Biểu đồ chọn vật liệu – độ bền, độ cứng vững theo khối lượng riêng

Công nghệ lớp 11, chủ đề Cơ sở sản xuất cơ khí, học về vật liệu cơ khí, vật liệu phi kim loại và vật liệu mới như composite; chọn vật liệu là cân nhắc cùng lúc độ bền, độ cứng vững, khối lượng, giá và tác động môi trường. Học liệu dựng biểu đồ log–log kiểu Ashby cho 24 vật liệu thuộc sáu nhóm (kim loại, polymer và cao su, gỗ, composite GFRP và CFRP, gốm và thuỷ tinh, xốp), mỗi vật liệu là một bong bóng phủ khoảng giá trị điển hình. Mô hình tính khối lượng chi tiết cần dùng: thanh chịu kéo m = nFLρ/σ, dầm công-xôn tiết diện vuông m = ρL(6nFL/σ)^(2/3), và các công thức tương ứng theo mô đun Young khi giới hạn độ giãn hoặc độ võng. Chọn biểu đồ độ bền hay độ cứng vững, chọn thanh chịu kéo hay dầm công-xôn, rồi kéo các thanh trượt: tải, chiều dài, hệ số an toàn, khối lượng tối đa, giá và lượng phát thải CO₂ tối đa của chi tiết; có thể chỉ cho phép vật liệu được tái chế rộng rãi. Đường giới hạn khối lượng (đường đứt nét, độ dốc 1, 1,5 hoặc 2) chính là chỉ số hiệu năng σ/ρ, σ^(2/3)/ρ, E/ρ hoặc E^(1/2)/ρ: vật liệu nằm phía trên đủ nhẹ, vật liệu trượt yêu cầu bị làm mờ. Bấm vào một bong bóng để đọc số liệu, công dụng và khối lượng, giá, phát thải của chi tiết; phép thử so sánh đặt CFRP, GFRP, nhôm và thép cạnh nhau, còn bảng kết quả xếp mọi vật liệu từ nhẹ đến nặng để học sinh lập luận cho lựa chọn. Câu hỏi gợi ý: – Vì sao CFRP nhẹ hơn thép rất nhiều khi làm thanh chịu kéo nhưng khung nhà vẫn chủ yếu dùng thép? – Danh sách vật liệu đạt thay đổi thế nào khi chỉ cho phép vật liệu được tái chế rộng rãi? – Vì sao so với kim loại, gỗ làm dầm nhẹ có lợi hơn làm thanh chịu kéo nhẹ?