Hư hỏng đàn hồi dẻo là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Định nghĩa hư hỏng đàn hồi dẻo

Hư hỏng đàn hồi dẻo (Elastic-Plastic Failure) là quá trình vật liệu bị phá hủy sau khi trải qua cả giai đoạn biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo dưới tác dụng của tải trọng cơ học. Trong giai đoạn đàn hồi, vật liệu có thể phục hồi hình dạng ban đầu khi bỏ tải; nhưng khi ứng suất vượt quá giới hạn chảy (yield stress), vật liệu bắt đầu biến dạng vĩnh viễn và tiến đến phá hủy nếu tiếp tục chịu tải.

Hư hỏng đàn hồi dẻo thường xảy ra trong các vật liệu có khả năng biến dạng dẻo tốt như kim loại, hợp kim, một số polyme và vật liệu composite tăng cường. Đây là dạng hư hỏng phổ biến trong công nghiệp vì hầu hết các cấu kiện cơ khí được thiết kế để hoạt động trong vùng đàn hồi nhưng vẫn có nguy cơ tiến vào vùng dẻo nếu quá tải hoặc biến dạng lặp.

Quá trình phá hủy thường diễn ra qua nhiều giai đoạn liên tiếp: biến dạng đàn hồi tuyến tính → chảy dẻo → làm cứng biến dạng → cổ chai vật liệu → đứt gãy. Sự xuất hiện biến dạng dẻo trước phá hủy cho phép dự đoán hư hỏng thông qua quan sát biến dạng bên ngoài. Điều này giúp các kỹ sư có thêm cơ sở trong bảo trì và giám sát an toàn kết cấu.

Cơ sở vật lý và cơ học của hư hỏng đàn hồi dẻo

Cơ chế chuyển tiếp từ đàn hồi sang dẻo liên quan đến sự trượt của các mặt tinh thể và chuyển động lệch mạng (dislocations) trong cấu trúc vật liệu. Khi ứng suất còn thấp, độ đàn hồi chi phối; khi ứng suất đạt tới giá trị chảy, các lệch mạng bắt đầu di chuyển mạnh và gây biến dạng dẻo không phục hồi.

Điều kiện chảy của vật liệu kim loại thường được đánh giá bằng các tiêu chuẩn bền: von Mises và Tresca. Đây là các mô hình phổ biến trong phân tích ứng suất ba trục để xác định khi nào vật liệu bước vào vùng dẻo:

• $\sqrt{\frac{1}{2}[(\sigma_1-\sigma_2)^2+(\sigma_2-\sigma_3)^2+(\sigma_3-\sigma_1)^2]} \ge \sigma_y$ (Tiêu chuẩn von Mises)
• $\max(|\sigma_1-\sigma_2|,|\sigma_2-\sigma_3|,|\sigma_3-\sigma_1|) \ge \sigma_y$ (Tiêu chuẩn Tresca)

Các mô hình trên đóng vai trò quan trọng trong phân tích phần tử hữu hạn (FEM) và thiết kế kết cấu. Xem thêm tại tài liệu chuyên ngành từ ScienceDirect: Elastic-Plastic Behavior.

Biểu đồ ứng suất – biến dạng và vùng làm việc

Biểu đồ ứng suất – biến dạng là phương pháp trực quan nhất để mô tả quá trình hư hỏng đàn hồi dẻo. Trục hoành biểu diễn biến dạng, trục tung biểu diễn ứng suất. Mỗi vật liệu có hình dạng biểu đồ khác nhau tùy cấu trúc vi mô, tốc độ tải và nhiệt độ làm việc.

Vật liệu dẻo như thép có vùng chảy rõ rệt, trong khi nhôm hoặc đồng thể hiện quá trình chảy trơn không có điểm chảy xác định. Các vùng đặc trưng trên biểu đồ bao gồm: đàn hồi tuyến tính → chảy → làm cứng biến dạng → phá hủy. Mỗi vùng quyết định khả năng chịu tải và giới hạn làm việc của vật liệu.

