Tính chất cơ học: Các chỉ số hiệu suất chính trong kỹ thuật thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Tính chất cơ học đề cập đến các đặc điểm của vật liệu mô tả hành vi của nó dưới tác dụng của lực hoặc tải trọng. Các tính chất này xác định cách vật liệu biến dạng, chịu được ứng suất và cuối cùng là hỏng khi chịu các lực cơ học khác nhau như kéo, nén, xoắn hoặc va đập.

Trong khoa học và kỹ thuật vật liệu, các đặc tính cơ học đóng vai trò là thông số quan trọng để lựa chọn vật liệu, tính toán thiết kế và dự đoán hiệu suất. Chúng thiết lập các giới hạn cơ bản về khả năng vận hành của vật liệu và ảnh hưởng trực tiếp đến tính an toàn, độ tin cậy và tuổi thọ của các thành phần được thiết kế.

Trong luyện kim, các đặc tính cơ học chiếm vị trí trung tâm vì chúng đại diện cho biểu hiện thực tế của cấu trúc bên trong kim loại. Chúng thu hẹp khoảng cách giữa các đặc điểm cấu trúc vi mô (kích thước hạt, phân bố pha, mật độ sai lệch) và hiệu suất vĩ mô của các thành phần thép trong các ứng dụng thực tế.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ nguyên tử, các tính chất cơ học phát sinh từ bản chất và sức mạnh của các liên kết giữa các nguyên tử. Khi các lực bên ngoài tác dụng, các liên kết này bị biến dạng, kéo giãn hoặc đứt, tùy thuộc vào độ lớn của ứng suất tác dụng.

Các cơ chế vi mô chi phối các tính chất cơ học trong thép chủ yếu liên quan đến chuyển động lệch qua mạng tinh thể. Lệch là các khuyết tật đường trong cấu trúc tinh thể cho phép biến dạng dẻo bằng cách cho phép các mặt phẳng nguyên tử trượt qua nhau dưới ứng suất, đòi hỏi ít năng lượng hơn nhiều so với việc phá vỡ đồng thời tất cả các liên kết trên một mặt phẳng.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính mô tả hành vi cơ học là mối quan hệ ứng suất-biến dạng, đặc trưng cho cách vật liệu biến dạng dưới tải trọng tác dụng. Mối quan hệ này tạo thành nền tảng để hiểu biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và phá hủy cuối cùng.

Theo lịch sử, hiểu biết về các đặc tính cơ học phát triển từ các quan sát thực nghiệm thành các khuôn khổ lý thuyết. Công trình ban đầu của Robert Hooke (1678) đã thiết lập khái niệm về độ đàn hồi, trong khi những đóng góp sau này của Thomas Young định lượng môđun đàn hồi. Hiểu biết hiện đại kết hợp lý thuyết trật khớp được phát triển vào đầu thế kỷ 20 bởi Taylor, Orowan và Polanyi.

Các phương pháp tiếp cận lý thuyết khác nhau bao gồm cơ học liên tục (xử lý vật liệu như môi trường liên tục), tính dẻo của tinh thể (tập trung vào hệ thống trượt trong vật liệu tinh thể) và cơ học gãy (phân tích sự lan truyền vết nứt). Mỗi phương pháp cung cấp những hiểu biết có giá trị ở các quy mô phân tích khác nhau.

Cơ sở khoa học vật liệu

Tính chất cơ học có liên quan mật thiết đến cấu trúc tinh thể, với cấu trúc lập phương tâm khối (BCC), lập phương tâm mặt (FCC) và cấu trúc lục giác đóng chặt (HCP) thể hiện các hành vi cơ học riêng biệt. Các ranh giới hạt hoạt động như rào cản đối với chuyển động trật khớp, tăng cường vật liệu thông qua mối quan hệ Hall-Petch.

Cấu trúc vi mô của thép—bao gồm các pha có mặt (ferrite, pearlite, martensite, bainite), hình thái và sự phân bố của chúng—về cơ bản quyết định các tính chất cơ học. Ví dụ, martensite có độ bền cao nhưng độ dẻo giảm, trong khi ferrite có độ dẻo tuyệt vời nhưng độ bền thấp hơn.

