Tài liệu Phần I : Lựa chọn vật liệu (Materials Selection) ppt

Phần I : Lựa chọn vật liệu (Materials Selection)
Design (hiểu theo nghĩa rộng là thiết kế hoàn chỉnh một sản phẩm – trong bản dịch này,
tôi sẽ giữ nguyên từ này mà không dịch thành “thiết kế” như các bạn vẫn hiểu, do nội
hàm của khái niệm design rất rộng - ND) là một quá trình lặp. Bạn khởi đầu quá trình này
với một sản phẩm cần design (ví dụ một cây viết, một cái máy sấy tóc hay một thùng
chứa nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân,…), liên k
ết ý tưởng đó với các kiến thức bạn
đã biết hoặc đã từng thấy ở đâu đó và tất nhiên, bạn không thể không liên hệ chúng với
các kinh nghiệm bạn có (ví dụ, những mẫu sản phẩm thành công hay thất bại của bạn
trước đây). Tất cả hệ thống tư duy ấy sẽ hình thành trong bạn design sơ bộ của sản phẩm.
Tiếp theo, bạn s
ẽ chính xác hóa design này bằng một quá trình mang tính hệ thống mà
chúng ta sẽ xét sau đây.
Lựa chọn Vật liệu là phần không thể thiếu đối với design. Và bởi vì các nguyên lý của cơ
khí, động lực học,… đã được xác lập từ lâu và đã trở thành chuẩn mực nên mỗi khi xuất
hiện một loại vật liệu mới, các design mới lại ra đời nhờ sử dụng các vật liệu này. Các
designer có thể lựa chọn vật liệu cho sản phẩm của mình trong số 4 nhóm vật liệu phổ
biến: kim loại, gốm, polymer và compozit. Mỗi nhóm vật liệu trên lại có ưu và nhược
điểm riêng, điều này designer phải cân nhắc thật kỹ lưỡng. Bảng sau tổng kết các ưu
nhược điểm nói trên:










Ở gần nhiệt độ phòng, các kim loại có mô đun đàn hồi và độ bền cao và hầu như không

thay đổi (theo nhiệt độ - ND). Hầu hết các kim loại đều có độ dẻo (đánh giá qua độ giãn
dài tương đối δ% - ND) cỡ 20% hoặc hơn. Một số loại hợp kim độ bền cao (ví dụ thép lò
xo) và các vật liệu thiêu kết từ bột kim loại, độ dẻo chỉ đạt dưới 2%. Nhưng ngay cả độ
dẻo nhỏ như vậy cũng đủ để chắc chắn rằng chi tiết sẽ có phá hủy dẻo khi quá tải (xét cho
mẫu không có vết khía) (điều này rất quan trọng vì phá hủy dẻo an toàn hơn nhiều so với
phá hủy giòn - ND). Nhưng bên cạnh đó, phần lớn các kim loại và hợp kim lại nhạy cảm
với tải trọng mỏi (tuần hoàn) – một phần do tính dẻo! , cộng thêm một nhược điểm khác
của nhóm vật liệu này là khả năng chống ăn mòn và oxi hóa của chúng rất kém.
Xét về khía cạnh lịch sử, gốm là loại vật liệu lâu đời nhất mà con người dùng để design
các sản phẩm của mình. Những nhà thờ theo phong cách kiến trúc Gothic vẫn còn nguyên
nét tinh hoa trường cửu. Nhưng rất nhiều công trình đã sụp đổ ngay trong quá trình xây
dựng, do vậy, những công trình tráng lệ mà chúng ta thấy hiện nay chắc hẳn là những
design tốt nhất.
Trong design với các vật liệu dẻo, người ta hay dùng khái niệm hệ số an toàn . Trong
điều kiện tĩnh, chúng ta dùng vật liệu kim loại trong khoảng tải trọng bên dưới độ bền
kéo đứt để chắc chắn rằng chúng không bị phá hủy đột ngột. Vật liệu gốm thì không như
thế. Sự phân tán hay “phổ” độ bền của vật liệu giòn rất rộng, và bản thân độ bền này lại
phụ thuộc vào thời gian cũng như thể tích đặt tải. Vì vậy, việc dùng hệ số an toàn trở nên
vô nghĩa, thay vào đó, người ta dùng phương pháp thống kê.
Chúng ta đã thấy rằng “độ bền” của vật liệu gốm trong hầu hết các trường hợp là độ bền
phá hủy. Do đó, khác với kim loại, độ bền nén của gốm có thể cao gấ
p 10 đến 20 lần độ
bền kéo. Vì vật liệu gốm không có tính dẻo nên chúng rất dễ bị phá hủy do tập trung ứng
suất (các lỗ hay các vết nứt,…) hay do ứng suất tiếp xúc (tại điểm đặt tải chẳng hạn).
Nguyên nhân là do ứng suất tích tụ, không “thoát” được (như với kim loại theo cơ chế di
chuyển lệch mạng), trở nên lớn hơn độ bền kéo của vật liệu dẫn tói hình thành vết nứt,
kéo theo phá hủy nhanh chóng. Tất cả các đặc điểm trên làm cho quá trình design vật liệu
gốm khác xa quá trình này với kim loại.
Sự khác biệt lại một lần nữa xảy ra với vật liệu polymer. Khi polymer mới xuất hiện
trong kỹ thuật, người ta thường dùng chúng không đúng cách. Người ta mặc nhiên dùng

