A. Lý thuyết trọng tâm

I. Khái niệm vật liệu cơ khí

Trong ngành sản xuất cơ khí, để tạo ra các sản phẩm phục vụ nhiều lĩnh vực khác nhau – từ thiết bị máy móc công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải cho đến y tế, văn hoá, giáo dục – người ta cần sử dụng rất nhiều loại vật liệu. Những vật liệu được dùng trong sản xuất cơ khí nhằm tạo nên các sản phẩm như vậy được gọi chung là vật liệu cơ khí.

Điểm đáng chú ý là vật liệu cơ khí rất đa dạng và mang tính tương đối. Một số loại vật liệu như kim loại, chất dẻo, composite… không chỉ phục vụ riêng cho sản xuất cơ khí mà còn được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng, kĩ thuật điện, công nghiệp hoá học và nhiều ngành khác.

II. Các yêu cầu chung đối với vật liệu cơ khí

Mỗi sản phẩm cơ khí đều hoạt động trong những điều kiện nhất định về môi trường, tải trọng và yêu cầu sử dụng riêng. Chính vì vậy, khi lựa chọn vật liệu để chế tạo, cần xem xét đồng thời ba yêu cầu sau:

1. Yêu cầu về tính sử dụng

Vật liệu cần sở hữu các tính chất cơ học (độ bền, độ cứng, độ dẻo…), tính chất vật lí (dẫn điện, dẫn nhiệt, chịu nhiệt…) và tính chất hoá học (chống ăn mòn, chống ôxi hoá…) phù hợp, sao cho sản phẩm cơ khí có thể đáp ứng tốt yêu cầu làm việc thực tế.

2. Yêu cầu về tính công nghệ

Vật liệu phải có khả năng gia công thuận lợi bằng các phương pháp khác nhau như đúc, hàn, gia công áp lực, tính thấm tôi, tính cắt gọt… Điều này giúp giảm bớt khó khăn trong quá trình chế tạo chi tiết máy, đồng thời đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm.

3. Yêu cầu về tính kinh tế

Vật liệu được chọn cần giúp giá thành sản phẩm ở mức hợp lí nhất có thể, trong khi vẫn thoả mãn đầy đủ hai yêu cầu về tính sử dụng và tính công nghệ nêu trên.

Ghi nhớ: Việc lựa chọn vật liệu phù hợp cho từng chi tiết cơ khí có ý nghĩa rất quan trọng – nó quyết định trực tiếp đến chất lượng làm việc, tuổi thọ chi tiết và giá thành sản phẩm.

III. Phân loại vật liệu cơ khí

Dựa vào cấu tạo và tính chất, vật liệu cơ khí được chia thành ba nhóm chính:

1. Vật liệu kim loại và hợp kim

Đây là nhóm vật liệu được sử dụng chủ yếu trong sản xuất cơ khí. Các kim loại thông dụng bao gồm sắt, đồng, nhôm… cùng với các hợp kim của chúng như gang, thép, inox…

Tính chất nổi bật: Khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt; độ bền, độ cứng và độ dẻo cao.

Ứng dụng tiêu biểu: Chế tạo các chi tiết máy (trục, bánh răng, ổ trục…), vỏ máy, đồ dùng gia đình (nồi, xoong inox…).

2. Vật liệu phi kim loại

Nhóm này gồm các loại vật liệu như chất dẻo (nhựa), cao su, gỗ… được dùng khá phổ biến trong ngành cơ khí. Hiện nay tỉ lệ chi tiết bằng vật liệu phi kim loại trong các máy móc có xu hướng ngày càng tăng.

Tính chất nổi bật: Mềm và có nhiệt độ nóng chảy thấp nên dễ gia công tạo hình; không dẫn điện, không dẫn nhiệt (cách điện, cách nhiệt tốt); không bị ôxi hoá, khả năng chống ăn mòn hoá học cao; chống mài mòn tốt, độ đàn hồi cao.

Ứng dụng tiêu biểu: Chế tạo đường ống dẫn chất lỏng, nắp các thiết bị điện (nhựa); lốp bánh xe, gioăng chống thấm (cao su)…

3. Vật liệu mới

Vật liệu mới là những loại vật liệu không thuộc danh mục truyền thống (kim loại – hợp kim hay phi kim loại) nhưng đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất cơ khí. Có thể chia thành hai nhóm nhỏ:

Nhóm có tính chất cơ học vượt trội: Sở hữu độ bền, độ cứng lớn hơn, hoặc có một hay nhiều đặc tính về nhiệt, điện, hoá học vượt trội hơn so với vật liệu truyền thống. Ví dụ: vật liệu nano, composite, polymer tiên tiến.

Nhóm có thể thay đổi đặc tính theo cách kiểm soát được: Một số đặc tính của chúng có thể biến đổi nhờ các kích thích từ bên ngoài như ứng suất, nhiệt độ, điện trường, từ trường… Ví dụ: hợp kim nhớ hình, polymer nhớ hình.

