Sự phân mảnh trong thép: Nguyên nhân, kiểm soát và tác động đến tính chất vật liệu

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Phân mảnh đề cập đến quá trình mà vật liệu rắn vỡ thành nhiều mảnh hoặc mảnh vỡ khi chịu ứng suất, va đập hoặc lực nổ. Trong bối cảnh thép và luyện kim, phân mảnh mô tả cả xu hướng vật liệu vỡ thành nhiều mảnh và đặc điểm của các mảnh vỡ kết quả, bao gồm phân bố kích thước, hình dạng và vận tốc của chúng.

Tính chất này là cơ bản để hiểu các cơ chế hỏng vật liệu, đặc biệt là trong điều kiện tải trọng có tốc độ biến dạng cao. Hành vi phân mảnh ảnh hưởng trực tiếp đến tính an toàn, độ tin cậy và hiệu suất của các thành phần thép trong các ứng dụng quan trọng như áo giáp quân sự, hệ thống an toàn công nghiệp và các thành phần kết cấu chịu tác động cao.

Trong lĩnh vực luyện kim rộng hơn, sự phân mảnh chiếm một vị trí quan trọng tại giao điểm của cơ học gãy, hành vi vật liệu động và đạn đạo cuối cùng. Nó đại diện cho một khía cạnh chuyên biệt của sự hỏng hóc vật liệu xảy ra cụ thể trong điều kiện tải nhanh, năng lượng cao, phân biệt nó với các quá trình gãy thông thường hơn xảy ra trong tải tĩnh hoặc bán tĩnh.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, sự phân mảnh bắt đầu khi sóng ứng suất lan truyền qua vật liệu, gây ra các nồng độ biến dạng cục bộ vượt quá cường độ kết dính của vật liệu. Các nồng độ biến dạng này thường hình thành tại các khuyết tật vi cấu trúc như tạp chất, ranh giới hạt hoặc các vết nứt nhỏ có từ trước.

Quá trình phân mảnh liên quan đến các tương tác phức tạp giữa sóng đàn hồi, biến dạng dẻo và sự lan truyền vết nứt. Khi ứng suất được áp dụng vượt quá cường độ động của vật liệu, nhiều vị trí bắt đầu vết nứt được kích hoạt đồng thời, tạo ra một mạng lưới các vết nứt lan truyền cuối cùng giao nhau để tạo thành các mảnh rời rạc. Kích thước và sự phân bố của các mảnh này phụ thuộc vào tốc độ biến dạng, trạng thái ứng suất và các đặc điểm cấu trúc vi mô của vật liệu.

Mô hình lý thuyết

Lý thuyết phân mảnh Mott, được NF Mott phát triển trong Thế chiến II, cung cấp khuôn khổ lý thuyết chính để hiểu về phân mảnh động. Lý thuyết này mô tả bản chất thống kê của quá trình hình thành phân mảnh và phân bố kích thước kết quả dựa trên các nguyên tắc cân bằng năng lượng.

Theo truyền thống, hiểu biết về phân mảnh phát triển từ các quan sát thực nghiệm trong các ứng dụng quân sự thành các mô hình tính toán phức tạp. Công trình ban đầu tập trung vào vỏ đạn nổ, trong khi các phương pháp tiếp cận hiện đại kết hợp cơ học gãy tiên tiến và các phương pháp tính toán.

Các phương pháp tiếp cận lý thuyết thay thế bao gồm mô hình Grady-Kipp, nhấn mạnh vào các tiêu chí dựa trên năng lượng để hình thành mảnh vỡ và các mô hình vùng kết dính tập trung vào cơ học vi mô của sự lan truyền vết nứt động. Mỗi phương pháp tiếp cận cung cấp những hiểu biết khác nhau về bản chất phức tạp, đa quy mô của quá trình phân mảnh.

Cơ sở khoa học vật liệu

Hành vi phân mảnh chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi cấu trúc tinh thể, với thép khối lập phương tâm khối (BCC) thường cho thấy các kiểu phân mảnh khác với hợp kim khối lập phương tâm mặt (FCC). Các ranh giới hạt đóng vai trò vừa là điểm bắt đầu vết nứt vừa là rào cản lan truyền vết nứt, tạo ra mối quan hệ phức tạp giữa kích thước hạt và đặc điểm của mảnh vỡ.

