Việc lựa chọn vật liệu trong thiết kế cơ khí là một trong những yếu tố quan trọng. Khi thiết kế các chi tiết máy, cần phải sử dụng một cách hợp lý các đặc tính của vật liệu được sử dụng. Vì lý do đó, trước tiên cần phải hiểu rõ các đặc tính của vật liệu cần thiết.
1. Đặc tính cơ học
Các loại vật liệu được sử dụng trong máy móc đều có những đặc trưng và tính năng riêng. Bằng cách hiểu rõ các đặc tính cơ học, ta có thể biết được nên sử dụng đặc tính nào để lựa chọn vật liệu phù hợp cho chi tiết máy cần thiết kế.
Các đặc tính cơ học này có thể được xác định thông qua các thử nghiệm, và đối với các vật liệu phổ biến, có thể tham khảo từ tiêu chuẩn công nghiệp như JIS. Các giá trị đặc tính cơ học được ghi trong tiêu chuẩn JIS và các tiêu chuẩn tương tự sẽ được giải thích ở phần tiếp theo.
Độ bền
Khi một ngoại lực tác động lên vật liệu, ứng suất sẽ phát sinh bên trong vật liệu đó.
Khi độ lớn của ứng suất bên trong vượt quá giới hạn của vật liệu, vật liệu sẽ bị phá hủy. Khả năng chống lại sự phá hủy này được gọi là độ bền tĩnh. Trong các loại độ bền tĩnh, loại phổ biến và thường được sử dụng nhất là độ bền kéo.
Khi tra bảng tính chất vật lý của vật liệu kim loại, ta sẽ luôn thấy giá trị của độ bền kéo được ghi rõ.
Độ bền tĩnh được phân loại dựa theo cách thức tải trọng được tác dụng lên vật liệu. Ngoài độ bền kéo, còn có các loại như độ bền nén, độ bền cắt, độ bền uốn, và độ bền xoắn. Tùy vào hình thức sử dụng của vật liệu mà lựa chọn loại độ bền phù hợp để đánh giá.
Hoá bền do gia công (Gia công làm cứng)
Vật liệu cơ khí sẽ bị biến dạng khi chịu tác động của ngoại lực. Ví dụ, khi thực hiện một thử nghiệm kéo, ta có thể thu được biểu đồ ứng suất – biến dạng.
Khi ứng suất nằm dưới giới hạn đàn hồi, vật liệu sẽ biến dạng đàn hồi, nghĩa là sau khi loại bỏ lực tác động, vật liệu sẽ hoàn toàn trở lại hình dạng ban đầu (giống như cao su quay lại hình dạng cũ).
Tuy nhiên, khi vượt quá giới hạn đàn hồi, vật liệu sẽ không thể trở lại hình dạng ban đầu ngay cả khi đã loại bỏ lực tác động, và sẽ xảy ra biến dạng dẻo (giống như đất sét giữ nguyên hình dạng sau khi bị nắn).
Như có thể thấy từ biểu đồ ứng suất – biến dạng, khi biến dạng dẻo tiếp tục tăng, ứng suất cũng tăng lên. Hiện tượng này được gọi là hóa bền do gia công (hoặc gia công làm cứng, tiếng Anh: work hardening).
Nói cách khác, khi vật liệu trải qua quá trình gia công biến dạng dẻo, hiện tượng gia công làm cứng sẽ xảy ra, làm thay đổi các đặc tính cơ học như độ bền kéo. Vì vậy, việc hiểu rõ về hiện tượng gia công làm cứng của vật liệu là rất quan trọng.
Ngoài ra, gia công làm cứng có thể được khôi phục về các tính chất cơ học ban đầu trước khi gia công thông qua quá trình xử lý nhiệt. Do đó, bằng cách kết hợp biến dạng dẻo và xử lý nhiệt, ta có thể đạt được độ bền cần thiết cho vật liệu.
Độ cứng
Độ cứng của vật liệu cơ khí là một trong những đặc tính cơ học rất quan trọng vì có thể dễ dàng đo được và từ giá trị độ cứng có thể ước lượng nhiều đặc tính cơ học khác.
Thông thường, trong các phương pháp kiểm tra độ cứng công nghiệp dùng cho vật liệu kim loại, một đầu đo (đầu nén) được ép vào vật liệu cần đo, và độ cứng được xác định dựa trên lực ép cùng kích thước vết lõm tạo ra. Tuy nhiên, do hầu hết các phương pháp đo độ cứng này đều gây ra một mức biến dạng dẻo nhất định, nên giá trị độ cứng sẽ khác nhau tùy theo mức độ biến dạng đó.
Có các phương pháp thử độ cứng sử dụng tải trọng động hoặc dựa trên việc cào xước bề mặt vật liệu.
Đặc tính chịu va đập
Việc biết được đặc tính chịu va đập giúp đánh giá được mức độ giòn của vật liệu. Ví dụ, một vật liệu có thể không gặp vấn đề về độ bền khi chịu lực tĩnh, nhưng lại có thể bị giòn khi chịu lực va đập đột ngột.
