Thuộc tính cơ học là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu và định nghĩa

Thuộc tính cơ học là tập hợp các đặc trưng định lượng mô tả cách vật liệu hoặc chi tiết kết cấu phản ứng dưới tác dụng của lực, biến dạng và thời gian chịu tải. Những đặc trưng này phản ánh khả năng chịu lực, biến dạng đàn hồi hay dẻo, tuổi thọ mỏi, độ cứng, độ dai và ảnh hưởng của điều kiện môi trường lên hiệu năng cơ học. Việc xác định đầy đủ các thuộc tính cơ học giúp kỹ sư và nhà khoa học lựa chọn vật liệu phù hợp cho ứng dụng cụ thể.

Các thuộc tính cơ học được phân thành nhóm chính: đàn hồi, dẻo, độ cứng, độ dai, mỏi, creep, va đập và khả năng chịu mòn/ăn mòn. Mỗi nhóm sẽ có phương pháp thử nghiệm, tiêu chuẩn quốc tế (ISO, ASTM, DIN…) để đo lường và so sánh kết quả. Quá trình thử nghiệm cần tuân thủ quy trình chuẩn về kích thước mẫu, tốc độ tải và điều kiện môi trường.

Ứng dụng của thuộc tính cơ học trải dài từ thiết kế kết cấu nhà cao tầng, cầu đường, thân vỏ máy bay, động cơ ôtô đến vi mạch điện tử, thiết bị y tế và vật liệu nano. Đánh giá đúng và đầy đủ các thuộc tính cơ học đảm bảo độ an toàn, hiệu suất và tuổi thọ của sản phẩm, giảm thiểu rủi ro công trình và tai nạn lao động.

Thuộc tính đàn hồi

Đặc trưng bởi mô đun đàn hồi Young’s modulus (E), tỷ lệ giữa ứng suất σ và biến dạng ε trong vùng đàn hồi tuyến tính, mô tả khả năng phục hồi hình dạng ban đầu sau khi lực tác dụng được tháo bỏ. Vùng đàn hồi thường chiếm đến 0,2–0,5% biến dạng trước khi vật liệu bước vào vùng dẻo.

Bên cạnh Young’s modulus, hai hệ số quan trọng khác là mô đun cắt (G) và mô đun thể tích (K), cùng hệ số Poisson (ν) thể hiện sự biến đổi chiều ngang khi chịu ứng suất dọc. Các giá trị này liên hệ với nhau qua công thức:

$E = 2G(1+\nu),\quad K = \frac{E}{3(1-2\nu)}$

• Mô đun cắt (G): mô tả biến dạng cắt.
• Mô đun thể tích (K): mô tả biến dạng thể tích.
• Hệ số Poisson (ν): tỷ số biến dạng ngang/biến dạng dọc.

Giá trị E thường được đo bằng thử kéo mẫu theo tiêu chuẩn ISO 6892-1 hoặc ASTM E8/E8M. Vật liệu kim loại có E từ 70–210 GPa, nhựa nhiệt dẻo ~1–4 GPa, gốm và kính 200–400 GPa.

Thuộc tính dẻo và độ bền

Vùng dẻo bắt đầu khi ứng suất vượt ngưỡng chảy (σ_Y), tại đó vật liệu bắt đầu biến dạng vĩnh viễn. Giới hạn chảy và độ bền kéo (ultimate tensile strength, UTS) là hai thông số chủ chốt cho biết ứng suất tối thiểu để vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo và ứng suất tối đa trước khi gãy.

Đặc trưng vùng dẻo còn bao gồm độ giãn dài (elongation) và độ giảm diện tích (reduction of area) của mẫu thử sau gãy, phản ánh khả năng chịu biến dạng lớn trước khi thất bại. Vật liệu ductile như thép mềm có độ giãn dài 20–50%, trong khi vật liệu giòn như gang hoặc gốm gần như bằng 0%.

• Giới hạn chảy (σ_Y): ngưỡng bắt đầu biến dạng.
• Độ bền kéo (σ_U): ứng suất tối đa.
• Độ giãn dài (%): biến dạng dẻo tối đa.
• Độ giảm diện tích (%): khả năng co ngót trước gãy.

