Kim loại và hợp kim: Khám phá tính chất nền tảng của vật liệu hiện đại

Kim loại và hợp kim: Khám phá tính chất nền tảng của vật liệu hiện đại
Tổng hợp những tính chất chung của kim loại và hợp kim.
1.Cơ tính của Kim loại và hợp kim
Là những đặc trưng cơ học biểu thị khả năng của kim loại hay hợp kim chịu tác động của các loại tải trọng. Các đặc trưng đó bao gồm:
a. Độ bền: là khả năng chống lại các tác dụng của lực bên ngoài mà không bị phá hỏng.

• Tùy theo các dạng khác nhau của ngoại lực mà ta có các loại độ bền: độ bền kéo (sk), độ bền nén (sn), độ bền uốn (su).
• Đơn vị đo của độ bền thường dùng là N/mm2 hoặc MN/mm2.

b. Độ cứng: là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi có ngoại lực tác dụng lên kim loại thông qua vật nén. Nếu cùng một giá trị lực nén mà vết lõm trên mẫu đo càng lớn thì độ cứng của vật liệu đó càng kém.

• Thử độ cứng được thực hiện trên máy thử, và được đánh giá bằng các đơn vị đo độ cứng: độ cứng Brinen (HB), Rocvell (HRA, HRB, HRC), Vicke (HV).

c. Độ dẻo: là khả năng vật liệu thay đổi hình dáng kích thước mà không bị phá hủy khi chịu tác dụng của lực bên ngoài.

• Để xác định độ dẻo người ta thường tiến hành đánh giá theo cả hai chỉ tiêu cùng xác định trên mẫu sau khi thử độ bền kéo:
• Độ giãn dài tương đối (δ): là khả năng vật liệu thay đổi chiều dài sau khi bị kéo đứt.
• Độ thắt tiết diện tương đối (ψ): là khả năng vật liệu chịu thay đổi tiết diện sau khi bị kéo đứt.
• Ở đây: l0 và l1 là chiều dài mẫu trước và sau khi kéo, được tính cùng đơn vị đo.
• F0 và F1 là diện tích tiết diện mẫu trước và sau khi kéo, được tính cùng đơn vị đo.

d. Độ dai va đập: là khả năng vật liệu chịu được tải trọng va đập mà không bị phá hủy, ký hiệu là ak và đơn vị đo là J/mm2 hoặc kJ/m2.

2. Lý tính của Kim loại và hợp kim
Là những tính chất của kim loại thể hiện qua các hiện tượng vật lý khi thành phần hóa học của kim loại đó không thay đổi.
Lý tính cơ bản của kim loại gồm có: khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, tính dãn nở, tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện và từ tính.
a. Khối lượng riêng: là khối lượng của 1 cm3 vật chất.

• Trong đó
• m: là khối lượng của vật chất.
• V là thể tích của vật chất.

