Hợp kim là vật liệu kim loại tạo thành khi trộn một kim loại chính với một hay nhiều nguyên tố khác (kim loại hoặc phi kim như cacbon, silic). Hợp kim thường cứng và bền hơn kim loại nguyên chất vì các nguyên tử "lạ" nằm chen trong mạng tinh thể, làm các lớp nguyên tử khó trượt lên nhau. Gần như mọi đồ kim loại quanh ta, từ chiếc chìa khoá đồng thau tới khung cửa nhôm, đều là hợp kim chứ không phải kim loại tinh khiết.
Hợp kim là gì, khác hỗn hợp kim loại thông thường ra sao?
Hợp kim không phải là hai thứ kim loại để cạnh nhau. Khi nấu chảy, các nguyên tử trộn lẫn ở mức nguyên tử rồi đông đặc lại thành một khối đồng nhất nhìn bằng mắt thường. Cắt ngang một thỏi đồng thau, ta không thấy hạt đồng và hạt kẽm riêng rẽ, chỉ thấy một màu vàng đều.
Về cấu trúc, các nguyên tố thêm vào có thể đi theo hai đường:
- Dung dịch rắn: nguyên tử nguyên tố phụ hoà tan trong mạng tinh thể của kim loại chính, giống đường tan trong nước nhưng ở thể rắn. Đồng thau (đồng + kẽm) với lượng kẽm vừa phải là ví dụ điển hình.
- Hợp chất và pha thứ hai: khi vượt quá giới hạn hoà tan, nguyên tố phụ kết hợp với kim loại chính thành những hạt nhỏ có cấu trúc riêng, nằm rải trong nền kim loại. Xêmentit (Fe₃C) trong thép là ví dụ quen thuộc.
Một hợp kim thường có cả hai: phần lớn là dung dịch rắn, xen những hạt pha thứ hai rất mịn. Chính cách phối hai thành phần này quyết định hợp kim cứng, dẻo hay giòn.
Vì sao trộn kim loại lại làm nó cứng hơn?
Để hiểu điều này, cần biết kim loại biến dạng thế nào. Kim loại nguyên chất có mạng tinh thể xếp rất đều. Khi bị uốn, các mặt nguyên tử không trượt cả mặt một lúc mà trượt dần nhờ những "khuyết tật dây" gọi là lệch mạng (dislocation). Có thể hình dung như dịch một tấm thảm lớn: kéo cả tấm thì nặng, nhưng tạo một nếp gấp rồi đẩy nếp gấp chạy qua thì nhẹ hơn nhiều. Lệch mạng chính là nếp gấp ấy.
Trong kim loại tinh khiết, lệch mạng chạy khá tự do, nên đồng nguyên chất, nhôm nguyên chất, vàng nguyên chất đều mềm, uốn được bằng tay. Khi có nguyên tử lạ, bức tranh thay đổi:
- Nguyên tử to hơn hoặc nhỏ hơn làm méo mạng xung quanh nó. Lệch mạng đi qua vùng méo phải tốn thêm năng lượng, giống tấm thảm có sỏi lót bên dưới.
- Nguyên tử nhỏ chen vào khe (như cacbon, nitơ trong sắt) gây méo rất mạnh, nên chỉ một lượng nhỏ đã làm sắt cứng lên rõ.
- Hạt pha thứ hai rất mịn đóng vai cọc chắn. Lệch mạng phải uốn vòng qua hoặc cắt qua chúng, tốn sức hơn nhiều.
Ba cơ chế này có tên trong sách vật liệu: hoá bền dung dịch rắn, hoá bền xen kẽ và hoá bền tiết pha. Ngoài ra còn hai cách làm cứng không cần đổi thành phần: làm hạt tinh thể nhỏ đi (biên hạt chặn lệch mạng) và biến dạng nguội (dập, kéo làm lệch mạng nhiều tới mức vướng vào nhau). Nhà luyện kim thường dùng phối hợp nhiều cách.
Có nguyên tố nào trộn cũng được không?
Không. Để hoà tan tốt vào nhau theo kiểu thay thế, hai nguyên tố cần kích thước nguyên tử chênh không quá khoảng 15%, cùng kiểu mạng tinh thể và tính chất hoá học gần nhau. Đây là các quy tắc Hume-Rothery, đặt theo tên nhà luyện kim người Anh William Hume-Rothery. Đồng và niken thoả gần đủ, nên hoà tan vào nhau ở mọi tỷ lệ. Sắt và chì thì gần như không hoà tan, nấu chung rồi để nguội vẫn tách ra.
Hợp kim cứng hơn bao nhiêu so với kim loại nguyên chất?
