Gãy giòn là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu và định nghĩa

Gãy giòn là hiện tượng thất bại đột ngột của vật liệu khi chịu ứng suất vượt quá giới hạn chịu kéo hoặc nén, mà không xuất hiện biến dạng dẻo đáng kể. Vật liệu gãy giòn thường hấp thụ rất ít năng lượng trước khi phá hủy, dẫn đến bề mặt gãy phẳng và sắc cạnh. Hiện tượng này phổ biến ở gốm, thủy tinh, bê tông và một số hợp kim thép cứng.

Đặc điểm quan trọng của gãy giòn là tốc độ lan truyền vết nứt cao, gần bằng tốc độ âm thanh trong vật liệu. Vết nứt khởi phát từ các khuyết tật vi mô như lỗ rỗng, tạp chất hoặc các vết xước bề mặt. Khi ứng suất tập trung tại đầu vết nứt đạt đến ngưỡng tới hạn, liên kết nguyên tử bị đứt gãy theo mặt phẳng tinh thể, gây ra sự thất bại bất ngờ.

Hằng số mô tả khả năng chịu gãy của vật liệu là độ dai gãy (fracture toughness) ký hiệu $K_{IC}$, được xác định qua thử nghiệm nứt mẫu chuẩn. Giá trị $K_{IC}$ càng cao, vật liệu càng khó gãy giòn. Thông số quan trọng khác bao gồm độ cứng, mô đun đàn hồi và nhiệt độ biến dạng chuyển tiếp.

Phân loại gãy giòn

Gãy giòn có thể phân thành nhiều dạng dựa trên điều kiện tải và cơ chế gây gãy:

• Gãy giòn tĩnh: Xảy ra dưới tải trọng tĩnh hoặc thay đổi chậm, phổ biến khi vật liệu chịu ứng suất dài hạn.
• Gãy giòn mỏi: Gặp ở các chi tiết chịu tải lặp đi lặp lại, vết nứt khởi phát nhỏ lan dần qua nhiều chu kỳ tải.
• Gãy giòn va đập: Phát sinh khi vật liệu chịu tác động lực lớn với tốc độ cao, ví dụ va chạm hoặc đập mạnh.
• Gãy giòn do ăn mòn: Kết hợp giữa áp suất và quá trình ăn mòn hóa học, thường gặp ở môi trường biển hoặc hóa chất ăn mòn.

Mỗi loại gãy yêu cầu phương pháp kiểm tra và phòng ngừa khác nhau. Ví dụ, gãy mỏi đòi hỏi kiểm tra chu kỳ ứng suất, trong khi gãy do ăn mòn cần giám sát điều kiện môi trường và bảo vệ bề mặt.

Cơ chế vi mô của gãy giòn

Ở quy mô vi mô, gãy giòn khởi nguồn từ khuyết tật như lỗ rỗng, tạp chất hoặc vết xước trên bề mặt. Dưới tác dụng ứng suất, năng lượng tập trung tại đầu vết nứt, làm liên kết nguyên tử xung quanh bị đứt. Quá trình lan truyền vết nứt diễn ra gần như tức thời, khiến vật liệu không kịp biến dạng dẻo để hấp thụ năng lượng.

Cơ chế chính của gãy giòn bao gồm:

1. Khởi phát vết nứt tại khuyết tật vi mô.
2. Lan truyền vết nứt qua liên kết nguyên tử yếu, dọc mặt phẳng tinh thể hoặc đường ranh giới hạt.
3. Sự mở rộng nhanh chóng của vết nứt cho đến khi vật liệu tách rời hoàn toàn.

Yếu tố ảnh hưởng đến cơ chế vi mô bao gồm kích thước và mật độ khuyết tật, cấu trúc tinh thể, và sự tồn tại của pha khuyết tật như lỗ rỗng hoặc tạp chất.

