1. Vật liệu cơ khí là gì?
Vật liệu cơ khí là các vật liệu mà con người sử dụng trong quá trình gia công cơ khí để tạo dựng nên sản phẩm cho cuộc sống như: máy móc, thiết bị, xây dựng công trình, nhà cửa.
Vật liệu cơ khí đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của ngành cơ khí. Việc nghiên cứu, phát triển các loại vật liệu cơ khí mới có tính năng ưu việt hơn sẽ góp phần nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội.
Xem thêm: Vai trò của cơ khí trong nền công nghiệp
2. Những nhóm vật liệu cơ khí
2.1 Vật liệu cơ khí kim loại
Sắt, thép, nhôm, đồng… những cái tên quen thuộc trong nhóm này nổi bật với độ cứng rắn, chịu lực tốt, dẫn điện, dẫn nhiệt hiệu quả. Kim loại dễ gia công, tạo hình, đáp ứng đa dạng nhu cầu từ chế tạo từ khung xe, vỏ máy cho đến chi tiết chịu lực trong máy móc, công trình. Tuy nhiên, kim loại dễ bị ăn mòn. Các yếu tố môi trường như độ ẩm hay nhiệt độ cao đều làm quá trình ăn mòn diễn ra nhanh hơn.
2.2 Vật liệu cơ khí vô cơ – ceramic
Khác với kim loại, ceramic không dẻo dai nhưng lại sở hữu khả năng chịu nhiệt cao, chống ăn mòn, mài mòn tốt. Nhờ quá trình nung nóng đặc biệt, ceramic cứng cáp, trở thành gạch chịu nhiệt trong lò nung, sứ cách điện trong thiết bị điện, dụng cụ nhà bếp bền bỉ… Tuy nhiên, ceramic giòn, dễ vỡ, hạn chế khả năng chịu va đập mạnh.
2.3 Vật liệu cơ khí hữu cơ – polyme
Các phân tử dài, linh hoạt gắn kết với nhau tạo nên thế giới polymer dẻo dai, nhẹ nhàng, dễ tạo hình. Nhựa plastic, cao su, sợi tổng hợp… là những đại diện tiêu biểu. Polymer không dẫn điện tốt, chịu nhiệt kém, dễ cháy, đòi hỏi lưu ý khi sử dụng. Ống nước, dây điện, vỏ bọc thiết bị, quần áo bảo hộ… đều nhờ vào sự dẻo dai, linh hoạt của polymer.
2.4 Vật liệu cơ khí kết hợp – compozit
Khi kim loại cần nhẹ hơn, ceramic cần dẻo dai hơn, polymer cần chịu nhiệt tốt hơn, compozit ra đời, kết hợp ưu điểm của các nhóm vật liệu khác nhau. Sợi carbon gia cường nhựa tạo thành vật liệu vừa dẻo vừa cứng, nhẹ, chịu nhiệt tốt, được ứng dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, xe đua, vợt thể thao… Tuy nhiên, chế tạo composite thường phức tạp, chi phí cao hơn so với các nhóm vật liệu đơn lẻ.
3. Tính chất của vật liệu cơ khí
3.1 Tính chất cơ học
Nhóm đầu tiên, tính chất cơ học, quyết định khả năng chống chịu lực, biến dạng và hỏng hóc. Tính cứng, tính dẻo, tính bền – những tính chất cốt lõi này cho phép vật liệu cơ khí chịu tải trọng lớn, chống rung lắc, chống mài mòn. Một chi tiết máy chịu lực lớn cần được cấu tạo từ những vật liệu có độ bền cao, trong khi bộ phận giảm chấn lại cần sự “linh hoạt” (độ dẻo tốt).
3.2 Tính chất vật lý
Tiếp đến, tính chất vật lý bao gồm nhiệt độ nóng chảy, tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện và khối lượng riêng là những đặc tính vật lý cơ khí biểu thị về mặt vật lý trong điều kiện bình thường. Vỏ máy cần tản nhiệt nhanh cẩn sử dụng các vật liệu có khối lượng riêng thấp, dẫn nhiệt tốt, ngược lại chất bôi trơn đòi hỏi vật liệu có độ nhớt cao.
3.3 Tính chất hóa học
Nhóm thứ ba, tính chất hóa học, lại liên quan đến khả năng chống chọi với môi trường khắc nghiệt. Khả năng chống ăn mòn, chống oxy hóa, tính chịu axit – những đặc tính này đảm bảo vật liệu cơ khí không bị “xuống cấp” trước tác động của các chất hóa học hay nhiệt độ cao. Môi trường có tính ăn mòn đòi hỏi vật liệu có khả năng chống lại các chất ăn mòn tốt, còn điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt cần vật liệu kiên cường về mặt hóa học.
3.4 Tính chất công nghệ
Cuối cùng, tính chất công nghệ ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng “gia công” và “tạo hình” của vật liệu cơ khí. Khả năng đúc, hàn, rèn, gia công cắt gọt – những tính chất này quyết định hiệu quả sản xuất. Vật liệu dễ gia công giúp tiết kiệm thời gian và chi phí, trong khi độ chính xác cao đảm bảo sản phẩm đạt yêu cầu khắt khe.
