A. Lý thuyết trọng tâm

I. Phân loại vật liệu kim loại và hợp kim

Trước hết cần hiểu rằng hợp kim là loại vật liệu được tạo thành từ hai hoặc nhiều nguyên tố, trong đó ít nhất phải có một nguyên tố là kim loại cơ bản. Hợp kim có tính đồng nhất và vẫn giữ được các tính chất đặc trưng của kim loại, mặc dù trong thành phần có thể chứa cả nguyên tố phi kim loại.

Trong kĩ thuật, vật liệu kim loại và hợp kim được chia thành hai nhóm lớn:

Nhóm 1 – Sắt và hợp kim của sắt: Bao gồm gang, thép carbon và thép hợp kim. Đây là nhóm được sử dụng phổ biến nhất trong ngành cơ khí nhờ giá thành rẻ hơn so với kim loại và hợp kim màu.

Nhóm 2 – Kim loại và hợp kim màu: Gồm tất cả các kim loại còn lại ngoài sắt như nhôm (Al), đồng (Cu), nickel (Ni), kẽm (Zn), chromium (Cr)… cùng hợp kim của chúng. Tuy giá thành cao hơn, nhóm này lại sở hữu nhiều tính chất có giá trị như độ bền cao, độ dẻo tốt, khả năng chống ăn mòn vượt trội và tính trang trí cao.

II. Tính chất cơ bản của vật liệu kim loại và hợp kim

1. Tính chất cơ học

Kim loại cùng các hợp kim của nó thể hiện tính dẻo, tính đàn hồi, đồng thời có độ bền kéo và độ bền nén ở mức nhất định. Ngoài ra, kim loại còn có đặc trưng là tính cứng, bề mặt mang ánh kim đặc trưng, có thể dát mỏng và gia công tạo hình thành nhiều dạng đa dạng. Tuỳ thuộc vào thành phần cụ thể mà mỗi loại kim loại và hợp kim sẽ có các chỉ số cơ học cao hơn hoặc thấp hơn khác nhau.

2. Tính chất vật lí

Các tính chất vật lí cơ bản của kim loại được thể hiện thông qua: khối lượng riêng, nhiệt độ nóng chảy, tính giãn nở vì nhiệt, khả năng dẫn nhiệt, khả năng dẫn điện và từ tính. Nhờ cấu trúc ion đặc thù, kim loại và hợp kim có khả năng dẫn điện tốt. Bên cạnh đó, hầu hết kim loại đều có từ tính, dẫn nhiệt hiệu quả và có điểm nóng chảy cao. Ở nhiệt độ thông thường, đại đa số kim loại tồn tại ở thể rắn – ngoại trừ thuỷ ngân và copernixi ở thể lỏng.

3. Tính chất hoá học

Sắt cùng các hợp kim của sắt thường dễ bị ôxi hoá, khả năng chịu ăn mòn kém khi tiếp xúc với các môi trường chứa acid, muối… Ngược lại, hầu hết kim loại và hợp kim màu lại khó xảy ra phản ứng hoá học, không dễ bị ôxi hoá và không bị gỉ.

4. Tính công nghệ

Mỗi loại vật liệu có những ưu thế riêng về khả năng gia công:

• Thép có tính rèn, cắt gọt, đột, dập, hàn, mài ở mức cao, tuy nhiên tính đúc lại không cao.
• Gang không có khả năng rèn, dập do bản chất giòn, nhưng bù lại tính đúc rất tốt.
• Kim loại màu và hợp kim của chúng nhờ độ dẻo lớn nên có tính rèn, dập, cán ép, cắt gọt cao. Một số loại còn có tính đúc tốt, tiêu biểu là đồng và hợp kim đồng.

III. Một số vật liệu kim loại và hợp kim thông dụng

1. Gang

Gang là hợp kim của sắt (Fe) với carbon (C), trong đó hàm lượng carbon chiếm từ 2,14% đến 4,3%. Đây là loại hợp kim có tính giòn, với đặc điểm nhận dạng là màu xám ở mặt gãy.

Tính chất: Cứng nhưng giòn; nhiệt độ nóng chảy thấp nên dễ đúc. Dẫn điện ở mức tương đối, điện trở lớn. Hay bị ôxi hoá, khả năng chịu ăn mòn kém. Không có khả năng rèn, dập nhưng tính đúc lại rất tốt.

