Độ giãn dài là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa độ giãn dài

Độ giãn dài là đại lượng mô tả khả năng kéo dài của vật liệu khi chịu lực kéo theo phương trục. Đây là thông số quan trọng trong cơ học vật liệu, phản ánh mức độ biến dạng mà một mẫu vật có thể chịu trước khi đứt gãy. Độ giãn dài thường được xét trong thử nghiệm kéo tiêu chuẩn, nhằm đánh giá độ dẻo và khả năng biến dạng dẻo của vật liệu.

Đại lượng này được tính theo tỉ số giữa sự thay đổi chiều dài và chiều dài ban đầu của mẫu vật khi có lực kéo tác dụng. Đơn vị biểu diễn phổ biến là phần trăm (%), biểu thị mức độ biến dạng tương đối:

$\varepsilon = \frac{\Delta L}{L_0} = \frac{L - L_0}{L_0}$

Trong đó, $L_0$ là chiều dài ban đầu, $L$ là chiều dài sau khi kéo và $\varepsilon$ là độ giãn dài. Giá trị này càng cao thì vật liệu càng có khả năng biến dạng dẻo lớn trước khi gãy, thường gặp ở kim loại mềm hoặc vật liệu polymer.

Phân loại độ giãn dài

Độ giãn dài trong cơ học vật liệu được chia làm hai loại chính dựa trên tính chất đàn hồi và dẻo của vật liệu. Sự phân loại này giúp các kỹ sư hiểu rõ hơn về hành vi ứng xử của vật liệu dưới tải trọng kéo và hỗ trợ trong thiết kế cơ học chính xác.

Hai dạng độ giãn dài cơ bản gồm:

• Độ giãn dài đàn hồi: xảy ra khi vật liệu quay trở lại hình dạng ban đầu sau khi lực kéo được loại bỏ. Biến dạng hoàn toàn phục hồi, không để lại dấu vết biến dạng vĩnh viễn.
• Độ giãn dài dẻo: phát sinh khi vật liệu chịu ứng suất vượt quá giới hạn đàn hồi. Khi đó, vật liệu không quay lại hình dạng ban đầu và xuất hiện biến dạng vĩnh viễn.

Giới hạn phân cách giữa hai vùng này được gọi là giới hạn chảy (yield strength). Đây là điểm mà tại đó vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo và không còn phục hồi hình dạng như cũ. Xem thêm tại AZoM – Yield Strength.

Vai trò trong thử nghiệm kéo

Thử nghiệm kéo là phương pháp phổ biến nhất để xác định độ giãn dài. Trong thử nghiệm này, một mẫu chuẩn được kéo dọc theo trục của nó cho đến khi đứt. Độ giãn dài đo được tại thời điểm trước khi mẫu gãy, phản ánh khả năng chịu biến dạng của vật liệu dưới tải trọng kéo liên tục.

Độ giãn dài là chỉ tiêu quan trọng trong tiêu chuẩn thử cơ lý vật liệu như ASTM E8/E8M, giúp đánh giá tính dẻo và độ an toàn của vật liệu khi đưa vào ứng dụng thực tế. Các mẫu thử được kiểm tra trên khoảng chiều dài chuẩn gọi là gauge length, và chiều dài sau đứt gãy sẽ được so sánh với chiều dài ban đầu để tính độ giãn dài.

Phép đo này thường dùng trong kiểm tra các vật liệu kim loại, hợp kim, polymer kỹ thuật, giúp đánh giá chất lượng sản xuất hoặc sự thay đổi cơ tính do xử lý nhiệt, gia công cơ khí.

Thông số	Ý nghĩa	Đơn vị
L0	Chiều dài ban đầu của mẫu	mm
Lf	Chiều dài sau khi đứt gãy	mm
ΔL	Độ tăng chiều dài	mm
ε (%)	Độ giãn dài tương đối	%

Đơn vị và cách biểu diễn

Độ giãn dài thường được thể hiện bằng phần trăm (%), dễ hiểu và thuận tiện khi so sánh các vật liệu khác nhau. Ngoài ra, một số tài liệu khoa học hoặc phần mềm mô phỏng có thể dùng giá trị tỉ lệ không thứ nguyên (unitless ratio) với giá trị từ 0 đến 1.

Công thức tính độ giãn dài dưới dạng phần trăm được trình bày như sau:

$\text{Độ giãn dài} \% = \left( \frac{L_f - L_0}{L_0} \right) \times 100\%$

Ví dụ: nếu chiều dài mẫu ban đầu là 50 mm, và chiều dài sau đứt gãy là 65 mm, thì:

$\text{Độ giãn dài} = \left( \frac{65 - 50}{50} \right) \times 100\% = 30\%$

Biểu diễn này có ý nghĩa quan trọng trong tiêu chuẩn vật liệu và hồ sơ kỹ thuật, đặc biệt trong ngành luyện kim, cơ khí chính xác và công nghiệp ô tô.

Ý nghĩa trong thiết kế và sản xuất

Độ giãn dài đóng vai trò cốt lõi trong việc lựa chọn vật liệu cho các kết cấu kỹ thuật chịu biến dạng lớn. Khi thiết kế sản phẩm như trục quay, ống dẫn, vỏ động cơ hay bộ phận va chạm trong ô tô, các kỹ sư cần đánh giá khả năng biến dạng dẻo trước khi vật liệu bị gãy để đảm bảo độ an toàn vận hành.

Vật liệu có độ giãn dài cao có khả năng phân tán ứng suất tốt hơn, giảm nguy cơ nứt gãy giòn và tăng khả năng cảnh báo sớm trước khi xảy ra hỏng hóc. Ngược lại, vật liệu có độ giãn dài thấp thường đi kèm với độ bền cao nhưng dễ gãy đột ngột khi vượt quá giới hạn chịu lực.

