Vật liệu kỹ thuật 1: Giới thiệu về Tính chất, Ứng dụng & Thiết kế (Ashby & Jones)

• Tác giả: Michael F. Ashby
• Trường học: Đại học Cambridge
• Chuyên ngành: Vật liệu kỹ thuật
• Đề tài: Vật liệu kỹ thuật 1: Giới thiệu về tính chất, ứng dụng và thiết kế
• Loại tài liệu: Sách giáo khoa
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Oxford

Tóm tắt

I. Tổng quan về Engineering Materials 1 Ashby Jones

Engineering Materials 1: An Introduction to Properties, Applications and Design là giáo trình kỹ thuật vật liệu nổi tiếng của hai tác giả Michael F. Ashby và David R. Jones, thuộc Đại học Cambridge, Vương quốc Anh. Ấn bản thứ ba được xuất bản năm 2005 bởi nhà xuất bản Elsevier Butterworth-Heinemann. Cuốn sách cung cấp nền tảng toàn diện về tính chất cơ học, nhiệt, điện và từ của vật liệu kỹ thuật. Nội dung bao gồm các chủ đề then chốt như ứng suất, biến dạng, mô đun đàn hồi, giới hạn chảy và cơ chế biến dạng dẻo. Sách được thiết kế cho sinh viên kỹ thuật năm nhất và năm hai, cung cấp phương pháp tiếp cận hệ thống để hiểu mối liên hệ giữa cấu trúc vi mô, tính chất và ứng dụng của vật liệu. Đây là tài liệu tham khảo chuẩn trong đào tạo kỹ thuật cơ khí và vật liệu trên toàn thế giới.

1.1. Lịch sử phát triển và các ấn bản

Cuốn sách được xuất bản lần đầu năm 1980, mở ra cách tiếp cận mới trong giảng dạy vật liệu kỹ thuật. Ấn bản thứ hai ra đời năm 1996, được tái bản nhiều lần từ 1998 đến 2003. Ấn bản thứ ba năm 2005 cập nhật dữ liệu mới nhất về giá cả và tính sẵn có của vật liệu. Mỗi ấn bản đều bổ sung ví dụ thực tiễn, biểu đồ Ashby và phương pháp chọn vật liệu tiên tiến. Sự phát triển liên tục qua ba thập kỷ phản ánh tầm ảnh hưởng sâu rộng của bộ sách trong cộng đồng giáo dục kỹ thuật toàn cầu.

1.2. Cấu trúc nội dung và phạm vi bao quát

Sách được tổ chức theo các chương logic, bắt đầu từ tổng quan vật liệu kỹ thuật, giá cả và tính sẵn có. Các chương tiếp theo trình bày mô đun đàn hồi, liên kết nguyên tử, cấu trúc tinh thể và đóng gói nguyên tử. Nội dung bao gồm ứng suất đơn trục, ứng suất hai trục, áp suất thủy tĩnh và ứng suất cắt. Mỗi chương đều có dữ liệu thực nghiệm, biểu đồ so sánh và bài tập ứng dụng. Cấu trúc này giúp sinh viên xây dựng kiến thức từ cơ bản đến nâng cao một cách có hệ thống.

II. Phân tích tính chất cơ học và ứng suất vật liệu

Một trọng tâm của Engineering Materials 1 là phân tích tính chất cơ học của vật liệu kỹ thuật. Sách trình bày định nghĩa ứng suất dưới dạng lực chia cho diện tích tiết diện, áp dụng cho cả kéo và nén đơn giản. Biến dạng được định nghĩa là thay đổi kích thước tương đối so với kích thước ban đầu. Các trạng thái ứng suất phổ biến bao gồm kéo đơn trục, nén đơn trục, kéo hai trục và áp suất thủy tĩnh. Sách giải thích rõ ràng rằng áp suất dương khi đẩy trong khi ứng suất dương khi kéo. Ứng suất cắt được định nghĩa là lực tiếp tuyến chia diện tích. Mô đun Young đo lường độ cứng của vật liệu, liên hệ trực tiếp giữa ứng suất và biến dạng đàn hồi. Dữ liệu thực nghiệm về mô đun Young được trình bày dưới dạng biểu đồ so sánh giữa các nhóm vật liệu khác nhau. Phương pháp đo mô đun Young cũng được mô tả chi tiết, đảm bảo sinh viên hiểu cả lý thuyết lẫn thực hành.