Ứng dụng: Trong ngành cơ khí, gang được dùng để chế tạo các chi tiết bạc trượt, vỏ máy, bánh đai, bánh đà, vỏ động cơ, vỏ máy công nghiệp…

2. Thép carbon

Thép carbon là hợp kim của sắt và carbon với hàm lượng carbon nhỏ hơn 2,14%, kèm theo một lượng nhỏ silic, manganese, phosphorus và sulfur. Thép carbon được coi là “vật liệu xương sống” của các ngành công nghiệp.

Tính chất: Có cơ tính tổng hợp cao và khả năng biến dạng dẻo tốt. Dẫn nhiệt ở mức tương đối, điện trở lớn. Hay bị ôxi hoá, khả năng chịu ăn mòn kém. Có tính rèn, cắt gọt, đột dập, hàn, mài cao.

Ứng dụng: Được sử dụng rộng rãi để sản xuất dụng cụ cắt, khuôn dập và các dụng cụ đo lường.

3. Thép hợp kim

Thép hợp kim là loại thép có chứa thêm các nguyên tố hợp kim thích hợp như manganese (Mn), silic (Si), chromium (Cr), nickel (Ni), titanium (Ti)…

Tính chất: Có tính nhiệt luyện tốt hơn thép carbon; giữ được độ bền cao hơn ở nhiệt độ cao. Có thể tạo ra những tính chất hoá lí đặc biệt như chống ăn mòn trong các môi trường khắc nghiệt, tạo từ tính (thép từ tính), độ giãn nở vì nhiệt rất nhỏ.

Ứng dụng: Dùng để chế tạo các chi tiết cần chịu nhiệt, chịu lực, chịu ăn mòn; trong những trường hợp cần nâng cao tuổi thọ thiết bị, giảm nhẹ khối lượng và kích thước máy.

4. Nhôm và hợp kim nhôm

Hợp kim nhôm được tạo thành từ nhôm kết hợp với các nguyên tố khác như đồng, thiếc, manganese, silic, magnesium…

Tính chất: Nhôm nguyên chất mềm, độ bền thấp nhưng tính dẻo rất cao, dễ uốn và dễ gia công trên máy móc. Có tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao và khả năng chống ăn mòn tốt. So với nhôm nguyên chất, hợp kim nhôm cứng hơn, độ giãn dài tốt hơn, độ bền cao hơn và có nhiều công dụng hơn.

Ứng dụng: Trong ngành cơ khí, hợp kim nhôm được dùng trong chế tạo máy bay, thiết bị ngành hàng không, đóng tàu, gia công cơ khí, chế tạo khuôn mẫu…

5. Đồng và hợp kim đồng

Hợp kim đồng được tạo ra bằng cách kết hợp đồng với các nguyên tố hoá học khác như thiếc, chì, kẽm, bạc… tạo thành nhiều loại hợp kim đa dạng: đồng thau, đồng thiếc, đồng nickel, đồng cobalt…

Tính chất: Có tính dẻo tốt, độ bền cao, khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt hiệu quả. Đồng nổi bật với màu sắc vàng, hơi ngả đỏ tuỳ theo loại hợp kim.

Ứng dụng: Trong ngành cơ khí, đồng được sử dụng phổ biến để làm các ổ trượt, bánh răng, bánh vít.

6. Nickel và hợp kim nickel

Hợp kim nickel là sự kết hợp giữa nickel với các nguyên tố khác như đồng, thiếc, manganese, silic, magnesium…

Tính chất: Nickel có màu sáng trắng bạc, hơi ngả vàng nhẹ. Nickel và hợp kim nickel có khả năng chống mài mòn rất tốt, được xem là thành phần quan trọng không thể thiếu trong nhiều loại thép không gỉ và hợp kim khác.

Ứng dụng: Trong ngành cơ khí, nickel và hợp kim nickel được dùng để chế tạo thép không gỉ, các loại nam châm và một số ứng dụng khác trong cuộc sống.

Bảng tổng hợp một số vật liệu kim loại và hợp kim thông dụng:

IV. Một số phương pháp đơn giản nhận biết tính chất cơ bản của kim loại và hợp kim

Để phân biệt và nhận biết tính chất cơ bản của các loại kim loại và hợp kim, có thể áp dụng năm phương pháp đơn giản sau:

1. Quan sát màu sắc và mặt gãy của các mẫu

Bằng cách nhìn trực tiếp màu sắc bên ngoài và quan sát đặc điểm mặt gãy của các mẫu vật liệu, ta có thể nhận dạng sơ bộ từng loại. Ví dụ: gang có mặt gãy màu xám, đồng có màu vàng ngả đỏ, nhôm có màu trắng…

2. Xác định tính cứng, tính dẻo

Dùng lực của tay bẻ các đoạn dây kim loại có đường kính tương đương. Từ kết quả quan sát: vật liệu nào khó bẻ gãy thì có tính cứng lớn hơn, vật liệu nào dễ uốn cong thì tính dẻo cao hơn.

