Trong hầu hết các ứng dụng kỹ thuật, kim loại cần sở hữu các đặc tính cơ học phù hợp để đảm bảo khả năng hoạt động theo yêu cầu. Việc xác định đúng các đặc tính cơ học và giá trị của chúng là yếu tố then chốt trong thiết kế sản phẩm và cấu trúc. Để thực hiện điều này, cần hiểu rõ ý nghĩa của từng đặc tính, phương pháp đo lường cũng như ảnh hưởng của các yếu tố luyện kim và các yếu tố khác. Bài viết này cung cấp cái nhìn tổng quan về những khía cạnh quan trọng đó, đồng thời liên kết đến các tài liệu chuyên sâu hơn về từng chủ đề cụ thể.
Những tính chất cơ học thường được xem xét bao gồm: giới hạn chảy, độ bền kéo, độ giãn dài, độ cứng, độ dai gãy, độ dai va đập và độ bền mỏi. Các đặc tính này có vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của kim loại trong điều kiện làm việc thực tế. Trước khi đi sâu vào từng tính chất, cần hiểu về sự sai lệch trong hành vi vi mô của kim loại, vì đây là nền tảng quyết định đến các đặc tính cơ học của chúng.
Nội dung chính
Sự sai lệch trong mạng tinh thể kim loại
Sự sai lệch là các khuyết tật đường thẳng trong mạng tinh thể kim loại, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tính chất cơ học của vật liệu. Khi kim loại chịu ứng suất đủ lớn, các sự sai lệch này sẽ di chuyển, ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và các đặc tính cơ học khác.
Mỗi kim loại, chẳng hạn như sắt, nhôm hay đồng, đều có tính chất cơ học riêng biệt dựa trên sự sắp xếp nguyên tử và mức độ chuyển động của sai lệch trong mạng tinh thể. Khả năng di chuyển của sai lệch này có thể được điều chỉnh thông qua nhiều phương pháp như thêm nguyên tố hợp kim, xử lý nhiệt (làm nguội, ủ), kiểm soát kích thước hạt, thay đổi cấu trúc vi mô pha hoặc kiểm soát hàm lượng tạp chất phi kim loại. Nhờ những kỹ thuật này, chúng ta có thể tối ưu hóa tính chất cơ học của kim loại để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cụ thể trong từng ứng dụng.
Xem thêm:
Độ bền kéo và độ bền chảy
Trong các ứng dụng chịu tải trọng, độ bền chảy và độ bền kéo là hai đặc tính cơ học quan trọng của kim loại.
-
Độ bền chảy là mức ứng suất cần thiết để gây ra biến dạng vĩnh viễn của kim loại. Đây là yếu tố quyết định ngưỡng ứng suất mà tại đó các sai lệch trong mạng tinh thể bắt đầu di chuyển. Để đảm bảo kim loại không bị biến dạng ngoài ý muốn trong quá trình sử dụng, độ bền chảy phải cao hơn ứng suất tối đa tác động lên thành phần.
-
Độ bền kéo là ứng suất tối đa mà kim loại có thể chịu được trước khi xảy ra hiện tượng nứt hoặc gãy.
Cả hai đặc tính này được đo thông qua thử nghiệm kéo, trong đó mẫu kim loại được kéo căng cho đến khi đứt để xác định giới hạn chịu lực của vật liệu.
Độ giãn dài và độ dẻo
Độ giãn dài là một thước đo quan trọng của độ dẻo, thể hiện khả năng kéo giãn của kim loại trước khi bị đứt. Trong thử nghiệm kéo, độ giãn dài được tính bằng phần trăm thay đổi chiều dài tổng thể của mẫu thử.
Độ giãn dài đóng vai trò quan trọng trong các quy trình tạo hình nguội như uốn, kéo, dập, đặc biệt khi chế tạo các sản phẩm từ tấm kim loại, ống, dây. Kim loại có độ giãn dài cao hơn sẽ chịu được nhiều biến dạng hơn trước khi bị nứt, giúp giảm nguy cơ hư hỏng trong quá trình sản xuất.
Ngoài các đặc tính luyện kim, một số điều kiện môi trường và kỹ thuật gia công cũng ảnh hưởng đến độ giãn dài của kim loại:
-
Nhiệt độ: Kim loại thường có độ giãn dài cao hơn khi ở nhiệt độ cao.
-
Tốc độ biến dạng: Tốc độ kéo chậm hơn trong thử nghiệm kéo thường dẫn đến độ giãn dài cao hơn, giúp kim loại giãn ra nhiều hơn trước khi đứt.
Độ bền kéo ảnh hưởng lớn đến các quy trình gia công và tạo hình kim loại như uốn, dập, kéo và các phương pháp biến dạng dẻo khác. Trong các ứng dụng này, kim loại cần có độ bền kéo đủ cao để tránh tình trạng nứt gãy trong quá trình chế tạo.