2.1. Các trạng thái ứng suất phổ biến trong kỹ thuật

Sách mô tả bốn trạng thái ứng suất cơ bản mà kỹ sư thường gặp. Kéo đơn giản xảy ra trong chi tiết chịu tải qua bản lề. Nén đơn giản xuất hiện ở cột chống đỡ công trình. Kéo hai trục diễn ra ở vỏ hình cầu chứa áp suất bên trong, nơi bề mặt chịu tải theo hai phương. Áp suất thủy tĩnh là trạng thái nén đều từ mọi phía, thường gặp sâu trong vỏ trái đất hay đại dương. Mỗi trạng thái có công thức tính riêng biệt, giúp kỹ sư phân tích chính xác điều kiện làm việc của chi tiết máy và kết cấu.

2.2. Mô đun đàn hồi và đo lường thực nghiệm

Mô đun đàn hồi là tham số quan trọng nhất đặc trưng độ cứng của vật liệu. Mô đun Young được xác định từ đường cong ứng suất - biến dạng trong vùng đàn hồi. Sách trình bày phương pháp đo bằng cách áp dụng tải trọng known và đo biến dạng tương ứng. Dữ liệu cho thấy thép có mô đun Young khoảng 210 GPa, nhôm khoảng 70 GPa và polymer chỉ vài GPa. Sự chênh lệch lớn này phản ánh khác biệt về liên kết nguyên tử. Biểu đồ Ashby so sánh mô đun với mật độ giúp kỹ sư lựa chọn vật liệu tối ưu cho ứng dụng cụ thể.

III. Phương pháp chọn vật liệu và ứng dụng thiết kế

Engineering Materials 1 cung cấp phương pháp có hệ thống để chọn vật liệu phù hợp cho thiết kế kỹ thuật. Sách phân loại vật liệu theo nhóm chi phí và ứng dụng. Vật liệu giá rẻ như thép carbon, nhôm đúc và polymer thông thường có giá từ 500 đến 5000 bảng Anh mỗi tấn. Nhóm trung cấp bao gồm thép không gỉ, hợp kim nhôm và hầu hết polymer, nơi cạnh tranh giữa vật liệu diễn ra mạnh nhất. Nhóm hiệu suất cao bao gồm hợp kim niken cho cánh tuabin, vonfram cho điện cực bugi và vật liệu composite CFRP, với giá từ 5000 đến 50000 bảng mỗi tấn. Cuối cùng là vật liệu đặc biệt như kim cương công nghiệp, sapphire và kim loại quý. Phương pháp chọn vật liệu tích hợp ràng buộc kinh tế, tính chất cơ học và yêu cầu sản xuất. Biểu đồ Ashby giúp trực quan hóa dữ liệu và so sánh vật liệu hiệu quả.

3.1. Phân loại vật liệu theo chi phí và ứng dụng

Sách chia vật liệu thành nhiều phân khúc thị trường rõ ràng. Nhóm giá trị thấp gồm gang, thép carbon và bê tông, dùng cho kết cấu lớn. Nhóm trung cấp gồm thép không gỉ, hợp kim nhôm và polymer kỹ thuật, chiếm tỷ trọng lớn trong kỹ thuật nhẹ và trung bình. Nhóm cao cấp gồm hợp kim nhiệt độ cao và composite, dùng trong hàng không và năng lượng. Nhóm đặc biệt gồm kim cương, sapphire và kim loại quý cho ứng dụng chuyên biệt. Phân loại này giúp kỹ sư đánh giá trade-off giữa chi phí và hiệu suất khi ra quyết định thiết kế.

3.2. Vai trò của biểu đồ Ashby trong thiết kế

Biểu đồ Ashby là công cụ cách mạng trong chọn vật liệu, trình bày hai tính chất trên đồ thị log-log. Các nhóm vật liệu xuất hiện thành các vùng riêng biệt trên biểu đồ, cho phép so sánh trực quan. Kỹ sư có thể kết hợp ràng buộc thiết kế với biểu đồ để thu hẹp danh sách vật liệu phù hợp. Phương pháp này loại bỏ chủ quan và dựa hoàn toàn vào dữ liệu. Biểu đồ Ashby giúp phát hiện vật liệu mới tiềm năng và tối ưu hóa thiết kế sản phẩm hiệu quả hơn so với phương pháp thử sai truyền thống.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của giáo trình

Engineering Materials 1 của Ashby và Jones là tài liệu không thể thiếu trong đào tạo kỹ thuật vật liệu hiện đại. Cuốn sách thành công trong việc kết hợp lý thuyết cơ bản với ứng dụng thực tiễn, giúp sinh viên hiểu sâu về mối quan hệ giữa cấu trúc nguyên tử, tính chất cơ học và ứng dụng kỹ thuật. Phương pháp tiếp cận dựa trên dữ liệu và biểu đồ Ashby đã trở thành tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp. Sách cung cấp nền tảng vững chắc để tiến tới các chủ đề nâng cao như mỏi, creep, ăn mòn và hư hỏng vật liệu. Giá trị của giáo trình nằm ở cách trình bày logic, dữ liệu phong phú và khả năng áp dụng trực tiếp vào thực hành kỹ thuật. Đây là cuốn sách gối đầu giường cho mọi kỹ sư cơ khí và vật liệu.

