Độ bền va đập là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Độ bền va đập là khả năng của vật liệu chống lại sự phá hủy khi chịu lực tác động đột ngột, được đo bằng năng lượng hấp thụ đến khi gãy mẫu. Chỉ tiêu này phản ánh mức độ an toàn cơ học của vật liệu trong điều kiện va chạm nhanh và được đánh giá bằng các phương pháp chuẩn hóa như Charpy hoặc Izod.

Định nghĩa độ bền va đập

Độ bền va đập (impact strength hoặc impact resistance) là đại lượng vật lý thể hiện khả năng của vật liệu chống lại sự phá hủy khi chịu tác động lực bất ngờ trong thời gian rất ngắn. Khác với các phép đo như độ bền kéo hay độ cứng – vốn xem xét ứng suất tăng dần theo thời gian – độ bền va đập đo lường phản ứng của vật liệu dưới tác động tức thời, thường mang tính đột ngột và cường độ cao. Đây là một trong những chỉ tiêu cơ học quan trọng nhất trong kỹ thuật vật liệu.

Trong các môi trường có khả năng xảy ra va chạm hoặc rung động thường xuyên, vật liệu được lựa chọn phải có khả năng hấp thụ năng lượng va chạm hiệu quả mà không bị gãy, nứt hoặc biến dạng vĩnh viễn. Nếu độ bền va đập thấp, vật liệu có thể bị phá hủy mà không có dấu hiệu cảnh báo, gây nguy hiểm trong ứng dụng thực tế. Do đó, chỉ tiêu này được xem là tiêu chuẩn bắt buộc trong kiểm định vật liệu xây dựng, nhựa kỹ thuật, kim loại chế tạo, thiết bị an toàn và vật liệu giao thông.

Độ bền va đập không chỉ phụ thuộc vào bản chất của vật liệu mà còn chịu ảnh hưởng lớn bởi hình dạng mẫu thử, điều kiện nhiệt độ, tốc độ tác động và cấu trúc vi mô. Để hiểu và kiểm soát chỉ số này, cần tiếp cận từ cả góc độ lý thuyết cơ học vật liệu và thực nghiệm tiêu chuẩn hóa.

Tầm quan trọng của độ bền va đập trong kỹ thuật

Trong thiết kế kỹ thuật, độ bền va đập là một yếu tố quyết định đến mức độ an toàn và độ tin cậy của sản phẩm khi làm việc trong môi trường có rủi ro cơ học cao. Các linh kiện ô tô, vỏ bảo vệ thiết bị điện tử, mũ bảo hiểm, thùng chứa công nghiệp hay hệ thống ống dẫn đều phải chịu va chạm trong quá trình vận hành hoặc do tác động ngoại lực. Một vật liệu có độ bền va đập thấp có thể bị gãy giòn, tạo nên các mảnh sắc bén gây chấn thương hoặc hỏng hóc dây chuyền.

Đặc biệt trong ngành công nghiệp ô tô và hàng không, các vùng hấp thụ va chạm được thiết kế bằng vật liệu có khả năng biến dạng dẻo và hấp thụ năng lượng tốt, nhằm bảo vệ người ngồi bên trong. Trong kỹ thuật kết cấu, cột bê tông, thanh giằng thép hoặc khung nhôm trong giàn không gian đều được kiểm tra theo chỉ tiêu va đập tiêu chuẩn. Không chỉ vậy, độ bền va đập còn quyết định khả năng chịu rung động, va đập lặp lại, và độ bền mỏi cơ học trong các máy móc công nghiệp.

Các tiêu chuẩn kỹ thuật phổ biến dùng để đánh giá độ bền va đập gồm ASTM D256, ISO 179 và ISO 180. Các tổ chức như ASTM, ISO đã ban hành nhiều phương pháp kiểm tra cho từng loại vật liệu và ứng dụng. Tham khảo cụ thể tại ASTM D256.