Mô hình lý thuyết cơ bản

Mô hình Griffith là nền tảng lý thuyết giải thích gãy giòn trong vật liệu giòn. Công thức Griffith cho điều kiện gãy là khi năng lượng giải phóng vì lan truyền vết nứt đủ bù cho năng lượng cần thiết để tạo mặt gãy mới:

$G = \frac{K_I^2}{E'} \geq 2 \gamma$

Trong đó:

• $K_I$: hệ số cường độ ứng suất chế độ I
• $E'$: mô đun đàn hồi hiệu dụng (vật liệu đàn hồi phẳng hoặc khối)
• $\gamma$: năng lượng bề mặt cần thiết để tạo mặt gãy mới

Bằng cách so sánh $\frac{K_I^2}{E'}$ với $2\gamma$, ta có thể dự báo ngưỡng ứng suất tới hạn $K_{IC}$. Mô hình này được mở rộng trong cơ chế LEFM (Linear Elastic Fracture Mechanics) và áp dụng rộng rãi trong tính toán kết cấu để đảm bảo an toàn.

Thông số	Ý nghĩa	Đơn vị
$K_I$	Cường độ ứng suất tại đầu vết nứt	MPa·m1/2
$E'$	Mô đun đàn hồi hiệu dụng	GPa
$\gamma$	Năng lượng bề mặt	J/m2

Đặc tính vật liệu ảnh hưởng

Các khuyết tật vi mô như lỗ rỗng, tạp chất hoặc vết xước đóng vai trò quan trọng trong việc khởi phát gãy giòn. Sự tập trung ứng suất tại đầu vết nứt phụ thuộc trực tiếp vào bán kính đầu vết nứt và độ sắc của khuyết tật. Vật liệu chứa nhiều khuyết tật có kích thước lớn hơn hoặc mật độ cao hơn sẽ dễ gãy hơn do năng lượng cần thiết để mở rộng vết nứt giảm.

Độ cứng (Hardness) và mô đun đàn hồi (Elastic modulus) của vật liệu xác định khả năng chịu biến dạng trước khi gãy. Vật liệu có mô đun đàn hồi cao thường giòn hơn do ít biến dạng dẻo, trong khi độ cứng cao khiến hệ số tập trung ứng suất tăng. Tỉ số giữa mô đun đàn hồi và giới hạn chảy cũng là chỉ số đánh giá độ giòn của hợp kim kim loại.

Nhiệt độ và tốc độ biến dạng ảnh hưởng mạnh đến cơ chế gãy. Ở nhiệt độ thấp, nhiều vật liệu kim loại chuyển sang trạng thái giòn do độ di động của các điện tích ranh giới hạt giảm. Tốc độ tải cao làm giảm thời gian vật liệu kịp phản ứng biến dạng dẻo, do đó dễ gãy giòn hơn. Thông tin chi tiết tại ASTM International.

Phương pháp thử nghiệm và đo đạc

Thử va đập Charpy và Izod là hai phương pháp phổ biến để đánh giá độ bền va đập của vật liệu giòn. Mẫu thử có vết khía chuẩn được đặt ngang hoặc dọc so với hướng tải, sau đó đo năng lượng hấp thụ khi búa va vào. Kết quả được biểu diễn bằng giá trị năng lượng va đập (Joules) phản ánh khả năng chống gãy giòn dưới tác động đột ngột.

Phép kéo mẫu có vết nứt chuẩn theo tiêu chuẩn ASTM E399 dùng để xác định độ dai gãy chế độ I (fracture toughness $K_{IC}$). Mẫu dạng compact tension (CT) được kéo dưới điều kiện kiểm soát, ghi nhận mối quan hệ giữa tải trọng và biến dạng. Giá trị $K_{IC}$ tính từ đồ thị P–δ theo công thức LEFM.

Kỹ thuật hiển vi điện tử quét (SEM) và phối hợp với phân tích phổ năng lượng tia X (EDS) dùng để quan sát bề mặt gãy và xác định thành phần pha. Hình ảnh SEM cho thấy đường vết nứt, các hạt gồ ghề và vết mỏi vi mô, giúp hiểu rõ cơ chế gãy và đánh giá hiệu quả xử lý nhiệt hoặc gia công bề mặt.

