ứng được yêu cầu đa dạng của kỹ thuật

Vật liệu Polymer – Vật liệu hữu cơ

Vật liệu hữu cơ là những chất dẫn điện kém, có khả năng biến dạng dẻo ở nhiệt độ cao và giòn ở nhiệt độ thấp, bền vững hóa học ở nhiệt độ thường. Nóng chảy và phân hủy ở nhiệt độ tương đối thấp.

Vật liệu này phần lớn nguồn gốc hữu cơ mà thành phần hóa học chủ yếu là Carbon, Hydro, và các á kim, có cấu trúc đại phân tử.

Vật liệu hữu cơ tự nhiên như cao su, xenlulo. Vật liệu hữu cơ sử dụng rộng rãi hiện nay là các polyme tổng hợp như:

• Polyetylen (PE)
• Polypropylen (PP)
• Polystyren (PS)
• ……….

Các tính chất điển hình của vật liệu polymer – vật liệu hữu cơ là:

• Rẻ và khá rẻ,
• Dẫn nhiệt, dẫn điện kém,
• Khối lượng riêng nhỏ,
• Dễ uốn dẻo, đặc biệt ở nhiệt độ cao,
• Bền vững hóa học ở nhiệt độ thường và trong khí quyển
• Nóng chảy, phân hủy ở nhiệt độ tương đối thấp.

Vật liệu Ceramic – Vật liệu vô cơ

Vật liệu vô cơ là các chất dẫn điện kém, không biến dạng dẻo và rất giòn, rất bền vững hóa học và nóng chảy ở nhiệt độ rất cao.

Vật liệu này có nguồn gốc vô cơ, là hợp chất giữa kim loại, silic với á kim (oxit, nitrit, cacbit), bao gồm khoáng chất đất sét, xi măng, thủy tinh.

Các ceramic truyền thống là thủy tinh, gốm, và ceramic đặc biệt sử dụng trong công nghiệp điện, điện tử, hàng không vũ trụ….

Các tính chất điển hình của vật liệu vô cơ – ceramic là:

• Rẻ và khá rẻ,
• Khá nặng,
• Dẫn nhiệt và dẫn điện rất kém (cách nhiệt và cách điện)
• Cứng, giòn, bền ở nhiệt độ cao, bền hóa học hơn vật liệu kim loại và vật liệu hữu cơ

Vật liệu composite

Vật liệu composite được tạo thành do sự kết hợp của 2 hay 3 loại vật liệu bên kể trên, mang hầu như các đặc tính tốt của các vật liệu thành phần. Vật liệu kết hợp kim loại và polyme, hoặc giữa polyme với ceramic, giữa ceramic với kim loại

Ví dụ:

Bêtông cốt thép (Vô cơ – kim loại): vừa chịu kéo tốt như thép, chịu nén cao như bêtông

Các vật liệu khác

Ngoài ra có những nhóm phụ khó ghép vào một trong 4 loại trên:

• Bán dẫn, siêu dẫn nhiệt độ thấp, siêu dẫn nhiệt độ cao, chúng nằm trung gian giữa kim loại và ceramic (trong đó 2 nhóm đầu gần với kim loại hơn, nhóm sau cùng gần với ceramic hơn)
• Silicon nằm trung gian giữa vật liệu vô cơ với hứu cơ, song gần với vật liệu hữu cơ hơn

2. Vai trò của vật liệu

Muốn thực hiện được các giá trị vật chất đều phải thông qua vật liệu cụ thể, như muốn tạo nên máy móc, thiết bị, năng lượng,… phải có kim loại và hợp kim, thiết bị, đồ dùng điện tử phải có chất bán dẫn, xây dựng nhà cửa, công trình phải có xi măng và thép, các đồ dùng hàng ngày thường là chất dẻo, máy bat và xe đua rất cần composite….

Sự phát triển của xã hội loài người gắn liền với sự phát triển của công cụ sản xuất và kỹ thuật mà cả 2 điều này được quyết định một phần lớn nhờ vật liệu. Xã hội loài người phát triển qua các thời kỳ khác nhau gắn liền với vật liệ để chế tạo công cụ, ở thời tiền sử con người chỉ biết dùng các vật liệu có sẵn trong thiên nhiên: gỗ, đá nên năng suất lao động thấp, không tạo được giá trị thặng dư.

Sau khi người ta biết dùng các vật liệu qua chế biến: đồng (hợp kim đồng) và đặc biệt là sắt (thép) với các đặc tính tốt hơn hẳn: cứng hơn, bền hơn mà vẫn dẻo dai nên không những tạo ra năng suất lao động cao hơn lại có tuổi thọ dài hơn, do vậy đã tạo nên các đột biến về phát triển sau này.

Cho đến nay vật liệu kim loại thực sự có vai trò quyết định trong tiến hóa của loài người. Kim loại và hợp kim đang chiếm vị trí chủ đạo trong chế tạo công cụ và máy móc thường dùng: công cụ cầm tay, dụng cụ, máy công cụ, máy móc nói chung, ôtô, tàu biển, máy bay, vận tải đường sắt, cầu, tháp, cột, truyền dẫn điện, nhiệt,… và trong sản xuất vũ khí, đạn dược. Như vậy hiện nay vật liệu kim loại vẫn còn có tầm quan trọng hàng đầu trong sản xuất cơ khí, giao thông vận tải, năng lượng, xây dựng và quốc phòng

Vật liệu polymer đã trở thành nhóm vật liệu mới, hiện đang đóng vai trò ngày càng quan trọng và chiếm tỷ lệ ngày càng cao trong đời sống hằng ngày cũng như thiết bị, máy móc