Thử kéo mẫu kéo chuẩn theo ASTM E8/E8M hoặc ISO 6892-1 cung cấp đường cong ứng suất–biến dạng σ–ε, từ đó xác định σ_Y, σ_U và các chỉ số dẻo. Các vật liệu polyme hoặc composite có thể yêu cầu tiêu chuẩn tương ứng như ISO 527.

Độ cứng và độ dai

Độ cứng (hardness) đo khả năng chống chịu biến dạng vĩnh viễn bề mặt dưới lực nén nhỏ. Phương pháp Rockwell (HRC), Brinell (HBW) và Vickers (HV) là ba tiêu chuẩn phổ biến, với tải và kích thước hình vết lõm khác nhau để phù hợp kim loại, gốm và vật liệu phi kim.

• Rockwell: thang HRA, HRB, HRC tùy vật liệu.
• Brinell: tải lớn, vết lõm lớn, HBW.
• Vickers: tải nhỏ, vết lõm kim cương.

Độ dai (toughness) đánh giá năng lượng hấp thụ đến khi gãy, thường thử va đập Charpy hoặc Izod theo ISO 148-1 hoặc ASTM E23. Vật liệu có độ dai cao hấp thụ năng lượng va đập lớn, ít có nguy cơ gãy giòn đột ngột.

Phương pháp	Đặc điểm	Đơn vị
Rockwell C	Lõm sâu, phù hợp thép cứng	HRC
Brinell	Độ sâu trung bình, tải lớn	HBW
Vickers	Độ sâu nhỏ, vết lõm kim cương	HV
Charpy	Năng lượng va đập	Joules

Giá trị độ cứng và độ dai đặc trưng cho ứng dụng: linh kiện chịu mài mòn cần độ cứng cao, chi tiết kết cấu chịu va đập cần độ dai lớn để tránh gãy giòn.

Khả năng mỏi

Mỏi (fatigue) là quá trình phá hủy vật liệu dưới tác động của tải trọng lặp đi lặp lại, ngay cả khi biên độ ứng suất nhỏ hơn giới hạn chảy tĩnh. Nứt mỏi khởi phát tại vị trí tập trung ứng suất như cạnh khuyết hoặc rãnh gia công, sau đó lan truyền dần dần qua mỗi chu kỳ tải cho đến khi vật liệu gãy đột ngột.

Đường cong ứng suất–chu kỳ (S–N curve) biểu diễn mối quan hệ giữa biên độ ứng suất và số chu kỳ tới khi gãy, giúp xác định tuổi thọ mỏi của chi tiết. Ở một số vật liệu thép, tồn tại giới hạn mỏi (endurance limit) dưới đó vật liệu gần như không gãy mỏi.

Chu kỳ N	Ứng suất biên độ σa (MPa)
103	350
105	240
107	180
108+	160 (giới hạn mỏi)

Phân tích mỏi hiện nay kết hợp cả lý thuyết tuyến tính và phi tuyến, sử dụng phương pháp tính chủ yếu như Paris law để mô tả tốc độ lan truyền vết nứt:

• Khởi phát vết nứt: xác suất cao tại khuyết tật bề mặt.
• Lan truyền ổn định: tốc độ phụ thuộc vào biên độ hệ số cường độ ứng suất.
• Giai đoạn cuối: tốc độ lan truyền nhanh, dẫn đến gãy đột ngột.

Creep và stress relaxation

Creep là biến dạng chậm và tích tụ dần khi vật liệu chịu tải trọng không đổi ở nhiệt độ cao, diễn ra qua ba giai đoạn: creep sơ cấp (tốc độ giảm), creep thứ cấp (tốc độ ổn định) và creep thứ ba (tốc độ tăng nhanh dẫn đến gãy). Creep ảnh hưởng nghiêm trọng đến ống dẫn hơi, turbine và các chi tiết trong nhiệt độ trên 0.5 T_melt.

Stress relaxation là sự giảm dần của ứng suất khi vật liệu được cố định biến dạng không đổi. Hiện tượng này quan trọng trong thiết kế chi tiết bị giữ cố định lâu dài, như bulong liên kết và khuôn đúc. Lý thuyết cơ bản áp dụng mô hình Maxwell hoặc Kelvin–Voigt để mô phỏng đáp ứng thời gian.

• Thử creep theo ASTM E139: đo biến dạng theo thời gian dưới nhiệt độ cố định.
• Thử stress relaxation theo ISO 204: giữ biến dạng không đổi và đo ứng suất giảm dần.