Bảng so sánh dưới đây tóm tắt vai trò từng vùng trong thiết kế cơ khí:

Vùng	Đặc điểm ứng xử	Ý nghĩa kỹ thuật
Đàn hồi	Ứng suất tỉ lệ với biến dạng	Thiết kế vận hành lâu dài
Chảy	Biến dạng vĩnh viễn bắt đầu xuất hiện	Giới hạn cần tránh
Làm cứng dẻo	Ứng suất tăng theo biến dạng	Tăng thêm khả năng chịu tải ngắn hạn
Phá hủy	Cổ chai → đứt gãy	Trạng thái hư hỏng nghiêm trọng

Nhận biết chính xác vùng làm việc của vật liệu là cơ sở để xác định giới hạn bền khi thiết kế kết cấu chịu tải trọng động hoặc tĩnh.

So sánh với các dạng hư hỏng khác

Hư hỏng đàn hồi dẻo khác biệt rõ rệt so với hư hỏng thuần đàn hồi và hư hỏng dòn. Vật liệu giòn như kính không có biến dạng dẻo trước khi vỡ, gây phá hủy đột ngột, trong khi vật liệu dẻo có thể cảnh báo trước bằng biến dạng rõ rệt. Đây là lý do thép được dùng phổ biến trong xây dựng vì đảm bảo an toàn khi có sự cố quá tải.

Sự khác biệt giữa các cơ chế hư hỏng được tóm lược trong bảng sau:

Loại hư hỏng	Biến dạng trước phá hủy	Mức độ cảnh báo	Ví dụ vật liệu
Thuần đàn hồi	Không đáng kể	Rất thấp	Gốm, kính
Đàn hồi dẻo	Lớn và dễ quan sát	Cao	Thép, đồng, nhôm
Giòn	Rất nhỏ	Thấp	Gang trắng, silicon carbide

Phân loại đúng cơ chế hư hỏng có ý nghĩa quyết định trong dự báo tuổi thọ vật liệu, lựa chọn hệ số an toàn và mô hình tính toán phù hợp.

Ứng suất dư và ảnh hưởng đến hư hỏng đàn hồi dẻo

Ứng suất dư (residual stress) là trạng thái ứng suất còn lại trong vật liệu sau các quá trình gia công như hàn, cán nóng, tạo hình nguội hoặc xử lý nhiệt. Đây là loại ứng suất xuất hiện mà không cần tải trọng ngoài tác động. Khi cấu kiện vận hành, ứng suất dư sẽ cộng tuyến tính với ứng suất làm việc, khiến vật liệu sớm đạt giới hạn chảy hơn dự kiến và dễ xảy ra biến dạng dẻo cục bộ.

Các vùng có ứng suất dư lớn thường là vị trí khởi phát hư hỏng, đặc biệt tại mối hàn, lỗ khoan hoặc góc chuyển tiếp giữa hai tiết diện. Do đó, việc đo đạc và kiểm soát ứng suất dư là yêu cầu quan trọng trong thiết kế và bảo trì. Các kỹ thuật kiểm soát như phun bi (shot peening) và xử lý nhiệt khử ứng suất (stress relieving) được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp.

• Ứng suất dư nén → tăng khả năng chống nứt
• Ứng suất dư kéo → tăng nguy cơ phá hủy đàn hồi dẻo

Phân tích an toàn trong thiết kế kết cấu

Trong thiết kế cơ khí và xây dựng, việc phòng ngừa hư hỏng đàn hồi dẻo được thực hiện thông qua giới hạn ứng suất cho phép dựa trên giới hạn chảy của vật liệu. Hệ số an toàn được sử dụng để đảm bảo ứng suất làm việc luôn thấp hơn ngưỡng chảy:

$\text{Hệ số an toàn} = \frac{\sigma_y}{\sigma_{\text{làm việc}}}$

Các bộ tiêu chuẩn kỹ thuật như ASME BPVC (nồi hơi – bình áp lực), AISC (kết cấu thép), và EN 1993 quy định chi tiết ứng suất giới hạn trong thiết kế để hạn chế biến dạng dẻo vượt mức. Thông thường cấu kiện chỉ được phép làm việc trong vùng đàn hồi để đảm bảo tuổi thọ mỏi và khả năng chịu tải dài hạn.