4. Phân loại vật liệu cơ khí kim loại phổ biến hiện nay trên thị trường
4.1 Vật liệu bằng Sắt
Sắt, là vật liệu cơ bản nhất, tạo nên khung sườn cho vô vàn công trình. Độ cứng rắn vượt trội của sắt cho phép chúng chịu được tải trọng lớn, từ khung nhà cao tầng đến trục xe lửa. Bên cạnh đó, sắt còn dễ dàng gia công, uốn nắn theo ý muốn, mang đến tính linh hoạt trong chế tạo. Tuy nhiên, nhược điểm của sắt là dễ bị ăn mòn, đòi hỏi biện pháp bảo vệ phù hợp.
4.2 Vật liệu bằng Nhôm
Trái ngược với sắt, nhôm mang đến sự lựa chọn hợp lý với khả năng vận chuyển dễ dàng. Trọng lượng nhẹ hơn nhiều, khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt của nhôm khiến chúng trở thành lựa chọn hàng đầu trong ngành hàng không vũ trụ, giúp chế tạo những máy bay và phi thuyền nhẹ, hiệu quả.
Ngoài ra, nhôm còn được ứng dụng rộng rãi trong ô tô, xe máy, xây dựng, bao bì, và đồ gia dụng do tính dễ gia công, chống ăn mòn và có nhiều màu sắc. Tuy nhiên, so với thép, nhôm có độ cứng và chịu lực kém hơn, đòi hỏi thiết kế và gia công phù hợp để đảm bảo an toàn.
4.3 Vật liệu bằng Thép
Nổi bật với sức mạnh vượt trội, thép là vật liệu hàng đầu trong thế giới cơ khí. Hợp kim của sắt và cacbon, thép sở hữu độ cứng rắn đáng nể, có thể chịu được những lực tác động lớn. Từ khung máy bay chở hàng tấn trọng lượng đến những chiếc cầu bắc ngang sông dài hàng kilomet, thép luôn kiên cường gánh trên vai trọng trách của sự vững chãi.
Bên cạnh sức mạnh, thép còn dễ dàng gia công, uốn nắn theo ý muốn, mang đến tính linh hoạt trong chế tạo. Chi phí sản xuất hợp lý cũng là một ưu điểm lớn của thép, giúp chúng trở thành lựa chọn hàng đầu cho những công trình quy mô lớn. Tuy nhiên, một nhược điểm cần lưu ý là thép dễ bị ăn mòn trong môi trường ẩm ướt, đòi hỏi biện pháp xử lý bề mặt phù hợp để đảm bảo tuổi thọ.
4.4 Vật liệu bằng Inox
Nếu như thép mạnh mẽ chống lại lực tác động, thì inox kiên cường trước sự tấn công của môi trường khắc nghiệt. Hàm lượng crom cao trong inox mang đến khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, không ngại gỉ sét hay axit.
Đặc tính này khiến inox trở thành lựa chọn lý tưởng cho các thiết bị y tế, dụng cụ nhà bếp, chi tiết máy móc hoạt động trong môi trường ẩm ướt hay tiếp xúc với hóa chất. Bên cạnh đó, bề mặt sáng bóng, dễ vệ sinh của inox cũng mang đến tính thẩm mỹ cao, được ứng dụng trong các lĩnh vực như trang trí nội thất hay đồ gia dụng cao cấp.
4.5 Vật liệu bằng Gang
Nếu cần đến một vật liệu chịu mài mòn tốt và có giá thành hợp lý, gang chính là lựa chọn phù hợp. Được tạo thành từ hợp kim của sắt, cacbon và silic, gang có độ cứng cao hơn cả thép, có thể chịu được sự cọ xát liên tục mà không bị mài mòn nhanh chóng. Do đó, gang được sử dụng rộng rãi trong các chi tiết máy chịu lực lớn như khối động cơ, bánh xe, hay ống nước ngầm dưới lòng đất.
Ngoài ra, gang còn có khả năng chống ăn mòn tốt, giúp các sản phẩm làm từ gang bền đẹp theo thời gian. Tuy nhiên, gang cũng có một số nhược điểm như giòn hơn thép, dễ bị nứt gãy nếu chịu lực đột ngột. Ngoài ra, việc gia công gang cũng khó khăn hơn do độ cứng của chúng.
4.6 Vật liệu bằng đồng
Với màu đỏ đặc trưng và khả năng dẫn điện vượt trội, đồng đã được con người sử dụng từ hàng nghìn năm nay. Từ dây điện trong nhà đến các linh kiện điện tử phức tạp, đồng là xương sống của hệ thống điện, đảm bảo dòng điện được truyền dẫn trơn tru. Bên cạnh đó, tính dẻo dai và dễ uốn nắn của đồng cũng khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các chi tiết máy móc đòi hỏi độ chính xác cao.