4.1. Giá trị đào tạo trong chương trình kỹ thuật

Cuốn sách được sử dụng rộng rãi trong các chương trình kỹ thuật cơ khí, hàng không và vật liệu tại các đại học hàng đầu. Nội dung phù hợp cho sinh viên năm nhất và năm hai, cung cấp kiến thức nền tảng cần thiết. Phương pháp giảng dạy kết hợp lý thuyết, dữ liệu thực nghiệm và bài tập ứng dụng giúp sinh viên phát triển tư duy thiết kế. Sách cũng phục vụ như tài liệu tham khảo quý giá cho kỹ sư hành nghề, giúp cập nhật kiến thức về vật liệu mới và phương pháp chọn vật liệu tiên tiến trong thực tế công nghiệp.

4.2. Ảnh hưởng đến ngành công nghiệp và nghiên cứu

Phương pháp Ashby đã ảnh hưởng sâu sắc đến cách kỹ sư tiếp cận chọn vật liệu trong thiết kế sản phẩm. Các công ty sản xuất và kỹ thuật áp dụng biểu đồ Ashby để ra quyết định vật liệu nhanh chóng và chính xác. Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong phát triển sản phẩm mới, nơi cần đánh giá nhiều phương án vật liệu đồng thời. Nghiên cứu vật liệu tiên tiến cũng sử dụng khung Ashby để định vị vật liệu mới trên đồ thị tính chất. Ảnh hưởng của cuốn sách vượt xa phạm vi giáo dục, trở thành công cụ thực hành tiêu chuẩn trong kỹ thuật hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

