Vật liệu được sử dụng cho các ứng dụng y sinh hoặc lâm sàng được gọi là vật liệu sinh học . Bài viết dưới đây đề cập đến vật liệu sinh học thế hệ thứ năm được sử dụng để thay thế cấu trúc xương. Đối với bất kỳ vật liệu nào được phân loại cho ứng dụng y sinh, ba yêu cầu phải được đáp ứng. Yêu cầu đầu tiên là vật liệu phải tương thích sinh học; nó có nghĩa là sinh vật không nên coi nó như một vật thể lạ. Thứ hai, vật liệu phải có khả năng phân hủy sinh học [chỉ đối với vật liệu ghép]; vật liệu phải phân hủy hoặc hòa tan một cách vô hại trong cơ thể của sinh vật để cho phép nó trở lại hoạt động tự nhiên. Thứ ba, vật liệu nên có tính cơ học tốt; Để thay thế các kết cấu chịu tải, vật liệu phải có độ ổn định cơ học tương đương hoặc cao hơn để đảm bảo độ tin cậy cao của mối ghép.
Thuật ngữ vật liệu sinh học được sử dụng cho các vật liệu có thể được sử dụng trong các ứng dụng y sinh và lâm sàng. Chúng có hoạt tính sinh học và tương hợp sinh học trong tự nhiên. Hiện nay, nhiều loại kim loại và hợp kim [ thép không gỉ , titan , niken , magiê , hợp kim Co-Cr, hợp kim Ti], [1] gốm sứ [ zirconia , bioglass , alumina , hydroxyapatite ] [1] và polyme [acrylic, nylon, silicone, polyurethane, polycaprolactone, polyanhydrides] [1] được sử dụng cho ứng dụng chịu tải. Điều này bao gồm thay thế răng và nối hoặc thay thế xương cho các ứng dụng y tế và lâm sàng. Vì vậy, tính chất cơ học của chúng rất quan trọng. Tính chất cơ học của một số vật liệu sinh học và xương được tóm tắt trong bảng 1. [2] Trong số đó hydroxyapatite là vật liệu có hoạt tính sinh học và tương hợp sinh học được nghiên cứu rộng rãi nhất. Tuy nhiên, nó có mô đun non thấp hơn và độ dẻo dai khi gãy với tính chất giòn . Do đó, yêu cầu sản xuất vật liệu sinh học có các đặc tính cơ học tốt.
Mô đun đàn hồi được định nghĩa đơn giản là tỷ số giữa ứng suất và biến dạng trong giới hạn tỷ lệ. Về mặt vật lý, nó thể hiện độ cứng của vật liệu trong phạm vi đàn hồi khi tác dụng của tải trọng kéo hoặc nén. Điều này rất quan trọng về mặt lâm sàng vì nó cho thấy vật liệu sinh học được chọn có các đặc tính có thể biến dạng tương tự với vật liệu mà nó sẽ thay thế. Những vật liệu chịu lực này yêu cầu mô đun đàn hồi cao với độ võng thấp. Khi mô đun đàn hồi của vật liệu tăng khả năng chống đứt gãy giảm. Điều mong muốn là mô đun đàn hồi vật liệu sinh học tương tự như xương. Điều này là do nếu nó lớn hơn mô đun đàn hồi của xương thì tải trọng chỉ được sinh ra bởi vật liệu; trong khi tải trọng chỉ chịu bởi xương nếu nó nhỏ hơn vật liệu xương. Mô đun đàn hồi của vật liệu thường được tính toán bằng thử nghiệm uốn vì độ võng có thể dễ dàng đo được trong trường hợp này so với độ giãn dài rất nhỏ trong tải trọng nén hoặc kéo. Tuy nhiên, vật liệu sinh học [để thay thế xương] thường xốp và kích thước của mẫu nhỏ. Do đó, phép thử độ phân giải nanoindentation được sử dụng để xác định mô đun đàn hồi của các vật liệu này. Phương pháp này có độ chính xác cao và thuận tiện cho các mẫu tỷ lệ vi mô. Một phương pháp đo mô đun đàn hồi khác là phương pháp không phá hủy. Đây cũng là phương pháp rất tốt về mặt lâm sàng vì tính đơn giản và có thể lặp lại vì vật liệu không bị phá hủy. [3]
Độ cứng là một đơn vị đo độ biến dạng dẻo và được định nghĩa là lực trên một đơn vị diện tích của vết lõm hoặc vết đâm xuyên. Độ cứng là một trong những thông số quan trọng nhất để so sánh các đặc tính của vật liệu. Nó được sử dụng để tìm kiếm sự phù hợp của việc sử dụng vật liệu sinh học trong lâm sàng. Độ cứng vật liệu sinh học được mong muốn bằng độ cứng của xương. Nếu cao hơn vật liệu sinh học, thì nó thấm vào xương. Độ cứng cao hơn dẫn đến mài mòn ít hơn. Như đã nói ở trên, mẫu vật liệu sinh học rất nhỏ, do đó, phải sử dụng phép thử độ cứng quy mô micro và nano [Diamond Knoop và Vickers indenters]. [3]