Các tính chất này liên quan đến các nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản như lý thuyết khuyết tật, chuyển đổi pha và cơ chế tăng cường (tăng cường dung dịch rắn, làm cứng kết tủa, làm cứng bằng thao tác và tinh chỉnh hạt).

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Mối quan hệ ứng suất-biến dạng cơ bản được thể hiện như sau:

$$\sigma = E\varepsilon$$

Trong đó $\sigma$ biểu thị ứng suất (lực trên một đơn vị diện tích, thường tính bằng MPa), $E$ là mô đun Young (độ cứng của vật liệu, tính bằng GPa) và $\varepsilon$ là biến dạng (đơn vị đo biến dạng không có thứ nguyên).

Công thức tính toán liên quan

Giới hạn chảy được xác định bằng phương pháp bù trừ 0,2%:

$$\sigma_{y0.2} = E\varepsilon_{0,002} + \sigma_{0,002}$$

Trong đó $\sigma_{y0.2}$ là giới hạn chảy lệch 0,2%, $\varepsilon_{0.002}$ là độ biến dạng 0,002 (0,2%) và $\sigma_{0.002}$ là ứng suất ở độ biến dạng 0,2%.

Độ bền kéo cực đại (UTS) được tính như sau:

$$\sigma_{UTS} = \frac{F_{max}} {A_0}$$

Trong đó $F_{max}$ là lực lớn nhất tác dụng trước khi gãy và $A_0$ là diện tích mặt cắt ngang ban đầu.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này giả định vật liệu đồng nhất, đẳng hướng trong điều kiện tải đơn trục. Chúng có giá trị trong phạm vi nhiệt độ cụ thể, thường là điều kiện môi trường xung quanh trừ khi có quy định khác.

Mối quan hệ đàn hồi tuyến tính ($\sigma = E\varepsilon$) chỉ có giá trị dưới giới hạn tỷ lệ, sau đó biến dạng dẻo xảy ra và mối quan hệ trở nên không tuyến tính.

Các mô hình này giả định điều kiện tải trọng gần như tĩnh và có thể không thể hiện chính xác hành vi dưới tải trọng động, tốc độ biến dạng cao hoặc nhiệt độ khắc nghiệt.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

• ASTM E8/E8M: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để thử nghiệm độ căng của vật liệu kim loại
• ASTM E9: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn về thử nghiệm nén vật liệu kim loại
• ISO 6892-1: Vật liệu kim loại — Thử kéo — Phương pháp thử ở nhiệt độ phòng
• ASTM E18: Phương pháp thử tiêu chuẩn cho độ cứng Rockwell của vật liệu kim loại
• ASTM E23: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn cho thử nghiệm va đập thanh khía của vật liệu kim loại

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Máy thử nghiệm vạn năng (UTM) là thiết bị chính để thử nghiệm kéo, nén và uốn. Các máy này tác dụng lực được kiểm soát trong khi đo độ dịch chuyển, tạo ra các đường cong ứng suất-biến dạng.

Máy kiểm tra độ cứng (Brinell, Rockwell, Vickers) đo khả năng chống lại vết lõm bằng cách tác dụng lực chuẩn qua đầu ấn và đo kích thước hoặc độ sâu của vết lõm thu được.

Thiết bị tiên tiến bao gồm hệ thống thử nghiệm thủy lực servo để thử nghiệm độ mỏi, máy thử va đập để kiểm tra tính chất động và thiết bị thử nghiệm nhiệt độ cao chuyên dụng để kiểm tra tính chất nhiệt độ cao.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu kéo tiêu chuẩn thường có chiều dài đo gấp bốn lần đường kính đối với các mẫu tròn, với dung sai kích thước chính xác. Đối với các mẫu phẳng, kích thước tiêu chuẩn được chỉ định trong các tiêu chuẩn thử nghiệm có liên quan.

Các yêu cầu chuẩn bị bề mặt bao gồm loại bỏ dấu vết gia công, loại bỏ ba via ở các cạnh và đôi khi đánh bóng để loại bỏ các khuyết tật bề mặt có thể gây ra hỏng hóc sớm.

Mẫu vật phải không có ứng suất dư phát sinh trong quá trình chuẩn bị và phải đại diện cho vật liệu khối đang được xác định.