Cấu trúc vi mô của thép—bao gồm phân bố pha, hàm lượng tạp chất và lịch sử xử lý trước đó—về cơ bản quyết định phản ứng phân mảnh của nó. Vật liệu có cấu trúc vi mô đồng đều, hạt mịn thường tạo ra các mẫu phân mảnh đồng nhất hơn so với vật liệu có cấu trúc không đồng nhất.

Phân mảnh kết nối với các nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản bao gồm lưu trữ và giải phóng năng lượng biến dạng, lan truyền vết nứt động và dải cắt đoạn nhiệt. Các nguyên lý này giải thích tại sao các vật liệu có vẻ giống nhau có thể biểu hiện các hành vi phân mảnh khác nhau đáng kể trong điều kiện tải giống hệt nhau.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Lý thuyết phân mảnh Mott cung cấp phương trình cơ bản cho phân bố kích thước mảnh vỡ:

$$N(m) = \frac{N_0}{m_0} \exp\left(-\frac{m}{m_0}\right)$$

Trong đó $N(m)$ biểu thị số mảnh vỡ có khối lượng lớn hơn $m$, $N_0$ là tổng số mảnh vỡ và $m_0$ là khối lượng mảnh vỡ trung bình.

Công thức tính toán liên quan

Mô hình Grady-Kipp liên hệ kích thước mảnh vỡ với các đặc tính vật liệu và điều kiện tải:

$$s = \left(\frac{24 \Gamma}{\rho \dot{\varepsilon}^2}\right)^{1/3}$$

Trong đó $s$ là kích thước mảnh vỡ đặc trưng, ​​$\Gamma$ là năng lượng gãy động, $\rho$ là mật độ vật liệu và $\dot{\varepsilon}$ là tốc độ biến dạng.

Năng lượng cần thiết cho quá trình phân mảnh có thể được tính toán bằng cách sử dụng:

$$E_f = \frac{\Gamma A_f}{V}$$

Trong đó $E_f$ là năng lượng phân mảnh riêng, $A_f$ là tổng diện tích bề mặt mới được tạo ra và $V$ là thể tích của vật thể phân mảnh. Công thức này được áp dụng khi phân tích khả năng hấp thụ năng lượng của các cấu trúc bảo vệ hoặc dự đoán vùng nguy hiểm do mảnh vỡ.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các mô hình toán học này thường có giá trị đối với tốc độ biến dạng vượt quá 10³ s⁻¹, trong đó hiệu ứng quán tính chi phối quá trình phân mảnh. Dưới ngưỡng này, cơ học gãy gần tĩnh thường cung cấp các dự đoán chính xác hơn.

Các mô hình giả định các đặc tính vật liệu đồng nhất và phân bố ứng suất đồng đều, điều này có thể không đúng đối với hình học phức tạp hoặc các cấu trúc vi mô không đồng nhất cao. Ngoài ra, hầu hết các mô hình phân mảnh đều bỏ qua các hiệu ứng nhiệt trở nên đáng kể ở tốc độ biến dạng rất cao khi xảy ra quá trình gia nhiệt đoạn nhiệt.

Các công thức này thường cho rằng vật liệu có đặc tính giòn hoặc bán giòn và có thể cần phải sửa đổi đối với thép có độ dẻo cao khi biến dạng dẻo đáng kể xảy ra trước khi phân mảnh.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

• STANAG 4496: Thỏa thuận tiêu chuẩn hóa của NATO về thử nghiệm phân mảnh đạn dược
• MIL-STD-2105D: Tiêu chuẩn quân sự Hoa Kỳ về thử nghiệm đánh giá nguy cơ đối với đạn dược phi hạt nhân
• ISO 14400: Phương pháp thử nghiệm để đo năng lượng va chạm của mảnh vỡ
• ASTM E1820: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để đo độ bền gãy (cung cấp các đặc tính vật liệu cơ bản có liên quan đến sự phân mảnh)

Mỗi tiêu chuẩn đều đề cập đến các khía cạnh cụ thể của thử nghiệm phân mảnh, trong đó STANAG 4496 tập trung vào các thử nghiệm nổ có kiểm soát, MIL-STD-2105D đề cập đến đánh giá an toàn và ISO 14400 đề cập đến phép đo năng lượng tác động của mảnh vỡ.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Kiểm tra phân mảnh thường sử dụng các thử nghiệm đấu trường, trong đó mẫu thử được bao quanh bởi các tấm chắn hoặc phương tiện phục hồi mềm. Máy ảnh tốc độ cao (10.000-1.000.000 khung hình mỗi giây) ghi lại sự kiện phân mảnh, trong khi các hệ thống đo vận tốc như radar Doppler theo dõi tốc độ mảnh vỡ.

