Ứng suất trong thép: Lực cơ học, Đo lường và Tính toàn vẹn của cấu trúc

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Ứng suất là sức cản bên trong hoặc phản ứng của vật liệu đối với các lực bên ngoài, được định lượng là lực trên một đơn vị diện tích. Nó biểu thị cường độ của các lực bên trong tác động bên trong một vật thể biến dạng để đáp ứng với các tải trọng được áp dụng. Trong khoa học và kỹ thuật vật liệu, ứng suất là một tham số cơ bản xác định hành vi của vật liệu trong điều kiện tải trọng và khả năng chịu lực mà không bị hỏng.

Phân tích ứng suất tạo thành nền tảng của thiết kế cơ khí và đánh giá tính toàn vẹn của cấu trúc trong các ứng dụng luyện kim. Nó cho phép các kỹ sư dự đoán hành vi vật liệu, ngăn ngừa hỏng hóc và tối ưu hóa thiết kế cho các điều kiện tải cụ thể. Khái niệm này kết nối khoa học vật liệu lý thuyết với các ứng dụng kỹ thuật thực tế.

Trong luyện kim, ứng suất chiếm vị trí trung tâm kết nối các tính chất cơ học, đặc điểm cấu trúc vi mô và các thông số xử lý. Nó đóng vai trò là liên kết quan trọng giữa cấu trúc nguyên tử của vật liệu và hiệu suất vĩ mô của vật liệu, ảnh hưởng đến mọi thứ từ thiết kế thành phần đến lựa chọn vật liệu và lộ trình xử lý.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ nguyên tử, ứng suất biểu hiện dưới dạng nhiễu loạn trong khoảng cách giữa các nguyên tử và lực liên kết. Khi các lực bên ngoài tác dụng vào vật liệu, các nguyên tử bị dịch chuyển khỏi vị trí cân bằng của chúng, tạo ra các lực giữa các nguyên tử chống lại sự dịch chuyển này. Các lực cản ở cấp độ nguyên tử này biểu hiện chung dưới dạng ứng suất vĩ mô.

Trong vật liệu thép, sự truyền ứng suất xảy ra thông qua mạng tinh thể kim loại, với các vị trí sai lệch đóng vai trò quan trọng trong quá trình biến dạng. Dưới ứng suất đủ lớn, các vị trí sai lệch di chuyển qua cấu trúc tinh thể, cho phép biến dạng dẻo xảy ra. Khả năng chống lại chuyển động sai lệch quyết định phần lớn các đặc tính về độ bền của thép.

Sự phân bố ứng suất trong vật liệu hiếm khi đồng đều ở cấp độ vi mô. Sự tập trung ứng suất xảy ra ở các đặc điểm cấu trúc vi mô như ranh giới hạt, giao diện pha và xung quanh các tạp chất hoặc khuyết tật, thường trở thành điểm khởi đầu cho sự hỏng hóc của vật liệu.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính cho phân tích ứng suất là lý thuyết đàn hồi tuyến tính, giả định tính tỷ lệ giữa ứng suất và biến dạng trong giới hạn đàn hồi. Khung này, được phát triển chủ yếu vào thế kỷ 19 bởi các nhà khoa học như Hooke, Cauchy và Navier, cung cấp nền tảng cho phân tích ứng suất hiện đại.

Hiểu biết lịch sử về ứng suất phát triển từ các khái niệm căng thẳng đơn giản thành các biểu diễn tenxơ ba chiều toàn diện. Các kỹ sư đầu tiên như Galileo đã nghiên cứu sức bền vật liệu, nhưng mãi đến những đóng góp của Cauchy vào những năm 1820 thì ứng suất mới được định nghĩa chính thức là một đại lượng tenxơ toán học.

Các phương pháp tiếp cận lý thuyết thay thế bao gồm các mô hình đàn hồi phi tuyến tính cho biến dạng lớn, các lý thuyết đàn hồi nhớt cho hành vi phụ thuộc thời gian và các lý thuyết dẻo giải quyết biến dạng vĩnh viễn. Mỗi phương pháp tiếp cận đều có lợi thế cho các hành vi vật liệu và điều kiện tải cụ thể.

Cơ sở khoa học vật liệu

Phản ứng ứng suất trong thép có liên quan mật thiết đến cấu trúc tinh thể của chúng, với mạng lập phương tâm khối (BCC) và mạng lập phương tâm mặt (FCC) thể hiện các hành vi ứng suất-biến dạng khác nhau. Các ranh giới hạt đóng vai trò là rào cản đối với chuyển động trật khớp, góp phần tăng cường cơ chế và ảnh hưởng đến sự phân bố ứng suất.