Đơn vị đo và công thức tính

Độ bền va đập được định lượng bằng năng lượng cần thiết để làm gãy một mẫu vật liệu trong điều kiện chuẩn. Giá trị đo thường biểu thị bằng Joule (J) hoặc kilojoule trên mét vuông (kJ/m2kJ/m^2), cho biết khả năng hấp thụ năng lượng theo đơn vị diện tích mặt cắt ngang tại vị trí va chạm. Một số trường hợp, độ bền va đập còn được biểu diễn dưới dạng lực tối đa hoặc chiều cao rơi tối thiểu để gây phá hủy mẫu vật.

Công thức chung dùng để tính độ bền va đập là:

Impact Strength=EAImpact\ Strength = \frac{E}{A}

Trong đó:

  • EE: năng lượng hấp thụ khi va đập (đơn vị: J)
  • AA: diện tích mặt cắt ngang tại điểm gãy (đơn vị: m²)

Khi sử dụng máy thử con lắc hoặc rơi tự do, năng lượng EE được tính bằng hiệu năng lượng trước và sau va chạm. Trong thử nghiệm Charpy hoặc Izod, thiết bị đo sẽ ghi lại trực tiếp giá trị này. Xem ví dụ minh họa và dữ liệu kỹ thuật tại AZoM – Impact Strength.

Các phương pháp thử nghiệm phổ biến

Việc đo lường độ bền va đập được thực hiện thông qua các thử nghiệm chuẩn hóa, trong đó mẫu vật được thiết kế theo kích thước cụ thể và chịu tác động từ búa hoặc khối lượng rơi. Hai phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là thử nghiệm Charpy và thử nghiệm Izod, ngoài ra còn có thử nghiệm bằng rơi tự do hoặc máy thử động năng cao (instrumented impact tester).

Mô tả các phương pháp:

  • Charpy: Mẫu có rãnh chữ V, đặt nằm ngang, hai đầu được đỡ, tác động ở giữa bằng búa rơi. Phù hợp với kim loại và vật liệu cứng.
  • Izod: Mẫu được cố định thẳng đứng, tác động tại đầu tự do. Phù hợp với nhựa và polymer kỹ thuật.
  • Drop Weight: Khối lượng rơi tự do lên mẫu phẳng, đo năng lượng gây gãy hoặc lực tại điểm phá hủy.

Bảng so sánh nhanh:

Phương pháp Loại mẫu Ứng dụng chính Tiêu chuẩn
Charpy Ngang, có rãnh Kim loại, gốm ISO 179-1, ASTM E23
Izod Thẳng đứng Polymer, nhựa ASTM D256, ISO 180
Drop Weight Phẳng, không rãnh Composite, sản phẩm lớn ASTM D3029

Chi tiết kỹ thuật phương pháp Charpy có thể tra cứu tại ISO 179-1.

Ảnh hưởng của nhiệt độ và tốc độ va chạm

Độ bền va đập của vật liệu không phải là một hằng số tuyệt đối mà thay đổi mạnh mẽ theo các yếu tố môi trường, trong đó nhiệt độ và tốc độ va chạm là hai thông số ảnh hưởng lớn nhất. Ở nhiệt độ thấp, nhiều vật liệu trở nên giòn hơn do mất khả năng biến dạng dẻo, từ đó giảm mạnh khả năng hấp thụ năng lượng va đập. Trong khi đó, ở nhiệt độ cao, vật liệu có thể mềm hơn và dễ biến dạng, nhưng cũng có nguy cơ mất ổn định cấu trúc cơ học.

Tốc độ va chạm cũng đóng vai trò quyết định. Khi tốc độ tác động tăng lên, thời gian phản ứng của vật liệu giảm xuống, khiến một số vật liệu không kịp trải qua giai đoạn biến dạng dẻo trước khi gãy, dẫn đến hiện tượng gãy giòn đột ngột. Điều này đặc biệt quan trọng với các vật liệu polymer, vốn có cấu trúc phân tử nhạy cảm với biến đổi động học.

Bảng dưới đây minh họa ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền va đập của nhựa ABS:

Nhiệt độ (°C) Độ bền va đập (kJ/m²)
-205
014
2321
5017

Các kỹ sư vật liệu và nhà thiết kế cần xem xét các điều kiện môi trường cụ thể của sản phẩm khi đánh giá hoặc tối ưu hóa độ bền va đập.

