Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất cơ học của kim loại

1. Ảnh Hưởng Của Nhiệt Độ Cao Đến Kim Loại

• Giảm độ bền và độ cứng:
  • Khi nhiệt độ tăng, động năng của các nguyên tử tăng lên, làm suy yếu lực liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể.
  • Hậu quả là giới hạn bền kéo, giới hạn chảy và độ cứng của kim loại giảm xuống đáng kể. Đây là hiện tượng làm mềm kim loại, giúp việc gia công biến dạng nóng (rèn, cán) trở nên dễ dàng hơn.
• Tăng độ dẻo:
  • Ở nhiệt độ cao, độ dẻo và độ dai của kim loại thường tăng lên do khả năng dịch chuyển của các lệch trong mạng tinh thể diễn ra thuận lợi hơn.
  • Tuy nhiên, nếu nhiệt độ quá cao gần điểm nóng chảy, kim loại sẽ mất hoàn toàn cơ tính và chuyển sang trạng thái lỏng hoặc giòn nóng do hiện tượng quá nhiệt.
• Hiện tượng trôi:
  • Khi kim loại chịu tải trọng kéo dài ở nhiệt độ cao (thường lớn hơn 0.4xTnóng_chảy), nó sẽ bị biến dạng từ từ theo thời gian ngay cả khi ứng suất nhỏ hơn giới hạn chảy. Hiện tượng này gọi là tính dẻo chậm hoặc độ gião, làm giảm tuổi thọ của các chi tiết như cánh tuabin khí, lò hơi.

2. Ảnh Hưởng Của Nhiệt Độ Thấp (Lạnh Âm) Đến Kim Loại

• Tăng độ bền và độ cứng:
  • Nhiệt độ thấp làm các nguyên tử dao động ít hơn, lực liên kết bền chặt hơn, khiến cho độ bền kéo và độ cứng tăng lên.
• Giảm độ dẻo và hiện tượng giòn nguội (Cold Brittleness):
  • Nhiều loại kim loại và hợp kim (đặc biệt là thép có mạng lập phương tâm khối - BCC) khi hạ xuống dưới một ngưỡng nhiệt độ nhất định (gọi là nhiệt độ chuyển giòn) sẽ đột ngột mất đi độ dẻo dai và trở nên rất giòn.
  • Hiện tượng này gọi là giòn nguội, khiến vật liệu dễ bị nứt vỡ đột ngột dưới tác dụng của va đập (ví dụ: các công trình cấu trúc thép ở vùng cực Bắc hoặc tàu phá băng). Lưu ý: Thép có mạng lập phương tâm diện - FCC như thép không gỉ austenitic ít bị hiện tượng giòn nguội này hơn.

3. Tóm Tắt Quy Luật Biến Đổi Cơ Tính Theo Nhiệt Độ

Ứng Dụng Thực Tế Trong Cơ Khí

• Nhiệt luyện: Hiểu được sự ảnh hưởng của nhiệt độ là nền tảng để phát triển các phương pháp nhiệt luyện như tôi, ram, ủ nhằm tối ưu hóa cơ tính thép cho từng mục đích sử dụng.
• Lựa chọn vật liệu theo môi trường: Các chi tiết làm việc trong môi trường nhiệt độ cao (động cơ phản lực, lò nung) đòi hỏi vật liệu hợp kim chịu nhiệt đặc biệt. Ngược lại, thiết bị chứa khí hóa lỏng ở nhiệt độ siêu âm phải dùng các loại vật liệu không bị giòn ở nhiệt độ thấp (như thép không gỉ Austenitic hoặc hợp kim nhôm).