Tính chất vật lý của nhôm: số liệu 1050, 3003, 5052 cho xưởng

Khi nói về tính chất vật lý của nhôm, phần lớn tài liệu dừng ở những câu chung: nhẹ, dẫn nhiệt tốt, không gỉ. Các ý đó đã được trình bày trong bài 6 tính chất vật lý vượt trội của nhôm. Bài này đi theo hướng khác: đặt con số vật lý của ba mác nhôm tấm thông dụng 1050, 3003 và 5052 cạnh thép kết cấu, rồi chỉ ra mỗi con số dùng vào việc gì trong xưởng cơ khí. Thợ đóng thùng xe, làm vỏ tủ điện hay chế tạo khung máy đều gặp những phép tính này, dù không phải lúc nào cũng gọi tên chúng.

Các con số vật lý cần nhớ khi chọn nhôm tấm (tổng hợp: H&D Steel)

Bảng số liệu vật lý theo mác nhôm

Số liệu dưới đây là giá trị điển hình ghi trong datasheet của các nhà phân phối châu Âu (Aalco, Dinco, BIKAR), đã đối chiếu giữa ít nhất hai nguồn cho mỗi mác. Chỗ hai nguồn ghi khác nhau, bài dùng dải giá trị. Thép kết cấu lấy theo giá trị thiết kế của EN 1993-1-1.

Hai điều cần nhớ khi đọc bảng. Thứ nhất, đây là giá trị điển hình để tính toán, không phải chỉ tiêu bắt buộc: tiêu chuẩn EN 485-2 chỉ quy định cơ tính (giới hạn chảy, bền kéo), còn các tính chất vật lý không được ghi trên chứng chỉ chất lượng của lô hàng. Thứ hai, độ dẫn nhiệt và dẫn điện thay đổi theo trạng thái gia công, vì vậy BIKAR ghi cho 3003 cả một dải 160–200 W/m·K thay vì một con số.

Khối lượng riêng: tính trọng lượng theo từng mác

Theo Total Materia, nhôm nặng khoảng một phần ba thép. Con số cụ thể: mỗi mét vuông tấm dày 1 mm nặng 2,68 kg với 5052, 2,71 kg với 1050A và 2,73 kg với 3003, trong khi thép là khoảng 7,85 kg. Một tấm 5052 khổ 1.250 × 2.500 mm dày 2 mm nặng khoảng 16,8 kg; tấm thép cùng kích thước nặng gần 49 kg.

Chênh lệch giữa các mác nhôm chỉ khoảng 2%, nhưng khi mua theo cân cả lô vài tấn thì đủ để lệch số tấm dự kiến. Cách dùng đúng là nhân diện tích, độ dày với khối lượng riêng của đúng mác đặt mua, thay vì lấy hệ số thép chia ba. Bài nhôm tấm 3mm: trọng lượng, dung sai và chọn mác có ví dụ tính chi tiết cho tấm 3 ly.

Mô đun đàn hồi: vì sao tấm nhôm dễ võng hơn thép

Đây là con số bị bỏ qua nhiều nhất. Mô đun đàn hồi của cả ba mác nhôm đều quanh 70 GPa, tức khoảng một phần ba thép (210 GPa). Ở cùng độ dày và cùng nhịp đỡ, tấm nhôm võng gấp khoảng ba lần tấm thép dưới cùng một tải.

Điểm quan trọng là mô đun đàn hồi gần như không đổi giữa các mác. Tấm 5052 bền kéo cao hơn 1050 nhiều lần, nhưng độ cứng vững thì như nhau. Đổi mác không giải quyết được chuyện võng; chỉ có tăng độ dày, chấn mép, dập gân hoặc thêm xương gia cường mới giải quyết được.

Độ cứng uốn của tấm tỷ lệ với E nhân lập phương độ dày. Muốn tấm nhôm cứng vững tương đương tấm thép, độ dày cần tăng khoảng 1,44 lần: tấm thép 2 mm tương đương tấm nhôm khoảng 2,9–3 mm. Dù dày hơn, tấm nhôm vẫn chỉ nặng khoảng một nửa tấm thép. Đây là lý do vách thùng xe và sàn xe chuyển sang nhôm thường dùng tấm dày hơn bản thép cũ một cấp.

Giãn nở nhiệt: chừa khe khi ghép nhôm với thép

Hệ số giãn nở nhiệt của nhôm khoảng 23–24 ×10⁻⁶/K, gần gấp đôi thép (12 ×10⁻⁶/K). Một tấm nhôm dài 3 m, nhiệt độ thay đổi 40 °C giữa sáng sớm và trưa nắng, sẽ dài thêm khoảng 2,8 mm; thanh thép cùng chiều dài chỉ dài thêm khoảng 1,4 mm.

