Độ bền uốn là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa độ bền uốn

Độ bền uốn là khả năng của vật liệu chống lại ứng suất cực đại trước khi bị gãy khi chịu tải trọng uốn. Đây là một đại lượng cơ học mô tả cường độ chịu cong của vật liệu, thường được áp dụng cho vật liệu giòn như gốm, thủy tinh, nhựa, vật liệu composite, và một số kim loại nhẹ.

Trong thử nghiệm, một mẫu vật thường được đặt trên hai gối đỡ và chịu lực tác động từ một hoặc hai điểm ở phía trên. Điểm phá hủy xảy ra khi ứng suất tại bề mặt dưới của mẫu vượt quá giới hạn chịu đựng. Độ bền uốn cung cấp thông tin thiết yếu để thiết kế các chi tiết dạng dầm, tấm, hoặc khung có thể chịu uốn trong ứng dụng thực tế.

Thuật ngữ tương đương bao gồm flexural strength, modulus of rupture, bend strength, fracture strength, tùy ngữ cảnh kỹ thuật cụ thể. Đây là một thông số không chỉ phụ thuộc vào vật liệu mà còn vào điều kiện thử nghiệm và hình học mẫu.

Công thức tính độ bền uốn

Công thức xác định độ bền uốn tùy thuộc vào phương pháp thử, cụ thể là thử nghiệm uốn ba điểm (3-point bending) hoặc bốn điểm (4-point bending).

• Thử nghiệm uốn ba điểm: $\sigma_f = \frac{3FL}{2bd^2}$ với:
  • $F$: lực phá hủy (N)
  • $L$: chiều dài nhịp giữa hai gối đỡ (mm)
  • $b$: chiều rộng mẫu (mm)
  • $d$: chiều cao mẫu (mm)
• Thử nghiệm uốn bốn điểm: $\sigma_f = \frac{3F(L - l)}{4bd^2}$ với $l$ là khoảng cách giữa hai điểm tác dụng lực.

Độ bền uốn thu được phản ánh ứng suất lớn nhất tại bề mặt chịu uốn khi vật liệu gãy. Tuy nhiên, kết quả chỉ chính xác khi vật liệu bị phá hủy theo cơ chế giòn, không xảy ra biến dạng dẻo rõ rệt trước khi gãy.

So sánh với các thông số cơ học khác

Độ bền uốn khác biệt so với độ bền kéo (tensile strength) ở chỗ nó đo ứng suất tại bề mặt ngoài trong quá trình cong thay vì trên toàn tiết diện như kéo. Với các vật liệu giòn, độ bền uốn thường cao hơn độ bền kéo vì gãy xảy ra cục bộ tại mặt chịu kéo, nơi có thể không chứa khuyết tật.

Mô đun uốn (flexural modulus) là một đại lượng khác mô tả độ cứng của vật liệu trong vùng đàn hồi tuyến tính khi chịu uốn, tính bằng: $E_f = \frac{L^3m}{4bd^3}$ trong đó $m$ là độ dốc biểu đồ tải trọng–độ cong trong giai đoạn đầu.

So sánh nhanh:

Thông số	Ý nghĩa	Ứng dụng
Độ bền uốn	Khả năng chịu ứng suất tại mặt cong	Thiết kế dầm, khung, lớp phủ cứng
Độ bền kéo	Khả năng chịu lực dọc trục	Dây kéo, bu lông, thanh chống
Mô đun uốn	Độ cứng khi cong	Đánh giá biến dạng trong giai đoạn đàn hồi

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô đến độ bền uốn

Độ bền uốn phụ thuộc nhiều vào cấu trúc vi mô, đặc biệt ở các vật liệu không đồng nhất như gốm, composite hoặc nhựa gia cường. Các yếu tố vi mô như lỗ rỗng, pha phụ, hạt tăng cường, và chiều hướng sợi (trong composite) đều ảnh hưởng đến phân bố ứng suất và điểm khởi phát nứt.

Trong vật liệu gốm hoặc thủy tinh, nơi không có cơ chế dẻo bù ứng suất, các khuyết tật nhỏ tại bề mặt có thể dẫn đến gãy sớm. Vì lý do đó, xử lý bề mặt như đánh bóng, phủ chống nứt, hoặc gia nhiệt đều nhằm nâng cao độ bền uốn tổng thể.

Đối với composite, hướng sợi so với chiều tải có thể làm thay đổi độ bền uốn gấp nhiều lần. Composite sợi carbon có độ bền uốn theo phương sợi cao gấp 4–5 lần so với phương vuông góc.

Thử nghiệm và tiêu chuẩn đo lường

Để xác định chính xác độ bền uốn, các phương pháp thử tiêu chuẩn đã được phát triển và công bố bởi nhiều tổ chức quốc tế. Đối với polymer và composite, tiêu chuẩn phổ biến nhất là ASTM D790, quy định phương pháp uốn ba điểm, sử dụng mẫu hình chữ nhật có kích thước xác định và tốc độ nén cố định. ISO cũng có tiêu chuẩn tương đương là ISO 178.

