Ứng suất nhiệt là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa ứng suất nhiệt

Ứng suất nhiệt (thermal stress) là ứng suất nội sinh phát sinh trong vật liệu khi nhiệt độ thay đổi không đồng đều hoặc khi vật liệu bị giới hạn khả năng giãn nở do các điều kiện biên cơ học. Khi từng vùng của chi tiết hoặc kết cấu có nhiệt độ khác nhau, sự giãn nở nhiệt không đồng đều gây ra biến dạng cục bộ và lực nội sinh, biểu hiện dưới dạng ứng suất dọc theo cấu trúc.

Khi vật liệu được cố định hoặc gắn kết chặt chẽ, không thể co giãn tự do, nhiệt độ tăng lên dẫn đến nén hoặc kéo căng nội bộ. Ngược lại, khi nhiệt độ giảm đột ngột, vật liệu co lại nhưng lại bị kìm hãm do liên kết xung quanh, gây ra ứng suất co ngót. Hai hiện tượng này là nguyên nhân chính dẫn đến nứt nhiệt, mỏi nhiệt và hư hại vật liệu.

Ứng suất nhiệt xuất hiện phổ biến trong nhiều ứng dụng kỹ thuật: kết cấu bê tông, đường ray, ống dẫn dầu khí, lò hơi, thành phần máy bay và các linh kiện điện tử. Việc xác định đúng mức ứng suất nhiệt và kiểm soát chúng là yếu tố then chốt để đảm bảo độ bền, an toàn và tuổi thọ của hệ thống.

• Xuất hiện do biến đổi nhiệt độ không đồng đều hoặc co giãn bị kìm hãm.
• Gây nứt nhiệt, mỏi nhiệt và mất liên kết cơ học.
• Quan trọng trong thiết kế kết cấu bê tông, ống dẫn, linh kiện điện tử.

Nguyên lý vật lý

Khi vật liệu chịu sự thay đổi nhiệt độ ΔT, mỗi phần tử trong cấu trúc có xu hướng giãn nở hoặc co lại theo hệ số giãn nở nhiệt α. Độ giãn dài tự do ΔL tự nhiên tỷ lệ thuận với ΔT và kích thước ban đầu L₀, theo công thức ΔL = α·L₀·ΔT. Trong điều kiện không giới hạn, biến dạng này không sinh ứng suất.

Khi biến dạng giãn nở hoặc co ngót bị kìm hãm bởi các điều kiện biên (cố định đầu, liên kết với kết cấu khác), lực phản ứng nội sinh phát sinh để cân bằng mômen và lực, tạo ra ứng suất nhiệt σ. Ứng suất này phân bố tùy theo khả năng truyền ứng suất trong vật liệu và biên độ chênh nhiệt.

Trong trường hợp gradient nhiệt mạnh (ví dụ bề mặt nóng, lõi mát), phân bố nhiệt độ ΔT(x) theo vị trí x trong vật liệu dẫn đến phân bố ứng suất không đồng đều. Gradient càng lớn, ứng suất nhiệt tại vùng giáp ranh càng cao, dễ gây nứt bề mặt hoặc lệch vênh.

• Giãn nở tự do: ΔL = α·L₀·ΔT
• Gradient nhiệt: phân bố ΔT(x) gây phân bố σ(x)
• Biên cơ học kìm hãm biến dạng → sinh ứng suất

Công thức tính toán cơ bản

Trong điều kiện giãn nở nhiệt bị chặn hoàn toàn, ứng suất nhiệt σ được tính theo công thức:

$\sigma = \frac{E\,\alpha\,\Delta T}{1 - \nu}$

Trong đó, E là mô đun Young của vật liệu, α là hệ số giãn nở nhiệt, ΔT là chênh lệch nhiệt độ giữa trạng thái ban đầu và hiện tại, ν là hệ số Poisson. Công thức này áp dụng cho trường hợp trạng thái ứng suất plane stress, khi vật liệu co giãn theo mọi hướng bị kìm hãm.