Độ dai (khả năng chống chịu va đập) của vật liệu rất nhạy cảm với thành phần hóa học, cấu trúc vật liệu, cũng như tình trạng các tạp chất phi kim loại bên trong. Vì vậy, đặc tính chịu va đập cũng là yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn vật liệu.
Các bài kiểm tra va đập cũng giống như các bài kiểm tra tĩnh, gồm có kéo, nén, cắt, uốn và xoắn. Tuy nhiên, bài kiểm tra phổ biến nhất để đánh giá độ dai của vật liệu là bài kiểm tra uốn.
Mỏi (Fatigue)
Phần lớn các hư hỏng hoặc phá hủy của kết cấu máy móc là do hiện tượng mỏi của các chi tiết máy. Ví dụ, trong vụ tai nạn tàu lượn siêu tốc ở khu vui chơi giải trí, nguyên nhân là do đứt gãy mỏi ở bộ phận ốc vít cố định trục bánh xe.
Dù các chi tiết máy đã được lựa chọn vật liệu và thiết kế dựa trên các đặc tính cơ học nêu trên, khi chịu tải lặp đi lặp lại, chúng có thể bị phá hủy hoặc hư hỏng ở mức độ ứng suất rất thấp so với tải tĩnh.
Do đó, khi thiết kế máy móc, ngoài việc dựa vào độ bền tĩnh làm cơ sở, việc thiết kế phải tính đến thời gian sử dụng và tải lặp lại là rất quan trọng.
Phá hủy mỏi xảy ra khi:
- Ứng suất thay đổi liên tục,
- Hoặc dù tải trọng không đổi nhưng chi tiết chuyển động,
- Hoặc không có tải ngoài nhưng có sự biến đổi nhiệt độ,
tức là khi ứng suất tác động lên chi tiết thay đổi.
Vì vậy, việc biết được độ bền mỏi của vật liệu cũng rất quan trọng. Độ bền mỏi được xác định qua các bài kiểm tra mỏi.
Trong bài kiểm tra này, vật liệu sẽ chịu các ứng suất lặp đi lặp lại cho đến khi bị phá hủy. Từ đó, có thể thiết kế theo tuổi thọ hữu hạn: xác định trước thời gian sử dụng của vật liệu, rồi thiết kế chi tiết sao cho trong khoảng thời gian đó không xảy ra phá hủy do mỏi.
2. Đặc tính vật lý
Một trong những đặc tính của vật liệu không phụ thuộc vào hình dạng của vật liệu là đặc tính vật lý. Đặc tính vật lý bao gồm điểm nóng chảy, điểm sôi, mật độ, v.v. Việc hiểu rõ các đặc tính này rất quan trọng trong thiết kế cơ khí để xác định đúng ứng dụng của vật liệu.
3. Đặc tính hóa học
Khi tiến hành thiết kế cơ khí, cũng cần phải xem xét đến vấn đề ăn mòn. Ăn mòn là một trong những nguyên nhân làm suy giảm chất lượng vật liệu. Môi trường và các phản ứng hóa học gây ra ăn mòn rất đa dạng, nên trong việc lựa chọn vật liệu, việc hiểu rõ đặc tính hóa học dựa trên môi trường sử dụng của vật liệu là rất quan trọng.
4. Lời kết
Tóm lại, trong thiết kế cơ khí, việc lựa chọn vật liệu đóng vai trò then chốt quyết định đến hiệu năng, độ bền và tuổi thọ của chi tiết máy. Để chọn được vật liệu phù hợp, kỹ sư cần:
- Hiểu rõ đặc tính cơ học (độ bền tĩnh: kéo, nén, cắt, uốn, xoắn; độ cứng; khả năng chống va đập; độ bền mỏi…), nhờ đó đảm bảo chi tiết chịu được tải tĩnh và tải lặp lại trong suốt chu kỳ làm việc.
- Nắm vững đặc tính vật lý (điểm nóng chảy, điểm sôi, mật độ…), từ đó xác định được điều kiện nhiệt độ và trọng lượng tối ưu cho ứng dụng.
- Tính đến đặc tính hóa học (khả năng chịu ăn mòn, tương tác với môi trường…), giúp chi tiết máy giữ được hiệu suất và độ bền trong môi trường thực tế.
Bên cạnh đó, các hiện tượng như gia công làm cứng hay khả năng phục hồi cơ tính qua xử lý nhiệt cũng là yếu tố quan trọng để điều chỉnh tính chất vật liệu theo yêu cầu thiết kế. Và cuối cùng, thiết kế còn phải cân nhắc đến tuổi thọ hữu hạn và điều kiện tải lặp lại để đảm bảo an toàn và độ tin cậy cho toàn bộ kết cấu máy.
Với sự phối hợp hài hòa giữa hiểu biết lý thuyết về vật liệu và kinh nghiệm thực tiễn trong sản xuất – gia công – xử lý nhiệt, người thiết kế sẽ tìm được giải pháp vật liệu tối ưu, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về hiệu suất, độ bền và chi phí trong mỗi dự án cơ khí.