Sức bền của vật liệu được định nghĩa là ứng suất lớn nhất có thể chịu được trước khi xảy ra đứt gãy. Độ bền của vật liệu sinh học [gốm sinh học] là một đặc tính cơ học quan trọng vì chúng giòn. Trong các vật liệu giòn như gốm sinh học, các vết nứt dễ dàng lan truyền khi vật liệu chịu tải trọng kéo, không giống như tải trọng nén. Một số phương pháp có sẵn để xác định độ bền kéo của vật liệu, chẳng hạn như phép thử độ bền uốn, phép thử độ bền uốn hai trục và cách tiếp cận weibull . Trong gốm sứ sinh học, các sai sót ảnh hưởng đến độ tin cậy và độ bền của vật liệu trong quá trình cấy ghép và chế tạo. Có một số cách có thể tạo ra sai sót trong gốm sứ sinh học như thiêu kết bằng nhiệt và nung nóng. Điều quan trọng là đối với gốm sứ sinh học phải có độ tin cậy cao, hơn là độ bền cao.
Bài viết xác định yêu cầu và trình bày tính chất cơ bản của vật liệu cơ khí.
Vật liệu cơ khí với khái niệm thông dụng là tất cả vật chất mà con người sử dụng trong sản xuất cơ khí để tạo dựng nên sản phẩm cho cuộc sống. Như vậy, liệu rằng tất cả mọi vật liệu đều có thể trở thành vật liệu cơ khí? . Điều này còn phụ thuộc vào vật liệu chế tạo ra sản phẩm cơ khí đó có đáp ứng được yêu cầu về tính sử dụng, tính công nghệ và tính kinh tế hay không. Chỉ khi vật liệu thỏa mãn các yêu cầu cơ bản, sản phẩm cơ khí mới có thể đạt được độ tin cậy và bền lâu trong điều kiện làm việc thực tế.
1.Khái niệm về vật liệu cơ khí
Vật liệu cơ khí với khái niệm thông dụng là tất cả vật chất mà con người sử dụng trong sản xuất cơ khí để tạo dựng nên sản phẩm cho cuộc sống như: thiết bị máy móc trong công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, y tế, văn hóa, giáo dục….
Khái niệm vật liệu cơ khí rất rộng, đa dạng và có tính chất tương đối. Có những lại vật liệu như kim loại, chất dẻo, compozit…không chỉ dùng trong sản xuất cơ khí, mà còn rất cần trong xây dựng, trong kỹ thuật điện, trong công nghiệp hóa học, thực phẩm….Mỗi chủng loại đều có tính chất vật liệu khác nhau.
Vật liệu cơ khí chủ yếu có nguồn gốc từ ba nhóm vật liệu lớn: Vật liệu kim loại, vật liệu hữu cơ-polyme và vật liệu ceramic.
>> Xem thêm: Vật liệu cơ khí gồm những loại nào?
2. Các yêu cầu chung đối với vật liệu cơ khí
Vật liệu dùng trong cơ khí, để chế tạo các chi tiết máy, các dụng cụ, các kết cấu công trình…chịu tải cơ học. Những sản phẩm này có hình dạng, kích thước phong phú và yêu cầu sử dụng đa dạng. Hầu hết đều chịu tải tĩnh, động, chu kỳ và có thể ở nhiệt độ thấp hoặc cao trong môi trường khác nhau. Nhân tố này quyết định các yêu cầu, tính chất của vật liệu cơ khí. Có thể khái quát thành 3 dạng yêu cầu chính sau:
a. Yêu cầu về tính sử dụng
Để đảm bảo một sản phẩm cơ khí có thể sử dụng [ tức làm việc được trong thực tế], yêu cầu vật liệu chế tạo ra chúng phải có cơ tính [tính chất cơ học của vật liệu cơ khí], các tính chất vật lý và hóa học đảm bảo để thỏa mãn: tính sử dụng, độ tin cậy và bền lâu của sản phẩm trong điều kiện cụ thể. Vì vậy khi lựa chọn vật liệu để chế tạo sản phẩm, thường lấy các tính chất cơ học của vật liệu cơ khí làm tiêu chuẩn chính, kết hợp có xem xét đến những yêu cầu tính chất khác.
b. Yêu cầu về tính công nghệ
Yêu cầu này chủ yếu nhằm giảm khó khăn cho việc chế tạo chi tiết. Tính công nghệ của vật liệu được hiểu là khả năng có thể gia công bằng các phương pháp đúc, hàn, gia công bằng áp lực, tính thấm tôi, tính cắt gọt…Tính công nghệ rất quan trọng vì nó quyết định năng suất và chất lượng sản phẩm.
c. Yêu cầu về tính kinh tế
Đây là một nhu cầu tất yếu của sản phẩm, tính hàng hóa của sản phẩm, đòi hỏi vật liệu chế tạo chúng phải làm sao cho giá thành thấp nhất trong khi các yêu cầu về công nghệ và sử dụng được thỏa mãn.