Các thử nghiệm này hoạt động theo nguyên tắc đầu vào năng lượng được kiểm soát (thường là nổ hoặc va chạm) sau đó là thu thập và phân tích có hệ thống các mảnh vỡ thu được. Phân bố không gian, khối lượng và vận tốc của các mảnh vỡ cung cấp những hiểu biết quan trọng về hành vi phân mảnh của vật liệu.

Thiết bị tiên tiến bao gồm hệ thống đèn flash tia X có thể ghi lại quá trình phân mảnh trong các vật liệu mờ đục và súng khí chuyên dụng hoặc thanh áp suất Hopkinson tách đôi để nạp đạn có tốc độ biến dạng cao được kiểm soát mà không cần thuốc nổ.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu thử tiêu chuẩn cho các thử nghiệm phân mảnh có kiểm soát thường bao gồm các ống hình trụ có tỷ lệ chiều dài trên đường kính từ 1:1 đến 3:1 và độ dày thành ống đại diện cho ứng dụng dự định.

Các yêu cầu chuẩn bị bề mặt bao gồm việc loại bỏ các khuyết tật bề mặt có thể đóng vai trò là vị trí nứt sớm và đôi khi phải tạo các khía có kiểm soát để nghiên cứu các kiểu phân mảnh cụ thể.

Mẫu vật phải không có ứng suất dư có thể ảnh hưởng đến hành vi phân mảnh, thường cần xử lý nhiệt để giảm ứng suất trước khi thử nghiệm.

Thông số thử nghiệm

Thử nghiệm tiêu chuẩn thường diễn ra ở nhiệt độ phòng (20-25°C), mặc dù các thử nghiệm chuyên biệt có thể đánh giá hiệu suất ở nhiệt độ từ -40°C đến +200°C để mô phỏng các điều kiện dịch vụ khắc nghiệt.

Tốc độ tải trong các thử nghiệm phân mảnh động thường vượt quá 10⁶ MPa/s, với tốc độ biến dạng dao động từ 10³ đến 10⁵ s⁻¹, cao hơn đáng kể so với thử nghiệm cơ học thông thường.

Các thông số quan trọng bao gồm khoảng cách giữa nguồn năng lượng và mẫu thử, điều kiện giới hạn và thời gian chính xác của trình tự tải.

Xử lý dữ liệu

Thu thập dữ liệu chính bao gồm việc thu hồi các mảnh vỡ bằng phương tiện thu giữ mềm (như gelatin, đất sét hoặc bọt), sau đó là thu thập, đếm và cân các mảnh vỡ một cách có hệ thống.

Phân tích thống kê thường bao gồm các hàm phân phối khối lượng tích lũy và biểu đồ kích thước mảnh, với các mô hình phân phối log-normal hoặc hàm mũ phù hợp với dữ liệu thực nghiệm.

Đặc tính cuối cùng bao gồm việc tính toán các số liệu chính như khối lượng mảnh vỡ trung bình, phân bố vận tốc mảnh vỡ và các mô hình mật độ không gian, thường được so sánh với các dự đoán lý thuyết từ các mô hình như phân phối Mott.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi kích thước mảnh vỡ điển hình	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép Giáp (HHS)	5-20mm	Tải nổ, tốc độ biến dạng 10⁵ s⁻¹	MIL-A-12560
Hợp kim thấp cường độ cao	10-50mm	Tải trọng va đập, tốc độ biến dạng 10⁴ s⁻¹	Tiêu chuẩn ASTMA514
Thép công cụ	2-15mm	Tải nổ, tốc độ biến dạng 10⁵ s⁻¹	Tiêu chuẩn ASTMA681
Thép không gỉ Austenitic	15-100mm	Tải trọng va đập, tốc độ biến dạng 10³ s⁻¹	Tiêu chuẩn ASTMA240

Sự khác biệt trong mỗi phân loại chủ yếu bắt nguồn từ sự khác biệt về xử lý nhiệt, hàm lượng tạp chất và kích thước hạt. Hàm lượng cacbon cao hơn và độ cứng lớn hơn thường dẫn đến kích thước mảnh nhỏ hơn nhưng số lượng mảnh cao hơn.

