Biến dạng dẻo là gì? Nghiên cứu khoa học về biến dạng dẻo

Biến dạng dẻo là quá trình biến đổi hình dạng vật liệu vĩnh viễn khi ứng suất tác dụng vượt quá giới hạn đàn hồi, gây trượt lớp tinh thể và chuyển vị mạng. Cơ chế biến dạng dẻo xảy ra qua di chuyển dislocation dọc mặt phẳng trượt, tạo vết trượt và tích tụ khuyết tật mạng tinh thể, làm tăng ứng suất chảy.

Tóm tắt

Biến dạng dẻo (plastic deformation) là quá trình biến đổi vĩnh viễn hình dạng vật liệu khi ứng suất tác dụng vượt quá giới hạn đàn hồi, gây chuyển vị bất hồi phục của khuyết tật mạng tinh thể. Quá trình này đóng vai trò then chốt trong thiết kế cơ khí, gia công kim loại và phân tích độ bền vật liệu.

Bài báo phân tích định nghĩa biến dạng dẻo, cơ sở vật lý qua cơ chế dislocation, đường cong ứng suất–biến dạng với các giai đoạn đàn hồi, khởi đầu chảy và làm cứng công. Các công thức Hollomon và hệ số làm cứng n được trình bày chi tiết cùng bảng minh họa thông số.

Phần tiếp theo (phần hai) sẽ đề cập đến tiêu chí chảy von Mises và Tresca, mô hình constitutive như Johnson–Cook, ảnh hưởng vi cấu trúc và nhiệt độ, cũng như ứng dụng trong gia công và kỹ thuật đo lường biến dạng dẻo.

Định nghĩa biến dạng dẻo

Biến dạng dẻo là sự thay đổi hình dạng không hồi phục của vật liệu dưới tác dụng ứng suất vượt ngưỡng đàn hồi σy. Khi ứng suất σ ≥ σy, phần mạng tinh thể chịu lực bắt đầu tái sắp xếp, dẫn đến biến dạng vĩnh viễn ngay cả khi tải được loại bỏ.

Trong kim loại, biến dạng dẻo chủ yếu xảy ra qua cơ chế chuyển vị (dislocation). Dislocation di chuyển dọc các mặt phẳng trượt (slip planes) tạo nên các vùng trượt (slip bands) phân bố khắp thể tích. Sự tích luỹ dislocation làm tăng năng lượng nội tại và ảnh hưởng đến độ bền chịu kéo, độ dẻo và độ dai.

Sự khác biệt giữa biến dạng đàn hồi và dẻo:

  • Đàn hồi: Biến dạng tạm thời, tỷ lệ thuận với ứng suất theo định luật Hooke.
  • Dẻo: Biến dạng vĩnh viễn, phụ thuộc vào cấu trúc vi tinh, nhiệt độ và tốc độ biến dạng.
  • Giới hạn chảy: Mốc phân tách hai vùng, xác định bằng thử nghiệm kéo theo tiêu chuẩn ASTM E8.

Cơ sở vật lý của biến dạng dẻo

Cơ chế dislocation chi phối biến dạng dẻo: dislocation lưỡng giác edge hoặc screw khi chịu ứng suất cắt τ vượt khỏi ứng suất khởi động τ0 sẽ xuyên qua mạng tinh thể, di chuyển và tạo vết trượt. Quá trình này tiêu thụ năng lượng và làm biến dạng cấu trúc tinh thể.

Công thức mô tả ứng suất cắt cần thiết để di chuyển dislocation:

τ=τ0+αGbρd\tau = \tau_0 + \alpha\,G\,b\,\sqrt{\rho_d}

Trong đó:

  • τ0: Ứng suất khởi động.
  • G: Mô đun cắt của vật liệu.
  • b: Độ dài vectơ Burgers.
  • ρd: Mật độ dislocation.
  • α: Hằng số tương tác (~0.2–0.5).

Sự gia tăng mật độ dislocation ρd với biến dạng ε dẫn đến hiện tượng làm cứng công (work hardening), biểu hiện qua việc ứng suất chảy tăng dần để duy trì quá trình biến dạng dẻo.

Đường cong ứng suất–biến dạng

Đường cong ứng suất σ và biến dạng ε chia làm hai giai đoạn:

  • Vùng đàn hồi: σ = E·ε, với E là mô đun Young, cho đến σ = σy.
  • Vùng dẻo: σ tăng không tuyến tính theo biến dạng, mô tả bởi công thức Hollomon.

Công thức Hollomon:

σ=Kεn\sigma = K\,\varepsilon^n

Trong đó K là hệ số độ bền và n là chỉ số làm cứng đặc trưng cho khả năng làm cứng khi biến dạng tăng.