Đối với trường hợp chặn biến dạng một chiều (ví dụ thanh nẹp hai đầu cố định dọc trục x), hệ số điều chỉnh là (E·α·ΔT). Nếu chặn hai chiều trên mặt phẳng, công thức cần bổ sung yếu tố 1/(1–ν) hoặc 1/(1–ν²) tùy điều kiện tự do biến dạng.

• Plane stress: σ = E·α·ΔT / (1–ν)
• Uniaxial constraint: σ = E·α·ΔT
• Plane strain: σ = E·α·ΔT / (1–ν²)

Ảnh hưởng của tính chất vật liệu

Mô đun đàn hồi E càng cao, vật liệu càng “cứng” và khả năng chịu ứng suất nhiệt càng lớn, dẫn đến ứng suất nội sinh cao hơn với cùng ΔT và α. Ngược lại, vật liệu đàn hồi thấp (E nhỏ) có thể phân tán lực hiệu quả hơn, giảm ứng suất tập trung.

Hệ số giãn nở nhiệt α phản ánh mức độ giãn nở khi nhiệt độ thay đổi. Vật liệu có α lớn (ví dụ kim loại nhôm ~23·10⁻⁶ K⁻¹) dễ sinh ứng suất nhiệt cao hơn so với vật liệu α thấp (thủy tinh borosilicate ~3·10⁻⁶ K⁻¹) dưới cùng ΔT.

Hệ số Poisson ν điều chỉnh mức độ ứng suất khi biến dạng đa hướng; vật liệu ν lớn dễ sinh ứng suất nhiệt cao hơn trong plane stress. Ngoài ra, độ dẫn nhiệt k quyết định gradient nhiệt: k cao giúp phân tán nhiệt nhanh, làm giảm gradient và ứng suất cục bộ.

Phương pháp đo và giám sát

Đo trực tiếp ứng suất nhiệt thường sử dụng strain gauge chịu nhiệt (thermal strain gauge) gắn lên bề mặt vật liệu. Các strain gauge này làm từ hợp kim kim loại hay sợi quang (fiber Bragg grating) có khả năng chịu nhiệt cao đến 400–600 °C. Khi nhiệt độ thay đổi, biến dạng bề mặt được ghi nhận và chuyển thành tín hiệu điện áp tỉ lệ với ứng suất theo hệ số gauge factor.

Phương pháp phi tiếp xúc kết hợp camera nhiệt (infrared thermography) và hệ thống DIC (Digital Image Correlation) để giám sát biến dạng bề mặt và phân bố nhiệt độ. Dữ liệu nhiệt độ ΔT(x,y) từ camera nhiệt kết hợp với mô hình số cho phép ước tính phân bố ứng suất σ(x,y) mà không cần gắn kết sensor trực tiếp lên chi tiết.

• Strain gauge chịu nhiệt: đo biến dạng chính xác với sai số < ± 5%
• Fiber Bragg grating: truyền dẫn quang, không nhiễu điện từ, đo từ xa
• Infrared thermography + DIC: giám sát toàn diện, phát hiện điểm nóng (hot spot)

Phân tích tán xạ tia X (XRD) cũng được dùng để xác định biến dạng mạng tinh thể gây ra bởi ứng suất nhiệt. Tinh thể bị lệch vị trí phản xạ, thay đổi khoảng cách mạng d, được tính toán để suy ra ứng suất nội sinh theo định luật Bragg.

Tác động lên kết cấu và vật liệu

Ứng suất nhiệt lặp lại qua nhiều chu kỳ gia nhiệt và làm nguội sinh hiện tượng mỏi nhiệt (thermal fatigue). Điện thoại viễn thông, linh kiện điện tử gặp mất kết nối tại mối hàn khi biên độ nhiệt dao động lớn, do chất hàn (solder) có hệ số giãn nở khác kim loại nền.

Nứt nhiệt (thermal cracking) thường khởi phát trên bề mặt hoặc giao diện giữa các lớp vật liệu khác nhau, nơi tập trung gradient nhiệt cao nhất. Ví dụ, bê tông trong lò hơi có thể xuất hiện vết nứt dọc theo mạch đổ khi nhiệt độ bề mặt vượt 300 °C, trong khi lõi còn ở 100 °C.