Cấu trúc vi mô của thép—bao gồm các pha có mặt, kích thước hạt và sự phân bố kết tủa—ảnh hưởng trực tiếp đến phản ứng ứng suất của nó. Các cấu trúc martensitic thường có độ bền cao nhưng độ dẻo hạn chế, trong khi các cấu trúc ferritic có độ bền thấp hơn với độ dẻo lớn hơn dưới ứng suất.

Các nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản như gia cường Hall-Petch (liên quan đến giới hạn chảy với kích thước hạt) và gia cường dung dịch rắn chứng minh cách các đặc điểm cấu trúc vi mô xác định phản ứng của vật liệu với ứng suất tác dụng. Các nguyên lý này hướng dẫn thiết kế hợp kim và các tuyến đường xử lý để đạt được khả năng xử lý ứng suất mong muốn.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Định nghĩa cơ bản của căng thẳng được diễn đạt như sau:

$$\sigma = \frac{F}{A}$$

Ở đâu:
- $\sigma$ (sigma) biểu thị ứng suất, thường được đo bằng pascal (Pa) hoặc megapascal (MPa)
- $F$ là lực tác dụng tính bằng newton (N)
- $A$ là diện tích mặt cắt vuông góc với lực tính bằng mét vuông (m²)

Công thức tính toán liên quan

Đối với trạng thái ứng suất ba chiều, tenxơ ứng suất được biểu diễn như sau:

$$\sigma_{ij} = \begin{bmatrix}
\sigma_{xx} & \tau_{xy} & \tau_{xz} \
\tau_{yx} & \sigma_{yy} & \tau_{yz} \
\tau_{zx} & \tau_{zy} & \sigma_{zz}
\end{ma trận}$$

Trong đó các thành phần ứng suất pháp tuyến được ký hiệu là $\sigma$ và các thành phần ứng suất cắt được ký hiệu là $\tau$.

Ứng suất chính có thể được tính toán bằng phương trình đặc trưng:

$$\sigma^3 - I_1\sigma^2 + I_2\sigma - I_3 = 0$$

Trong đó $I_1$, $I_2$ và $I_3$ là các bất biến ứng suất không phụ thuộc vào hệ tọa độ.

Ứng suất tương đương của Von Mises, thường được sử dụng cho tiêu chuẩn năng suất, được tính như sau:

$$\sigma_{VM} = \sqrt{\frac{1}{2}$$(\sigma_1-\sigma_2)^2 + (\sigma_2-\sigma_3)^2 + (\sigma_3-\sigma_1)^2$$}$$

Trong đó $\sigma_1$, $\sigma_2$ và $\sigma_3$ là ứng suất chính.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này giả định tính liên tục của vật liệu và có giá trị đối với các biến dạng nhỏ khi áp dụng độ đàn hồi tuyến tính. Ngoài giới hạn đàn hồi, cần có các mô hình cấu thành phức tạp hơn để tính đến biến dạng dẻo.

Công thức ứng suất đơn giản ($\sigma = F/A$) giả định phân phối ứng suất đồng đều và chỉ có giá trị đối với tải trọng trục thuần túy của các thành phần lăng trụ. Đối với hình học phức tạp hoặc điều kiện tải trọng, cần có các phương pháp số như phân tích phần tử hữu hạn.

Tất cả các mô hình toán học này đều giả định các điều kiện đẳng nhiệt và hành vi không phụ thuộc vào tốc độ. Ở nhiệt độ cao hoặc tốc độ biến dạng cao, các điều khoản bổ sung tính đến hiệu ứng nhiệt và độ nhạy tốc độ biến dạng phải được kết hợp.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

ASTM E8/E8M: Phương pháp thử tiêu chuẩn để kiểm tra độ bền kéo của vật liệu kim loại, bao gồm các quy trình xác định giới hạn chảy, độ bền kéo và mối quan hệ ứng suất-biến dạng.

ISO 6892-1: Vật liệu kim loại — Thử kéo — Phần 1: Phương pháp thử ở nhiệt độ phòng, cung cấp các quy trình được công nhận trên toàn thế giới để xác định tính chất liên quan đến ứng suất.

ASTM E9: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn về thử nghiệm nén vật liệu kim loại ở nhiệt độ phòng, đề cập đến các phương pháp thử nghiệm ứng suất nén.