Chênh lệch có thể rất lớn. Bảng dưới đây so giới hạn chảy (ứng suất bắt đầu biến dạng vĩnh viễn) ở dạng thường gặp; số là khoảng tham khảo từ sổ tay vật liệu, thay đổi theo trạng thái gia công.
| Kim loại nguyên chất | Giới hạn chảy (khoảng) | Hợp kim của nó | Giới hạn chảy (khoảng) |
|---|---|---|---|
| Nhôm gần nguyên chất, đã ủ | 30–35 MPa | Nhôm 7075 hoá bền | 500 MPa |
| Đồng nguyên chất, đã ủ | khoảng 35–70 MPa | Đồng berili hoá bền | trên 1.000 MPa |
| Sắt gần nguyên chất | khoảng 100–150 MPa | Thép hợp kim đã nhiệt luyện | 800–1.500 MPa |
| Vàng 24K | rất mềm, vết móng tay để lại dấu | Vàng 18K (75% vàng) | cứng hơn rõ, giữ chấu đá được |
Con số đáng nhớ: chỉ thêm vài phần trăm kẽm, magie, đồng vào nhôm rồi nhiệt luyện đúng cách, độ bền đã tăng hơn mười lần. Đó là lý do khung máy bay dùng hợp kim nhôm chứ không dùng nhôm nguyên chất.
Trộn kim loại có làm đổi nhiệt độ nóng chảy không?
Có, và đây là điểm thú vị nhất đối với chuyện "nóng chảy". Kim loại nguyên chất chảy ở một điểm: nhôm khoảng 660 °C, đồng khoảng 1.085 °C, sắt khoảng 1.538 °C. Hợp kim thì thường chảy trong một khoảng: bắt đầu mềm nhão ở nhiệt độ rắn (solidus) và lỏng hoàn toàn ở nhiệt độ lỏng (liquidus). Giữa hai mốc là vùng "sệt" như cháo, có cả tinh thể rắn lẫn kim loại lỏng.
- Đồng thau thông dụng (khoảng 63–70% đồng) chảy quanh 900–940 °C, thấp hơn đồng nguyên chất gần 150 độ.
- Gang (sắt nhiều cacbon) chảy khoảng 1.150–1.300 °C, thấp hơn sắt nguyên chất hơn 200 độ, nên đúc dễ hơn thép.
- Thiếc trộn chì đúng tỷ lệ 63/37 chảy ở 183 °C, thấp hơn cả thiếc (232 °C) lẫn chì (327 °C). Hiện tượng này gọi là cùng tinh, có bài riêng trong danh mục.
Hệ quả thực tế: thợ đúc chọn hợp kim một phần vì nó dễ chảy, chảy loãng và điền khuôn tốt. Ngược lại, người làm cánh tuabin cần hợp kim chịu nóng, không chảy sớm.
Hợp kim có nhược điểm gì không?
Không có bữa trưa miễn phí trong vật liệu. Đổi lại độ cứng, hợp kim thường mất đi vài thứ:
- Dẫn điện kém đi: nguyên tử lạ làm tán xạ electron. Đồng thau chỉ dẫn điện khoảng một phần tư tới một phần ba so với đồng nguyên chất, nên dây điện dùng đồng gần tinh khiết chứ không dùng đồng thau.
- Giòn hơn: cứng lên thường đi kèm kém dẻo. Gang cứng mà giòn, gõ mạnh là vỡ.
- Khó hàn, khó gia công: một số hợp kim nhôm bền cao nứt khi hàn; thép mangan cứng lên ngay dưới lưỡi dao tiện.
- Khó tái chế lẫn lộn: nấu chung nhiều loại hợp kim khác nhau thì thành phần lệch, phải phân loại kỹ trước khi nấu lại.
Vì vậy không có "hợp kim tốt nhất", chỉ có hợp kim hợp với việc. Kỹ sư chọn vật liệu là chọn điểm cân bằng giữa bền, dẻo, nhẹ, chống gỉ, dễ làm và giá thành sản xuất.
Những hợp kim nào quen thuộc nhất trong nhà?
| Hợp kim | Thành phần chính | Gặp ở đâu |
|---|---|---|
| Thép cacbon | Sắt + dưới khoảng 2% cacbon | Đinh, ốc, cốt bê tông, khung xe |
| Thép không gỉ (inox) | Sắt + ít nhất khoảng 10,5% crom, thường thêm niken | Bồn rửa, nồi, dụng cụ y tế |
| Gang | Sắt + khoảng 2–4% cacbon, có silic | Nắp hố ga, nồi gang, thân máy |
| Đồng thau | Đồng + kẽm | Ổ khoá, vòi nước, đầu nối ống |
| Đồng thiếc (đồng điếu) | Đồng + thiếc | Bạc lót, chuông, tượng |
| Hợp kim nhôm | Nhôm + magie, silic, kẽm, đồng | Khung cửa, vỏ máy, mâm xe |
| Thiếc hàn | Thiếc + bạc + đồng (loại không chì) | Mối hàn mạch điện tử |
Một mẹo nhỏ để nhận biết: nam châm hút gần như mọi loại thép cacbon và gang, nhưng không hút đồng thau, nhôm và phần lớn inox loại austenit. Chỉ là phép thử sơ bộ, vì có những thép đặc biệt cũng không bị hút.