• Mỏi nhiệt: vết nứt nhỏ khởi phát, lan dần qua nhiều chu kỳ.
• Nứt bề mặt: tập trung tại điểm có tiếp xúc cơ khí hoặc chênh nhiệt độ lớn.
• Biến dạng dẻo: mất hình dạng ban đầu, cong vênh, lệch trục.

Biện pháp giảm ứng suất nhiệt

Thiết kế khe co giãn (expansion joint) trong kết cấu bê tông, đường ray và ống dẫn cho phép vật liệu tự do giãn nở, giảm ứng suất nội sinh. Khe co giãn thường đặt cách nhau 5–10 m trên mặt đường và ống, với vật liệu đàn hồi (EPDM, neoprene) làm đệm.

Sử dụng vật liệu đệm nhiệt (thermal barrier), như gốm chịu nhiệt hoặc lớp phủ ceramic (YSZ), ngăn chặn truyền nhiệt nhanh và giảm gradient ΔT giữa bề mặt và lõi. Trong động cơ tuabin khí, lớp phủ TBC (Thermal Barrier Coating) dày 100–200 µm giúp giảm nhiệt độ bề mặt cánh tuabin từ 1 000 °C xuống dưới 800 °C.

• Khe co giãn: cho phép giãn nở tới 10–15 mm tùy kích thước kết cấu.
• Coating ceramic: giảm gradient nhiệt > 50%, tăng tuổi thọ chu kỳ.
• Vật liệu composite nhiệt thấp α: fiberglass, Invar (α≈1·10⁻⁶ K⁻¹).

Mô phỏng và mô hình hóa

Phần mềm phần tử hữu hạn (FEA) như ANSYS hoặc Abaqus cho phép phân tích nhiệt (thermal analysis) và cơ (structural analysis) liên kết (coupled-field). Mô hình liên kết giải hệ phương trình dẫn nhiệt và cân bằng biến dạng, tính toán phân bố σ(x,y,z) khi áp dụng ΔT(x,y,z).

Quy trình mô phỏng bao gồm: nạp lưới chi tiết (meshing), gán tính chất vật liệu (E, α, ν, k), áp đặt điều kiện biên nhiệt (convection, radiation) và biên cơ học (cố định, lò xo đàn hồi). Kết quả mô phỏng cho phép xác định vùng ứng suất cao nhất (hot spot) để tối ưu thiết kế.

Ứng dụng trong kỹ thuật

Trong thiết kế động cơ đốt trong và tuabin khí, ứng suất nhiệt ảnh hưởng đến tuổi thọ cánh tuabin và xi lanh. Khe co giãn và lớp phủ TBC được thiết kế dựa trên mô phỏng nhiệt độ từng phần và phép đo thực nghiệm ± 10 °C để đảm bảo an toàn ở ống xả đạt 900–1 200 °C.

Trong công nghiệp đường sắt, ray tàu chịu biến động nhiệt hàng ngày có thể thay đổi ± 25 °C. Thiết kế khe co giãn và liên kết ray hàn nhiệt (thermit welding) giúp giảm rủi ro bóp quặt hoặc vênh ray, đảm bảo an toàn vận hành.

• Cầu bê tông: khe co giãn 20–40 mm, vật liệu EPDM.
• Ống dẫn dầu khí: thép Invar khớp nối hàn, bọc cách nhiệt.
• Linh kiện điện tử: substrate gốm, vật liệu đồng bộ α để giảm ứng suất mối hàn.

Tài liệu tham khảo

1. NIST, “Thermal Stress Analysis,” nist.gov.
2. Callister W.D., “Materials Science and Engineering: An Introduction,” John Wiley & Sons, 2018.
3. Bird R.B. et al., “Transport Phenomena,” 2nd ed., John Wiley & Sons, 2007.
4. ANSYS Inc., “Thermal and Structural Coupled Analysis,” ansys.com.
5. ISO 12135:2014, “Thermal shock — Test method and classification of materials,” iso.org.
6. ASME, “Boiler & Pressure Vessel Code,” Section III, 2021.