Thông số thử nghiệm

Thử nghiệm tiêu chuẩn thường được tiến hành ở nhiệt độ phòng (23±5°C) và điều kiện khí quyển bình thường, mặc dù các thử nghiệm chuyên biệt có thể yêu cầu môi trường được kiểm soát.

Tốc độ tải cho thử nghiệm kéo được chuẩn hóa, thường là 0,005 in/in/phút (0,005 mm/mm/phút) để xác định giới hạn chảy và 0,05 in/in/phút (0,05 mm/mm/phút) để xác định giới hạn kéo.

Các thông số quan trọng bao gồm tốc độ biến dạng, nhiệt độ, môi trường (ăn mòn, trơ) và căn chỉnh mẫu để đảm bảo kết quả có thể tái tạo.

Xử lý dữ liệu

Việc thu thập dữ liệu chính bao gồm việc ghi lại liên tục các giá trị lực và chuyển dịch, sau đó được chuyển đổi thành ứng suất và biến dạng bằng cách sử dụng các kích thước mẫu ban đầu.

Các phương pháp thống kê bao gồm tính toán giá trị trung bình và độ lệch chuẩn từ nhiều mẫu vật (thường là 3-5) để tính đến sự thay đổi của vật liệu.

Các giá trị cuối cùng được xác định bằng cách phân tích đường cong ứng suất-biến dạng để xác định các điểm chính như giới hạn tỷ lệ, giới hạn chảy, giới hạn bền kéo cực đại và độ giãn dài khi đứt.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình (YS/UTS)	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép cacbon thấp (AISI 1020)	210-350MPa / 380-520MPa	Nhiệt độ phòng, tốc độ biến dạng chuẩn	Tiêu chuẩn ASTMA370
Thép cacbon trung bình (AISI 1045)	310-650MPa / 565-900MPa	Nhiệt độ phòng, tốc độ biến dạng chuẩn	Tiêu chuẩn ASTMA370
Thép hợp kim (AISI 4140)	655-1000MPa / 900-1200MPa	Nhiệt độ phòng, tốc độ biến dạng chuẩn	Tiêu chuẩn ASTMA370
Thép không gỉ (304)	205-310MPa / 515-620MPa	Nhiệt độ phòng, tốc độ biến dạng chuẩn	Tiêu chuẩn ASTMA370

Sự khác biệt trong mỗi phân loại thép chủ yếu là do sự khác biệt trong xử lý nhiệt, lịch sử chế biến và các biến thể nhỏ về thành phần. Ví dụ, thép 1045 được chuẩn hóa có độ bền thấp hơn thép 1045 được tôi và ram.

Các giá trị này đóng vai trò là hướng dẫn thiết kế chứ không phải là giới hạn tuyệt đối. Các kỹ sư phải xem xét các yếu tố an toàn, tác động môi trường và điều kiện tải khi áp dụng các giá trị này cho các ứng dụng cụ thể.

Trong các loại thép khác nhau, xu hướng chung cho thấy độ bền tăng theo hàm lượng carbon và các nguyên tố hợp kim, thường làm giảm độ dẻo và độ bền.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư kết hợp các đặc tính cơ học vào tính toán thiết kế thông qua phân tích ứng suất, xác định xem ứng suất sử dụng dự kiến ​​có vẫn dưới giới hạn vật liệu cho phép với biên độ an toàn phù hợp hay không.

Hệ số an toàn thường nằm trong khoảng từ 1,5 đến 4 tùy thuộc vào mức độ quan trọng của ứng dụng, trong khi hệ số cao hơn được sử dụng cho các thành phần quan trọng đối với tính mạng hoặc nơi điều kiện tải không chắc chắn.

Quyết định lựa chọn vật liệu cân bằng các tính chất cơ học với chi phí, tính khả dụng, khả năng chế tạo và yêu cầu về khả năng chống chịu với môi trường, thường đòi hỏi sự thỏa hiệp giữa các yếu tố cạnh tranh.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Trong các ứng dụng kết cấu, cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi rất quan trọng để đảm bảo các tòa nhà và cầu duy trì tính toàn vẹn dưới tải trọng tĩnh và động đồng thời giảm thiểu trọng lượng và lượng vật liệu sử dụng.

Các bộ phận ô tô cần có sự kết hợp tối ưu giữa độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống mỏi để đảm bảo an toàn trong khi vẫn giảm trọng lượng để tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải.