3. Tính chất cơ bản của vật liệu cơ khí
a. Tính chất cơ học
Tính chất cơ học của vật liệu cơ khí là khả năng biến dạng và chống biến dạng. Quá trình biến dạng của vật liệu bao gồm ba giai đoạn: Biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và phá hủy.
Biến dạng có ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật và cuộc sống. Các chi tiết máy, kết cấu công trình, đều được thiết kế sao cho chúng làm việc trong vùng đàn hồi. Ngoài ra, người ta còn tận lượng tính đàn hồi của vật liệu để chế tạo các chi tiết như lò xo, nhíp… Nhờ có khả năng chảy dẻo của vật liệu, có thể gia công [cán, kéo, vuốt…] chúng thành các sản phẩm có hình dạng mong muốn. Có những vật liệu rất khó biến dạng dẻo, song lại có tính dẻo tốt một cách kỳ lạ. Ví dụ, từ một gam hợp kim cromvangan – hợp kim trên cơ sở của niken kết hợp với crôm, vanađi và gali có thể kéo ra 1 kilomet dây rất mảnh như tơ nhện.
Trong thực tế, người ta cũng rất cần sự cứng vững của các chi tiết máy, kết cấu công trình không được biến dạng trong quá trình sử dụng, khả năng chống lại biến dạng thể hiện đặc trưng cho độ bền của vật liệu. Các hiện tượng biến dạng, phá hủy là những thuộc tính của vật liệu và được gọi chung là cơ tính.
Tính chất đặc trưng về cơ học của vật liệu chế tạo cơ khí rất đa dạng, và tùy thuộc vào điều kiện sử dụng thực tế. Các đại lượng đặc trưng cho tính chất cơ học của vật liệu cơ khí có thể kể đến như:
- Giới hạn bền quy ước σb
- Giới hạn chảy σch
- Giới hạn đàn hồi σđh
- Độ dẻo δ
- Độ dai va đập ak
- Độ cứng
- Độ bền mỏi
- Tính chống mài mòn
>> Xem thêm: Kim loại nào cứng nhất
b. Tính chất vật lý
Trong các tính chất vật lý quan trọng nhất của vật liệu sử dụng trong cơ khí cần quan tâm tới như sau:
Khi một vật rắn hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt, nhiệt độ của nó sẽ tăng lên và kích thước cũng như nhiều tính chất khác thay đổi. Những đặc trưng quan trọng nhất của tính chất nhiệt bao gồm tính dãn nở nhiệt, độ dẫn nhiệt và tỷ nhiệt, các đặc trưng này đều có thể tìm được trong các sổ tay cơ khí.
Tính chất điện quan trọng nhất của vật liệu dùng trong cơ khí là tính dẫn điện.
Hiện tượng các vật liệu biểu hiện lực hút hoặc lực đẩy có ảnh hưởng lên các vật liệu khác gọi là hiện tượng “từ”. Đá nam châm thiên nhiên, sắt, một số loại thép là vật liệu có từ tính điển hình. Vật liệu từ có tầm quan trọng lớn trong hàng loạt ngành công nghiệp như chế tạo động cơ điện, máy phát và máy biến thế điện, điện thoại, máy tính…
c. Tính chất hóa học
Tính chất hóa học đáng quan tâm nhất đối với vật liệu dùng trong cơ khí là tính ổn định hóa học. Tính ổn định hóa học [tính trơ] của vật liệu, khi nó tiếp xúc với môi trường sẽ không bị oxy hóa, không tác dụng với axit, bazơ, muối, nước…Thông thường mỗi vật liệu có tính ổn định hóa học ứng với từng môi trường ổn định.