Không chỉ có ứng dụng trong lĩnh vực kỹ thuật, đồng còn được sử dụng rộng rãi trong nghệ thuật và trang trí. Màu đỏ của đồng mang đến nét sang trọng, cổ điển, được ứng dụng trong các đồ trang sức, nội thất, và các tác phẩm điêu khắc. Ngoài ra, đồng còn có khả năng chống ăn mòn tốt, giúp các sản phẩm làm từ đồng bền đẹp theo thời gian.
5. Một số vật liệu cơ khí phi kim loại
5.1 Chất dẻo
Chất dẻo là một dòng vật liệu rộng lớn, được tạo thành từ các polyme tổng hợp hoặc bán tổng hợp. Chúng nổi bật với tính chất dễ dàng gia công, tạo hình, trọng lượng nhẹ, khả năng chống ăn mòn, cách điện và nhiệt tốt.
Chất dẻo được phân thành hai loại chính: nhiệt dẻo (thermoplastic) và nhiệt cứng (thermosets). Nhiệt dẻo có thể gia nhiệt nhiều lần để tái chế hoặc tạo hình, còn nhiệt cứng thì cố định sau khi được nung nóng lần đầu. Các ứng dụng của chất dẻo vô cùng phong phú, từ vật dụng hàng ngày (chai lọ, đồ chơi) đến các chi tiết máy móc, linh kiện điện tử, ống dẫn, vật liệu xây dựng…
5.2 Cao su
Cao su là một loại polyme đàn hồi, có khả năng chịu biến dạng lớn và phục hồi về hình dạng ban đầu. Tính chất đặc biệt này khiến cao su trở thành vật liệu lý cơ khí tưởng cho các bộ phận cần độ giảm chấn, chống rung, như lốp xe, gioăng, dây curoa, các chi tiết cách điện… Cao su tự nhiên được khai thác từ cây cao su, còn cao su tổng hợp được sản xuất từ dầu mỏ. Mỗi loại cao su có ưu nhược điểm riêng, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật khác nhau.
5.3 Vật liệu HDPE
HDPE là một loại nhựa nhiệt dẻo được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực. Đặc điểm nổi bật của HDPE là độ bền cơ học cao, chống ăn mòn, chịu nhiệt tốt, có thể tái chế. Do đó, HDPE được dùng để sản xuất ống dẫn nước, đường ống dẫn dầu khí, thùng chứa hóa chất, các chi tiết máy móc chịu tải trọng lớn…
5.4 Gỗ
Mặc dù là vật liệu tự nhiên, gỗ vẫn được xếp vào nhóm vật liệu cơ khí phi kim loại do đặc tính và ứng dụng trong lĩnh vực này. Gỗ là một vật liệu có tính dẻo dai, dễ gia công, cách nhiệt tốt, thân thiện với môi trường.
Tuy nhiên, gỗ cũng có nhược điểm như dễ cháy, dễ bị mối mọt tấn công, chịu ẩm kém. Nhờ quá trình xử lý tẩm sấy, chế biến hiện đại, gỗ được khắc phục đáng kể những nhược điểm này, mở rộng khả năng ứng dụng trong xây dựng, nội thất, sản xuất đồ dùng, nhạc cụ…
6. Ứng dụng của vật liệu cơ khí trong ngành công nghiệp hiện nay
Vật liệu cơ khí đóng vai trò nền tảng cho sự phát triển của công nghiệp, hiện diện trong mọi lĩnh vực từ sản xuất, xây dựng đến năng lượng. Kim loại, với độ bền và khả năng chịu tải cao, là vật liệu chủ đạo trong chế tạo máy móc, thiết bị, khung cầu, các chi tiết chịu lực.
Nhựa, với tính nhẹ, dẻo dai và chống ăn mòn, được sử dụng rộng rãi trong ống dẫn, linh kiện điện tử, đồ gia dụng. Cao su, nhờ khả năng giảm chấn và đàn hồi, đảm bảo vận hành trơn tru của máy móc, xe cộ, đồng thời có mặt trong các sản phẩm y tế, thể thao.
Bên cạnh các loại truyền thống, vật liệu composite hiện đại đang ngày càng được ưa chuộng. Sự kết hợp giữa sợi carbon, sợi thủy tinh và nền nhựa tạo ra vật liệu có độ bền cao, nhẹ, chịu nhiệt tốt, đáp ứng nhu cầu của ngành hàng không vũ trụ, chế tạo tàu thuyền, năng lượng tái tạo. Ngành công nghiệp còn tận dụng các đặc tính của gốm, thủy tinh, vật liệu nano để sản xuất các sản phẩm chuyên dụng, đẩy mạnh tính hiệu quả và độ chính xác.
Tóm lại, vật liệu cơ khí là nền tảng cho sự phát triển của ngành cơ khí, hiện diện trong mọi lĩnh vực từ sản xuất, xây dựng đến năng lượng. Sự phát triển của vật liệu cơ khí hiện đại, đặc biệt là vật liệu composite, đang mở ra những khả năng ứng dụng mới, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất.
