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

Khái niệm độ dẻo dai

Độ dẻo dai (toughness) là khả năng của vật liệu hấp thụ năng lượng và chịu biến dạng dẻo trước khi gãy. Đây là thông số kết hợp giữa tính bền kéo (strength) và độ giãn dài (ductility), phản ánh tổng năng lượng mà vật liệu có thể hấp thu khi chịu tải kéo hoặc va đập. Vật liệu có độ dẻo dai cao thường chịu đựng va đập và tải trọng thay đổi tốt hơn, giảm nguy cơ gãy giòn đột ngột (ASM International).

Độ dẻo dai được đo qua năng lượng hấp thụ trong quá trình biến dạng ứng suất–biến dạng từ giai đoạn đàn hồi đến gãy, thường xác định thông qua các phương pháp thử nghiệm va đập như Charpy hoặc Izod. Kết quả này cung cấp thông tin quan trọng cho thiết kế kết cấu, đặc biệt là trong các ứng dụng chịu va đập, rung động hoặc nhiệt độ thấp.

Mối quan hệ giữa độ dẻo dai và các tính chất cơ học khác như mô-đun đàn hồi, độ bền kéo và độ giãn dài cho thấy vật liệu có thể được điều chỉnh qua quá trình hợp kim hóa, xử lý nhiệt hoặc gia công biến dạng để đạt được cân bằng tối ưu giữa bền và dai.

Đơn vị và kích thước

Đơn vị tiêu chuẩn của độ dẻo dai là J/m³ khi biểu thị năng lượng hấp thụ trên đơn vị thể tích, hoặc J (joule) khi đo năng lượng hấp thụ tổng hợp trong một mẫu thử cụ thể. Chỉ số này tương đương với diện tích dưới đường cong ứng suất–biến dạng nhân với thể tích mẫu.

Kích thước vật lý của độ dẻo dai tương ứng với tích phân ứng suất σ (Pa) nhân biến dạng ε (không đơn vị) theo thể tích V (m³): $T = \displaystyle\int_{0}^{\varepsilon_f} \sigma\,d\varepsilon$ Trong đó εf là biến dạng đến gãy.

Thử nghiệm Charpy đo dao động con lắc va đập thanh mẫu chuẩn, ghi nhận năng lượng mất mát (E) qua lực va đập, từ đó tính độ dẻo dai theo công thức E/V. Ngoài ra, thử nghiệm kéo theo ASTM E8/E8M cũng cho kết quả tương tự khi tích diện tích dưới đường cong ứng suất–biến dạng (ASTM E8).

Mối quan hệ với đường cong ứng suất–biến dạng

Độ dẻo dai được xác định trực tiếp từ đường cong ứng suất–biến dạng σ–ε của mẫu thử kéo. Diện tích từ ε=0 đến ε=εf thể hiện tổng năng lượng hấp thụ trước khi gãy, bao gồm cả giai đoạn đàn hồi và giai đoạn biến dạng dẻo.

• Giai đoạn đàn hồi: đường cong tuyến tính, ứng suất và biến dạng tỉ lệ, năng lượng hấp thụ nhỏ, thể tích dưới đường cong bằng σy2/(2E).
• Giai đoạn biến dạng dẻo: ứng suất vượt giới hạn chảy σy, tế bào vật liệu trượt và tái cấu trúc, năng lượng hấp thụ lớn hơn.
• Giai đoạn đến gãy: đường cong giảm nhẹ trước khi đứt gãy, thể hiện độ giãn dài cuối cùng εf.

Công thức tính độ dẻo dai

Công thức tổng quát xác định độ dẻo dai T của vật liệu trên đơn vị thể tích hoặc mẫu thử: $T = \int_{0}^{\varepsilon_f} \sigma\,d\varepsilon$ trong đó σ là ứng suất và ε là biến dạng cho đến gãy εf.

Khi thử nghiệm Charpy, độ dẻo dai được tính theo Eu/At, trong đó Eu là năng lượng va đập hấp thụ (J) và At là tiết diện mẫu thử (m²) (ASTM E23).

Trong thử kéo, diện tích bên dưới đường cong σ–ε còn được tính bằng phương pháp số học tích phân rời rạc với dữ liệu đo được, đảm bảo độ chính xác cao khi xác định năng lượng biến dạng dẻo.

Phương pháp đo và tiêu chuẩn thử nghiệm

Thử nghiệm va đập Charpy và Izod theo tiêu chuẩn ASTM E23 là phương pháp phổ biến để đánh giá độ dẻo dai. Mẫu hình chữ nhật có khía V được đặt trên giá đỡ, con lắc va đập và năng lượng hấp thu Eu được đo bằng chênh lệch cao độ trước và sau va đập (ASTM E23).

Thử nghiệm kéo theo ASTM E8/E8M cho phép xác định đường cong ứng suất–biến dạng toàn diện, từ đó tích phân diện tích dưới đường cong tính ra năng lượng hấp thu. Thiết bị kéo gia tốc thấp (strain rate 0.001–0.1 s–1) đảm bảo thu thập đầy đủ giai đoạn đàn hồi và dẻo (ASTM E8).

Tiêu chuẩn fracture toughness KIC theo ASTM E399 sử dụng mẫu chữ nhật có khe nứt tiền tạo sẵn và đo độ mở nứt dưới tải hình sin, từ đó suy ra khả năng chống lan truyền vết nứt, một khía cạnh quan trọng của độ dẻo dai trong điều kiện ứng suất tập trung.