Hợp kim được làm ra trong nhà máy thế nào?
Cách phổ biến nhất vẫn là nấu chảy chung. Ở nhà máy, kim loại chính được nấu trong lò, rồi bổ sung nguyên tố hợp kim dưới dạng thỏi trung gian (gọi là hợp kim chủ hay fero, như fero-mangan, fero-silic) để dễ hoà tan. Người vận hành lấy mẫu, phân tích bằng máy quang phổ trong vài phút, rồi bù thêm nguyên tố nào còn thiếu trước khi rót.
Một số hợp kim không thể nấu chung vì các thành phần chảy ở nhiệt độ quá khác nhau, ví dụ cacbua vonfram với coban. Khi đó người ta dùng luyện kim bột: trộn bột, ép thành hình, rồi nung gần điểm chảy cho các hạt dính kết. Cả hai đường đều chỉ làm được trong xưởng có lò, có kiểm soát khí và đồ bảo hộ.
Kim loại lỏng ở các xưởng này cực kỳ nguy hiểm khi gặp nước hoặc hơi ẩm: nước hoá hơi tức thì, giãn nở hơn nghìn lần và hất kim loại lỏng ra ngoài. Vì vậy mọi phế liệu, dụng cụ, khuôn đều phải sấy khô trước. Đây là việc của nhà máy, không phải thí nghiệm để làm ở nhà.
Góc nhìn hôm nay: tìm hiểu hợp kim từ đâu?
Hợp kim là một trong những phát minh lâu đời nhất của con người: đồng thiếc đã có từ hàng nghìn năm trước, còn các hợp kim mới như siêu hợp kim niken, hợp kim titan hay hợp kim entropy cao (trộn năm nguyên tố trở lên gần bằng nhau) vẫn đang được nghiên cứu.
Người muốn đọc tiếp có thể bắt đầu bằng chương kim loại trong sách giáo khoa Hoá học phổ thông, rồi tới giáo trình "Vật liệu học" dùng ở các trường đại học kỹ thuật. Các bảo tàng có hiện vật đồ đồng cổ như Bảo tàng Lịch sử Quốc gia ở Hà Nội cho thấy hợp kim đầu tiên của tổ tiên. Ở nhà, chỉ cần nhìn quanh và tự hỏi: cái ổ khoá này, cái vòi nước kia, vì sao không làm bằng kim loại nguyên chất? Câu trả lời gần như luôn là vì hợp kim bền hơn, rẻ hơn hoặc dễ làm hơn.
Câu hỏi thường gặp
Hợp kim là gì?
Hợp kim là vật liệu kim loại tạo thành khi trộn một kim loại chính với một hay nhiều nguyên tố khác ở thể lỏng rồi cho đông đặc. Thép, gang, đồng thau, inox, hợp kim nhôm đều là hợp kim.
Vì sao hợp kim cứng hơn kim loại nguyên chất?
Nguyên tử lạ làm méo mạng tinh thể và tạo các hạt nhỏ chắn đường, khiến lệch mạng khó di chuyển. Lệch mạng khó chạy thì kim loại khó biến dạng, tức là cứng và bền hơn.
Hợp kim có nóng chảy ở nhiệt độ thấp hơn kim loại nguyên chất không?
Thường là có. Hợp kim hay chảy trong một khoảng nhiệt độ và khoảng này thường thấp hơn điểm chảy của kim loại chính, ví dụ gang chảy thấp hơn sắt nguyên chất hơn 200 °C. Một số hợp kim chịu nhiệt thì được thiết kế để giữ bền ở nhiệt độ cao.
Thép có phải là hợp kim không?
Có. Thép là hợp kim của sắt với cacbon, thường dưới khoảng 2% cacbon, có thể thêm mangan, crom, niken, molipđen để có thêm tính chất. Inox là thép có ít nhất khoảng 10,5% crom.
Vì sao dây điện không làm bằng đồng thau cho cứng?
Hợp kim dẫn điện kém hơn kim loại nguyên chất vì nguyên tử lạ cản dòng electron. Đồng thau chỉ dẫn điện khoảng một phần tư tới một phần ba so với đồng tinh khiết, nên dây điện dùng đồng gần nguyên chất.