• Thép mềm: thường có độ giãn dài cao (40–60%), phù hợp cho dập, uốn, cán nguội
• Vật liệu giòn như gốm: có độ giãn dài rất thấp (< 1%), phù hợp cho các ứng dụng cần chịu mài mòn cao nhưng không chịu va đập
• Nhôm và hợp kim nhôm: độ giãn dài trung bình (~10–20%), cân bằng giữa độ nhẹ và khả năng chịu biến dạng

Ảnh hưởng của cấu trúc vật liệu

Cấu trúc vi mô quyết định trực tiếp đến khả năng giãn dài của vật liệu. Một số yếu tố cấu trúc như kích thước hạt tinh thể, tỷ lệ pha, mật độ khuyết tật hoặc sự phân bố tạp chất đều có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ dẻo và biến dạng của vật liệu.

Vật liệu có hạt mịn và phân bố đồng đều thường có khả năng giãn dài tốt hơn so với vật liệu có hạt lớn, không đồng nhất. Ngoài ra, sự hiện diện của các ranh giới hạt, song tinh hoặc dislocation (khuyết tật mạng tinh thể) cũng ảnh hưởng đến chuyển động của mạch trượt và khả năng biến dạng dẻo.

Các phương pháp xử lý vật liệu như:

1. Nhiệt luyện (ủ, tôi, ram): điều chỉnh cấu trúc tinh thể và trạng thái ứng suất dư
2. Gia công cơ (cán nguội, kéo sợi): có thể làm giảm độ giãn dài do làm cứng biến dạng
3. Hợp kim hóa: thêm nguyên tố như Ni, Cr, Mo giúp kiểm soát độ dẻo và bền

Sự hiểu biết về cấu trúc–tính chất giúp kỹ sư kiểm soát độ giãn dài trong sản xuất, đặc biệt khi thiết kế các vật liệu chức năng như vật liệu nhớ hình hoặc hợp kim siêu dẻo.

Mối liên hệ với các đặc trưng cơ học khác

Độ giãn dài không tồn tại độc lập mà liên hệ chặt chẽ với nhiều đặc tính cơ học khác như độ bền kéo, giới hạn chảy, độ cứng và độ dai va đập. Trong thiết kế cơ học, việc phân tích đồng thời các thông số này giúp đánh giá toàn diện hành vi chịu tải của vật liệu.

Trên biểu đồ ứng suất–biến dạng, độ giãn dài tương ứng với vùng diện tích dưới đường cong đến điểm đứt gãy, phản ánh năng lượng vật liệu có thể hấp thụ trước khi gãy:

$\text{Toughness} = \int_0^{\varepsilon_f} \sigma \, d\varepsilon$

Đối với vật liệu dẻo, vùng ứng suất biến dạng kéo dài, cho phép hấp thụ nhiều năng lượng, phù hợp cho kết cấu cần chịu va đập. Ngược lại, vật liệu giòn có độ giãn dài thấp và gần như không có vùng biến dạng dẻo, dễ bị phá hủy đột ngột khi chịu tải lớn.

Xem thêm tài liệu tại Total Materia – Mechanical Properties.

So sánh giữa các vật liệu

Mỗi loại vật liệu có đặc trưng độ giãn dài khác nhau, phản ánh bản chất vi cấu trúc và ứng dụng thực tế của nó. So sánh độ giãn dài là một công cụ hữu hiệu để lựa chọn vật liệu phù hợp theo mục tiêu thiết kế.

Vật liệu	Độ giãn dài (%)	Đặc điểm ứng dụng
Thép mềm (Low-carbon steel)	40–60%	Dễ tạo hình, dùng cho dập nóng, cán tấm
Thép hợp kim cao	10–20%	Cần độ bền cao, giảm tính dẻo
Hợp kim nhôm	10–20%	Nhẹ, độ bền trung bình, ứng dụng hàng không
Nhựa kỹ thuật (PA, PC)	20–50%	Dẻo, chịu va đập tốt
Gốm sứ kỹ thuật	<1%	Cứng giòn, chịu mài mòn, không chịu kéo

Sự khác biệt này giúp các kỹ sư vật liệu đưa ra lựa chọn tối ưu tùy vào yêu cầu độ bền, trọng lượng, độ dẻo hoặc độ ổn định nhiệt của sản phẩm.

Đo lường và thiết bị kiểm tra

Để đo độ giãn dài một cách chính xác, cần sử dụng các thiết bị thử kéo chuyên dụng như universal testing machine (UTM) kết hợp với các thiết bị đo biến dạng như extensometer cơ khí hoặc video extensometer không tiếp xúc.

Theo tiêu chuẩn quốc tế như ASTM E8/E8M hoặc ISO 6892-1, phép thử kéo cần thực hiện trên mẫu chuẩn với chiều dài đo xác định trước. Dữ liệu đo được sẽ bao gồm đường cong ứng suất–biến dạng và các thông số: độ giãn dài, ứng suất cực đại, giới hạn chảy và độ cứng tương đối.

Trong các hệ thống hiện đại, quá trình đo được tự động hóa, phần mềm đi kèm sẽ phân tích dữ liệu theo thời gian thực và xuất báo cáo kết quả bao gồm đường cong, số liệu và các cảnh báo nếu mẫu không đạt yêu cầu.

Tài liệu tham khảo

1. ASTM E8/E8M – Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. Link
2. AZoM. What is Yield Strength? Link
3. Total Materia. Mechanical Properties of Metals. Link
4. ISO 6892-1:2019 – Metallic materials — Tensile testing — Part 1: Method of test at room temperature. Link
5. Callister, W. D., & Rethwisch, D. G. (2018). Materials Science and Engineering: An Introduction. Wiley.