ASTM E466: Thực hành tiêu chuẩn để tiến hành thử nghiệm mỏi trục biên độ không đổi có kiểm soát lực của vật liệu kim loại, bao gồm các quy trình thử nghiệm ứng suất tuần hoàn.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Máy kiểm tra vạn năng (UTM) là thiết bị chính để đo ứng suất, áp dụng lực được kiểm soát trong khi đo độ dịch chuyển. Các hệ thống hiện đại kết hợp các cảm biến lực để đo lực và máy đo độ giãn dài để xác định độ biến dạng chính xác.

Máy đo ứng suất hoạt động theo nguyên lý điện trở thay đổi theo ứng suất tác dụng, cho phép đo ứng suất gián tiếp khi biết được đặc tính vật liệu. Chúng có thể được áp dụng trực tiếp vào các thành phần đang sử dụng.

Các kỹ thuật tiên tiến bao gồm tương quan hình ảnh kỹ thuật số (DIC), theo dõi các mẫu bề mặt để lập bản đồ phân bố ứng suất toàn trường và các phương pháp nhiễu xạ tia X để đo những thay đổi khoảng cách mạng tinh thể nhằm xác định ứng suất dư.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu kéo tiêu chuẩn thường có phần đo giảm với các kích thước được chỉ định theo tiêu chuẩn thử nghiệm—thường là đường kính 12,5 mm đối với mẫu tròn hoặc mặt cắt ngang 40 mm × 12,5 mm đối với mẫu phẳng.

Yêu cầu chuẩn bị bề mặt bao gồm loại bỏ các vết gia công, loại bỏ gờ ở các cạnh và đôi khi đánh bóng để ngăn ngừa hỏng sớm do các khuyết tật bề mặt. Độ nhám bề mặt thường phải là Ra ≤ 0,8μm để thử nghiệm chính xác.

Mẫu vật phải không có ứng suất dư có thể ảnh hưởng đến phép đo, thường yêu cầu xử lý nhiệt giảm ứng suất trước khi thử nghiệm. Các dấu hiệu nhận dạng phải được đặt bên ngoài chiều dài đo để ngăn ngừa sự tập trung ứng suất.

Thông số thử nghiệm

Kiểm tra tiêu chuẩn thường được tiến hành ở nhiệt độ phòng (23 ± 5°C) và điều kiện khí quyển bình thường. Đối với các ứng dụng chuyên biệt, kiểm tra có thể diễn ra ở nhiệt độ cao hoặc trong môi trường được kiểm soát.

Tốc độ tải cho thử nghiệm bán tĩnh được chuẩn hóa, thường là tốc độ biến dạng 0,001-0,008 phút⁻¹ cho vùng đàn hồi và 0,05-0,5 phút⁻¹ cho vùng dẻo. Các tốc độ này đảm bảo các hiệu ứng phụ thuộc vào thời gian được giảm thiểu.

Các thông số bổ sung bao gồm các điều kiện tải trước (thường là 2-5% tải trọng tối đa dự kiến), tần suất thu thập dữ liệu và dung sai căn chỉnh tay cầm (thường trong vòng 0,25° để tránh ứng suất uốn).

Xử lý dữ liệu

Thu thập dữ liệu chính bao gồm việc ghi lại liên tục các giá trị lực và chuyển dịch hoặc biến dạng trong suốt quá trình thử nghiệm. Các hệ thống hiện đại thường lấy mẫu ở tần số 10-100 Hz với độ phân giải 16 bit hoặc cao hơn.

Phân tích thống kê bao gồm tính toán giá trị trung bình và độ lệch chuẩn từ nhiều mẫu (thường là 3-5 mẫu). Phát hiện và loại bỏ giá trị ngoại lệ tuân theo các quy trình được chỉ định trong các tiêu chuẩn như ASTM E178.