So sánh độ bền va đập giữa các vật liệu

Mỗi loại vật liệu có cơ chế hấp thụ năng lượng va đập khác nhau, dẫn đến sự chênh lệch lớn về độ bền va đập. Nhựa kỹ thuật như polycarbonate và ABS có khả năng hấp thụ năng lượng cao nhờ vào cấu trúc polymer đàn hồi. Ngược lại, vật liệu gốm hoặc kính có xu hướng gãy giòn khi chịu va chạm do thiếu khả năng biến dạng dẻo.

Kim loại thường nằm ở giữa hai cực này. Kim loại dẻo như nhôm hoặc thép không gỉ có khả năng biến dạng trước khi gãy, cho phép chúng phân tán năng lượng va đập. Tuy nhiên, kim loại cứng như gang hoặc một số hợp kim có thể gãy giòn khi bị tác động mạnh. Vật liệu composite có thể được thiết kế để tăng độ bền va đập thông qua việc điều chỉnh hướng sợi gia cường và lớp kết cấu.

Một số giá trị độ bền va đập tiêu biểu:

  • Polycarbonate: 80–90 kJ/m²
  • ABS: 20–25 kJ/m²
  • Thép không gỉ: 30–50 kJ/m²
  • Nhôm: 15–25 kJ/m²
  • Gốm kỹ thuật: < 5 kJ/m²

Việc so sánh giữa các vật liệu phải đi kèm điều kiện thử nghiệm giống nhau và cùng một loại phương pháp kiểm tra.

Độ bền va đập và cơ chế phá hủy

Phản ứng của vật liệu dưới tác động va chạm phụ thuộc vào cơ chế phá hủy bên trong. Hai cơ chế chính là gãy giòn và gãy dẻo. Trong gãy dẻo, vật liệu trải qua biến dạng đàn hồi và dẻo đáng kể trước khi bị phá hủy, cho phép phân tán năng lượng và làm chậm quá trình gãy. Ngược lại, gãy giòn xảy ra gần như ngay lập tức mà không có biến dạng rõ ràng, và thường xảy ra trong điều kiện nhiệt độ thấp hoặc vật liệu có khuyết tật nội tại.

Các yếu tố ảnh hưởng đến cơ chế gãy bao gồm:

  • Cấu trúc tinh thể hoặc mạng polymer
  • Kích thước và hình dạng mẫu vật
  • Sự hiện diện của khuyết tật, vết nứt nhỏ
  • Hướng tác động và vị trí điểm yếu

Thiết kế cấu trúc vật liệu, ví dụ như thêm sợi gia cường, hoặc sử dụng pha mềm – pha cứng trong polymer blend, giúp thay đổi cơ chế gãy từ giòn sang dẻo và cải thiện độ bền va đập đáng kể.

Ứng dụng thực tiễn và thiết kế theo độ bền va đập

Độ bền va đập là chỉ số kỹ thuật không thể thiếu trong thiết kế sản phẩm có yêu cầu an toàn cao hoặc phải hoạt động trong môi trường có khả năng xảy ra va chạm cơ học. Trong ngành ô tô, các vùng hấp thụ lực va chạm được thiết kế đặc biệt để phân tán năng lượng nhằm giảm lực truyền vào khoang hành khách. Trong thiết bị điện tử, vỏ bảo vệ được làm từ nhựa kỹ thuật có độ bền va đập cao để chống nứt vỡ khi rơi.

Trong kỹ thuật hàng không và công nghiệp quốc phòng, vật liệu composite với khả năng chịu va đập cao được sử dụng trong thân máy bay, vỏ radar hoặc thiết bị bảo hộ. Đối với các sản phẩm tiêu dùng như mũ bảo hiểm, vali, chai nhựa PET, thông số độ bền va đập quyết định khả năng chống vỡ khi rơi từ độ cao hoặc chịu lực nén đột ngột.

