Hợp kim hai pha: Định nghĩa Tính chất và Ứng dụng

Một kim loại kép được định nghĩa là một vật thể được tạo thành từ hai kim loại riêng biệt được gắn kết với nhau thông qua một quá trình luyện kim. Không giống như hợp kim, là hỗn hợp của hai hoặc nhiều kim loại, kim loại kép bao gồm các lớp của các kim loại khác nhau mà vẫn giữ nguyên thuộc tính riêng của chúng. Kim loại kép cũng có thể được gọi là sản phẩm kim loại kép hoặc vật liệu hai thành phần.

Kim loại kép được đặc trưng bởi hai vùng kim loại riêng biệt của các kim loại gốc, hoạt động cơ học và điện như một đơn vị duy nhất. Lợi ích của kim loại kép là khả năng tận dụng tối đa những ưu điểm tốt nhất của từng kim loại trong một sản phẩm duy nhất. Ví dụ, kim loại kép có thể kết hợp sức mạnh của một kim loại với khả năng chống ăn mòn điện trở của kim loại khác, hoặc khả năng dẫn điện của một kim loại với tính hiệu quả về chi phí của kim loại khác.

Kim loại kép được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và ứng dụng, chẳng hạn như dẫn điện, tiếp xúc điện, nhiệt kế, đồng hồ, thiết bị bảo vệ, đồng hồ, tiền xu, lon, lưỡi dao, và nhiều hơn nữa. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá nguyên lý làm việc, các tổ hợp phổ biến và các ứng dụng chính của kim loại kép.

Kim loại kép hoạt động như thế nào?

Nguyên lý hoạt động của kim loại kép dựa trên thực tế rằng các kim loại khác nhau có các hệ số giãn nở tuyến tính nhiệt (αL) khác nhau, nghĩa là chúng giãn nở hoặc co lại ở tốc độ khác nhau khi được làm nóng hoặc làm lạnh. Hệ số giãn nở tuyến tính nhiệt được định nghĩa là sự thay đổi tỷ lệ chiều dài theo mỗi độ thay đổi nhiệt độ.

Trong đó,

l là chiều dài ban đầu của vật thể,

Δl là sự thay đổi chiều dài,

Δt là sự thay đổi nhiệt độ,

Đơn vị của αL là mỗi °C.

Kim loại kép bao gồm hai dải của hai kim loại khác nhau có các hệ số giãn nở tuyến tính nhiệt khác nhau, được hàn nối theo chiều dài. Kim loại kép ở nhiệt độ bình thường được hiển thị trong hình dưới đây.

Khi được làm nóng, sự giãn nở về chiều dài của cả hai dải kim loại là khác nhau. Điều này khiến phần tử song kim uốn cong và tạo thành một cung sao cho kim loại có hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính cao hơn nằm ở phía ngoài của cung, và kim loại có hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính thấp hơn nằm ở phía trong của cung như được thể hiện trong hình dưới đây.

Khi được làm lạnh, phần tử song kim uốn cong và tạo thành một cung sao cho kim loại có hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính thấp hơn nằm ở phía ngoài của cung, và kim loại có hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính cao hơn nằm ở phía trong của cung như được thể hiện trong hình dưới đây.

Hiện tượng trên có thể được sử dụng để tạo ra thiết bị hữu ích để phát hiện và đo lường sự thay đổi về nhiệt độ.

Các kết hợp phổ biến nào được sử dụng để tạo ra song kim?

Nhiều kết hợp của các kim loại có hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính khác nhau có thể được sử dụng để tạo ra song kim. Dưới đây là danh sách một số kết hợp thường được sử dụng để tạo ra dải song kim:

• Sắt (αL cao) và niken (αL thấp)

• Đồng thau (αL cao) và thép (αL thấp)

• Đồng (αL cao) và sắt (αL thấp)

• Constantan (αL cao) và Invar (αL thấp)

Ứng dụng chính của song kim là gì?