Tiêu chuẩn	Giới hạn ứng suất cho phép	Ứng dụng
ASME BPVC	≤ 2/3 σy	Bình áp lực
AISC 360	≤ 0.6 σy	Kết cấu thép
EN 1993 (Eurocode 3)	Phụ thuộc tải trọng tiêu chuẩn	Công trình dân dụng

Tham khảo thêm tại ASME BPVC.

Ảnh hưởng của tốc độ tải và nhiệt độ

Khả năng biến dạng dẻo và cơ chế hư hỏng thay đổi đáng kể theo điều kiện môi trường. Ở nhiệt độ thấp, chuyển động lệch mạng bị hạn chế, khiến vật liệu trở nên giòn hơn, dễ đứt gãy mà không có biến dạng cảnh báo. Trong khi đó, ở nhiệt độ cao, vật liệu trở nên mềm và biến dạng dẻo nhiều hơn, dẫn đến chảy dẻo sớm và giảm khả năng chịu tải.

Ảnh hưởng của tốc độ tải cũng rất quan trọng. Tải trọng nhanh gây biến dạng thấp nhưng ứng suất cao, tăng nguy cơ nứt dòn. Tải trọng chậm tạo điều kiện cho lệch mạng dịch chuyển, cho phép vật liệu hấp thụ nhiều năng lượng biến dạng hơn trước khi phá hủy. Đây là cơ sở trong thiết kế ứng phó với tải trọng động như động đất, va chạm hoặc nổ.

• Tốc độ tải cao → Phá hủy giòn
• Nhiệt độ cao → Chảy dẻo mạnh, giảm giới hạn bền
• Môi trường ăn mòn → Phá hủy do ứng suất kết hợp nứt ăn mòn

Ứng dụng trong phân tích và mô phỏng số

Các công cụ mô phỏng số như Abaqus, ANSYS, MSC Marc sử dụng mô hình đàn hồi–dẻo (elastic-plastic model) để dự đoán ứng xử vật liệu dưới tải phức tạp. Đối với các cấu kiện làm việc gần vùng chảy, mô phỏng FEM giúp xác định vùng dẻo, nguy cơ cổ chai, và điểm phá hủy tiềm ẩn mà các phương pháp tính truyền thống khó đánh giá.

Các mô hình phá hủy tiên tiến như damage plasticity, mô hình Gurson–Tvergaard–Needleman hoặc mô hình creep–plasticity được sử dụng trong ngành năng lượng và hàng không để mô phỏng hư hỏng trong điều kiện nhiệt cao, tải trọng thay đổi theo thời gian và va chạm tốc độ cao.

Phân tích số giúp tối ưu hóa hình dạng cấu kiện, lựa chọn vật liệu hợp lý và giảm thử nghiệm thực tế, từ đó tiết kiệm đáng kể chi phí và thời gian trong quá trình thiết kế.

Kết luận

Hư hỏng đàn hồi dẻo là dạng phá hủy quan trọng, thể hiện quá trình vật liệu chịu biến dạng đàn hồi và dẻo trước khi đứt gãy. Nó cung cấp khả năng cảnh báo sớm thông qua biến dạng vĩnh viễn, hỗ trợ nâng cao an toàn vận hành trong kỹ thuật cơ khí và xây dựng. Nắm vững cơ chế, yếu tố ảnh hưởng và phương pháp đánh giá giúp thiết kế tối ưu và kéo dài tuổi thọ công trình.

Việc kết hợp tiêu chuẩn thiết kế, đo ứng suất dư, phân tích FEM, cùng đánh giá theo điều kiện môi trường là chìa khóa kiểm soát hư hỏng đàn hồi dẻo trong thực tế công nghiệp.

Tài liệu tham khảo

1. ScienceDirect. Elastic-Plastic Behavior. Link
2. ASM International. Handbook of Mechanical Behavior of Materials. Link
3. ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC). Link
4. NPTEL. Mechanical Behavior of Materials. Link
5. ANSYS Learning Hub. Plasticity and Nonlinear Analysis. Link