Trong các ứng dụng thực tế, kích thước mảnh vỡ nhỏ hơn thường chỉ ra khả năng hấp thụ năng lượng cao hơn nhưng có khả năng gây nguy hiểm lớn hơn do số lượng mảnh vỡ và vận tốc tăng lên. Các mảnh vỡ lớn hơn thường giữ lại nhiều động năng hơn trên mỗi mảnh vỡ nhưng ít gây ra mối đe dọa va chạm riêng lẻ hơn.

Một xu hướng đáng chú ý giữa các loại thép là vật liệu có độ bền cao hơn thường tạo ra các mảnh nhỏ hơn trong điều kiện tải giống hệt nhau, trong khi vật liệu dẻo hơn có xu hướng tạo ra các mảnh lớn hơn, ít hơn với hình dạng không đều hơn.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư phải tính đến hành vi phân mảnh khi thiết kế hệ thống ngăn chặn, cấu trúc bảo vệ hoặc thiết bị phân mảnh cố ý. Các hệ số an toàn thường nằm trong khoảng từ 2,0 đến 3,0 cho các ứng dụng quan trọng cần ngăn chặn phân mảnh.

Quyết định lựa chọn vật liệu thường liên quan đến việc cân bằng khả năng chống phân mảnh với các đặc tính khác như trọng lượng, chi phí và khả năng chống ăn mòn. Hợp kim niken cao và thép được xử lý đặc biệt với hàm lượng tạp chất được kiểm soát thường mang lại khả năng chống phân mảnh vượt trội nhưng chi phí cao hơn.

Các đặc điểm thiết kế hình học như góc bo tròn, rãnh giảm ứng suất và chuyển đổi độ dày thành được kiểm soát có thể làm giảm đáng kể sự phân mảnh không mong muốn bằng cách giảm thiểu sự tập trung ứng suất.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Trong hệ thống thiết giáp quân sự, hành vi phân mảnh được kiểm soát là rất quan trọng đối với cả đạn dược tấn công và cấu trúc phòng thủ. Các thành phần thép thiết giáp hiện đại được thiết kế đặc biệt để chống phân mảnh khi bị va chạm, đồng thời duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc.

Thiết kế bình chịu áp suất công nghiệp là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng khác, trong đó phải ngăn ngừa sự phân mảnh thảm khốc ngay cả trong điều kiện áp suất quá mức. Các yêu cầu của Bộ luật nồi hơi và bình chịu áp suất ASME đề cập cụ thể đến việc ngăn ngừa sự phân mảnh thông qua các quy tắc lựa chọn vật liệu và thiết kế.

Các ứng dụng bổ sung bao gồm hệ thống an toàn ô tô, trong đó sự biến dạng và phân mảnh có kiểm soát của các thành phần cấu trúc sẽ hấp thụ năng lượng va chạm đồng thời ngăn ngừa việc tạo ra các mảnh vỡ nguy hiểm có thể gây thương tích cho người ngồi trong xe.

Sự đánh đổi về hiệu suất

Khả năng chống phân mảnh thường mâu thuẫn với mục tiêu giảm trọng lượng, tạo ra sự căng thẳng thiết kế cơ bản trong các ứng dụng như thành phần hàng không vũ trụ và thiết bị bảo vệ di động. Các kỹ sư phải cân bằng cẩn thận các mức độ bảo vệ với các yêu cầu về tính di động.

Độ dẻo dai và độ cứng là một sự đánh đổi quan trọng khác, vì độ cứng tăng thường cải thiện khả năng chống mài mòn nhưng có thể thúc đẩy sự phân mảnh giòn khi va chạm. Mối quan hệ này đặc biệt quan trọng trong thép công cụ và các thành phần chống mài mòn.

Các kỹ sư cân bằng những yêu cầu cạnh tranh này thông qua kỹ thuật vi cấu trúc, thường phát triển các vật liệu đa pha kết hợp các pha cứng, chống mài mòn với các ma trận bền hơn có khả năng chống lan truyền vết nứt và phân mảnh.

Phân tích lỗi

Sự hình thành dải cắt đoạn nhiệt là một chế độ hỏng hóc phổ biến dẫn đến phân mảnh trong các ứng dụng có tốc độ biến dạng cao. Các vùng biến dạng cục bộ này hình thành khi quá trình làm mềm nhiệt vượt quá quá trình làm cứng biến dạng, tạo ra các mặt phẳng yếu phát triển thành ranh giới phân mảnh.