d. Độ tin cậy
Là xác suất không xuất hiện hỏng trong một thời gian hoặc một phạm vi làm việc nào đó. Ví dụ, độ tin cậy làm việc không hỏng của bánh răng sau khi chạy 300000 km là 0,9. Điều đó nghĩa là, sau khi làm việc như vậy thì có 10% bánh răng hỏng vì mòn, tróc hoặc gãy…Vậy độ tin cậy của bánh răng là 90%. Độ tin cậy của kết cấu phụ thuộc vào khả năng của vật liệu chống lại các phá hủy khi xuất hiện các ứng suất cực đại. Hay nói cách khác độ tin cậy là khả năng của vật liệu làm việc bình thường trong thời gian ngắn hạn, dưới tác dụng của tình huống [ứng suất, nhiệt độ, môi trường] ngoài tính toán. Tình huống nguy hiểm nhất là sự xuất hiện phá hủy giòn. Bởi vậy để nâng cao độ tin cậy của kết cấu phải áp dụng các biện pháp giảm khả năng [xác xuất] phá hủy giòn, muốn vậy vật liệu kết cấu cần có đủ độ dẻo và độ dai va đập.
e. Tuổi thọ
Tuổi thọ đặc trưng cho khả năng vật liệu chống lại sự phát triển dần của phá hủy, đảm bảo duy trì khả năng làm việc của chi tiết trong thời gian đã định. Đây là chỉ tiêu có tính chất tổng hợp của vật liệu. Nguyên nhân mất khả năng làm việc rất khác nhau, thường do sự phát triển của quá trình mỏi, mài mòn,…
Làm tăng tuổi thọ có nghĩa làm giảm vận tốc phá hủy đến mức tối thiểu. Đối với đa số các chi tiết máy, tuổi thọ được xác định bởi độ bền mỏi và tính chống mài mòn.
f. Tính chất công nghệ
Ngoài các tính chất đặc trưng về cơ học của vật liệu chế tạo cơ khí, tính chất lý- hóa, chúng ta cần quan tâm nhiều tới tính chất công nghệ quan trọng đối với vật liệu cơ khí bao gồm:
Tính cắt gọt thể hiện khả năng chịu gia công bằng phương pháp cắt [tiện, phay, bào, mài…]. Nhân tố ảnh hưởng quan trọng đến tính cắt gọt là độ cứng. Ví dụ, để có thể gia công cắt thuận lợi, đạt độ bóng bề mặt cao, độ cứng của thép khoảng 180- 200 HB.
Tính hàn là khả năng chịu gia công bằng các phương pháp hàn [hàn hồ quang, hàn hơi, hàn tiếp xúc…] không phải mọi kim loại có thể hàn với nhau dễ dàng. Tính hàn của kim loại phụ thuộc vào thành phần hóa học, bản chất vật liệu, chủng loại vật liệu….
Tính đúc là khả năng điền đầy kim loại lỏng vào khuôn. Tính đúc phụ thuộc vào độ nhớt của kim loại lỏng, khoảng kết tinh, lượng co ngót, khả năng điền đầy khuôn, thành phần hóa học. Các hợp kim cùng tinh thường có tính đúc tốt.
“Bát đại cảnh giới” của kiến thức NHIỆT LUYỆN, huynh đài đã luyện tới tầng nào?
Tính thấm tôi là khả năng khi tôi chuyển biến thành tổ chức mactenxit của thép. Độ thấm tôi đặc trưng cho tính thấm tôi. Thép có độ thấm tôi càng cao thì khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện càng lớn.
Ảnh GIF giản đồ pha Sắt Cacbon, cuối cùng cũng hiểu được sự thay đổi của các Pha
Như vậy, các tính chất cơ bản của vật liệu cơ khí có thể kể đến như: Tính chất cơ học, Tính chất vật lý, Tính chất hóa học, Độ tin cậy, Tuổi thọ và Tính chất công nghệ. Ngoài ra, mỗi chủng loại vật liệu có được ứng dụng để chế tạo sản phẩm cơ khí hay không còn tùy thuộc vào giá thành của chúng.
Nói cách khác, để một loại vật liệu được sử dụng vào sản xuất cơ khí cần thỏa mãn các yêu cầu tổng hợp về tính chất vật liệu gồm tính sử dụng, tính công nghệ và tính kinh tế. Do đó, đối với doanh nghiệp sản xuất, chế tạo; bài toán vật liệu đã, đang và sẽ luôn là một trong những bài toán cần giải quyết hàng đầu để đảm bảo sản phẩm chế tạo không những đáp ứng được nhu cầu sử dụng mà còn đảm bảo được sự cạnh tranh về giá thành.
Mọi vấn đề liên quan đến kỹ thuật vật liệu mời các bạn vui lòng bình luận bên dưới hoặc liên hệ chuyên trang kythuatvatlieu.com. Chúng tôi sẽ cùng đồng hành cùng các bạn!
Liên hệ: Hotline [zalo]: 0961628296, Email: , Facebook Fanpage: Kỹ thuật vật liệu
Chuyên mục:Kiến thức
Thẻ:cơ tính, kỹ thuật vật liệu, tính chất, vật liệu cơ khí