Phần I : Lựa chọn vật liệu (Materials Selection)

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 kết ý tưởng đó với các...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Phần I : Lựa chọn vật liệu (Materials Selection)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 nộihàm của khái niệm design rất rộng - ND) là một quá trình lặp. Bạn khởi đầu quá trình nàyvới một sản phẩm cần design (ví dụ một cây viết, một cái máy sấy tóc hay một thùngchứa nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân,…), liên kết ý tưởng đó với các kiến thức bạnđã biết hoặc đã từng thấy ở đâu đó và tất nhiên, bạn không thể không liên hệ chúng vớicác kinh nghiệm bạn có (ví dụ, những mẫu sản phẩm thành công hay thất bại của bạntrước đây). Tất cả hệ thống tư duy ấy sẽ hình thành trong bạn design sơ bộ của sản phẩm.Tiếp theo, bạn sẽ chính xác hóa design này bằng một quá trình mang tính hệ thống màchúng ta sẽ xét sau đây.Lựa chọn Vật liệu là phần không thể thiếu đối với design. Và bởi vì các nguyên lý của cơkhí, động lực học,… đã được xác lập từ lâu và đã trở thành chuẩn mực nên mỗi khi xuấthiện một loại vật liệu mới, các design mới lại ra đời nhờ sử dụng các vật liệu này. Cácdesigner có thể lựa chọn vật liệu cho sản phẩm của mình trong số 4 nhóm vật liệu phổbiến: kim loại, gốm, polymer và compozit. Mỗi nhóm vật liệu trên lại có ưu và nhượcđiểm riêng, điều này designer phải cân nhắc thật kỹ lưỡng. Bảng sau tổng kết các ưunhược điểm nói trên:Ở gần nhiệt độ phòng, các kim loại có mô đun đàn hồi và độ bền cao và hầu như khôngthay đổi (theo nhiệt độ - ND). Hầu hết các kim loại đều có độ dẻo (đánh giá qua độ giãndài tương đối δ% - ND) cỡ 20% hoặc hơn. Một số loại hợp kim độ bền cao (ví dụ thép lòxo) và các vật liệu thiêu kết từ bột kim loại, độ dẻo chỉ đạt dưới 2%. Nhưng ngay cả độdẻo nhỏ như vậy cũng đủ để chắc chắn rằng chi tiết sẽ có phá hủy dẻo khi quá tải (xét chomẫu không có vết khía) (điều này rất quan trọng vì phá hủy dẻo an toàn hơn nhiều so vớiphá hủy giòn - ND). Nhưng bên cạnh đó, phần lớn các kim loại và hợp kim lại nhạy cảmvới tải trọng mỏi (tuần hoàn) – một phần do tính dẻo! , cộng thêm một nhược điểm kháccủa 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 designcác sản phẩm của mình. Những nhà thờ theo phong cách kiến trúc Gothic vẫn còn nguyênnét tinh hoa trường cửu. Nhưng rất nhiều công trình đã sụp đổ ngay trong quá trình xâydựng, do vậy, những công trình tráng lệ mà chúng ta thấy hiện nay chắc hẳn là nhữngdesign tốt nhất.Trong design với các vật liệu dẻo, người ta hay dùng khái niệm hệ số an toàn . Trongđiều kiện tĩnh, chúng ta dùng vật liệu kim loại trong khoảng tải trọng bên dưới độ bềnkéo đứt để chắc chắn rằng chúng không bị phá hủy đột ngột. Vật liệu gốm thì không nhưthế. Sự phân tán hay “phổ” độ bền của vật liệu giòn rất rộng, và bản thân độ bền này lạiphụ thuộc vào thời gian cũng như thể tích đặt tải. Vì vậy, việc dùng hệ số an toàn trở nênvô 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 bềnphá hủy. Do đó, khác với kim loại, độ bền nén của gốm có thể cao gấp 10 đến 20 lần độbền kéo. Vì vật liệu gốm không có tính dẻo nên chúng rất dễ bị phá hủy do tập trung ứngsuất (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 dichuyển 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 liệugốm 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 hiệntrong kỹ thuật, người ta thường dùng chúng không đúng cách. Người ta mặc nhiên dùngpolymer thay thế kim loại trong các laoij máy móc mà không để ý đến việc sự khác biệtvề tính chất của hai nhóm vật liệu này đòi hỏi phải thiết kế lại toàn bộ hệ thống nếu muốnthay 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 thểdùng để chế tạo các chi tiết rất phức tạp mà chỉ cần một bước gia công. Các chi tiếtpolymer cũng rất dễ lắp ráp, dẫn đến khả năng tăng năng suất toàn bộ dây chuyền. Vàcùng với việc tăng độ chính xác của khuôn mẫu, pha màu sẵn cho vật liệu polymer, sảnphẩm sau tạo hình không cần qua bất kỳ khâu xử lý bề mặt nào nữa. Do vậy, các chi tiếtlàm từ polymer có giá thành rất thấp, có thể đem lại hiệu quả kinh tế cao. Tỷ trọng củapolymer cũng thấp, chúng lại có khả năng chống ăn mòn tuyệt vời, hệ số ma sát nhỏ vàcho phép biến dạng với tỷ lệ lớn. Đó là những ưu việt của polymer mà kim loại và gốmkhông 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 cácchi tiết composite khó gia công, lắp ráp. Vì vậy, các designer chỉ dùng composite khi cácưu 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 nhữngpolymer cứng và bền hơn, composite cũng rẻ hơn nhờ tăng sản lượng. Các lọa gốm có độdai được cải thiện và được dùng ngày càng nhiều trong các kết cấu. Và ngay cả đối vớilĩnh vực phát triển “chậm” như các vật liệu kim loại thì việc hiểu biết rõ ràng hơn về bảnchất vật liệu, kiểm soát chặt chẽ chất lượng, tìm thêm các hợp kim mới ...