Đề thi, bài tập trắc nghiệm online Vật liệu kĩ thuật – Đề 13

Bông thủy tinh là vật liệu xốp có khả năng cách nhiệt tốt do chứa nhiều không khí, không khí là chất cách nhiệt tốt. Đồng, thép và nhôm là kim loại, dẫn nhiệt tốt và không phù hợp cho ứng dụng cách nhiệt.

Thử độ cứng là phương pháp xác định độ cứng vật liệu bằng cách đo kích thước vết lõm do đầu thử (ví dụ: bi thép, mũi kim cương) tạo ra dưới tác dụng của lực ép. Các phương pháp thử độ cứng phổ biến bao gồm Brinell, Vickers, Rockwell. Thử kéo, thử uốn, thử va đập đo các tính chất cơ học khác.

Ăn mòn hóa học (chemical etching) là phương pháp sử dụng hóa chất để loại bỏ vật liệu có chọn lọc trên bề mặt, thường để tạo ra các hoa văn, mạch in, hoặc các cấu trúc vi mô. Nó không dùng để tăng độ cứng, tạo lớp phủ bảo vệ hoặc đánh bóng bề mặt mà chủ yếu để khắc hoặc tạo hình.

'Độ bền mỏi' (fatigue strength) hoặc 'giới hạn mỏi' là ứng suất lớn nhất mà vật liệu có thể chịu được vô hạn lần tải trọng lặp lại (chu kỳ) mà không bị phá hủy do mỏi. Nếu ứng suất vượt quá giới hạn mỏi, vật liệu sẽ bị phá hủy sau một số hữu hạn chu kỳ tải. Ứng suất tối đa trong một lần tải là giới hạn bền tĩnh, độ cứng và khả năng hấp thụ va đập là các tính chất khác.

'Giới hạn bền chảy' (yield strength) là ứng suất mà tại đó vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo (biến dạng vĩnh viễn, không hồi phục). Vượt quá giới hạn bền chảy, vật liệu sẽ bị biến dạng vĩnh viễn. Ứng suất tối đa trước khi đứt là 'giới hạn bền kéo' (tensile strength), độ cứng và khả năng chống mài mòn là các tính chất khác.

'Điểm ba' (triple point) trên sơ đồ pha là điểm mà tại đó ba pha (rắn, lỏng, khí) của một chất có thể cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng nhiệt động. Tại điểm này, nhiệt độ và áp suất được xác định cụ thể để ba pha có thể đồng thời tồn tại. Điểm nóng chảy và điểm sôi chỉ liên quan đến cân bằng giữa hai pha.

Vật liệu nền (matrix) trong composite có vai trò chính là bao bọc, liên kết và truyền tải ứng suất đến vật liệu gia cường, đồng thời bảo vệ vật liệu gia cường khỏi môi trường bên ngoài. Vật liệu gia cường thường chịu tải trọng chính và cải thiện độ cứng, độ bền.

Phủ PVD (Physical Vapor Deposition) là phương pháp tạo lớp phủ mỏng trên bề mặt vật liệu bằng cách bay hơi và ngưng tụ vật liệu phủ trong môi trường chân không. PVD được sử dụng để cải thiện các tính chất bề mặt như độ cứng, khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn, hoặc tạo màu sắc thẩm mỹ. Nó không phải là phương pháp gia công cắt gọt, nung kết hay hàn.

Polyetylen (PE) là một loại nhựa nhiệt dẻo, có nghĩa là nó có thể mềm và chảy khi đun nóng và cứng lại khi nguội, quá trình này có thể lặp lại. Bakelit, cao su lưu hóa và nhựa epoxy là nhựa nhiệt rắn, chúng trải qua quá trình đóng rắn không thuận nghịch.

Ưu điểm chính của vật liệu composite nền polyme (PMC) so với kim loại là tỷ trọng thấp (nhẹ hơn) và khả năng thiết kế hình dạng linh hoạt hơn. Mặc dù một số PMC có độ bền và độ cứng cao theo tỷ lệ trọng lượng, nhưng nói chung kim loại có độ bền và độ cứng tuyệt đối cao hơn. PMC không chịu nhiệt tốt bằng kim loại và không dẫn điện.