Song kim có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Dưới đây là danh sách một số ứng dụng:

Nhiệt điện

Hợp kim hai kim loại rất hữu ích để chế tạo nhiệt điện cho việc chuyển mạch tự động của các mạch để điều khiển nhiệt độ của một số thiết bị như máy sưởi điện, bàn ủi điện, tủ lạnh, lò nướng điện, v.v. Trong một số mạch, dòng điện đi qua chính nhiệt điện tạo ra nhiệt để hoạt động.

Một ví dụ về nhiệt điện hợp kim hai kim loại cho hoạt động này được hiển thị trong hình dưới đây:

Trong quá trình hoạt động như một nhiệt điện, một đầu của hợp kim hai kim loại được cố định và kết nối với nguồn cung cấp. Đầu còn lại có thể di chuyển tự do. Một tiếp điểm điện được gắn vào đầu tự do của hợp kim, di chuyển theo sự giãn nở và cong vênh của nó.

Ở nhiệt độ bình thường, tiếp điểm di chuyển này tiếp xúc với một tiếp điểm cố định, như được hiển thị trong hình trên. Khi được làm nóng, dải hợp kim hai kim loại này cong và ngắt kết nối với tiếp điểm cố định, như được hiển thị trong hình dưới đây. Điều này mở hoặc đóng mạch tùy thuộc vào thiết kế của nó.

Khi làm mát trở lại nhiệt độ bình thường, hợp kim hai kim loại trở lại hình dạng ban đầu và đóng hoặc mở mạch tùy thuộc vào thiết kế của nó.

Một ví dụ về loại nhiệt điện này là nhiệt điện được sử dụng trong bàn ủi điện.

Trong hình trên, tấm hợp kim kép là một dải thẳng; tuy nhiên, nó có thể được làm dưới dạng cuộn (như được hiển thị trong hình dưới đây) để tăng độ dài và độ nhạy.

Nhiệt kế

Dải hợp kim kép có thể được sử dụng trong nhiệt kế chỉ báo trực tiếp. Trong nhiệt kế, dải hợp kim kép được sử dụng dưới dạng cuộn.

Một loại nhiệt kế điển hình sử dụng dải hợp kim kép dưới dạng cuộn được hiển thị trong hình dưới đây:

Một đầu của cuộn dây này được kết nối với vỏ của thiết bị và đầu kia được kết nối với con trỏ.

Khi được làm nóng, đầu tự do của cuộn dây di chuyển, điều này dẫn đến sự lệch của con trỏ trên thang đo.

Thang đo được hiệu chỉnh theo nhiệt độ. Do đó, sự lệch của con trỏ trực tiếp chỉ ra nhiệt độ trên thang đo.

Thiết bị bảo vệ

Rơle dựa trên cơ chế nhiệt điện dùng để phát hiện dòng điện quá tải trong các thiết bị điện để bảo vệ chúng khỏi hư hỏng. Dòng điện đi qua mạch hoặc thiết bị được truyền qua cuộn dây làm nóng, làm nóng dải hợp kim kép.

Do nhiệt, thanh song kim uốn cong và hoạt động một mạch ngắt để ngắt nguồn điện hoặc thiết bị khỏi nguồn điện.

Một ví dụ về loại thiết bị bảo vệ này là công tắc tự động.

Đồng hồ

Các hệ thống đồng hồ cơ khí rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ, điều này dẫn đến lỗi trong quá trình hoạt động. Bằng cách sử dụng thanh song kim, lỗi có thể được bù đắp đến mức đáng kể.

Một loại đồng hồ điển hình sử dụng thanh song kim được hiển thị trong hình dưới đây:

Bánh cân, điều chỉnh tốc độ di chuyển, có vành làm bằng hai kim loại có hệ số giãn nở tuyến tính khác nhau. Khi được làm nóng, vành sẽ uốn cong nhẹ vào trong, giảm đường kính và tăng tốc độ. Khi làm lạnh, vành sẽ uốn cong nhẹ ra ngoài, tăng đường kính và giảm tốc độ. Điều này bù đắp cho sự thay đổi độ đàn hồi của lò xo do biến đổi nhiệt độ.