Giai đoạn Khoảng biến dạng ε Mô tả
Đàn hồi 0 ≤ ε ≤ εy Biến dạng hoàn toàn hồi phục
Khởi đầu chảy ε ≈ εy Giới hạn chảy σy xác định
Dẻo công ε > εy Ứng suất tăng theo σ = K·εn
Necking ε lớn Ứng suất giảm do thắt cổ

Đường cong chi tiết và giá trị điển hình của các vật liệu thép, nhôm, đồng có thể tham khảo tại ASM International hoặc các tài liệu chuẩn hóa ASTM E8.

Tiêu chí chảy: von Mises và Tresca

Tiêu chí von Mises (hoặc tiêu chí năng lượng biến dạng sai lệch) xác định chảy dẻo khi năng lượng biến dạng sai lệch trong vật liệu đạt giá trị tới hạn. Công thức tính ứng suất von Mises |σv|:

σv=12[(σ1σ2)2+(σ2σ3)2+(σ3σ1)2]\sigma_v = \sqrt{\tfrac{1}{2}\bigl[(\sigma_1 - \sigma_2)^2 + (\sigma_2 - \sigma_3)^2 + (\sigma_3 - \sigma_1)^2\bigr]}

Tiêu chí Tresca (hoặc tiêu chí ứng suất cực đại) cho rằng chảy dẻo xảy ra khi chênh lệch giữa ứng suất chính lớn nhất và bé nhất vượt quá giới hạn chảy:

σt=max(σ1σ2,σ2σ3,σ3σ1)\sigma_t = \max\bigl(|\sigma_1 - \sigma_2|,\,|\sigma_2 - \sigma_3|,\,|\sigma_3 - \sigma_1|\bigr)
  • von Mises tương ứng với trường hợp ổn định về lý thuyết và áp dụng rộng rãi trong FEM.
  • Tresca dễ áp dụng và thường bảo thủ hơn von Mises do đánh giá ngưỡng chảy thấp hơn ~15%.

Các tiêu chí này được so sánh và hiệu chuẩn trong phần mềm FE, tài liệu tham khảo: ScienceDirect – von Mises Criterion, The Engineering Toolbox – Tresca Criterion.

Ứng xử phi tuyến và làm cứng công

Quá trình làm cứng công (work hardening) là sự gia tăng ứng suất chảy khi biến dạng dẻo tiếp diễn. Mô hình Hollomon, Ludwik và Voce biểu diễn quan hệ ứng suất–biến dạng phi tuyến:

  • Hollomon: σ=Kεn\sigma = K\,\varepsilon^n
  • Ludwik: σ=σ0+Kεn\sigma = \sigma_0 + K\,\varepsilon^n
  • Voce: σ=σs(σsσ0)ebε\sigma = \sigma_s - (\sigma_s - \sigma_0)\,e^{-b\,\varepsilon}

Trong đó K, n, σ0, σs, b là hằng số vật liệu xác định bằng thí nghiệm. Chỉ số làm cứng n phản ánh độ mạnh của làm cứng công; giá trị n cao cho thấy tăng cứng đáng kể khi biến dạng tăng.

Bảng minh họa hệ số làm cứng điển hình của một số kim loại:

Vật liệuK (MPa)n
Thép kết cấu8000.15
Nhôm 60613000.33
Đồng2000.50

Mô hình constitutive cho biến dạng dẻo

Mô hình constitutive mô tả phản ứng ứng suất–biến dạng tổng quát, bao gồm phụ thuộc tốc độ biến dạng và nhiệt độ. Mô hình Johnson–Cook là một trong những mô hình được dùng rộng rãi:

σ=(A+Bεn)[1+Cln(ε˙)][1(T)m]\sigma = \bigl(A + B\,\varepsilon^n\bigr)\Bigl[1 + C\ln(\dot{\varepsilon}^*)\Bigr]\Bigl[1 - (T^*)^m\Bigr]

Trong đó A, B, C, n, m là hằng số, ε˙=ε˙/ε˙0\dot{\varepsilon}^* = \dot{\varepsilon}/\dot{\varepsilon}_0 là tốc độ biến dạng chuẩn hóa và T=(TTroom)/(TmeltTroom)T^* = (T - T_\text{room})/(T_\text{melt} - T_\text{room}). Mô hình này phù hợp cho gia công tốc độ cao và mô phỏng va đập.

Các mô hình khác như BK-HP và Steinberg–Guinan cũng tích hợp các hiệu ứng áp suất lớn và nhiệt độ cao. Tham khảo: ScienceDirect – Johnson–Cook Model.