3. Xác định khả năng biến dạng

Dùng búa đập vào phần đầu của các thanh mẫu với lực đập như nhau. Mẫu nào bị dẹt nhiều hơn chứng tỏ có khả năng biến dạng cao hơn.

4. Xác định tính giòn của vật liệu

Cũng dùng búa đập, nhưng quan sát kết quả khác: vật liệu nào dễ gãy, dễ vỡ thì có tính giòn lớn hơn.

5. Xác định khối lượng riêng

Khối lượng riêng chính là khối lượng của một đơn vị thể tích vật liệu. Thông qua giá trị này, ta có thể biết được mức độ nặng hay nhẹ của các loại vật liệu khác nhau, từ đó hỗ trợ việc nhận dạng.

B. Phương pháp giải các dạng bài tập

Dạng: Lập bảng so sánh tính chất của các kim loại và hợp kim

Phương pháp giải:

• Xác định các loại vật liệu cần so sánh.
• Liệt kê các tiêu chí so sánh: tính cứng, tính dẻo, khả năng biến dạng, tính giòn, màu sắc, khối lượng riêng.
• Dựa vào kiến thức về thành phần, tính chất của từng loại vật liệu đã học (phần II và III) để điền thông tin.
• Có thể liên hệ với 5 phương pháp nhận biết đơn giản ở phần IV để kiểm chứng.

Bài tập (Vận dụng): Hãy lập bảng so sánh các tính chất như cứng, dẻo, khả năng biến dạng, tính giòn và màu sắc của các kim loại sau: Gang, thép, đồng, nhôm.

Lời giải:

Nhận xét:

• Gang là vật liệu cứng nhưng giòn nhất, khả năng biến dạng kém, dễ vỡ khi chịu lực đập.
• Thép vừa cứng vừa dẻo, khả năng biến dạng tốt – là vật liệu có cơ tính tổng hợp cao nhất.
• Đồng và nhôm đều mềm, dẻo, dễ biến dạng. Nhôm nhẹ nhất (khối lượng riêng thấp nhất), đồng nặng nhất.

C. Sơ đồ tư duy

                                     ┌─ Sắt & hợp kim sắt:
                                     │  Gang, Thép carbon, Thép hợp kim
                     ┌─ I. PHÂN LOẠI ┤
                     │               └─ Kim loại & HK màu:
                     │                  Nhôm, Đồng, Nickel...
                     │
                     │               ┌─ Cơ học: dẻo, đàn hồi, cứng,
                     │               │  bền kéo-nén, ánh kim, dát mỏng
                     │               ├─ Vật lí: KL riêng, nhiệt độ nóng
                     ├─ II. TÍNH     │  chảy, dẫn điện, dẫn nhiệt, từ tính
  VẬT LIỆU          │   CHẤT CƠ BẢN ├─ Hoá học: Sắt/HK sắt dễ ôxi hoá;
  KIM LOẠI           │               │  KL màu khó phản ứng, không gỉ
  VÀ HỢP KIM        │               └─ Công nghệ: Thép→rèn,cắt gọt tốt;
                     │                  Gang→đúc tốt; KL màu→dẻo, dập tốt
                     │
                     │               ┌─ 1. Gang (Fe+C 2,14-4,3%)
                     │               ├─ 2. Thép carbon (Fe+C <2,14%)
                     ├─ III. VẬT LIỆU┼─ 3. Thép hợp kim (+Mn,Si,Cr,Ni,Ti)
                     │   THÔNG DỤNG  ├─ 4. Nhôm & HK nhôm
                     │               ├─ 5. Đồng & HK đồng
                     │               └─ 6. Nickel & HK nickel
                     │
                     │               ┌─ 1. Quan sát màu sắc, mặt gãy
                     │               ├─ 2. Xác định tính cứng, dẻo
                     └─ IV. PHƯƠNG   ├─ 3. Xác định khả năng biến dạng
                        PHÁP NHẬN    ├─ 4. Xác định tính giòn
                        BIẾT ĐƠN GIẢN└─ 5. Xác định khối lượng riêng

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