Ngoài ra, độ bền kéo còn là một tiêu chí quan trọng trong kiểm soát chất lượng, giúp đảm bảo kim loại nguyên bản hoặc các linh kiện được sản xuất đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.
Độ cứng
Độ cứng là khả năng của vật liệu chống lại biến dạng dẻo cục bộ khi bị một đầu dò tác động lên bề mặt. Nó phản ánh mức độ chống trầy xước, móp méo hoặc xuyên thủng của kim loại.
Kim loại có độ cứng cao sẽ khó bị trầy xước, móp hoặc cắt gọt, giúp cải thiện độ bền và khả năng chống mài mòn. Độ cứng đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng như:
- Bánh răng, giúp tăng độ bền khi vận hành liên tục.
- Bộ phận trượt, cần khả năng chống mài mòn để duy trì hiệu suất.
- Linh kiện chịu tác động từ hạt cứng, thường gặp trong môi trường làm việc khắc nghiệt.
Ngoài ra, độ cứng cũng là một chỉ báo quan trọng về độ bền tổng thể của kim loại, đặc biệt với nhiều loại hợp kim.
Độ bền gãy
Độ bền gãy là thước đo khả năng của kim loại chống lại sự gãy giòn đột ngột, đặc biệt khi có vết nứt tồn tại trên bề mặt. Tính chất này rất quan trọng trong các trường hợp sau:
- Các thành phần chịu tải trọng tuần hoàn, dễ hình thành vết nứt mỏi.
- Linh kiện có lỗi sản xuất, có nguy cơ xuất hiện vết nứt tiềm ẩn.
- Thiết kế có vùng tập trung ứng suất, dễ dẫn đến nứt gãy khi chịu tải cao.
Độ bền gãy được xác định thông qua thử nghiệm trên các mẫu kim loại có sẵn vết nứt. Đơn vị phổ biến của độ bền gãy là MPa√m.
Cường độ ứng suất là giá trị dùng để dự đoán trạng thái ứng suất gần đầu vết nứt. Khi vết nứt mở rộng, cường độ ứng suất tại đầu vết nứt tăng lên.
- Nếu cường độ ứng suất vượt quá độ bền gãy của kim loại, sự gãy đột ngột sẽ xảy ra.
-
Trong các thành phần có lỗi sản xuất hoặc thiết kế tập trung ứng suất, nếu cường độ ứng suất tại các điểm yếu vượt quá độ bền gãy, kim loại cũng có nguy cơ nứt và hư hỏng nghiêm trọng.
Độ bền va đập
Độ bền va đập đo lường khả năng của kim loại trong việc hấp thụ năng lượng va đập và chống lại sự nứt gãy giòn khi chịu tải trọng đột ngột. Đây là một chỉ tiêu quan trọng trong kiểm soát chất lượng, giúp đánh giá độ nhạy khía và so sánh độ bền của các vật liệu kỹ thuật.
Độ bền va đập có thể được xác định bằng thử nghiệm Charpy hoặc thử nghiệm Izod:
- Một mẫu thử được chế tạo và đặt lên giá đỡ của máy thử.
- Một con lắc nặng được thả để đập vào mẫu thử.
- Lượng năng lượng hấp thụ trong quá trình va chạm được đo và thể hiện độ bền va đập của vật liệu.
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền va đập:
- Tốc độ biến dạng (tốc độ tải): Khi tốc độ tải tăng, độ bền va đập thường giảm.
- Nhiệt độ: Kim loại có xu hướng giòn hơn ở nhiệt độ thấp, làm giảm khả năng chống va đập.
Độ bền mỏi
Độ bền mỏi là ứng suất tối đa mà kim loại có thể chịu đựng trong một số chu kỳ tải nhất định mà không bị hỏng do tải trọng lặp đi lặp lại. Đây là thước đo quan trọng để đánh giá khả năng chống hỏng hóc do mỏi của vật liệu dưới điều kiện ứng suất tuần hoàn.
- Giới hạn mỏi (Fatigue Limit): Là mức ứng suất dưới đó kim loại có thể chịu vô số chu kỳ tải mà không bị hỏng do mỏi.
- Hợp kim sắt (thép) và hợp kim titan có giới hạn mỏi riêng biệt.
Độ bền mỏi (Fatigue Strength):
- Được sử dụng cho các vật liệu không có giới hạn mỏi cụ thể.
- Hợp kim nhôm và đồng không có giới hạn mỏi và cuối cùng sẽ bị hỏng ngay cả khi chịu ứng suất nhỏ trong thời gian dài.
- Độ bền mỏi thường được xác định bằng giá trị ứng suất tối đa mà vật liệu có thể chịu trong một số chu kỳ tải nhất định trước khi bị hỏng.
Cảm ơn bạn quan tâm bài viết: Tính chất cơ học của kim loại
Mọi thắc mắc về Tài liệu thép không gỉ hoặc nhận báo giá các mặt hàng thép không gỉ, vui lòng liên hệ:
- Hotline: 1800 6968
- Fanpage: Inox Đại Dương
Ban biên tập: Đại Dương