Thép gió (High-speed steel - HSS) là vật liệu kim loại có độ cứng và khả năng chịu mài mòn cao, thích hợp cho dụng cụ cắt gọt. Nhôm, đồng và polyetylen mềm hơn và ít phù hợp hơn cho ứng dụng này.

Ép phun (injection molding) là phương pháp gia công phổ biến và hiệu quả để tạo hình các sản phẩm phức tạp từ polyme nhiệt dẻo. Nó cho phép sản xuất hàng loạt các chi tiết có độ chính xác cao. Gia công cắt gọt, đúc và hàn ít phổ biến hơn hoặc không phù hợp cho polyme nhiệt dẻo trong nhiều trường hợp.

Vật liệu nano (nanomaterials) có tính chất vật lý và hóa học có thể khác biệt đáng kể so với vật liệu thông thường do 'hiệu ứng kích thước nano'. Khi kích thước vật liệu giảm xuống mức nano mét, tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích tăng lên rất lớn, và các hiệu ứng lượng tử trở nên quan trọng, dẫn đến các tính chất mới hoặc cải thiện (như độ bền, độ dẫn điện, tính xúc tác,...). Không phải vật liệu nano nào cũng có độ bền cơ học kém hơn hoặc giá rẻ hơn, và khả năng gia công tùy thuộc vào từng loại vật liệu nano.

Vật liệu piezoelectric có ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực cảm biến và bộ truyền động (actuators). Chúng có khả năng tạo ra điện tích khi bị biến dạng cơ học (hiệu ứng piezoelectric thuận), và ngược lại, biến dạng cơ học khi có điện trường (hiệu ứng piezoelectric nghịch). Ứng dụng trong cảm biến áp suất, gia tốc, bộ truyền động chính xác, v.v. Nam châm vĩnh cửu, cách nhiệt, siêu dẫn là các lĩnh vực ứng dụng của vật liệu khác.

Kim loại có cấu trúc tinh thể, với các electron tự do giúp chúng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt. Polyme và gốm sứ thường là chất cách điện, còn vật liệu composite có thể có tính chất hỗn hợp tùy thuộc vào thành phần.

Thiêu kết (sintering) là quá trình nhiệt luyện bột vật liệu (gốm sứ, bột kim loại) ở nhiệt độ dưới điểm nóng chảy, làm cho các hạt bột liên kết lại với nhau tạo thành khối đặc chắc. Công nghệ này rất quan trọng trong sản xuất gốm sứ và các sản phẩm từ bột kim loại. Kim loại có thể được gia công bằng nhiều cách khác, polyme thường được ép phun hoặc đúc, composite có quy trình gia công riêng.

Hợp kim nhớ hình dạng (SMA), như Nitinol (hợp kim Niken-Titan), có tính chất siêu đàn hồi (superelasticity), nghĩa là chúng có thể chịu biến dạng đàn hồi rất lớn (lên đến vài phần trăm) và hồi phục hoàn toàn hình dạng ban đầu khi thôi tác dụng lực. Thép thường, cao su tự nhiên và nhựa PVC không có tính chất siêu đàn hồi theo cách này.

Vật liệu bioceramics (gốm sinh học) được sử dụng trong y sinh học chủ yếu dựa trên tính chất tương thích sinh học (biocompatibility) và tính trơ hóa học trong môi trường cơ thể. Điều này có nghĩa là chúng không gây phản ứng độc hại, không bị ăn mòn hoặc phân hủy trong cơ thể, và có thể tích hợp tốt với mô sinh học. Độ bền cơ học, khả năng dẫn điện và giá thành có thể quan trọng nhưng không phải là yếu tố quyết định chính cho ứng dụng bioceramics.

Độ dẫn điện là tính chất vật lý, liên quan đến khả năng dẫn điện của vật liệu. Độ bền kéo, độ cứng và độ dẻo là các tính chất cơ học, mô tả phản ứng của vật liệu dưới tác dụng của lực.

Thép không gỉ (inox) chứa một lượng lớn crom (ít nhất 10.5%), tạo thành lớp oxit crom thụ động trên bề mặt, giúp chống ăn mòn rất tốt. Các loại thép khác như thép cacbon thấp, thép hợp kim thấp và thép công cụ có khả năng chống ăn mòn kém hơn nhiều.