Tiền xu

Để cắt giảm chi phí và ngăn chặn việc người dân nấu chảy chúng để lấy giá trị kim loại, tiền xu thường được làm từ kim loại rẻ bọc bên ngoài bằng kim loại đắt hơn. Ví dụ, đồng xu một xu của Hoa Kỳ đã được thay đổi từ 95% đồng sang 95% kẽm, với một lớp mạ đồng mỏng để giữ nguyên vẻ bề ngoài. Điều này khiến nó trở thành một loại vật liệu ba kim loại, có ba lớp kim loại khác nhau. Một ví dụ khác là đồng xu hai kim loại, có hai phần riêng biệt làm bằng các kim loại khác nhau. Ví dụ, đồng xu hai đô la Canada có vòng ngoài làm bằng thép mạ niken và lõi bên trong làm bằng đồng nhôm.

Thùng lon

Thùng lon gồm thép phủ thiếc. Thiếc ngăn chặn sự ăn mòn bằng cách tạo thành một lớp oxit trên bề mặt. Điều này khiến nó trở thành một loại vật liệu ba kim loại, có ba lớp kim loại khác nhau. Một loại thùng lon khác là thùng lon nhôm, có thân làm bằng nhôm và nắp làm bằng hợp kim nhôm với tab kéo. Điều này giúp dễ dàng mở mà không cần dùng dụng cụ mở thùng, nhưng cũng khó tái chế hơn do hỗn hợp kim loại.

Lưỡi dao

Lưỡi cưa băng và lưỡi cưa dao động thường được làm bằng cấu trúc hai kim loại. Các răng, được làm bằng thép tốc độ cao, được liên kết (bằng nhiều phương pháp khác nhau, như hàn bằng tia điện tử hoặc hàn bằng tia laser) với cơ sở thép cacbon mềm hơn. Cấu trúc này tạo ra các lưỡi cưa có sự kết hợp tốt hơn giữa tốc độ cắt và độ bền so với các lưỡi cưa không phải là hai kim loại, vì ưu điểm và nhược điểm của mỗi loại kim loại được áp dụng ở những vị trí tốt nhất: các răng cứng hơn (và do đó cắt tốt hơn), nhưng cũng giòn hơn; trong khi đó, phần thân của băng mềm hơn (sẽ làm cho răng kém hơn), nhưng cũng ít giòn hơn, và do đó chống nứt và gãy tốt hơn (điều này mong muốn ở phần thân).

Bimetals là các vật thể được tạo thành từ hai kim loại riêng biệt được gắn kết lại với nhau thông qua một quy trình luyện kim. Chúng có hai khu vực kim loại riêng biệt giữ nguyên các thuộc tính cá nhân nhưng hoạt động cơ học và điện như một đơn vị duy nhất. Bimetals hoạt động dựa trên các hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính khác nhau của các kim loại gốc, khiến chúng cong khi được làm nóng hoặc làm lạnh. Bimetals có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn như bộ điều nhiệt, nhiệt kế, thiết bị bảo vệ, đồng hồ, tiền xu, lon, lưỡi cưa, và nhiều hơn nữa.

Kết luận

Bimetals là các sản phẩm đa năng và hữu ích có thể kết hợp các đặc tính tốt nhất của mỗi kim loại trong một sản phẩm duy nhất. Chúng có thể phát hiện và đo lường sự thay đổi về nhiệt độ, kiểm soát mạch và thiết bị, cắt kim loại và các vật liệu khác, bù đắp lỗi trong các hệ thống cơ khí, giảm chi phí và ngăn ngừa ăn mòn, và nhiều hơn nữa. Bimetals là ví dụ về cách luyện kim có thể tạo ra các giải pháp sáng tạo cho nhiều ngành công nghiệp và ứng dụng khác nhau.

Tuyên bố: Trân trọng các bài viết tốt đáng để chia sẻ, nếu có vi phạm quyền riêng tu hãy liên hệ để xóa.