Vật liệu vô cơ – ceramic có lịch sử lâu đời nhất (từ thời kỳ đồ đá), trong quá trình phát triển, vật liệu này cũng được phổ biến một cách rộng rãi trong xây dựng và đời sống hằng ngày từ gốm, sứ, xi măng, bê tông, thủy tinh, vật liệu chịu lửa cho đến ceramic kết cấu hiện đại và thủy tinh siêu sạch làm cáp quang

Vật liệu composite được phát triển rất mạnh trong những năm gần đây, dáp ứng được các yêu cầu rất cao của chế tạo máy mà 3 loại vật trên không có được như rất nhẹ lại rất bền. Sự phát triển mạnh mẽ của loại vật liệu này sẽ tạo ra những thay đổi quan trọng cho ngành cơ khí

3. Đối tượng của vật liệu học cho ngành cơ khí

Máy móc được tạo ra từ nhiều chi tiết đòi hỏi các tính chất có khi rất khác nhau và điều quan trọng đối với các kỹ sư cơ khí là phải biết chọn đúng vật liệu cũng như phương pháp gia công để thỏa mãn cao nhất điều kiện làm việc với giá thành thấp nhất

a. Tổ chức hay cấu trúc là sắp xếp của các thành phần bên trong. Khái niệm về tổ chức vật liệu bao gồm cả tổ chứ vĩ mô và vi mô

Tổ chức vĩ mô còn gọi là tổ chức thô đại (macrostructure) là hình thái sắp xếp của các phần tử lớn với kích thước quan sát được bằng mắt thường (tới giới hạn khoảng 0.3mm) hoặc bằng kính lúp (0.01mm)

Tổ chứ vi mô là hình thái sắp xếp của các phần tử nhỏ, không quan sát được bằng mắt hay kính lúp, bao gồm:

– Tổ chức tế vi (microstructure) là hình thái sắp xếp của các nhóm nguyên tử hay phân tử với kích thước cỡ micromet hay ở cỡ các hạt tinh thể với sự giúp đỡ của kính hiển vi quang học hay kính hiển vi điện tử. Thường gặp hơn cả là tổ chức tế vi quang học cho phép phân ly được tới giới hạn 0.15 μm. Trong nghiên cứu cũng thường dùng tổ chức tế vi điện tử cho phép phân ly được tới giới hạn nhỏ hơn, cỡ 10 ηm (nanomet).

Cơ tính của vật liệu phụ thuộc rất nhiều vào tổ chức, tức không những vào thành phần hóa học mà cả vào các nhóm nguyên tử, phân tử kể trên mà ta gọi là pha theo số lượng, hình dạng, kích thước và sự phân bố của chúng.

Trong thực tế người ta thường xuyên sử dụng phương pháp phân tích tổ chức tế vi quang học mà trong các tài liệu kỹ thuật chỉ được gọi đơn giản là tổ chức tế vi

– Cấu tạo tinh thể là hình thái sắp xếp và tương tác giữa các nguyên tử trong không gian, các dạng khuyết tật của mạng tinh thể. Để làm được việc này phải sử dụng tới phương pháp nhiễu xạ tia ronwgen cũng như một số kỹ thuật khác, điều này chỉ thực sự cần thiết khi nghiên cứu các vật liệu mới

b. Tính chất bao gồm các tính chất: cơ học (cơ tính), vật lý (lý tính), hóa học (hóa tính), công nghệ và sử dụng

Đối với vật liệu kết cấu, đặc biệt là vật liệu cơ khí, cơ tính có ý nghĩa quan trọng hàng đầu. Ngoài cơ tính ra các vật liệu cơ khí cũng được quan tâm dưới khía cạnh ổn định hóa học trong khí quyển, hay trong một số môi trường ăn mòn (axit, bazo, muối,…)

Thỏa mãn cơ – lý – hóa tính để đề ra nhưng chưa đủ để có thể chuyển hóa vật liệu thành sản phẩm phục vụ mục đích đề ra, mà còn phải tính đến khả năng gia công, chế biến thành các hình dạng nhất định được gọi tổng quát là tính công nghệ. Nếu không có tính công nghệ thì dù vật liệu có ưu việt đến đâu cũng khó đưa vào sử dụng

Các tiêu chuẩn vật liệu

Các nước đều đề ra các quy phạm trong việc sản xuất, gia công, chế biến, sử dụng, bảo quản các vật liệu nói chung, đặc biệt là cho vật liệu kim loại, đó là các cơ sở pháp lý cũng như kỹ thuật trong mọi khâu từ sản xuất, lưu thông cho đến sử dụng.

• Tiêu chuẩn Việt Nam – TCVN
• Tiêu chuẩn Liên Xô cũ – TOCT
• Tiêu chuẩn Hoa Kỳ (ASTM, AISI, SAE, AA, CDA,…)
• Tiêu chuẩn Nhật Bản – JIS
• Tiêu chuẩn Châu Âu – EN
• ……………………

Ngoài ra còn rất nhiều tiêu chuẩn của các nước, bạn cũng có thể tham khảo chuyên mục Tiêu Chuẩn

Kết luận:

Trong mọi công việc của kỹ sư cơ khí, từ việc quyết định phương án thiết kế, tính toán kết cấu cho đến gia công, chế tạo, lắp ráp vận hành máy, thiết bị, tất cả đều có liên quan đến sự lựa chọn và sử dụng vật liệu. Do đó bạn cần nắm được cơ tính, hóa tính và tính công nghệ của các vật liệu để có thể lựa chọn và sử dụng chúng tốt nhất và hợp lý nhất, đạt các yêu cầu cơ tính đề ra với chi phí gia công ít nhất, giá thành rẻ và có thể chấp nhận được.