Trong ứng dụng bình chịu áp suất, giới hạn chảy quyết định áp suất vận hành tối đa, trong khi độ bền gãy đảm bảo khả năng chống hỏng hóc nghiêm trọng, đặc biệt là khi hoạt động ở nhiệt độ thấp.

Sự đánh đổi về hiệu suất

Độ bền và độ dẻo thường biểu hiện mối quan hệ nghịch đảo trong thép; tăng độ bền thông qua xử lý nhiệt hoặc hợp kim thường làm giảm độ dẻo và khả năng tạo hình.

Độ dẻo dai và độ cứng cũng thể hiện xu hướng đối lập, đòi hỏi các kỹ sư phải cân bằng khả năng chống mài mòn với khả năng chống va đập trong các ứng dụng như dụng cụ cắt và thiết bị khai thác.

Những yêu cầu cạnh tranh này được cân bằng thông qua kỹ thuật vi cấu trúc, xử lý nhiệt chọn lọc hoặc sử dụng các cấu trúc tổng hợp đặt các vật liệu khác nhau một cách chiến lược trong một bộ phận.

Phân tích lỗi

Hỏng hóc do mỏi, đặc trưng bởi sự khởi đầu và lan truyền vết nứt dưới tải trọng tuần hoàn, là một dạng hỏng hóc phổ biến liên quan đến tính chất cơ học, đặc biệt là ở máy móc quay và thiết bị vận chuyển.

Cơ chế phá hủy thường tiến triển từ quá trình hình thành vết nứt ở các điểm tập trung ứng suất, qua sự phát triển vết nứt ổn định với mỗi chu kỳ tải, cho đến sự gãy vỡ nhanh chóng cuối cùng khi mặt cắt ngang còn lại không còn có thể chịu được tải trọng tác dụng.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm thiết kế để giữ ứng suất dưới giới hạn mỏi, cải thiện bề mặt để loại bỏ ứng suất tập trung và đưa ứng suất dư nén vào thông qua phun bi hoặc làm cứng bề mặt.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng carbon về cơ bản quyết định độ bền của thép, cứ mỗi 0,1% carbon tăng thì giới hạn chảy sẽ tăng khoảng 60-70 MPa trong khi độ dẻo lại giảm.

Các nguyên tố vi lượng như phốt pho và lưu huỳnh, ngay cả ở mức phần triệu, cũng có thể làm giảm đáng kể độ dẻo dai bằng cách phân tách thành ranh giới hạt và thúc đẩy gãy giữa các hạt.

Tối ưu hóa thành phần bao gồm việc cân bằng nhiều nguyên tố—mangan để tăng độ cứng, crom để chống ăn mòn, molypden để tăng độ bền nhiệt độ cao—để đạt được các đặc tính cụ thể.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Việc tinh chỉnh kích thước hạt giúp tăng cường độ bền của thép theo mối quan hệ Hall-Petch ($\sigma_y = \sigma_0 + k_y d^{-1/2}$), trong đó các hạt nhỏ hơn tạo ra nhiều rào cản hơn đối với chuyển động sai lệch.

Sự phân bố pha ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất, trong khi martensit có độ bền cao nhưng độ dẻo hạn chế, trong khi austenit giữ lại có thể tăng độ dẻo dai nhưng có thể biến đổi dưới ứng suất, gây ra sự mất ổn định về kích thước.

Các tạp chất phi kim loại đóng vai trò là chất tập trung ứng suất và là điểm khởi đầu vết nứt, đặc biệt ảnh hưởng đến tính chất mỏi và độ bền, khiến việc kiểm soát tạp chất trở nên quan trọng đối với các ứng dụng hiệu suất cao.

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý nhiệt về cơ bản làm thay đổi các tính chất cơ học thông qua các chuyển đổi pha—làm nguội tạo ra martensit bền nhưng giòn, trong khi ram phục hồi độ dẻo nhưng làm giảm độ bền.

Các quy trình gia công cơ học như cán, rèn và kéo giúp thép cứng hơn thông qua quá trình làm cứng và tinh chỉnh hạt, trong đó gia công nguội giúp thép cứng hơn so với gia công nóng.