net Engineering Materials 1 An Introduction to Properties, Applications and Design www.net Engineering Materials 1 An Introduction to Properties, Applications and Design Third Edition www.net by Michael F. Ashby and David R. Jones Department of Engineering, University of Cambridge, UK Amsterdam 
 Boston 
 Heidelberg 
 London 
 New York 
 Oxford Paris 
 San Diego 
 San Francisco 
 Singapore 
 Sydney 
 Tokyo www.net Elsevier Butterworth-Heinemann Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP 200 Wheeler Road, Burlington, MA 01803 First published 1980 Second edition 1996 Reprinted 1998 (twice), 2000, 2001, 2002, 2003 Third edition 2005 Copyright # 2005. All rights reserved The right of Michael F. Ashby and David R. Jones to be identified as the authors of this work has been asserted in accordance with the Copyright, Designs and Patents Act 1988 No part of this publication may be reproduced in any material form (including www.net photocopying or storing in any medium by electronic means and whether or not transiently or incidentally to some other use of this publication) without the written permission of the copyright holder except in accordance with the provisions of the Copyright, Designs and Patents Act 1988 or under the terms of a licence issued by the Copyright Licensing Agency Ltd, 90 Tottenham Court Road, London, England W1T 4LP. Applications for the copyright holder’s written permission to reproduce any part of this publication should be addressed to the publisher Permissions may be sought directly from Elsevier’s Science and Technology Rights Department in Oxford, UK: phone: (þ44) (0) 1865 843830, fax: (þ44) (0) 1865 853333, e-mail: permissions@elsevier. You may also complete your request on-line via the Elsevier homepage (http://www.com), by selecting ‘Customer Support’ and then ‘Obtaining Permissions’ British Library Cataloguing in Publication Data A catalogue record for this book is available from the British Library Library of Congress Cataloging in Publication Data A catalog record for this book is available from the Library of Congress ISBN 0 7506 63804 For information on all Elsevier Butterworth-Heinemann publications visit our website at http://www.com Typeset by Newgen Imaging Systems (P) Ltd, Chennai, India Printed and bound in Great Britain Working together to grow libraries in developing countries www.net Contents General introduction xi 1. Engineering materials and their properties 1 1.2 Examples of materials selection 4 www. Price and availability 15 2. The price and availability of materials 17 2.2 Data for material prices 18 2.3 The use-pattern of materials 20 2.5 Exponential growth and consumption doubling-time 23 2. The elastic moduli 29 3. The elastic moduli 31 3.2 Definition of stress 32 3.3 Definition of strain 35 3.5 Measurement of Young’s modulus 37 3.6 Data for Young’s modulus 38 4. Bonding between atoms 43 4.4 The condensed states of matter 51 4. Packing of atoms in solids 55 5.2 Atom packing in crystals 56 5.3 Close-packed structures and crystal energies 56 www.net vi Contents 5.7 Other simple important crystal structures 62 5.8 Atom packing in polymers 64 5.9 Atom packing in inorganic glasses 65 5.10 The density of solids 66 6. The physical basis of Young’s modulus 73 6.2 Moduli of crystals 74 6.3 Rubbers and the glass transition temperature 76 www. Case studies in modulus-limited design 85 7.1 Case study 1: a telescope mirror — involving the selection of a material to minimize the deflection of a disc under its own weight.2 Case study 2: materials selection to give a beam of a given stiffness with minimum weight 91 7.3 Case Study 3: materials selection to minimize the cost of a beam of given stiffness 93 C. Yield strength, tensile strength and ductility 97 8. The yield strength, tensile strength and ductility 99 8.2 Linear and nonlinear elasticity; anelastic behavior 100 8.3 Load–extension curves for non-elastic (plastic) behavior 101 8.4 True stress–strain curves for plastic flow 103 8.8 The hardness test 108 8.9 Revision of the terms mentioned in this chapter, and some useful relations 111 9. Dislocations and yielding in crystals 119 9.2 The strength of a perfect crystal 120 9.3 Dislocations in crystals 122 9.4 The force acting on a dislocation 128 9.5 Other properties of dislocations 129 www.net Contents vii 10. Strengthening methods, and plasticity of polycrystals 131 10.3 Solid solution hardening 132 10.4 Precipitate and dispersion strengthening 133 10.6 The dislocation yield strength 135 10.7 Yield in polycrystals 136 10. Continuum aspects of plastic flow 141 www.2 The onset of yielding and the shear yield strength, k 142 11.3 Analyzing the hardness test 144 11.4 Plastic instability: necking in tensile loading 145 12. Case studies in yield-limited design 153 12.2 Case study 1: elastic design-materials for springs 154 12.3 Case study 2: plastic design-materials for a pressure vessel 159 12.4 Case study 3: large-strain plasticity — rolling of metals 160 D. Fast fracture, brittle fracture and toughness 167 13. Fast fracture and toughness 169 13.2 Energy criterion for fast fracture 170 13.3 Data for Gc and Kc 175 14. Micromechanisms of fast fracture 181 14.2 Mechanisms of crack propagation, 1: ductile tearing 182 14.3 Mechanisms of crack propagation, 2: cleavage 184 14.4 Composites, including wood 186 14.5 Avoiding brittle alloys 187 15. Case studies in fast fracture 191 15.2 Case study 1: fast fracture of an ammonia tank 192 15.3 Case study 2: explosion of a perspex pressure window during hydrostatic testing 195 15.4 Case study 3: cracking of a polyurethane foam jacket on a liquid methane tank 198 15.5 Case study 4: collapse of wooden balcony railing 202 www.net viii Contents 16. Probabilistic fracture of brittle materials 209 16.2 The statistics of strength and the Weibull distribution 212 16.3 Case study: cracking of a polyurethane foam jacket on a liquid methane tank 216 E.2 Fatigue behavior of uncracked components 224 www.3 Fatigue behavior of cracked components 228 17.2 Fatigue data for uncracked components 238 18.4 The notch