Đối với vật liệu gốm, tiêu chuẩn ASTM C1161 là phổ biến, yêu cầu kiểm soát nghiêm ngặt về tỷ lệ chiều dài nhịp, độ nhám bề mặt, và tốc độ tải để đảm bảo tính tái lặp. Vật liệu kim loại ít khi dùng phương pháp uốn để xác định độ bền vì hành vi dẻo mạnh làm mất độ chính xác.

Trong các thử nghiệm này, dữ liệu thu được bao gồm tải trọng phá hủy, độ võng tại điểm gãy, biểu đồ tải–độ võng, và quan sát hình dạng vết gãy. Phân tích ảnh nhiệt hoặc quang học có thể bổ sung thông tin về quá trình hình thành nứt và cơ chế phá hủy.

Ứng dụng của độ bền uốn trong thiết kế kỹ thuật

Thông số độ bền uốn được sử dụng trong thiết kế các chi tiết cơ khí hoặc kết cấu có nguy cơ chịu lực phân bố ngang hoặc lực uốn lớn. Trong kỹ thuật xây dựng, nó là thông số chủ chốt để xác định khả năng chịu tải của dầm bê tông, tấm sàn, hoặc sườn thép. Với vật liệu composite, đặc biệt là trong hàng không, xe đua, tàu vũ trụ, độ bền uốn cao là điều kiện bắt buộc để đảm bảo trọng lượng nhẹ nhưng đủ vững chắc.

Trong lĩnh vực nha khoa, độ bền uốn của vật liệu phục hồi như zirconia, composite resin, hoặc lithium disilicate phản ánh độ ổn định của răng giả, mão sứ, và miếng trám. Yêu cầu lâm sàng thường đề xuất độ bền uốn tối thiểu từ 100 MPa trở lên cho các phục hình vùng răng sau.

Các ứng dụng khác bao gồm thiết kế bảng mạch in (PCB), lớp phủ cứng trên công cụ cắt, khung thiết bị điện tử, nơi lực uốn có thể gây gãy hoặc nứt vi mô trong quá trình sử dụng thực tế.

Ảnh hưởng của điều kiện môi trường

Môi trường vận hành ảnh hưởng rõ rệt đến độ bền uốn. Ở nhiệt độ cao, nhiều vật liệu polymer và composite mềm đi do vượt quá nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg), làm giảm độ bền và mô đun uốn. Ở nhiệt độ thấp, các vật liệu giòn trở nên dễ nứt hơn do thiếu biến dạng dẻo.

Độ ẩm cũng là yếu tố quan trọng, đặc biệt trong các vật liệu polymer hút nước như nylon, epoxy không được gia cố. Khi hút ẩm, mạng lưới polymer bị giãn nở, làm suy yếu liên kết giữa các pha hoặc giữa sợi và ma trận trong composite, từ đó làm giảm độ bền uốn. Ngoài ra, môi trường hóa học có thể tạo phản ứng ăn mòn hoặc phân hủy bề mặt, làm phát sinh các khuyết tật mới ở lớp chịu ứng suất.

Do đó, trong thiết kế sản phẩm hoặc vật liệu, việc xác định độ bền uốn không chỉ dừng ở điều kiện chuẩn mà cần bao gồm các phép thử lão hóa nhân tạo, độ bền sau ngâm, hoặc chu trình nhiệt–ẩm để đảm bảo độ tin cậy trong suốt vòng đời sử dụng.

Hạn chế và sai số trong phép đo độ bền uốn

Dù phổ biến, phép thử độ bền uốn không hoàn toàn phản ánh đầy đủ hành vi ứng xử của vật liệu trong thực tế. Thứ nhất, nó chỉ kiểm tra ứng suất tại bề mặt dưới của mẫu, trong khi nhiều ứng dụng chịu ứng suất phức hợp hoặc phân bố khác nhau. Thứ hai, các vật liệu phi tuyến như cao su, kim loại có biến dạng lớn hoặc vật liệu composite nhiều lớp có thể cho kết quả thiếu chính xác do không tuân theo giả định đàn hồi tuyến tính.

Các nguồn sai số phổ biến bao gồm:

• Không đồng đều về hình học hoặc độ nhẵn của mẫu
• Lệch tải – lực không vuông góc hoặc không đúng tâm
• Ứng suất dư do quá trình gia công hoặc gia nhiệt
• Thiết bị đo biến dạng không đủ chính xác

Để giảm thiểu sai số, cần hiệu chuẩn thiết bị định kỳ, sử dụng mẫu tiêu chuẩn hóa, lặp lại thử nghiệm ít nhất 3–5 lần và áp dụng phân tích thống kê như độ lệch chuẩn hoặc hệ số biến thiên để đánh giá độ tin cậy của kết quả.

Tài liệu tham khảo

1. ASTM D790 – Standard Test Methods for Flexural Properties of Plastics
2. ISO 178:2019 – Plastics — Determination of Flexural Properties
3. ASTM C1161 – Standard Test Method for Flexural Strength of Advanced Ceramics
4. Flexural performance of composite laminates – ScienceDirect
5. Callister, W.D. (2007). Materials Science and Engineering: An Introduction. Wiley.