Tính dẻo là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa tính dẻo

Tính dẻo (plasticity) là khả năng của vật liệu chịu biến dạng vĩnh viễn khi ứng suất tác dụng vượt qua giới hạn đàn hồi. Khi ứng suất dưới mức σy, vật liệu chỉ biến dạng đàn hồi, hồi phục ngay khi tháo tải. Khi σ ≥ σy, mạng tinh thể bắt đầu trượt, gây biến dạng dẻo không hồi phục.

Tính dẻo cho phép vật liệu hấp thụ năng lượng va đập, phân bố ứng suất và ngăn ngừa gãy giòn đột ngột. Trong thiết kế kết cấu, khả năng dẻo cao giúp lan truyền tải trọng, tạo vùng cảnh báo (như võng dầm, lún nền) trước khi sập đổ.

Các loại vật liệu dẻo bao gồm kim loại (thép, nhôm, đồng), một số polymer bán tinh thể và hợp kim nhớ hình. Đặc tính dẻo được xác định bởi thành phần hóa học, độ tinh khiết và vi cấu trúc (kích thước hạt, pha kết tủa, tạp chất).

Cơ chế biến dạng dẻo vi mô

Ở cấp độ vi mô, biến dạng dẻo chủ yếu diễn ra qua chuyển động và tương tác của dislocation (khiếm khuyết dạng đường) trong mạng tinh thể kim loại. Dưới ứng suất cắt τ, dislocation trượt theo các mặt phẳng trượt có khoảng cách nhỏ nhất.

Phương trình Schmid mô tả ứng suất trượt hiệu dụng:

$τ = σ\,\cosφ\,\cosλ$

Trong đó φ là góc giữa mặt phẳng trượt và trục ứng suất chính, λ là góc giữa hướng trượt và trục ứng suất. Khi τ vượt τcrit, dislocation bắt đầu di chuyển, tạo các đường trượt (slip lines) quan sát được trên bề mặt.

• Rào cản dislocation: biên hạt tinh thể, khuyết tật, pha kết tủa.
• Cường hóa dung dịch: nguyên tử dị nguyên phân tán cản trở chuyển động dislocation.
• Cường hóa hạt: kích thước hạt nhỏ tăng mật độ biên hạt, tăng giới hạn trượt.

Đường cong ứng suất – biến dạng

Đường cong ứng suất – biến dạng mô tả mối quan hệ giữa ứng suất σ và biến dạng tổng ε, bao gồm biến dạng đàn hồi εe và biến dạng dẻo εp:

$ε = ε_e + ε_p$

Vùng đầu tiên đường cong tuyến tính, theo định luật Hooke: σ = E εe. Khi σ đạt σy, xuất hiện điểm chảy, sau đó ứng suất tăng chậm do work hardening đến đỉnh uốn gáo (ultimate tensile strength) rồi giảm đến σu khi cổ thắt.

Work hardening được mô tả bởi công thức Ramberg–Osgood:

$σ = K\,ε_p^n$

Trong đó K là hệ số bền, n là hệ số work hardening đặc trưng cho độ dẻo. Giá trị n càng lớn, vật liệu càng có khả năng chịu biến dạng dẻo lớn trước khi gãy.

Tiêu chí chảy và giới hạn dẻo

Tiêu chí chảy xác định điều kiện ứng suất mà vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo. Tiêu chí von Mises (J2) sử dụng ứng suất equivalent σeq:

$σ_{eq} = \sqrt{\tfrac{3}{2}\,s_{ij}\,s_{ij}}$

với sij là thành phần ứng suất lệch. Khi σeq ≥ σy, vật liệu chảy dẻo. Tiêu chí Tresca dựa trên ứng suất cắt lớn nhất:

$τ_{max} = \tfrac{1}{2}(\sigma_1 - \sigma_3)$

và chảy khi τmax ≥ σy/2. Lựa chọn tiêu chí phụ thuộc vào hình thức tải và độ chính xác yêu cầu trong phân tích cấu kiện.

Mô hình constitutive cho dẻo

Các mô hình constitutive mô tả ứng xử dẻo của vật liệu dưới tải trọng khác nhau và điều kiện nhiệt độ. Mô hình lý tưởng nhất là dẻo hoàn hảo (perfect plasticity) không xem xét work hardening, thích hợp cho phân tích bước đầu. Mô hình dẻo có work hardening (hardening plasticity) bổ sung hàm tăng ứng suất theo biến dạng, thường sử dụng phương trình Ramberg–Osgood hoặc Johnson–Cook.

Phương trình Ramberg–Osgood liên kết ứng suất σ và biến dạng tổng ε:

$ε = \frac{σ}{E} + \left(\frac{σ}{K}\right)^{1/n}$

với E là mô đun đàn hồi, K và n là hằng số vật liệu từ thử nghiệm kéo. Mô hình này phù hợp cho kim loại ở điều kiện nhiệt độ phòng và biến dạng chậm.