Các ngành công nghiệp tiêu biểu có ứng dụng trực tiếp:

  • Giao thông vận tải – ô tô, tàu, máy bay
  • Hạ tầng kỹ thuật – ống dẫn, tấm chắn, sàn kỹ thuật
  • Thiết bị bảo hộ cá nhân – mũ, giáp, giày chống va đập
  • Hộp đựng, bao bì công nghiệp – va chạm trong logistics

Xu hướng nghiên cứu và vật liệu cải tiến

Các nghiên cứu hiện đại đang tập trung vào việc phát triển vật liệu có khả năng tự thích ứng với va chạm hoặc tự phục hồi sau khi bị tổn thương. Các hệ thống vật liệu đa pha (multi-phase systems), vật liệu siêu bền (ultra-toughened materials) hoặc vật liệu sinh học mô phỏng (bio-inspired materials) là trọng tâm của nhiều công trình nghiên cứu quốc tế trong lĩnh vực cơ học vật liệu và vật liệu polymer kỹ thuật.

Một số xu hướng công nghệ đáng chú ý:

  • Vật liệu nano-composite sử dụng graphene, carbon nanotube để cải thiện độ bền va đập
  • Polymer siêu phân tử có khả năng tự phục hồi vết nứt do va chạm
  • Kỹ thuật in 3D đa vật liệu tạo cấu trúc hấp thụ năng lượng định hướng

Nghiên cứu cũng hướng đến việc mô phỏng quá trình va chạm bằng mô hình phần tử hữu hạn (FEM) để dự đoán trước khả năng phá hủy và tối ưu hóa thiết kế vật liệu. Tham khảo thêm tại ScienceDirect – Impact Resistance.

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề độ bền va đập:

Bộ điều khiển thích nghi tham chiếu mô hình đã được sửa đổi cho hệ thống phi tuyến SISO với nhiễu bên ngoài và hạn chế đầu vào Dịch bởi AI
International Conference on Advanced Engineering Theory and Applications - - Trang 118-128 - 2017
Bài báo này đề xuất một bộ điều khiển thích nghi tham chiếu mô hình đã được sửa đổi cho một hệ thống phi tuyến đầu vào-đầu ra đơn (SISO) với mô hình không chắc chắn, nhiễu từ bên ngoài, nhiễu đo và hạn chế đầu vào. Bộ điều khiển thích nghi tham chiếu mô hình đã được sửa đổi không chỉ...
#Bộ điều khiển thích nghi #hệ phi tuyến #hệ đơn đầu vào-đầu ra #mô hình không chắc chắn #nhiễu bên ngoài #hạn chế đầu vào
NHU CẦU CỦA NGƯỜI BỆNH VỀ CHĂM SÓC PHỤC HỒI CHỨC NĂNG CHO NGƯỜI BỆNH ĐỘT QUỴ SAU GIAI ĐOẠN CẤP VÀ THỰC TRẠNG ĐÁP ỨNG CỦA ĐIỀU DƯỠNG TẠI BỆNH VIỆN Y DƯỢC CỔ TRUYỀN QUẢNG NINH NĂM 2021
Tạp chí Y học Việt Nam - Tập 525 Số 2 - 2023
Chăm sóc phục hồi chức năng cho người bệnh đột quỵ thúc đẩy việc phục hồi chức năng và giúp người bệnh đạt được sự độc lập trong cuộc sống hàng ngày. Mục tiêu: Mô tả nhu cầu của người bệnh về chăm sóc phục hồi chức năng cho người bệnh đột quỵ sau giai đoạn cấp và thực trạng đáp ứng của điều dưỡng. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu mô tả cắt ngang được thực hiện trên 100 người bệnh và...... hiện toàn bộ
#điều dưỡng #đột quỵ #chăm sóc đột quỵ sau giai đoạn cấp
KẾT QUẢ ĐÁP ỨNG VÀ PHÂN TÍCH MỘT SỐ YẾU TỐ LIÊN QUAN TRÊN BỆNH NHÂN UNG THƯ PHỔI BIỂU MÔ VẢY GIAI ĐOẠN MUỘN ĐIỀU TRỊ BƯỚC MỘT PHÁC ĐỒ PACLITAXEL/CARBOPLATIN TẠI BỆNH VIỆN K
Tạp chí Y học Việt Nam - Tập 517 Số 2 - 2022
Mục tiêu: Đánh giá đáp ứng điều trị và phân tích một số yếu tố liên quan trên bệnh nhân ung thư phổi biểu mô vảy giai đoạn muộn điều trị hoá chất phác đồ paclitaxel carboplatin tại bệnh viện K từ 01/2017 đến 05/2022. Phương pháp nghiên cứu: Hồi cứu kết hợp tiến cứu 65 bệnh nhân ung thư ung thư phổi biểu mô vảy giai đoạn muộn được chẩn đoán và điều trị phác đồ paclitaxel/carboplatin tại Bệnh viện K...... hiện toàn bộ
#Ung thư phổi biểu mô vảy #giai đoạn muộn #paclitaxel/carboplatin #Bệnh viện K
Nghiên cứu cải thiện độ bền va đập của nhựa polypropylene
Polypropylene (PP) là một trong những loại nhựa nhiệt dẻo được sử dụng phổ biến nhất. Tuy nhiên, do độ bền va đập của nhựa PP không cao, đặc biệt ở nhiệt độ thấp, nên ứng dụng của nó vẫn còn hạn chế so với tiềm năng. Nghiên cứu này nhằm khảo sát khả năng cải thiện độ bền va đập của PP bằng phương pháp trộn hợp nóng chảy với ba loại copolymer gồm Engage, Infuse và Versify. Qua khảo sát các tính chấ...... hiện toàn bộ
#Polypropylene #copolymer #blend #độ bền va đập #hình thái học
KHẢO SÁT MỐI LIÊN QUAN GIỮA ĐA HÌNH GEN ITGB3 VỚI ĐÁP ỨNG NGƯNG TẬP TIỂU CẦU CỦA CLOPIDOGREL VÀ ĐẶC ĐIỂM LÂM SÀNG Ở BỆNH NHÂN ĐƯỢC CAN THIỆP ĐẶT STENT ĐỘNG MẠCH VÀNH
Tạp chí Y học Việt Nam - Tập 542 Số 3 - Trang - 2024
Mục tiêu: Khảo sát đặc điểm đa hình gen ITGB3 và mối liên quan với đáp ứng ngưng tập tiểu cầu (NTTC) của clopidogrel cũng như một số đặc điểm lâm sàng ở bệnh nhân được can thiệp đặt stent động mạch vành (ĐMV). Đối tượng và phương pháp: Nghiên cứu mô tả cắt ngang được thực hiện trên 171 bệnh nhân được điều trị can thiệp đặt stent ĐMV thành công có điều trị với clopidogrel tại Bệnh viện Quân Y 175 v...... hiện toàn bộ
#ITGB3 #đa hình gen #ngưng tập tiểu cầu #clopidogrel #bệnh động mạch vành.
10. BƯỚC ĐẦU ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ THAY ĐỔI SỐ LƯỢNG TỔN THƯƠNG MỤN TRỨNG CÁ KHI KẾT HỢP NHĨ CHÂM VÀ THOA ADAPALEN TRÊN BỆNH LÝ MỤN TRỨNG CÁ TẠI BỆNH VIỆN LÊ VĂN THỊNH