Ứng dụng tiêu biểu: Sản xuất thiết bị siêu nhẹ, siêu bền cho xe hơi và máy bay; dụng cụ cắt gọt; chế tạo cánh tay robot…

Phân loại vật liệu ở Hình 3.1 theo sơ đồ Hình 3.2:

Bảng tóm tắt tính chất và ứng dụng của các nhóm vật liệu cơ khí:

B. Phương pháp giải các dạng bài tập

Dạng: Phân tích lí do lựa chọn vật liệu cho sản phẩm cơ khí

Phương pháp giải:

• Xác định sản phẩm cơ khí cần phân tích và liệt kê các bộ phận chính của sản phẩm đó.
• Nêu vật liệu được sử dụng để chế tạo từng bộ phận.
• Phân tích điều kiện làm việc và yêu cầu kĩ thuật của từng bộ phận (chịu tải, dẫn điện, cách điện, chống ăn mòn, chịu ma sát…).
• Đối chiếu với tính chất đặc trưng của vật liệu đã chọn → giải thích vì sao vật liệu đó phù hợp.

Bài tập 1 (Luyện tập – Giáo án): Cấu tạo chính của dây điện có các bộ phận nào? Cho biết vật liệu chế tạo nên các bộ phận đó? Tại sao lại sử dụng các vật liệu đó?

Lời giải:

Dây điện có cấu tạo gồm hai phần chính:

Lõi dây: Được chế tạo từ đồng hoặc nhôm. Lí do lựa chọn: đây là những kim loại có cơ tính tốt và đặc biệt có khả năng dẫn điện cao, đồng thời giá thành hợp lí.

Lớp vỏ cách điện: Được làm bằng cao su hoặc nhựa PVC. Lí do lựa chọn: những vật liệu này có khả năng cách điện tốt, bền trong điều kiện môi trường thông thường và chống ẩm hiệu quả, giúp đảm bảo an toàn khi sử dụng.

Bài tập 2 (Luyện tập – Giáo án): Cấu tạo chính của ổ cắm điện có các bộ phận nào? Cho biết vật liệu chế tạo nên các bộ phận đó? Tại sao lại sử dụng các vật liệu đó?

Lời giải:

Ổ cắm điện gồm hai bộ phận chính:

Phần vỏ: Được chế tạo bằng nhựa hoặc sứ. Lí do: đây là vật liệu có độ cứng tốt, bền và đặc biệt là khả năng cách điện cao, đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

Phần cực tiếp điện: Được làm từ đồng. Lí do: đồng là kim loại dẫn điện rất tốt, có độ bền cơ học cao, phù hợp cho việc truyền dẫn điện năng.

Bài tập 3 (Vận dụng – SGK): Quan sát chiếc xe máy, em hãy nêu tên những chi tiết, bộ phận nào của xe được làm từ vật liệu kim loại và phi kim loại.

Lời giải:

Các chi tiết làm bằng vật liệu kim loại và hợp kim: Vành bánh xe, trục bánh xe, nan hoa, khung sườn xe, tay lái, hộp số, xích truyền động, vỏ chắn bùn (loại kim loại), ống xả, piston, xi-lanh…

Các chi tiết làm bằng vật liệu phi kim loại: Yếm xe máy (nhựa), yên xe (da hoặc nhựa tổng hợp), săm và lốp (cao su), tay nắm (cao su/nhựa), vỏ đèn xi-nhan (nhựa), vỏ gương chiếu hậu (nhựa)…

C. Sơ đồ tư duy

                                 ┌─ Dùng trong SX cơ khí để tạo sản phẩm
                ┌─ I. KHÁI NIỆM ┼─ Rất đa dạng, mang tính tương đối
                │                └─ Một số VL vừa dùng trong cơ khí
                │                   vừa dùng ở ngành khác
                │
                │                ┌─ Tính sử dụng: tính chất cơ, lí, hoá
                │                │  phù hợp yêu cầu làm việc
   TỔNG QUAN   ├─ II. YÊU CẦU  ┼─ Tính công nghệ: khả năng gia công
   VỀ VẬT LIỆU │   CHUNG        │  (đúc, hàn, áp lực, cắt gọt...)
   CƠ KHÍ      │                └─ Tính kinh tế: giá thành hợp lí
                │                   mà vẫn đạt yêu cầu kĩ thuật
                │
                │                ┌─ Kim loại & hợp kim
                │                │  • Tính chất: dẫn điện, dẫn nhiệt,
                │                │    bền, cứng, dẻo
                │                │  • VD: gang, thép, đồng, nhôm, inox
                │                │  • ƯD: chi tiết máy, vỏ máy
                │                │
                └─ III. PHÂN     ├─ Phi kim loại
                   LOẠI          │  • Tính chất: mềm, dễ gia công,
                                 │    cách điện, chống ăn mòn, đàn hồi
                                 │  • VD: nhựa, cao su, gỗ
                                 │  • ƯD: ống dẫn, nắp TB điện, lốp xe
                                 │
                                 └─ Vật liệu mới
                                    • Tính chất: vượt trội hoặc thay đổi
                                      được theo kích thích bên ngoài
                                    • VD: nano, composite, hợp kim nhớ hình
                                    • ƯD: TB siêu nhẹ, dụng cụ cắt, robot

ThS. Hồ Thị Thư

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Công Nghệ THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Công nghệ, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Hoàng Hoa Thám