Cơ chế phá hủy thường tiến triển từ quá trình hình thành vết nứt ban đầu tại các khuyết tật vi cấu trúc, qua sự lan truyền vết nứt nhanh dọc theo các đường có sức cản ít nhất, đến sự phân nhánh và giao nhau của vết nứt xác định ranh giới mảnh vỡ cuối cùng.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm tinh chỉnh cấu trúc vi mô để phân bổ ứng suất đồng đều hơn, kiểm soát hàm lượng tạp chất để giảm vị trí bắt đầu nứt và các kỹ thuật xử lý bề mặt như phun bi để tạo ứng suất dư nén ức chế sự hình thành vết nứt.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng cacbon ảnh hưởng mạnh đến hành vi phân mảnh, trong đó thép cacbon cao hơn thường tạo ra các mảnh nhỏ hơn, nhiều hơn do độ dẻo giảm và độ cứng tăng.

Các nguyên tố vi lượng như lưu huỳnh và phốt pho có thể làm xấu đi đáng kể đặc tính phân mảnh bằng cách hình thành các pha ranh giới hạt giòn đóng vai trò là đường nứt ưu tiên. Các phương pháp thép sạch hiện đại đặc biệt nhắm mục tiêu vào việc giảm các nguyên tố này để cải thiện khả năng chống phân mảnh.

Tối ưu hóa thành phần thường bao gồm việc cân bằng các nguyên tố tăng cường độ bền (C, Mn, Si) với các nguyên tố bổ sung tăng cường độ dẻo dai (Ni, Mo) để đạt được sự kết hợp mong muốn giữa các tính chất cơ học và khả năng chống phân mảnh.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt mịn hơn thường cải thiện khả năng chống phân mảnh bằng cách cung cấp nhiều rào cản lan truyền vết nứt hơn, mặc dù hạt cực mịn đôi khi có thể làm giảm độ dẻo và thúc đẩy hành vi giòn.

Sự phân bố pha ảnh hưởng đáng kể đến kiểu phân mảnh, trong đó thép đa pha thường biểu hiện hành vi phân mảnh phức tạp vì các vết nứt chủ yếu lan truyền qua các pha hoặc ranh giới pha cụ thể.

Các tạp chất phi kim loại đóng vai trò là chất tập trung ứng suất và điểm bắt đầu nứt, với các tạp chất lớn hơn (>10 μm) đặc biệt có hại cho khả năng chống phân mảnh. Các kỹ thuật luyện thép hiện đại tập trung vào việc giảm thiểu cả kích thước và số lượng của các tạp chất này.

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý nhiệt ảnh hưởng sâu sắc đến hành vi phân mảnh, trong đó thép tôi và ram thường có khả năng chống phân mảnh tốt hơn so với các biến thể được chuẩn hóa hoặc ủ có cùng thành phần.

Các quy trình gia công cơ học như cán hoặc rèn có thể tạo ra kết cấu có lợi và tinh chỉnh hạt giúp cải thiện khả năng chống phân mảnh, với điều kiện ứng suất dư được quản lý hợp lý thông qua quá trình giảm ứng suất tiếp theo.

Tốc độ làm mát trong quá trình xử lý ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình chuyển đổi pha và cấu trúc vi mô tạo ra, trong đó các biện pháp làm mát có kiểm soát thường được sử dụng để tối ưu hóa sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai quyết định hành vi phân mảnh.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến hành vi phân mảnh, với hầu hết các loại thép đều có độ giòn tăng và phân mảnh rộng hơn ở nhiệt độ thấp hơn do khả năng di chuyển vị trí sai lệch và khả năng chịu biến dạng giảm.

Môi trường ăn mòn có thể làm giảm đáng kể đặc tính phân mảnh thông qua các cơ chế như nứt ăn mòn ứng suất hoặc giòn do hydro, tạo ra các mạng lưới vết nứt có sẵn đóng vai trò là ranh giới phân mảnh khi chịu tải trọng tiếp theo.

Các tác động theo thời gian bao gồm hiện tượng giòn do bức xạ trong các ứng dụng hạt nhân và sự khuếch tán hydro trong dịch vụ hydro áp suất cao, cả hai đều có thể làm giảm dần khả năng chống phân mảnh trong suốt vòng đời sử dụng của các thành phần.