b. Tính nóng chảy: kim loại có tính chảy loãng khi bị đốt nóng và đông đặc lại khi làm nguội. Nhiệt độ ứng với lúc kim loại chuyển từ thể đặc sang thể lỏng hoàn toàn gọi là điểm nóng chảy. Điểm nóng chảy có ý nghĩa quan trọng trong công nghệ đúc, hàn.
c. Tính dẫn nhiệt: là tính truyền nhiệt của kim loại khi bị đốt nóng hoặc bị làm lạnh. Tính truyền nhiệt của kim loại giảm xuống khi nhiệt độ tăng và ngược lại khi nhiệt độ giảm xuống.
d. Tính giãn nở: là tính chất thay đổi thể tích khi nhiệt độ của kim loại thay đổi. Được đặc trưng bằng hệ số giãn nở.
e. Tính dẫn điện: là khả năng cho dòng điện đi qua của kim loại. So sánh tính dẫn nhiệt và dẫn điện ta thấy kim loại nào có tính dẫn nhiệt tốt thì tính dẫn điện cũng tốt và ngược lại.
f. Từ tính: là khả năng bị từ hóa khi được đặt trong từ trường. Sắt, coban, niken và hầu hết các hợp kim của chúng đều có tính nhiễm từ. Tính nhiễm từ của thép và gang phụ thuộc vào thành phần và tổ chức bên trong của kim loại.
3. Hóa tính của Kim loại và hợp kim
Là độ bền của kim loại đối với những tác dụng hóa học của các chất khác như: ôxy, nước, axit… mà không bị phá hủy. Tính năng hóa học của kim loại có thể chia thành các loại sau:
a. Tính chịu ăn mòn: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của môi trường xung quanh.
b. Tính chịu nhiệt: là độ bền của kim loại đối với sự ăn của ôxy trong không khí ở nhiệt độ cao.
c. Tính chịu axit: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của môi trường axit.
4. Tính công nghệ của Kim loại và hợp kim
Là khả năng thay đổi trạng thái của kim loại, hợp kim, tính công nghệ bao gồm các tính chất sau:
a. Tính đúc: được đặc trưng bởi độ chảy loãng, độ co và thiên tích.
Độ chảy loãng biểu thị khả năng điền đầy khuôn của kim loại và hợp kim. Độ chảy loãng càng cao thì tính đúc càng tốt.
Độ co càng lớn thì tính đúc càng kém.
Tính thiên tích là sự không đồng nhất về thành phần hóa học trong từng phần của vật đúc và trong nội bộ các hạt của kim loại hay hợp kim.
b. Tính rèn: là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi chịu lực tác dụng bên ngoài mà không bị phá hủy.
Thép có tính rèn cao khi được nung nóng ở nhiệt độ phù hợp. Gang không có tính rèn vì giòn. Đồng, nhôm, chì có tính rèn tốt ngay cả ở trạng thái nguội.
c. Tính hàn: là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các phần tử khi nung nóng chỗ hàn đến trạng thái chảy hay dẻo.
d. Tính cắt gọt: là khả năng kim loại gia công dễ hay khó, được xác định bằng tốc độ cắt gọt, lực cắt gọt và độ bóng bề mặt kim loại sau khi cắt gọt.
Một kim loại hay một hợp kim nào đó mặc dù có những tính chất rất quý nhưng tính công nghệ kém thì cũng khó được sử dụng rộng rãi vì khó chế tạo thành sản phẩm.
e.Tính hàn: là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các chi tiết khi nóng cục bộ chỗ nối đến trạng thái chảy hoặc dẻo.
f.Tính nhiệt luyện: là khả năng làm thay đổi độ cứng, độ dẻo… của kim loại bằng cách nung nóng kim loại tới nhiệt độ nhất định, giữ ở nhiệt độ đó một thời gian rồi sau đó làm nguội kim loại theo vận tốc nguội nhất định.
Kết luận
Kim loại và hợp kim là những vật liệu nền tảng, không thể thiếu trong sự phát triển của xã hội hiện đại. Từ những tính chất vật lý đặc trưng như tính dẫn điện, dẫn nhiệt, ánh kim, tính dẻo và bền cơ học của kim loại nguyên chất, đến khả năng cải thiện và tùy biến vượt trội của hợp kim, chúng đã định hình gần như mọi khía cạnh của công nghệ và đời sống.
Hợp kim ra đời như một giải pháp tối ưu, khắc phục những hạn chế của kim loại nguyên chất và tạo ra các vật liệu có tính chất tổng hợp vượt trội, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của kỹ thuật. Sự kết hợp thông minh giữa các kim loại và phi kim trong hợp kim đã mở ra cánh cửa cho việc chế tạo vật liệu nhẹ hơn, bền hơn, chịu nhiệt tốt hơn và có khả năng chống ăn mòn cao hơn, từ đó thúc đẩy sự tiến bộ trong các ngành công nghiệp then chốt như hàng không, ô tô, xây dựng và điện tử.
Việc nghiên cứu và phát triển không ngừng về tính chất chung của kim loại và hợp kim không chỉ là một lĩnh vực khoa học cơ bản mà còn là động lực chính cho sự đổi mới vật liệu, hướng tới một tương lai với các sản phẩm hiệu quả hơn, bền vững hơn và an toàn hơn.