sensitivity factor 240 18.5 Fatigue data for welded joints 241 18.6 Fatigue improvement techniques 242 18.7 Designing-out fatigue cycles 244 18.8 Checking pressure vessels for fatigue cracking 246 19. Case studies in fatigue failure 251 19.2 Case study 1: high-cycle fatigue of an uncracked component — failure of a pipe organ mechanism 252 19.3 Case study 2: low-cycle fatigue of an uncracked component — failure of a submersible lifting eye 260 19.4 Case study 3: fatigue of a cracked component — the safety of the Stretham engine 264 F. Creep deformation and fracture 271 20. Creep and creep fracture 273 20.2 Creep testing and creep curves 277 20.4 Creep damage and creep fracture 282 20.5 Creep-resistant materials 283 21. Kinetic theory of diffusion 287 21.2 Diffusion and Fick’s law 289 www.net Contents ix 21.3 Data for diffusion coefficients 293 21.4 Mechanisms of diffusion 294 22. Mechanisms of creep, and creep-resistant materials 299 22.2 Creep mechanisms: metals and ceramics 300 22.3 Creep mechanisms: polymers 307 22.4 Selecting materials to resist creep 309 23. The turbine blade — a case study in creep-limited design 311 23.2 Properties required of a turbine blade 313 www.3 Nickel-based super-alloys 314 23.4 Engineering developments — blade cooling 318 23.5 Future developments: metals and metal–matrix composites 319 23.6 Future developments: high-temperature ceramics 321 23. Oxidation and corrosion 325 24. Oxidation of materials 327 24.2 The energy of oxidation 328 24.3 Rates of oxidation 329 24. Case studies in dry oxidation 337 25.2 Case study 1: making stainless alloys 338 25.3 Case study 2: protecting turbine blades 339 25.4 Joining operations: a final note 343 26. Wet corrosion of materials 345 26.3 Voltage differences as a driving force for wet oxidation 347 26.4 Rates of wet oxidation 350 26. Case studies in wet corrosion 357 27.2 Case study 1: the protection of underground pipes 358 27.3 Case study 2: materials for a lightweight factory roof 360 27.4 Case study 3: automobile exhaust systems 363 www. Friction, abrasion and wear 367 28. Friction and wear 369 28.2 Friction between materials 370 28.3 Data for coefficients of friction 373 28.5 Wear of materials 375 28.6 Surface and bulk properties 377 29. Case studies in friction and wear 381 www.2 Case study 1: the design of journal bearings 382 29.3 Case study 2: materials for skis and sledge runners 385 29.4 Case study 3: high-friction rubber 387 I. Designing with metals, ceramics, polymers and composites 391 30. Design with materials 393 30. Final case study: materials and energy in car design 399 31.2 Energy and cars 400 31.3 Ways of achieving energy economy 400 31.4 Material content of a car 402 31.7 Conclusions 410 Appendix 1 Symbols and formulae 411 Appendix 2 References 419 Index 421 www.net General introduction To the student Innovation in engineering often means the clever use of a new material — new to a particular application, but not necessarily (although sometimes) new in the sense of recently developed. Plastic paper clips and ceramic turbine-blades both represent attempts to do better with polymers and ceramics what had previously been done well with metals. And engineering disasters are frequently caused by the misuse of materials. When the plastic teaspoon buckles as you stir your www.net tea, and when a fleet of aircraft is grounded because cracks have appeared in the tailplane, it is because the engineer who designed them used the wrong materials or did not understand the properties of those used. So it is vital that the professional engineer should know how to select materials which best fit the demands of the design — economic and aesthetic demands, as well as demands of strength and durability. The designer must understand the properties of materials, and their limitations. This book gives a broad introduction to these properties and limitations. It cannot make you a materials expert, but it can teach you how to make a sensible choice of material, how to avoid the mistakes that have led to embarrassment or tragedy in the past, and where to turn for further, more detailed, help. You will notice from the Contents list that the chapters are arranged in groups, each group describing a particular class of properties: elastic modulus; fracture toughness; resistance to cor- rosion; and so forth. Each group of chapters starts by defining the property, describing how it is measured, and giving data that we use to solve problems involving design with materials. We then move on to the basic science that underlies each property, and show how we can use this funda- mental knowledge to choose materials with better properties. Each group ends with a chapter of case studies in which the basic understanding and the data for each property are applied to practical engineering problems involving materials. At the end of each chapter you will find a set of examples; each example is meant to consolidate or develop a particular point covered in the text. Try to do the examples from a particular chapter while this is still fresh in your mind. In this way you will gain confidence that you are on top of the subject. No engineer attempts to learn or remember tables or lists of data for material properties. But you should try to remember the broad orders of magnitude of these quantities. All foodstores know that ‘‘a kg of apples is about 10 apples’’ — they still weigh them, but their knowledge prevents them making silly mistakes which might cost them money. In the same way an engineer should know that ‘‘most elastic moduli lie between 1 and 103 GN m2; and are around 102 GN m2 for metals’’ — in any real design you need an accurate value, which you can get from suppliers’ spe- cifications; but an order of magnitude knowledge prevents you getting the units wrong, or making other silly, and possibly expensive, mistakes. To help you in this, we have added at the end of the book a list of the important definitions and formulae that you should know, or should be able to derive, and a summary of the orders of magnitude of materials properties.