Mô hình Johnson–Cook mở rộng cho điều kiện biến dạng nhanh và nhiệt độ cao:

$σ = \left(A + Bε_p^n\right)\left[1 + C \ln\left(\frac{\dot ε_p}{\dot ε_0}\right)\right]\left[1 - \left(\frac{T - T_r}{T_m - T_r}\right)^m\right]$

trong đó A, B, n, C, m là hằng số hiệu chỉnh, ε̇p tỷ lệ biến dạng dẻo, T nhiệt độ hiện tại, Tr và Tm lần lượt là nhiệt độ phòng và nhiệt độ nóng chảy. Mô hình này được ứng dụng rộng rãi trong mô phỏng va chạm, dập kim loại tốc độ cao và gia công cắt gọt.

Cơ sở vi cấu trúc và ảnh hưởng nhiệt xử lý

Vi cấu trúc của vật liệu, bao gồm kích thước hạt, tỷ lệ pha và mật độ dislocation, quyết định cơ tính dẻo. Quy luật Hall–Petch mô tả sự gia tăng giới hạn chảy σy khi giảm kích thước hạt d:

$σ_y = σ_0 + k_y d^{-1/2}$

với σ0 và ky là hằng số đặc trưng cho vật liệu. Nhiệt xử lý như tôi (quenching) và hồi (tempering) điều chỉnh kích thước hạt và phân bố pha, thay đổi khả năng dẻo và độ cứng.

• Tôi cực lạnh (cryogenic treatment): thu nhỏ hạt carbide, tăng độ bền nhưng ảnh hưởng vừa phải đến dẻo.
• Tôi nhanh (quenching): tạo pha martensite cứng giòn, giảm tính dẻo ban đầu.
• Hồi (tempering): phân tán các pha mịn, phục hồi một phần tính dẻo đồng thời giảm ứng suất dư.

Cường hóa kết tủa (precipitation hardening) như ở hợp kim nhôm 7075 làm tăng giới hạn chảy nhưng có thể giảm khả năng dẻo nếu phân tủa quá lớn.

Yếu tố ảnh hưởng tính dẻo

Tính dẻo chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, strain rate và thành phần hóa học. Khi nhiệt độ tăng, năng lượng động học của nguyên tử tăng, giảm rào cản trượt dislocation và tăng biến dạng dẻo. Ngược lại, strain rate cao làm tăng ứng suất chảy vì dislocation không kịp di chuyển.

Ví dụ, thép nhiệt độ cao (HSLA) có thành phần Mo, Nb và V tăng cường kết tủa, tạo rào cản dislocation và tăng độ bền nhưng cần cân bằng để duy trì độ dẻo đủ cho ứng dụng kết cấu.

Phương pháp đánh giá

Thí nghiệm kéo (ASTM E8/E8M) là chuẩn mực xác định đường cong ứng suất – biến dạng, giới hạn chảy σy, độ bền kéo Rm và biến dạng dẻo cuối cùng εf. Thí nghiệm uốn và nén bổ trợ đánh giá độ dẻo trong điều kiện biến dạng phức tạp.

Kỹ thuật quan sát vi cấu trúc như kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) giúp khảo sát mật độ và chuyển động dislocation. Phương pháp Digital Image Correlation (DIC) đo biến dạng bề mặt phân bố theo thời gian thực.

• Thí nghiệm kéo: xác định σ–ε, giới hạn chảy, work hardening.
• TEM: quan sát dislocation, phân bố pha.
• DIC: đo biến dạng cục bộ và lan truyền vết nứt.

Ứng dụng trong kỹ thuật và thiết kế

Tính dẻo được khai thác trong thiết kế kết cấu để tạo vùng cảnh báo và hấp thu năng lượng trong trường hợp quá tải. Ví dụ, thép kết cấu HSS (High Strength Steel) có khả năng dẻo cao, đảm bảo công trình như cầu, tòa nhà châu Âu chịu va chạm và tải động.

Trong gia công cơ khí, biến dạng dẻo cho phép dập, kéo dây, cán và ép nguội kim loại thành hình dáng phức tạp. Vật liệu superplasticity (dẻo siêu cao) như hợp kim nhôm 5083 ở nhiệt độ 500–550 °C có thể kéo dãn đến 200–1000 % mà không gãy, hữu ích cho chế tạo vỏ máy bay và bộ phận ô tô.

Danh mục tài liệu tham khảo

• Dieter, G. E. (1988). Mechanical Metallurgy. McGraw-Hill.
• Callister, W. D., & Rethwisch, D. G. (2014). Materials Science and Engineering: An Introduction. Wiley.
• Johnson, G. R., & Cook, W. H. (1983). “A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures.” Proc. 7th Int. Symp. on Ballistics.
• ASM International. ASM Handbook, Volume 14: Forming and Forging. Available at: https://www.asminternational.org/
• NIST. Plasticity Resources. Available at: https://www.nist.gov/
• ASTM E8/E8M – 21. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. Available at: https://www.astm.org/Standards/E8.htm
• Ogden, R. W. (1997). Non-Linear Elastic Deformations. Dover Publications.