Tốc độ làm mát trong quá trình xử lý quyết định các cấu trúc vi mô kết quả, trong đó làm mát nhanh thúc đẩy sự hình thành martensit và làm mát chậm cho phép hình thành các pha cân bằng như ferit và perlit.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cơ học, trong đó giới hạn chảy thường giảm và độ dẻo tăng ở nhiệt độ cao, trong khi nhiệt độ thấp có thể làm giảm đáng kể độ dẻo dai ở một số loại thép.

Môi trường ăn mòn có thể gây ra nứt ăn mòn ứng suất khi ứng suất cơ học kết hợp với chất ăn mòn cụ thể, làm giảm đáng kể cường độ hiệu dụng xuống dưới giá trị thiết kế.

Các hiệu ứng phụ thuộc thời gian bao gồm hiện tượng biến dạng (biến dạng tiến triển dưới ứng suất không đổi) ở nhiệt độ cao và hiện tượng lão hóa do biến dạng (thay đổi tính chất dần dần do tương tác giữa chất tan và vị trí sai lệch) ở nhiệt độ môi trường.

Phương pháp cải tiến

Quá trình làm cứng kết tủa đưa vào các hạt nano có tác dụng cản trở chuyển động sai lệch, làm tăng đáng kể độ bền với mức giảm độ dẻo tối thiểu, như đã chứng minh trong thép maraging và thép HSLA.

Quá trình xử lý nhiệt cơ kết hợp biến dạng có kiểm soát và xử lý nhiệt để tối ưu hóa cấu trúc hạt và mật độ sai lệch, tạo ra sự kết hợp vượt trội về độ bền và độ dẻo dai.

Tối ưu hóa thiết kế bao gồm phân bổ lại ứng suất thông qua các đặc điểm hình học, gia cố có chọn lọc các khu vực có ứng suất cao và tránh các góc nhọn tập trung ứng suất và gây ra các vết nứt.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Độ bền gãy định lượng khả năng chống lại sự lan truyền vết nứt của vật liệu, được đo bằng hệ số cường độ ứng suất tới hạn (KIC) hoặc tích phân J, và rất cần thiết để ngăn ngừa hư hỏng giòn.

Độ bền mỏi biểu thị khả năng chịu tải trọng tuần hoàn của vật liệu mà không bị hỏng, thường được thể hiện dưới dạng đường cong SN liên quan đến biên độ ứng suất theo chu kỳ đến khi hỏng.

Sự cứng hóa do biến dạng (sự cứng hóa do làm việc) mô tả hiện tượng vật liệu trở nên cứng hơn khi bị biến dạng dẻo, do mật độ sai lệch và tương tác tăng lên.

Tiêu chuẩn chính

ASTM A370 "Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn và định nghĩa cho thử nghiệm cơ học của sản phẩm thép" cung cấp các quy trình thử nghiệm toàn diện để xác định các đặc tính cơ học của các sản phẩm thép ở nhiều dạng khác nhau.

EN 10002 "Vật liệu kim loại - Thử kéo" là tiêu chuẩn Châu Âu về thử kéo, có một số khác biệt nhỏ về mặt phương pháp so với tiêu chuẩn ASTM trong các lĩnh vực như xác định giới hạn chảy.

JIS Z 2241 "Phương pháp thử kéo vật liệu kim loại" là tiêu chuẩn của Nhật Bản, đặc biệt chú trọng đến các quy trình thử nghiệm phù hợp với thép cường độ cao được phát triển cho các ứng dụng ô tô và xây dựng.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc phát triển thép cường độ cao với khả năng định hình được cải thiện thông qua kỹ thuật vi cấu trúc, đặc biệt là cơ chế TRIP (Độ dẻo do biến đổi) và TWIP (Độ dẻo do kết tinh).

Các công nghệ mới nổi bao gồm tương quan hình ảnh kỹ thuật số để lập bản đồ biến dạng toàn trường trong quá trình thử nghiệm và các phương pháp sàng lọc tính chất cơ học thông lượng cao để phát triển hợp kim nhanh hơn.

Những phát triển trong tương lai có thể sẽ nhấn mạnh vào mô hình dự đoán các tính chất cơ học từ các thông số thành phần và chế biến, giảm yêu cầu thử nghiệm thực nghiệm và cho phép thiết kế hợp kim tính toán cho các cấu hình tính chất mục tiêu.