Giá trị ứng suất cuối cùng được tính bằng cách chia lực cho diện tích mặt cắt ngang ban đầu (ứng suất kỹ thuật) hoặc diện tích tức thời (ứng suất thực). Đường cong ứng suất-biến dạng được tạo ra và các điểm chính (giới hạn chảy, giới hạn cuối cùng) được xác định bằng các phương pháp chuẩn hóa.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình (MPa)	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép cacbon thấp (AISI 1020)	Năng suất: 210-350, Tối đa: 380-520	Nhiệt độ phòng, bán tĩnh	Tiêu chuẩn ASTMA370
Thép cacbon trung bình (AISI 1045)	Năng suất: 310-650, Tối đa: 565-850	Nhiệt độ phòng, bán tĩnh	Tiêu chuẩn ASTMA370
Thép hợp kim (AISI 4140)	Năng suất: 655-1000, Tối đa: 900-1200	Nhiệt độ phòng, đã làm nguội và tôi luyện	Tiêu chuẩn ASTMA370
Thép không gỉ (304)	Năng suất: 205-310, Tối đa: 515-620	Nhiệt độ phòng, ủ	Tiêu chuẩn ASTMA370

Sự khác biệt trong mỗi phân loại chủ yếu là do sự khác biệt trong xử lý nhiệt, lịch sử xử lý và sự khác biệt nhỏ về thành phần. Làm nguội làm tăng đáng kể độ bền kéo, trong khi ủ làm giảm độ bền kéo.

Khi diễn giải các giá trị này cho các ứng dụng, các kỹ sư phải xem xét rằng các mẫu thử nghiệm tiêu chuẩn đại diện cho các điều kiện lý tưởng. Các thành phần thực tế có thể trải qua các trạng thái ứng suất đa trục, tập trung ứng suất và các yếu tố môi trường không được ghi lại trong các thử nghiệm tiêu chuẩn.

Xu hướng rõ ràng trên các loại thép cho thấy việc tăng hàm lượng carbon thường làm tăng giá trị độ bền, trong khi các nguyên tố hợp kim như crom, niken và molypden cho phép kết hợp các tính chất cụ thể thông qua phản ứng xử lý nhiệt.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư thường áp dụng các hệ số an toàn trong khoảng từ 1,5 cho các ứng dụng tĩnh được hiểu rõ đến 3,0 hoặc cao hơn cho các ứng dụng động hoặc quan trọng. Các yếu tố này tính đến sự không chắc chắn trong tải, đặc tính vật liệu và phương pháp phân tích.

Quyết định lựa chọn vật liệu cân bằng khả năng xử lý ứng suất với các hạn chế về trọng lượng, chi phí và khả năng sản xuất. Thép cường độ cao có thể xử lý ứng suất lớn hơn nhưng thường có độ dẻo giảm hoặc chi phí tăng.

Các phương pháp thiết kế bao gồm thiết kế ứng suất làm việc (duy trì ứng suất dưới giới hạn cho phép) và thiết kế trạng thái giới hạn (đảm bảo biên độ thích hợp chống lại các chế độ hỏng hóc đã xác định). Các phương pháp tính toán hiện đại cho phép tối ưu hóa phân phối vật liệu để quản lý ứng suất hiệu quả.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Trong các thành phần kết cấu ô tô, quản lý ứng suất là rất quan trọng đối với hiệu suất va chạm và độ bền. Thép cường độ cao cho phép giảm trọng lượng trong khi vẫn duy trì khả năng hấp thụ năng lượng va chạm thông qua biến dạng có kiểm soát dưới ứng suất.

Các ứng dụng cơ sở hạ tầng như cầu đòi hỏi thép có thể chịu được tải trọng tĩnh, tải trọng giao thông động và ứng suất môi trường cùng lúc. Hiệu suất chịu mỏi dưới ứng suất tuần hoàn trở nên đặc biệt quan trọng đối với các cấu trúc có tuổi thọ dài này.

Các ứng dụng bình chịu áp suất đòi hỏi phải phân tích ứng suất chính xác để ngăn ngừa hỏng hóc thảm khốc. Quy định về nồi hơi và bình chịu áp suất ASME cung cấp các giới hạn ứng suất cụ thể và phương pháp thiết kế dựa trên thử nghiệm mở rộng và kinh nghiệm thực tế.

Sự đánh đổi về hiệu suất

Tăng cường độ bền kéo thường làm giảm độ dẻo, tạo ra sự đánh đổi cơ bản giữa khả năng chịu ứng suất và khả năng tạo hình. Mối quan hệ này đòi hỏi phải lựa chọn vật liệu cẩn thận dựa trên việc liệu một thành phần chủ yếu phải chống biến dạng hay hấp thụ năng lượng.

Khả năng chịu ứng suất thường xung đột với mục tiêu giảm trọng lượng, đặc biệt là trong các ứng dụng vận chuyển. Vật liệu có độ bền cao hơn cho phép các phần mỏng hơn nhưng có thể gây ra những thách thức liên quan đến phương pháp uốn cong, rung động hoặc ghép nối.