polymer thay thế kim loại trong các laoij máy móc mà không để ý đến việc sự khác biệt
về tính chất của hai nhóm vật liệu này đòi hỏi phải thiết kế lại toàn bộ hệ thống nếu muốn
thay đổi vật liệu. Các khác biệt có thể chỉ ra:
- Polymer có mô đun đàn hồi nhỏ hơn kim loại rất nhiều lần: khoảng 100 lần.
- Biến dạng của polymer phụ thuộc vào thời gian đặt tải : Chúng bị dão ngay cả ở
nhiệt độ thường.
- Độ bền của polymer thay đổi rất nhanh trong khoảng nhiệt độ gần nhiệt độ phòng.
Một vật liệu polymer có thể rất dẻo dai ở 20 độ C nhưng lại trở nên giòn khi đặt
trong tủ lạnh ở 4 độ C.
Với tất cả những hạn chế kể trên, tại sao chúng ta vẫn dùng polymer? Polymer có thể
dùng để chế tạo các chi tiết rất phức tạp mà chỉ cần một bước gia công. Các chi tiết
polymer cũng rất dễ lắp ráp, dẫn đến khả năng tăng năng suất toàn bộ dây chuyền. Và
cùng với việc tăng độ chính xác của khuôn mẫu, pha màu sẵn cho vật liệu polymer, sản
phẩm sau tạo hình không cần qua bất kỳ khâu xử lý bề mặt nào nữa. Do vậy, các chi tiết
làm từ polymer có giá thành rất thấp, có thể đem lại hiệu quả kinh tế cao. Tỷ trọng của
polymer cũng thấp, chúng lại có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, hệ số ma sát nhỏ và
cho phép biến dạng với tỷ lệ lớn. Đó là những ưu việt của polymer mà kim loại và gốm
không sánh được.
Composite khắc phục rất nhiều thiếu sót của các vật liệu truyền thống. Chúng cứng vững,
dai và có độ bền cao. Hạn chế duy nhất của composite là giá thành quá cao và đôi khi các
chi tiết composite khó gia công, lắp ráp. Vì vậy, các designer chỉ dùng composite khi các
ưu điểm vượt trội của chúng tương xứng với mức tăng giá thành mà chúng “gây ra”.
Các vật liệu mới xuất hiện ngày một nhiều. Mỗi năm, người ta lại phát minh ra những
polymer cứng và bền hơn, composite cũng rẻ hơn nhờ tăng sản lượng. Các lọa gốm có độ
dai được cải thiện và được dùng ngày càng nhiều trong các kết cấu. Và ngay cả đối với
lĩnh vực phát triển “chậm” như các vật liệu kim loại thì việc hiểu biết rõ ràng hơn về bản
chất vật liệu, kiểm soát chặt chẽ chất lượng, tìm thêm các hợp kim mới cũng làm cho các
chi tiết kim loại ngày càng ổn định và tin cậy hơn. Tất cả những sự thay đổi đó luon
mang đến cho designer cơ hội để design lại sản phẩm của mình, khai phá những tính
năng kỳ diệu của các vật liệu mới, giảm giá thành sản phẩm hay làm cho chúng trở nên

đẹp và hấp dẫn hơn.!
M. Ashby
Trần Anh Tuấn (dịch)
Phần II: Phương pháp Design
Xem và download tại
. Bản dịch thuộc sở hữu của MES Lab. Vui
lòng ghi rõ nguồn và link khi đăng lại.