Các yếu tố ảnh hưởng bao gồm nhiệt độ, ứng suất ban đầu, cấu trúc vi mô (kích thước hạt, pha), và tác động của môi trường ăn mòn, oxy hóa tại nhiệt độ cao.

Ứng suất va đập và chịu sốc nhiệt

Ứng suất va đập đánh giá khả năng chịu tải trọng tác động nhanh, thường được đo bằng thử Charpy hoặc Izod. Năng lượng va đập (J) phản ánh độ dai (toughness) của vật liệu khi có va chạm đột ngột, là tiêu chí quan trọng cho kết cấu chịu tác động như thân tàu, khung xe và vỏ máy bay.

Sốc nhiệt (thermal shock) là khả năng chịu chênh lệch nhiệt độ đột ngột mà không nứt gãy. Vật liệu chịu sốc nhiệt tốt cần có hệ số giãn nở nhiệt thấp, độ dẫn nhiệt cao và độ dai vừa phải. Ứng dụng phổ biến trong gốm chịu lửa, thủy tinh chịu nhiệt và lớp phủ bảo vệ động cơ.

• Charpy/Izod theo ISO 148-1: chiều dài vết khía, nhiệt độ thử nghiệm (–40 °C đến 100 °C).
• Sốc nhiệt theo ASTM C1525: chu kỳ làm nóng–làm lạnh nhanh.

Độ bền mòn và môi trường

Độ bền mòn (wear resistance) đánh giá khả năng chống mài mòn bề mặt khi tiếp xúc với chuyển động tương đối. Thử mòn pin-on-disk (ASTM G99) và thử mài khối mài (ASTM G65) phổ biến trong công nghiệp ôtô và chế tạo máy.

Chịu ăn mòn (corrosion resistance) liên quan đến khả năng chống phá hủy do tác nhân hóa học (axit, bazơ, muối) hoặc điện hóa. Các thử nghiệm ăn mòn bao gồm immersion test, cyclic corrosion test và điện hóa EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy).

• Môi trường muối (3.5% NaCl) theo ASTM B117 (salt spray).
• Độ pH axit/bazơ, nhiệt độ và lưu lượng môi trường.
• Ảnh hưởng kết hợp: mài mòn + ăn mòn (tribocorrosion).

Phương pháp thử nghiệm và tiêu chuẩn

Các tiêu chuẩn quốc tế ISO, ASTM và DIN đảm bảo kết quả kiểm tra nhất quán và so sánh được. Quy trình chuẩn hóa bao gồm chuẩn bị mẫu (kích thước, hình dạng), điều kiện tải (tốc độ, biên độ) và môi trường thử (nhiệt độ, độ ẩm).

• ISO 6892-1 / ASTM E8: kéo mẫu kim loại.
• ISO 6508-1 / ASTM E18: độ cứng Rockwell.
• ISO 148-1 / ASTM E23: va đập Charpy.
• ASTM E466: mỏi uốn/căng kéo.
• ASTM E139: creep ở nhiệt độ cao.

Việc tuân thủ chuẩn mực giúp đánh giá khách quan và lựa chọn vật liệu phù hợp, giảm thiểu sai số do phương pháp thử và điều kiện ngoại cảnh.

Tài liệu tham khảo

1. International Organization for Standardization, “Metallic materials — Tensile testing — Part 1: Method of test at room temperature,” ISO 6892-1, 2016.
2. ASTM International, “Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials,” ASTM E8/E8M, 2020.
3. ASTM International, “Standard Test Methods for Fatigue Testing,” ASTM E466, 2019.
4. International Organization for Standardization, “Creep of metallic materials — Test method for stress rupture properties,” ISO 204, 2015.
5. ASTM International, “Standard Test Method for Determining the Charpy Impact Resistance of Notched Specimens of Metallic Materials,” ASTM E23, 2018.
6. ASTM International, “Standard Test Method for Pin-on-Disk Wear Testing,” ASTM G99, 2020.
7. International Organization for Standardization, “Corrosion of metals and alloys — Laboratory immersion corrosion testing,” ISO 9227, 2017.
8. National Institute of Standards and Technology, “Material Measurement Laboratory,” NIST MML, 2024.