Phương pháp cải tiến

Những cải tiến về luyện kim bao gồm hợp kim hóa vi mô với các nguyên tố như vanadi hoặc niobi để tinh chỉnh cấu trúc hạt và bổ sung kim loại đất hiếm để thay đổi hình thái tạp chất từ ​​dạng góc cạnh sang dạng hình cầu nhằm giảm hiệu ứng tập trung ứng suất.

Các phương pháp xử lý bao gồm cán có kiểm soát tiếp theo là làm mát nhanh để phát triển các cấu trúc vi mô được tối ưu hóa và các kỹ thuật xử lý bề mặt như thấm cacbon hoặc thấm nitơ để tạo ra các lớp ứng suất bề mặt nén.

Các chiến lược tối ưu hóa thiết kế bao gồm việc sử dụng các cấu trúc nhiều lớp hoặc composite làm gián đoạn sự lan truyền vết nứt tại các giao diện vật liệu và đưa vào các điểm yếu cố ý để định hướng sự phân mảnh theo các mô hình có thể dự đoán được và ít nguy hiểm hơn.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Sự vỡ vụn mô tả một cơ chế phân mảnh cụ thể trong đó sóng ứng suất phản xạ gây ra vết nứt bên trong và đẩy các mảnh vật liệu ra khỏi bề mặt tự do của một bộ phận, thường được quan sát thấy trong các thí nghiệm va chạm tấm và các tình huống tải nổ.

Độ bền gãy động định lượng khả năng chống lại sự lan truyền vết nứt của vật liệu trong điều kiện tải có tốc độ biến dạng cao, cung cấp một đặc tính vật liệu cơ bản có mối tương quan mạnh mẽ với khả năng chống phân mảnh.

Vận tốc giới hạn đạn đạo biểu thị ngưỡng vận tốc va chạm mà tại đó một viên đạn sẽ xuyên thủng hoàn toàn vật liệu mục tiêu, thường đi kèm với sự phân mảnh của viên đạn, mục tiêu hoặc cả hai.

Các thuật ngữ này được kết nối với nhau thông qua mối quan hệ của chúng với hành vi vật liệu trong điều kiện tải trọng cực độ, trong đó sự phân mảnh đại diện cho chế độ phá hủy cuối cùng khi các quá trình nứt gãy động dẫn đến sự tách rời hoàn toàn vật liệu.

Tiêu chuẩn chính

MIL-STD-662F thiết lập phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để xác định khả năng chống đạn của vật liệu giáp, bao gồm các giao thức để đánh giá đặc tính phân mảnh của cả vật liệu đạn và mục tiêu.

EN 13541 đưa ra các tiêu chuẩn Châu Âu về khả năng chống áp suất nổ và các mối nguy hiểm phân mảnh liên quan của kính an toàn, với các phương pháp thử nghiệm và phân loại hiệu suất cụ thể.

Có sự khác biệt đáng kể giữa các tiêu chuẩn về cách định lượng nguy cơ mảnh vỡ, một số tập trung vào phân bố kích thước mảnh vỡ (NATO STANAG 4496), một số khác tập trung vào khả năng xuyên thủng (MIL-STD-662F) và một số khác nữa tập trung vào tổng số mảnh vỡ và phân bố không gian (nhiều tiêu chuẩn quốc gia khác nhau).

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện nay ngày càng tập trung vào các phương pháp mô hình hóa đa thang độ kết nối các đặc điểm nguyên tử và cấu trúc vi mô với hành vi phân mảnh vĩ mô, cho phép thiết kế vật liệu chính xác hơn cho các ứng dụng cụ thể.

Các công nghệ mới nổi bao gồm chụp cắt lớp vi tính tốc độ cao để trực quan hóa quá trình phân mảnh bên trong theo thời gian thực và các thuật toán học máy dự đoán các kiểu phân mảnh dựa trên thành phần vật liệu và lịch sử xử lý.

Những phát triển trong tương lai có thể bao gồm các vật liệu "được thiết kế theo phương pháp phân mảnh" với các cấu trúc vi mô được thiết kế riêng để kiểm soát kích thước và sự phân bố của các mảnh vỡ, có khả năng bao gồm các vật liệu được phân loại theo chức năng kết hợp độ cứng bề mặt cao với độ dẻo bên trong để tối ưu hóa hiệu suất trong điều kiện va đập.