Các tính chất vật lý của một vật liệu đề cập đến các thuộc tính vốn có của nó được thể hiện dưới các tác động vật lý và hóa học, xác định các đặc tính thiết yếu của nó. Hiệu suất gia công (hoặc hiệu suất công nghệ) đề cập đến khả năng thích ứng của vật liệu với các phương pháp gia công và sản xuất khác nhau, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng sản xuất và chi phí sản phẩm.
Tính chất vật lý vốn có của bản thân vật liệu và độc lập với quá trình gia công. Chúng chủ yếu được phân loại thành tính chất vật lý và tính chất hóa học.
Chúng phản ánh phản ứng của vật liệu với các tác động vật lý (ví dụ: lực, nhiệt, ánh sáng, điện, từ tính) và đóng vai trò là cơ sở cốt lõi để lựa chọn vật liệu.
-
Tính chất nhiệt: Đặc tính liên quan đến sự thay đổi nhiệt độ
- Điểm nóng chảy/Điểm đông đặc: Nhiệt độ mà vật liệu chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng (hoặc ngược lại). Ví dụ, điểm nóng chảy của thép là khoảng 1538°C, xác định phạm vi nhiệt độ cho quá trình gia công nóng của nó.
- Độ dẫn nhiệt: Khả năng truyền nhiệt của vật liệu. Đồng có độ dẫn nhiệt cao (~401 W/(m·K)) và phù hợp với các bộ phận tản nhiệt; bông cách nhiệt có độ dẫn nhiệt thấp và được sử dụng để cách nhiệt.
- Hệ số giãn nở nhiệt: Tốc độ thay đổi kích thước của vật liệu theo nhiệt độ. Ví dụ, hệ số giãn nở nhiệt của thủy tinh và kim loại phải khớp nhau để tránh nứt trong quá trình đóng gói.
-
Tính chất điện: Phản ứng của vật liệu với dòng điện
- Điện trở suất: Đo độ dẫn điện của vật liệu (điện trở suất thấp đối với chất dẫn điện như đồng; điện trở suất cao đối với chất cách điện như cao su; điện trở suất trung bình đối với chất bán dẫn như silicon).
- Hằng số điện môi: Đặc trưng cho khả năng lưu trữ năng lượng điện của vật liệu, được sử dụng để chọn tụ điện và vật liệu cách điện (ví dụ: gốm có hằng số điện môi cao và phù hợp với tụ điện tần số cao).
-
Tính chất quang học: Tương tác giữa vật liệu và ánh sáng
- Độ truyền sáng: Tỷ lệ ánh sáng truyền qua vật liệu (ví dụ: thủy tinh có độ truyền sáng >80% cho cửa sổ; màng nhựa có độ truyền sáng có thể điều chỉnh cho nhà kính nông nghiệp).
- Độ phản xạ/Độ hấp thụ: Gương có độ phản xạ cao, trong khi lớp phủ trên tấm pin mặt trời có độ hấp thụ cao để cải thiện hiệu suất chuyển đổi quang điện.
-
Tính chất từ: Phản ứng của vật liệu với từ trường
- Các loại từ tính: Được phân loại là từ tính (ví dụ: sắt, niken, có thể hút bởi nam châm), thuận từ (ví dụ: nhôm, hút yếu) và nghịch từ (ví dụ: đồng, đẩy yếu), được sử dụng trong động cơ và thiết bị lưu trữ từ tính.
Chúng phản ánh độ ổn định của vật liệu trong môi trường hóa học, tức là khả năng chống ăn mòn, oxy hóa và phản ứng hóa học.
- Khả năng chống ăn mòn: Khả năng chống xói mòn của vật liệu bởi các môi trường hóa học như axit, kiềm và dung dịch muối (ví dụ: thép không gỉ chống ăn mòn trong khí quyển; hợp kim titan chống ăn mòn nước biển và được sử dụng trong các bộ phận tàu).
- Khả năng chống oxy hóa: Khả năng chống phản ứng với oxy ở nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ phòng (ví dụ: siêu hợp kim chống oxy hóa trong động cơ để ngăn ngừa bong tróc bề mặt).
- Độ ổn định hóa học: Đặc tính của vật liệu không phản ứng với các chất tiếp xúc (ví dụ: polytetrafluoroethylene, được gọi là "kháng tất cả các hóa chất", được sử dụng làm lớp lót cho đường ống hóa chất).
Hiệu suất gia công đề cập đến khả năng thích ứng của vật liệu với các quy trình sản xuất. Nó xác định trực tiếp "liệu có thể gia công được không", "độ khó gia công" và "tỷ lệ sản phẩm đạt yêu cầu", đồng thời là một yếu tố quan trọng để lựa chọn vật liệu trong sản xuất công nghiệp.
Hai yếu tố này tương tác và cùng nhau xác định các kịch bản ứng dụng của vật liệu:
- Tính chất vật lý xác định giới hạn trên của hiệu suất gia công: Ví dụ, vật liệu có điểm nóng chảy cao (ví dụ: vonfram, điểm nóng chảy 3422°C) khó đúc (yêu cầu nhiệt độ cực cao) và chỉ có thể được gia công thông qua luyện kim bột; vật liệu giòn (ví dụ: gốm) có hiệu suất gia công biến dạng kém và chỉ có thể được tạo hình thông qua thiêu kết.
- Hiệu suất gia công ảnh hưởng đến việc hiện thực hóa các tính chất vật lý: Ví dụ, xử lý nhiệt có thể thay đổi cấu trúc bên trong của vật liệu, do đó điều chỉnh các tính chất cơ học của nó (ví dụ: thép 45 thể hiện độ cứng và độ bền tăng lên, với độ dẻo giảm nhẹ, sau khi tôi và ram); tốc độ làm nguội trong quá trình đúc ảnh hưởng đến kích thước hạt của vật đúc, từ đó thay đổi độ bền kéo và khả năng chống ăn mòn của chúng.