Chênh lệch 1,4 mm này là nguyên nhân của nhiều ca tấm ốp phồng, rách lỗ vít hoặc kêu lách tách trên thùng xe và mái che. Khi bắt tấm nhôm lên khung thép ở ngoài trời, nên khoan lỗ ô van theo chiều dài tấm, chừa khe ở hai đầu và không siết chết toàn bộ vít. Trong xưởng, chi tiết nhôm vừa cắt bằng máy còn nóng cũng cần để nguội trước khi đo kiểm kích thước chính xác.

Dẫn nhiệt và dẫn điện: mác càng tinh khiết càng tốt

Theo Total Materia, nhôm dẫn nhiệt tốt gấp khoảng ba lần thép. Nhưng giữa các mác nhôm cũng có khoảng cách lớn: 1050A dẫn nhiệt 210–222 W/m·K, 3003 khoảng 160–200, còn 5052 chỉ 138 W/m·K. Như vậy 1050A dẫn nhiệt tốt hơn 5052 khoảng 50–60%. Với độ dẫn điện, 5052 chỉ đạt khoảng 57% của 1050A.

Tản nhiệt bằng nhôm: mác càng tinh khiết, dẫn nhiệt càng tốt — Ảnh: SHOX ART / Pexels

Ứng dụng cho xưởng cơ khí điện tử: tấm tản nhiệt, đế gá linh kiện công suất hay chi tiết cần dẫn điện nên ưu tiên 1050, tiếp đến 3003. Vỏ tủ điện ngoài trời, nắp che và khung chịu rung thì cần độ bền và khả năng chống ăn mòn của 5052 hơn là khả năng dẫn nhiệt. Thông số các mác hiện có xem tại trang nhôm tấm 1050, 3003, 5052; nếu chi tiết dập hàng loạt từ băng, xem thêm nhôm cuộn và băng xẻ.

Khả năng dẫn nhiệt cao cũng ảnh hưởng đến việc hàn. Nhiệt từ mỏ hàn tản đi rất nhanh trong tấm, trong khi nhiệt độ nóng chảy của nhôm chỉ khoảng 605–655 °C tuỳ mác. Thợ chuyển từ hàn thép sang hàn nhôm nên thử thông số trên mẩu vụn cùng mác, cùng độ dày trước khi hàn chi tiết thật.

Năm lỗi hay gặp khi chọn nhôm theo tính chất vật lý

1. Đổi sang 5052 để tấm bớt võng. Mô đun đàn hồi của 5052 và 1050 gần như bằng nhau; muốn bớt võng phải tăng độ dày hoặc tạo gân, chấn mép.
2. Bắt tấm nhôm dài lên khung thép bằng lỗ tròn khít. Nhôm giãn nở gần gấp đôi thép, ra nắng tấm sẽ phồng hoặc kéo rách lỗ vít.
3. Chọn 5052 làm tấm tản nhiệt vì nghĩ mác bền hơn là tốt hơn. Với việc tản nhiệt, 1050 dẫn nhiệt tốt hơn rõ rệt.
4. Ước trọng lượng bằng cách lấy số của thép chia ba. Cách này sai vài phần trăm; hãy dùng khối lượng riêng của đúng mác.
5. Coi số liệu vật lý trong datasheet là cam kết của lô hàng. Chứng chỉ chất lượng chỉ xác nhận thành phần hoá học và cơ tính; con số vật lý là giá trị điển hình để thiết kế.

Nếu cần hiểu thêm về phản ứng của nhôm với axit, kiềm và môi trường, anh chị có thể đọc bài tính chất hoá học của nhôm.

Nguồn tham khảo

• Aalco – Datasheet nhôm 1050A H14 Sheet
• Dinco – Datasheet nhôm 3003 H14
• Aalco – Datasheet nhôm 5052 H32 Sheet and Treadplate
• Eurocode Applied – Tính chất vật liệu thép kết cấu theo EN 1993-1-1
• Total Materia – Aluminum properties
• BIKAR – Thông số EN AW-1050A và EN AW-3003 (đối chiếu khối lượng riêng, giãn nở nhiệt, dẫn nhiệt, dẫn điện)
• Dinco – Datasheet nhôm 5052 (đối chiếu số liệu vật lý)

Anh chị cần nhôm tấm, nhôm cuộn mác 1050, 3003 hoặc 5052 đúng độ dày cho thùng xe, vỏ tủ điện hay tấm tản nhiệt, vui lòng gửi yêu cầu qua trang báo giá nhôm tấm, nhôm cuộn hoặc gọi hotline/Zalo 0904 678 236 (Phòng Kinh doanh) để được tư vấn mác và độ dày phù hợp với từng công việc.