Trong thiết kế cơ khí, việc lựa chọn vật liệu là một trong những yếu tố quan trọng. Cần phải xem xét đến nhiều đặc tính khác nhau của vật liệu sao cho đáp ứng được các yêu cầu về thông số kỹ thuật và chức năng của chi tiết máy.
Thông thường, kim loại có cấu trúc tinh thể nên có những đặc điểm như dễ biến dạng dẻo mà không bị gãy (có độ dẻo cao), cũng như dẫn điện và dẫn nhiệt tốt.
Ngoài ra, ngay cả với kim loại có cùng thành phần, tính chất của chúng vẫn có thể khác nhau tùy thuộc vào cách sắp xếp nguyên tử. Do đó, ngay cả cùng một loại kim loại, nếu cấu trúc mạng tinh thể thay đổi thông qua xử lý nhiệt,… thì tính chất của kim loại đó cũng có thể thay đổi đáng kể.
Vì vậy, dưới đây sẽ giới thiệu các đặc điểm và tính chất tiêu biểu của vật liệu thép và thép cacbon thường được sử dụng trong thiết kế máy.
1. Vật liệu thép
Vật liệu thép được phân chia thành ba loại lớn tùy theo hàm lượng cacbon:
- Vật liệu có hàm lượng cacbon dưới 0,02% được gọi là sắt
- Vật liệu có hàm lượng cacbon từ 0,02% đến 2,1% được gọi là thép
- Vật liệu có hàm lượng cacbon trên 2,1% được gọi là gang
Ngoài ra, thép còn được chia thành hai loại dựa trên việc có thêm các nguyên tố hợp kim như crôm hay molypden:
- Loại không thêm nguyên tố hợp kim được gọi là thép cacbon
- Loại có thêm nguyên tố hợp kim được gọi là thép hợp kim
Thép cacbon và thép hợp kim được sử dụng rộng rãi cho các bộ phận của nhiều loại máy móc và kết cấu như ô tô, máy bay…, nên còn được gọi chung là “thép dùng cho kết cấu cơ khí”.
Thông thường, các chi tiết nhỏ có đường kính dưới khoảng 15mm sử dụng thép cacbon, còn các chi tiết lớn hơn sử dụng thép hợp kim.
2. Thép cacbon
Trong thiết kế cơ khí, loại thép cacbon được biết đến phổ biến là thép cán dùng cho kết cấu thông thường, còn gọi là “thép SS”.
Ví dụ, SS400 là loại thép có chỉ số “400” thể hiện theo quy định JIS rằng thép đó có độ bền kéo trên 400 MPa.
Thép cacbon có thể được phân loại theo các đặc tính cơ học như độ bền kéo.
Ngoài ra, còn có nhiều cách phân loại khác như:
- Theo hàm lượng cacbon: thép cacbon thấp, trung bình, cao
- Theo cấu trúc tổ chức kim loại
- Theo phương pháp luyện kim: như thép rimmed, thép killed
- Theo xử lý nhiệt
Vì vậy, khi lựa chọn thép cacbon làm vật liệu cơ khí, cần tham khảo các tiêu chuẩn JIS phân loại dựa trên thành phần, phương pháp sản xuất và mục đích sử dụng.
Thép SS không được đảm bảo về tính hàn hay độ dai ở nhiệt độ thấp. Nếu cần loại thép có khả năng hàn tốt, nên chọn thép cán dùng cho hàn kết cấu (thép SM) có độ bền kéo cũng được quy định bởi JIS.
Ngoài ra, loại thép rất phổ biến dùng cho kết cấu cơ khí là thép cacbon kết cấu cơ khí (vật liệu S○○C hoặc S○○CK).
Khác với thép SS không quy định hàm lượng cacbon, loại thép này được JIS quy định cụ thể với 20 loại từ S10C đến S58C, và 3 loại S09CK, S15CK, S20CK tùy theo hàm lượng cacbon.
Tính chất cơ học của loại thép này phụ thuộc vào hàm lượng cacbon và xử lý nhiệt, nên khi lựa chọn vật liệu cần chú ý đến phương pháp xử lý và mục đích sử dụng.
3. Lời kết
Việc lựa chọn vật liệu là một bước then chốt trong thiết kế cơ khí, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, độ bền và độ an toàn của sản phẩm. Trong số các loại vật liệu, thép – bao gồm thép cacbon và thép hợp kim – đóng vai trò chủ đạo nhờ vào tính đa dụng, độ bền cơ học cao và khả năng gia công tốt.
Thông qua các tiêu chuẩn như JIS, thép được phân loại chi tiết theo thành phần, phương pháp sản xuất, khả năng hàn, và ứng dụng cụ thể. Do đó, việc hiểu rõ các loại thép cũng như đặc điểm của chúng sẽ giúp kỹ sư cơ khí đưa ra lựa chọn chính xác, tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.