Ảnh hưởng của vi cấu trúc và hợp kim

Kích thước hạt tinh thể ảnh hưởng trực tiếp đến độ dẻo dai: hạt nhỏ tăng độ bền kéo nhưng thường giảm biến dạng dẻo, trong khi hạt lớn cải thiện khả năng hấp thu năng lượng nhưng hạ bền kéo. Việc điều chỉnh biên độ phát triển pha thắng–pha thua giúp cân bằng hai đặc tính này.

Thành phần hợp kim như nickel, manganese tăng tính dai ở nhiệt độ thấp bằng cách tạo pha austenite ổn định, giảm nguy cơ gãy giòn. Ngược lại, tạp chất sulfur, phosphor có thể tạo ra các khu vực tập trung ứng suất, làm giảm mạnh độ dẻo dai (NIST Materials Data).

Sự phân tán các precipitate nano (ví dụ TiC, NbC) trong ma trận ferrite cải thiện khả năng ngăn mầm nứt lan truyền, đồng thời tạo ra cơ chế bền chuỗi hạt – dai pha – giúp tăng đáng kể độ dẻo dai mà ít ảnh hưởng đến bền kéo tổng thể.

Ảnh hưởng của điều kiện thử nghiệm và môi trường

Nhiệt độ thử nghiệm tác động lớn đến độ dẻo dai: ở nhiệt độ thấp, vật liệu thường chuyển qua giai đoạn gãy giòn, độ dẻo dai giảm đột ngột tại điểm chuyển pha (ductile-to-brittle transition temperature). Thử nghiệm Izod ở −20 °C so với 25 °C cho thấy sự sụt giảm năng lượng hấp thu lên đến 70%.

Tốc độ biến dạng cao dẫn đến tăng ứng suất chảy và giảm biến dạng dẻo do hiện tượng strain rate sensitivity. Các thử nghiệm tốc độ cao (>10 s–1) thường chỉ ra độ dẻo dai thấp hơn so với thử nghiệm tiêu chuẩn (<0.1 s–1).

Môi trường ăn mòn, đặc biệt hiện tượng hydrogen embrittlement, làm giảm độ dẻo dai qua cơ chế thấm H vào mạng tinh thể, gây gãy sớm dưới tải kéo thấp. Đối với thép chịu lực, thử nghiệm trong dung dịch muối 3.5% NaCl cho thấy giảm 30–50% năng lượng va đập Charpy.

Ứng dụng và ý nghĩa trong thiết kế vật liệu

Trong ngành ô tô, độ dẻo dai cao của thép kết cấu giúp hấp thu va chạm, bảo vệ hành khách bằng cách biến dạng có kiểm soát. Vùng va chạm (crumple zone) dùng vật liệu có độ dẻo dai lớn để chuyển hóa năng lượng va chạm.

Ứng dụng trong hàng không đòi hỏi hợp kim nhôm và titan có độ dẻo dai cao ở nhiệt độ thấp và chịu fatigue tốt. Cánh máy bay phải trải qua hàng nghìn chu kỳ tải, đòi hỏi hấp thụ năng lượng biến dạng dẻo mà không hình thành mầm nứt mới.

Thép kết cấu cho cầu, áp lực của đường ống dầu khí và bồn chứa cần độ dẻo dai cao để chống nứt do biến dạng nhiệt và va đập đá. Vật liệu composite carbon/epoxy trong gió điện gió cũng yêu cầu độ dẻo dai cao để chịu tải cơ-hóa phối hợp.

Chiến lược cải thiện độ dẻo dai

Gia công nhiệt annealing giảm ứng suất dư và tái kết tinh hạt, cho phép tăng biến dạng dẻo trước gãy mà không làm mất bền kéo. Quenching & tempering tạo pha martenxite–ferrite cải thiện cả bền và dai.

Thiết kế vi cấu trúc nano-precipitation như Ni3Al trong hợp kim niken tăng cường hấp thu năng lượng thông qua cơ chế vận chuyển dislocation quanh precipitate. Công nghệ severe plastic deformation (SPD) cũng tạo ra vi cấu trúc siêu mịn, cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai.

Ứng dụng lớp phủ chống hydrogen diffusion và bổ sung chất hấp thụ H giúp giảm hiện tượng embrittlement. Sử dụng hợp kim siêu dẫn (superalloys) với sân bão hòa pha γ′ ổn định cũng được phát triển cho môi trường nhiệt độ cao và ăn mòn.

Tài liệu tham khảo

• ASTM International. (2018). ASTM E23: Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials. ASTM.
• ASTM International. (2017). ASTM E8/E8M: Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. ASTM.
• ASTM International. (2017). ASTM E399: Standard Test Method for Linear-Elastic Plane-Strain Fracture Toughness KIC of Metallic Materials. ASTM.
• Callister, W. D., & Rethwisch, D. G. (2020). Materials Science and Engineering: An Introduction. Wiley.
• Anderson, T. L. (2017). Fracture Mechanics: Fundamentals and Applications. CRC Press.
• National Institute of Standards and Technology (NIST). Materials Data Repository. nist.gov
• ASM International. (2015). Metallic Materials Properties Development and Standardization (MMPDS-17). ASM.
• Gadzinski, D., & Wang, Y. (2019). Hydrogen Embrittlement in High-Strength Steels. Journal of Materials Engineering and Performance.