Tạp chí Y học Cộng đồng - Tập 65 Số CD6 - HNKH Bệnh viện Lê Văn Thịnh - Trang - 2024
Mục tiêu: So sánh sự thay đổi số lượng tổn thương mụn trứng cá trước và sau khi nhĩ châm huyệt Nội tiết, huyệt Dưới vỏ, huyệt Phổi, huyệt Tim, huyệt Dạ dày kết hợp thoa adapalen 0,1% sau 4 tuần và khảo sát tác dụng bất lợi của nhĩ châm kết hợp thoa adapalen trong 4 tuần. Đối tượng và phương pháp: Nghiên cứu can thiệp 1 nhóm, đánh giá hiệu quả trước sau trên 33 người bệnh mụn trứng cá khi nhĩ châm...... hiện toàn bộ
#Mụn trứng cá #nhĩ châm #adapalen
Mối tương quan giữa kết quả của ba bài kiểm tra thể lực (độ bền, sức mạnh, tốc độ) và kết quả được đo trong bài kiểm tra xe đạp công suất ở một nhóm quân nhân Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 3 - Trang 1-6 - 2016
Các bài kiểm tra thể lực thường được sử dụng để đánh giá độ bền, khả năng bứt phá, sự phối hợp và/hoặc sức mạnh. Mục tiêu của nghiên cứu này là phân tích mức độ nhất quán của kết quả bài kiểm tra thể lực cơ bản Bundeswehr (BFT) — một bài kiểm tra thể lực bao gồm bài kiểm tra tốc độ (bài kiểm tra đưa đón 11 x 10 mét), bài kiểm tra treo tay và chạy 1000 mét — so với kết quả đo được trong bài kiểm tr...... hiện toàn bộ
#kiểm tra thể lực #độ bền #sức mạnh #tốc độ #ergometer xe đạp #quân nhân #mối tương quan
Chỉ số đáp ứng viêm toàn thân: một chỉ số viêm mới để dự đoán tỷ lệ tử vong do mọi nguyên nhân và bệnh tim mạch ở nhóm dân số béo phì Dịch bởi AI
Diabetology & Metabolic Syndrome - Tập 15 - Trang 1-15 - 2023
Nghiên cứu này nhằm điều tra mối quan hệ giữa hai chỉ số viêm mới, cụ thể là Chỉ số Đáp ứng Viêm Toàn Thân (SIRI) và Chỉ số Viêm Miễn Dịch Toàn Thân (SII), cũng như tỷ lệ tử vong do mọi nguyên nhân và bệnh tim mạch (CVD) trong nhóm dân số béo phì. Chúng tôi đã thực hiện một nghiên cứu đoàn hệ tiến cứu dựa trên dữ liệu của 13.026 người lớn béo phì (tuổi ≥ 18 tuổi) từ Khảo sát Kiểm tra Sức khỏe và D...... hiện toàn bộ
#SIRI #SII #tử vong do mọi nguyên nhân #bệnh tim mạch #béo phì
Độ ổn định nhiệt, tính chất cơ học, độ bền va đập và tính chất lưu biến kéo đơn trục của các hỗn hợp phản ứng giữa nhựa PS và nhựa SBS Dịch bởi AI
Polymer Bulletin - Tập 76 - Trang 5537-5557 - 2019
Polystyrene (PS) có độ bền va đập thấp và cũng cho thấy khả năng tăng cường lực kéo yếu. Trong nghiên cứu này, copolymer ba khối poly(styrene–butadiene–styrene) (SBS) đã được trộn dung dịch và nung chảy với PS có mặt chất tạo polymer gốc tự do, dicumyl peroxide (DCP), nhằm nâng cao độ ổn định nhiệt, tính chất cơ học, độ bền va đập và khả năng tăng cường lực kéo của PS. Hỗn hợp PS/SBS trộn dung dịc...... hiện toàn bộ
#Polystyrene #SBS #copolymer #đánh giá độ bền va đập #tính chất cơ học #lưu biến kéo đơn trục
So sánh độ bền nứt ngăn chặn giữa các mẫu hàn dày với năng lượng đầu vào thấp và cao Dịch bởi AI
International Journal of Fracture Mechanics - Tập 194 - Trang 197-203 - 2015
Độ bền nứt ngăn chặn giòn $$\hbox {K}_{\mathrm{Ia}}$$ đã được xác định trong các mẫu hàn với năng lượng đầu vào thấp (1.5 kJ/mm) và cao (53 kJ/mm) có quy mô lớn ($$1\times 1$$ m) và độ dày (50 và 80 mm). Một tác động tức thì có năng lượng 2.7 kJ đã được tác động vào đầu mảnh khuyết có độ dày đầy đủ ở nhiệt độ thấp và khởi phát sự lan truyền của nứt về phía vùng nhiệt độ cao hơn, nơi mà nứt dừng lạ...... hiện toàn bộ
#độ bền nứt ngăn chặn #năng lượng đầu vào thấp #năng lượng đầu vào cao #hàn #năng lượng va đập Charpy
Tổng số: 32   
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4