Ảnh hưởng của môi trường

Ứng suất do ăn mòn (Stress Corrosion Cracking – SCC) là hiện tượng kết hợp giữa tác động cơ học và hóa học trong môi trường ăn mòn. Vết nứt phát sinh dưới tải trọng thấp nhưng lan truyền nhanh do phản ứng hóa học làm suy giảm độ bền liên kết nguyên tử. SCC thường gặp ở thép không gỉ trong môi trường chloride và hợp kim nhôm trong điều kiện kiềm.

Sự thấm ẩm và oxy hóa ở nhiệt độ cao gây thay đổi tính chất bề mặt, làm giảm độ dai và tăng độ giòn. Ví dụ, thép chịu nhiệt trong tuabin hơi và động cơ phản lực phải chịu môi trường nhiệt độ trên 600 °C, nơi mà quá trình oxy hóa và ăn mòn sinh ra lớp oxit dễ nứt gãy, tạo vị trí khởi phát vết nứt.

• Điều kiện môi trường: pH, ion chloride, oxygen.
• Nhiệt độ và độ ẩm tương đối.
• Thời gian tiếp xúc và tải trọng lâu dài.

Mô phỏng và mô hình số

Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis – FEA) kết hợp với Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) cho phép mô phỏng trường ứng suất quanh đầu vết nứt. Tính toán định lượng hệ số cường độ ứng suất $K_I$ và hệ số mở rộng vết nứt cho các điều kiện tải phức tạp. Công cụ như ANSYS, ABAQUS cung cấp module fracture chuyên dụng.

Phương pháp Extended Finite Element Method (XFEM) mở rộng khả năng mô phỏng lan truyền vết nứt không cần làm lưới lại. XFEM sử dụng hàm trùng hợp (enrichment functions) tại vùng gần vết nứt để mô tả độ giật gãy. Ví dụ ứng dụng và hướng dẫn tại ScienceDirect XFEM.

Monte Carlo fracture models và phương pháp Peridynamics cũng đang được nghiên cứu để xử lý vấn đề gãy phức tạp trong vật liệu đa pha và độ tập trung ứng suất cao. Các kỹ thuật này mô phỏng vi mô cấu trúc vật liệu và cơ chế lớp vỏ xung quanh khuyết tật.

Biện pháp phòng ngừa và ứng dụng thực tế

Kiểm soát chất lượng bề mặt và khuyết tật nội tại vật liệu là bước đầu tiên trong phòng ngừa gãy giòn. Công nghệ siêu âm, chụp X-quang và kiểm tra từ tính (Magnetic Particle Inspection) phát hiện vết nứt và lỗ rỗng trước khi đưa chi tiết vào sử dụng.

Lựa chọn vật liệu có độ dai gãy cao hoặc xử lý nhiệt để tạo cấu trúc vi hạt mịn. Ví dụ, thép maraging và hợp kim titan sau xử lý nhiệt đạt độ dai gãy $K_{IC}$ cao mà vẫn giữ độ bền cơ học. Phủ chống ăn mòn hoặc lớp composite bảo vệ giúp giảm thiểu nguy cơ SCC.

Thiết kế kết cấu cần giảm tập trung ứng suất tại các góc nhọn và lỗ khoan, áp dụng bo tròn góc, tăng bán kính đầu vết nứt giả, hoặc bố trí lỗ chống tâm ứng suất. Định kỳ kiểm tra và bảo dưỡng, thay thế chi tiết theo chu kỳ dựa trên phân tích tuổi thọ mỏi (Fatigue Life).

Tài liệu tham khảo

1. A. A. Griffith, “The Phenomena of Rupture and Flow in Solids,” Philosophical Transactions of the Royal Society A, vol. 221, pp. 163–198, 1921.
2. B. Lawn, Fracture of Brittle Solids, Cambridge University Press, 1993.
3. P. Anderson, Fracture Mechanics: Fundamentals and Applications, CRC Press, 2017.
4. ASTM International, “Standard Test Methods for Determination of Fracture Toughness,” ASTM E399-20, 2020.
5. ScienceDirect, “Extended Finite Element Method,” https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/extended-finite-element-method.
6. NIST, “Measurement Science: Fracture Toughness,” https://www.nist.gov/programs-projects/fracture-toughness-measurement, 2021.
7. ASM International, “Fracture and Fatigue Data,” https://www.asminternational.org/home, 2016.