Các kỹ sư cân bằng các yêu cầu cạnh tranh này thông qua các kỹ thuật như gia cố chọn lọc, vật liệu gradient hoặc thiết kế lai. Ví dụ, thân xe ô tô hiện đại sử dụng các loại thép khác nhau được bố trí một cách chiến lược để tối ưu hóa cả hiệu suất va chạm và trọng lượng.

Phân tích lỗi

Hỏng do mỏi là một chế độ hỏng liên quan đến ứng suất phổ biến, trong đó ứng suất tuần hoàn dưới giới hạn chảy gây ra sự phát triển vết nứt dần dần. Nó thường bắt đầu tại các điểm tập trung ứng suất và lan truyền cho đến khi xảy ra gãy cuối cùng.

Cơ chế này bao gồm quá trình hình thành vết nứt ban đầu (thường ở các khuyết tật hoặc tạp chất trên bề mặt), sau đó là sự phát triển vết nứt ổn định với mỗi chu kỳ ứng suất và cuối cùng là gãy nhanh khi mặt cắt ngang còn lại không thể chịu được tải trọng tác dụng.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm thiết kế để giảm sự tập trung ứng suất (tăng bán kính góc lượn, loại bỏ các góc sắc), xử lý bề mặt để tạo ra ứng suất nén dư (bắn bi, thấm nitơ) và lựa chọn vật liệu có khả năng chống mỏi cao hơn.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng carbon là yếu tố thành phần chính ảnh hưởng đến phản ứng ứng suất trong thép, với mức carbon cao hơn làm tăng độ bền nhưng làm giảm độ dẻo. Mỗi lần tăng 0,1% carbon thường làm tăng giới hạn chảy thêm 50-80 MPa.

Các nguyên tố vi lượng như phốt pho và lưu huỳnh có thể tác động đáng kể đến các đặc tính liên quan đến ứng suất, đặc biệt là hành vi gãy. Sản xuất thép hiện đại nhằm mục đích giảm thiểu các nguyên tố này để cải thiện độ dẻo dai dưới ứng suất.

Tối ưu hóa thành phần thường liên quan đến việc cân bằng nhiều yếu tố để đạt được các kết hợp tính chất cụ thể. Ví dụ, thép HSLA (Hợp kim thấp cường độ cao) sử dụng các nguyên tố hợp kim vi mô như niobi, vanadi và titan với số lượng chính xác để tăng cường độ mà không làm giảm khả năng hàn.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt ảnh hưởng mạnh đến giới hạn chảy theo mối quan hệ Hall-Petch: $\sigma_y = \sigma_0 + k_y d^{-1/2}$, trong đó $d$ là đường kính hạt. Các hạt mịn hơn cung cấp nhiều ranh giới hạt hơn để cản trở chuyển động trật khớp, tăng khả năng chống lại ứng suất.

Phân bố pha ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng ứng suất, với các pha cứng như martensite cung cấp độ bền trong khi các pha mềm như ferrite góp phần tạo độ dẻo. Thép hai pha tận dụng mối quan hệ này để đạt được hành vi ứng suất-biến dạng được tối ưu hóa.

Các tạp chất và khuyết tật đóng vai trò là chất tập trung ứng suất, có khả năng làm giảm cường độ hiệu dụng từ 30-50% so với giá trị lý thuyết. Các quy trình sản xuất thép sạch hiện đại tập trung vào việc giảm thiểu các đặc điểm này để cải thiện khả năng xử lý ứng suất.

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý nhiệt ảnh hưởng sâu sắc đến phản ứng ứng suất, trong đó quá trình tôi và tôi luyện thường mang lại sự kết hợp tốt nhất giữa độ bền và độ dẻo dai. Nhiệt độ tôi luyện kiểm soát trực tiếp sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo.

Các quy trình gia công cơ học như cán, rèn hoặc kéo tạo ra tính chất làm cứng và định hướng. Gia công nguội có thể tăng giới hạn chảy từ 30-100% nhưng làm giảm độ dẻo theo tỷ lệ.

Tốc độ làm mát trong quá trình xử lý quyết định các cấu trúc vi mô kết quả và do đó là khả năng xử lý ứng suất. Làm mát nhanh thúc đẩy sự hình thành martensite và độ bền cao hơn, trong khi làm mát chậm hơn cho phép hình thành các pha mềm hơn như ferrite và perlite.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến hành vi ứng suất, với độ bền kéo thường giảm 5-10% cho mỗi lần tăng 100°C. Ở nhiệt độ cao, biến dạng theo thời gian (biến dạng kéo dài) trở thành yếu tố kiểm soát thay vì ứng suất tức thời.