Ảnh hưởng vi cấu trúc và nhiệt độ

Kích thước hạt, tỷ lệ pha và cấu trúc kết tủa (precipitation) trong kim loại quyết định giới hạn chảy và khả năng làm cứng. Quan hệ Hall–Petch mô tả sự gia tăng độ bền khi kích thước hạt d giảm:

σy=σ0+kd1/2\sigma_y = \sigma_0 + k\,d^{-1/2}

Nhiệt độ cao kích hoạt quá trình tái kết tinh (recrystallization) và phục hồi (recovery), làm giảm mật độ dislocation và làm mềm vật liệu. Quá trình này phụ thuộc vào nhiệt độ tái kết tinh Tr và thời gian duy trì.

Đồ thị điển hình của biến dạng dẻo theo nhiệt độ và tốc độ biến dạng có thể xem tại OSTI – Recrystallization Effects.

Ứng dụng trong gia công kim loại

Trong gia công kim loại, biến dạng dẻo là cơ sở của các phương pháp như dập, uốn, gia công nguội và nóng. Kiểm soát nhiệt độ và tốc độ biến dạng giúp tránh khuyết tật nứt gãy và đạt hình dạng mong muốn.

  • Dập nguội: sử dụng biến dạng dẻo để tạo hình ô tô, điện tử; ưu điểm độ chính xác cao, bề mặt tốt.
  • Gia công nóng: biến dạng ở nhiệt độ trên tái kết tinh, giảm lực cắt và tuổi thọ dụng cụ.
  • Kéo sợi và cán: ứng dụng trong sản xuất dây điện và tấm kim loại với khả năng làm cứng công.

Tài liệu mở rộng: eFunda – Metal Forming Processes.

Kỹ thuật kiểm tra và đo lường biến dạng dẻo

Thí nghiệm kéo (ASTM E8) và nén cung cấp đường cong ứng suất–biến dạng tiêu chuẩn. Nanoindentation cho phép xác định module đàn hồi và độ cứng tại vi phạm bề mặt.

  1. Digital Image Correlation (DIC): đo biến dạng trường bề mặt với độ phân giải cao.
  2. Electron Backscatter Diffraction (EBSD): khảo sát biến dạng vi cấu trúc và phân bố dislocation sau biến dạng.
  3. X-ray Diffraction (XRD): phân tích ứng suất dư và biến dạng mạng tinh thể.

Các phương pháp này kết hợp cho phép đánh giá toàn diện hiệu ứng biến dạng dẻo và tối ưu hóa vật liệu cho ứng dụng công nghiệp.

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề biến dạng dẻo:

Sự biến dạng dẻo của kim loại Dịch bởi AI
The Royal Society - Tập 230 Số 681-693 - Trang 323-362 - 1931
Độ dẻo của kim loại đã là chủ đề của nhiều bài báo gần đây, nhưng do tính phức tạp của vấn đề, có rất ít sự đồng thuận giữa các nghiên cứu khác nhau. Những nỗ lực để rút ra các tổng quát đơn giản từ các hiện tượng rất phức tạp chủ yếu đã được thực hiện theo hai hướng (1) Các kỹ sư đã sử dụng các mẫu thử với hình dạng đặc biệt đơn giản, chẳng hạn như các thanh tròn đồng nhất, mà họ đã bị uố...... hiện toàn bộ
Nghiên cứu cơ chế hình thành martensite do biến dạng trong thép không gỉ austenit dưới biến dạng dẻo nghiêm trọng Dịch bởi AI
Journal of Materials Research - - 2007
Cơ chế hình thành martensite do biến dạng đã được nghiên cứu thông qua nhiễu xạ tia X và kính hiển vi điện tử truyền qua trong một loại thép không gỉ austenit chứa carbon siêu thấp đã trải qua quá trình ép kênh góc bằng nhau ở nhiệt độ phòng. Kết quả cho thấy có hai loại cơ chế chuyển đổi martensite, do căng thẳng hỗ trợ và do biến dạng, xảy ra thông qua các chuỗi γ... hiện toàn bộ
Tác động của biến dạng dẻo lên cấu trúc và tính chất cơ học của thép chứa carbon siêu thấp không có interstitial trong vật liệu đơn khối và dưới dạng thành phần của vật liệu composite sandwich Dịch bởi AI
Physics of Metals and Metallography - Tập 117 - Trang 1070-1077 - 2016
Cấu trúc và các tính chất cơ học của thép chứa carbon siêu thấp không có interstitial (IF) ở trạng thái ủ, sau khi cán nguội và ấm, và dưới dạng một thành phần của composite thép-nhôm bảy lớp đã được nghiên cứu. Phân tích so sánh các kết quả nghiên cứu cấu trúc bằng kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét và truyền tải đã chỉ ra khả năng hình thành cấu trúc hạt siêu mịn trong lớp thép ...... hiện toàn bộ
#thép chứa carbon siêu thấp #tính chất cơ học #cấu trúc #biến dạng dẻo #composite sandwich
Về tuổi và đặc điểm biến dạng các đới trượt cắt - biến dạng dẻo Sông Hồng và Sông Mã
Vietnam Journal of Earth Sciences - Tập 22 Số 1 - 2000
Age and characteristics of ductile deformation ofRed River and Song Ma shear zones
Giải pháp ngăn chặn bỏ khung dựa trên chế độ mã hóa cho mã hóa video với tỷ lệ bit thấp Dịch bởi AI
Journal of Real-Time Image Processing - Tập 9 - Trang 609-619 - 2011
Các khung bỏ thường được áp dụng trong quy trình kiểm soát tỷ lệ của mã hóa video có tỷ lệ bit thấp. Để giảm xác suất bỏ khung, một giải pháp ngăn chặn bỏ khung dựa trên phân tích các chế độ mã hóa đã được đề xuất. Một chỉ số được gọi là yếu tố ảnh hưởng chế độ bình thường hóa (NMAF) được đề xuất nhằm phân tích ảnh hưởng của từng chế độ mã hóa đối với chất lượng và tỷ lệ bit của video. Dựa trên NM...... hiện toàn bộ
#bỏ khung #mã hóa video #tỷ lệ bit thấp #NMAF #kiểm soát tỷ lệ #hiệu suất biến dạng tỷ lệ
Nghiên cứu tán xạ X-quang về biến dạng kéo trong hợp kim Ag-30 at. % Cd polycrystalline Dịch bởi AI
Journal of Materials Science - Tập 7 - Trang 105-114 - 1972
Kỹ thuật tán xạ X-quang đã được sử dụng để nghiên cứu biến dạng dẻo trong hợp kim Ag-30 at.% Cd polycrystalline dưới tải trọng kéo. Các vị trí và hình dạng của tất cả các phản xạ (hkl) đã được ghi lại bằng một cấu hình định hướng para từ 0 đến 0.265 biến dạng thật tối đa. Các hiệu ứng lên sự dịch chuyển đỉnh do khuyết tật xếp chồng và bởi các biến dạng vĩ mô tạo thành một mặt phẳng đã được phân bi...... hiện toàn bộ
#tán xạ X-quang #biến dạng dẻo #hợp kim Ag-30 at. % Cd #khuyết tật xếp chồng #kích thước hạt hiệu dụng
Biến đổi cấu trúc do biến dạng dẫn đến tính dẻo nén của các hợp kim thủy tinh Zr65Al7.5Ni10Cu12.5M5 (M = Nb, Pd) Dịch bởi AI
Journal of Materials Research - Tập 25 - Trang 1149-1158 - 2010
Thủy tinh Zr65Al7.5Ni10Cu12.5Nb5 đã được phát hiện có khả năng biến dạng nén dẻo lớn trên 10%, và thuộc tính này được cho là do sự tinh thể hóa nano do biến dạng gây ra. Tuy nhiên, quan sát bằng kính hiển vi điện tử truyền qua chỉ cho thấy các cụm có trật tự mờ nhạt với kích thước khoảng ˜2 nm trên bề mặt gãy của mẫu đã biến dạng, thay vì các tinh thể được xác định rõ như đã được báo cáo trước đó ...... hiện toàn bộ
Tính Chất Cơ Học Tăng Cường Của Thép Không Gỉ Austenite Cao Nitơ Mới Qua Hiệu Ứng TWIP/TRIP Dịch bởi AI
Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science - Tập 40 - Trang 1826-1834 - 2009
Tính chất cơ học phụ thuộc vào nhiệt độ và tỷ lệ ứng suất của thép không gỉ austenite cao nitơ, chứa một lượng nhỏ niken hơn so với các thép không gỉ austenite nickelin-chromium thông thường, đã được nghiên cứu với sự chú ý đặc biệt đến sự hình thành martensite hoặc twin cơ học trong quá trình biến dạng dẻo (hiệu ứng TWIP/TRIP). Sau khi điều trị tái kết tinh ở 1050 °C trong 0,5 giờ, một cấu trúc v...... hiện toàn bộ
#Thép không gỉ #austenite #nitơ cao #TWIP/TRIP #martensite #biến dạng dẻo
Khả năng gia công nóng của ba loại thép dụng cụ Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 15 - Trang 1855-1864 - 1984
Ba loại thép dụng cụ, bao gồm một loại chịu lực lạnh, một loại dùng cho khuôn nóng, và một loại thép tốc độ cao, đã được biến dạng bằng phương pháp xoắn ở nhiệt độ trong khoảng 900 đến 1100 °C với tốc độ biến dạng từ 0.1 đến 5 s•1. Trong một loạt các thí nghiệm biến dạng liên tục, ứng suất chảy và độ dẻo đã được xác định. Số mũ của ứng suất chảy tỷ lệ thuận với tốc độ biến dạng và nhiệt độ trong q...... hiện toàn bộ
#thép dụng cụ #gia công nóng #biến dạng #ứng suất chảy #độ dẻo
Tổng số: 97   
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 10