Hợp kim là gì?

Hợp kim là hỗn hợp của các nguyên tố hóa học, trong đó hầu hết ít nhất một nguyên tố là kim loại, mặc dù đôi khi thuật ngữ này cũng được dùng cho hỗn hợp phi kim loại; tuy nhiên ở đây chỉ đề cập đến hợp kim kim loại. Các hợp kim kim loại thường có những tính chất khác biệt so với các nguyên tố tinh khiết cấu thành chúng. Phần lớn kim loại dùng trong công nghiệp thương mại đều là hợp kim – được tạo ra nhằm cải thiện các đặc tính hoặc hành vi của vật liệu, chẳng hạn như tăng độ bền, độ cứng, khả năng chống ăn mòn. Kim loại cũng có thể được pha trộn để giảm chi phí tổng thể, ví dụ hợp kim giữa vàng và đồng.

Tính chất của hợp kim

Hợp kim không phải là sự kết hợp ngẫu nhiên của các nguyên tố mà được thiết kế chính xác nhằm nâng cao những đặc tính cụ thể như: độ bền, khả năng chống ăn mòn, độ dẻo và độ dẫn điện.
Ví dụ, thép không gỉ dùng trong thiết bị nhà bếp, đồng thiếc dùng trong điêu khắc, hợp kim nhôm dùng trong máy bay — tất cả đều được thiết kế tỉ mỉ để đáp ứng yêu cầu riêng biệt của từng ứng dụng.
Quá trình tạo hợp kim thường bao gồm nấu chảy và trộn các nguyên tố thành phần theo tỉ lệ chính xác, sau đó làm nguội để tạo vật liệu rắn. Sự kết hợp của các nguyên tố và tốc độ làm nguội có ảnh hưởng lớn đến tính chất cuối cùng của hợp kim.

Có nhiều phương pháp hợp kim hóa khác nhau, mỗi phương pháp ảnh hưởng đến tính chất vật liệu:

• Trong hợp kim thay thế, các nguyên tử của nguyên tố pha thế chỗ cho một phần nguyên tử trong mạng tinh thể của kim loại nền.
• Trong hợp kim xen kẽ, các nguyên tử nhỏ hơn chèn vào khoảng trống giữa các nguyên tử của kim loại nền.

Ngoài ra, thành phần của các vật liệu được sử dụng trong quá trình hợp kim hóa cũng đóng vai trò quan trọng.
Ví dụ, thay đổi lượng carbon cùng với chromium, nickel hoặc manganese có thể tạo ra các loại thép khác nhau như thép không gỉ hoặc thép dụng cụ, mỗi loại lại có đặc tính riêng biệt.

Các loại hợp kim phổ biến

Hợp kim thép được tạo thành từ sắt kết hợp với các nguyên tố như carbon, crom, niken, mangan, molypden và vanadi. Các nguyên tố này làm tăng các đặc tính của hợp kim, bao gồm độ bền, độ cứng, khả năng chống ăn mòn và độ dẻo dai, giúp hợp kim thép trở nên linh hoạt cho nhiều ứng dụng khác nhau. Có một số hợp kim phổ biến:

• Hợp kim thép
• Hợp kim nhôm
• Hợp kim đồng thau

Ứng dụng của các loại hợp kim

Hợp kim thép

Cacbon là nguyên tố hợp kim chính trong thép, và hàm lượng cacbon ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng và độ bền của vật liệu.

Ví dụ, thép cacbon thấp có độ dẻo cao và dễ hàn hơn. Trong khi thép cacbon cao cứng hơn nhưng giòn hơn. Thép không gỉ có chứa chromium, giúp chống ăn mòn vượt trội, thích hợp trong môi trường có độ ẩm hoặc hóa chất cao.

Hợp kim thép được sử dụng rộng rãi trong xây dựng, ô tô, hàng không và sản xuất công nghiệp.

Hợp kim nhôm

Hợp kim nhôm nổi tiếng nhờ trọng lượng nhẹ, tỷ lệ bền/trọng lượng cao và khả năng chống ăn mòn tốt. Chúng cũng dễ gia công, hàn và tạo hình, nên được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Các nguyên tố hợp kim phổ biến cho nhôm gồm: đồng, magie, mangan, silic và kẽm, mỗi nguyên tố lại mang đến tính chất riêng biệt.

Ví dụ, đồng tăng độ bền và độ cứng – thích hợp cho ngành hàng không và ô tô. Magie tăng độ bền mà không làm tăng trọng lượng – lý tưởng cho vận tải và kết cấu chịu lực.Ngoài ra, hợp kim nhôm – silic có khả năng đúc tuyệt vời, thường được dùng cho linh kiện động cơ ô tô.

Hợp kim đồng thau

Đồng thau chủ yếu được cấu tạo từ đồng và kẽm, với tỷ lệ khác nhau để đạt được các đặc tính mong muốn. Đồng thau được đánh giá cao nhờ tính dễ gia công, khả năng chống ăn mòn và vẻ ngoài thẩm mỹ, phù hợp cho cả mục đích trang trí và kỹ thuật.

Ngoài hai nguyên tố chính, đồng thau còn có thể pha thêm chì, thiếc, nhôm, sắt hoặc niken để tăng cường tính chất cụ thể. Ví dụ, Chì được thêm vào để tăng khả năng gia công cắt gọt, giúp dễ sản xuất các chi tiết chính xác như bánh răng, van, phụ kiện nối. Tương tự, đồng thau nhôm có độ bền và khả năng chống ăn mòn cao, đặc biệt là trong môi trường nước biển, nên được ứng dụng cho thiết bị hàng hải và bộ trao đổi nhiệt.

Ưu điểm của hợp kim so với kim loại tinh khiết

Hợp kim mang lại nhiều lợi thế so với kim loại nguyên chất, bao gồm các đặc tính cơ học, nhiệt, điện và điện trở được cải thiện.

Ví dụ: sắt nguyên chất tương đối mềm và dễ bị gỉ sét, nhưng việc hợp kim hóa nó với cacbon để tạo ra thép làm cho nó cứng hơn và chống ăn mòn tốt hơn nhiều.

Tương tự, mặc dù nhôm nguyên chất được đánh giá cao vì trọng lượng nhẹ, nhưng tính mềm và dễ uốn của nó có thể hạn chế việc sử dụng trong các ứng dụng kết cấu. Việc hợp kim hóa tạo ra một vật liệu bền hơn, phù hợp hơn cho những mục đích này.

Hợp kim cũng có thể được chế tạo để có các đặc tính điện hoặc nhiệt cụ thể. Ví dụ, việc thêm một lượng nhỏ các nguyên tố nhất định vào đồng có thể cải thiện đáng kể độ dẫn điện của nó, khiến nó trở nên lý tưởng cho việc đi dây điện.