Ăn mòn điện hóa (galvanic corrosion) xảy ra khi có hai kim loại khác nhau (có điện thế điện cực khác nhau) tiếp xúc với nhau và cùng tiếp xúc với môi trường điện ly (chất dẫn điện ion). Khi đó, một kim loại (anot) sẽ bị ăn mòn nhanh hơn kim loại kia (catot). Axit mạnh có thể gây ăn mòn hóa học, nhiệt độ cao và không khí khô có thể gây các dạng ăn mòn khác, nhưng ăn mòn điện hóa cần điều kiện cụ thể về cặp kim loại và môi trường điện ly.

Quá trình 'oxi hóa' kim loại là quá trình kim loại phản ứng với oxy (thường từ không khí) để tạo thành oxit kim loại. Đây là cơ chế chính của sự ăn mòn kim loại trong môi trường khí quyển. Quá trình khử là ngược lại với oxi hóa, làm sạch bằng axit là phương pháp khác, và nhiệt luyện tăng độ cứng là quá trình xử lý cơ tính.

Quá trình ram thép (tempering) là quá trình nhiệt luyện sau khi tôi thép, nhằm giảm độ giòn và ứng suất dư, đồng thời tăng độ dai và độ dẻo của thép. Ram không làm tăng độ cứng mà thường làm giảm nhẹ độ cứng so với trạng thái tôi.

Vật liệu gốm chủ yếu được liên kết bởi liên kết ion và liên kết cộng hóa trị. Liên kết ion xảy ra giữa các ion mang điện tích trái dấu, còn liên kết cộng hóa trị xảy ra do sự chia sẻ electron giữa các nguyên tử. Liên kết kim loại chủ yếu trong kim loại, liên kết Van der Waals và hydro là liên kết yếu hơn.

Vật liệu composite (vật liệu tổng hợp) được tạo thành từ hai thành phần chính: vật liệu nền (matrix) và vật liệu gia cường (reinforcement). Vật liệu nền bao bọc và liên kết vật liệu gia cường, trong khi vật liệu gia cường cải thiện tính chất của vật liệu composite.

Vật liệu ferroelectric có tính chất đặc biệt là khả năng tự phát phân cực điện (spontaneous polarization) ngay cả khi không có điện trường ngoài, và có thể đảo chiều phân cực này bằng cách áp dụng điện trường ngoài. Tính chất này được ứng dụng trong bộ nhớ không bay hơi, cảm biến, và các thiết bị điện tử khác. Siêu dẫn, từ thẩm cao, và phát quang là các tính chất của vật liệu khác.

Hiện tượng mỏi vật liệu (fatigue) xảy ra khi vật liệu chịu tác dụng của tải trọng lặp đi lặp lại (tải trọng chu kỳ) trong thời gian dài, ngay cả khi ứng suất nhỏ hơn giới hạn bền tĩnh. Tải trọng tĩnh không gây mỏi trực tiếp, tải trọng va đập có thể gây phá hủy tức thời, và tải trọng nhiệt có thể gây ra các dạng hỏng hóc khác.

Silicon carbide (SiC) là một loại gốm kỹ thuật tiên tiến, nổi tiếng với độ bền nhiệt, độ cứng và khả năng chống mài mòn rất cao. Nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng chịu nhiệt độ cao và môi trường khắc nghiệt. Đất sét nung và gạch ceramic là gốm truyền thống, thủy tinh không thuộc loại gốm kỹ thuật độ bền cao.

Sắt non (soft iron) là một ví dụ điển hình về 'vật liệu từ tính mềm'. Vật liệu từ tính mềm có từ thẩm cao, dễ từ hóa và khử từ, thường được dùng trong lõi biến áp, động cơ điện. Nam châm vĩnh cửu ferrite và Alnico là vật liệu từ tính cứng (nam châm vĩnh cửu), thép dụng cụ không phải vật liệu từ tính chính.

Vật liệu bán dẫn có độ dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện (kim loại) và chất cách điện. Điểm đặc biệt là độ dẫn điện của bán dẫn có thể thay đổi đáng kể dưới tác động của các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, ánh sáng, điện trường, tạp chất, làm cho chúng rất quan trọng trong điện tử học.