Môi trường ăn mòn có thể làm giảm đáng kể khả năng chịu ứng suất thông qua các cơ chế như nứt ăn mòn ứng suất, trong đó ứng suất tương đối thấp có thể gây ra hỏng hóc trong các kết hợp vật liệu-môi trường cụ thể.

Giòn do hydro là hiệu ứng môi trường phụ thuộc vào thời gian, trong đó các nguyên tử hydro khuếch tán vào thép, làm giảm độ bền kết dính giữa các nguyên tử và gây ra hỏng hóc sớm ở ứng suất thấp hơn nhiều so với giới hạn chảy bình thường.

Phương pháp cải tiến

Cải tiến luyện kim bao gồm quá trình làm cứng kết tủa, trong đó các hạt nano cản trở chuyển động trật khớp, tăng khả năng chống ứng suất. Thép HSLA hiện đại sử dụng cơ chế này để đạt được độ bền kéo vượt quá 700 MPa.

Các phương pháp tiếp cận dựa trên chế biến bao gồm chế biến có kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP), kết hợp cán có kiểm soát và làm mát để tinh chỉnh cấu trúc hạt. Kỹ thuật này có thể tăng cường độ bền kéo lên 20-30% trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai tốt.

Các kỹ thuật tối ưu hóa thiết kế như tối ưu hóa cấu trúc phân phối lại vật liệu để giảm thiểu sự tập trung ứng suất. Phân tích phần tử hữu hạn cho phép các kỹ sư xác định và xử lý các vùng ứng suất cao trước khi tạo mẫu vật lý.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Biến dạng là phản ứng biến dạng hình học đối với ứng suất, được đo bằng sự thay đổi kích thước trên một đơn vị kích thước. Mối quan hệ ứng suất-biến dạng xác định hành vi cơ học của vật liệu và đóng vai trò là nền tảng để xác định tính chất cơ học.

Độ đàn hồi mô tả khả năng vật liệu trở lại kích thước ban đầu khi ứng suất được loại bỏ. Giới hạn đàn hồi xác định ứng suất tối đa mà vật liệu có thể chịu được mà không bị biến dạng vĩnh viễn.

Giới hạn chảy biểu thị ứng suất mà vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo, trong khi độ bền kéo cực đại biểu thị ứng suất tối đa mà vật liệu có thể chịu được trước khi bị hỏng. Các đặc tính này bắt nguồn từ mối quan hệ ứng suất-biến dạng.

Mối quan hệ giữa các thuật ngữ này được thể hiện trong Định luật Hooke cho vùng đàn hồi: $\sigma = E\varepsilon$, trong đó $E$ là mô đun Young, biểu diễn độ cứng của vật liệu.

Tiêu chuẩn chính

ASTM A370: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn và định nghĩa để thử nghiệm cơ học các sản phẩm thép, cung cấp các quy trình toàn diện để xác định các đặc tính liên quan đến ứng suất của các sản phẩm thép trên nhiều dạng và ứng dụng khác nhau.

EN 10002: Vật liệu kim loại - Thử kéo, là tiêu chuẩn Châu Âu về thử nghiệm ứng suất, có một số khác biệt nhỏ về mặt quy trình so với phương pháp ASTM nhưng nhìn chung vẫn cho kết quả tương đương.

Tiêu chuẩn ISO 6892 khác với ASTM chủ yếu ở kích thước mẫu và thông số kỹ thuật về tốc độ biến dạng, đòi hỏi phải cân nhắc cẩn thận khi so sánh kết quả thử nghiệm quốc tế.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc phát triển thép cường độ cao tiên tiến (AHSS) với các đặc tính ứng suất-biến dạng được cải thiện, đặc biệt là AHSS thế hệ thứ ba với sự kết hợp độ bền-dẻo trước đây không thể đạt được.

Các công nghệ mới nổi bao gồm các kỹ thuật đo ứng suất toàn trường, không tiếp xúc như tương quan hình ảnh kỹ thuật số và phân tích phát xạ âm thanh, cho phép hiểu rõ hơn về sự phân bố ứng suất trong các thành phần phức tạp.

Những phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc tăng cường tích hợp mô hình cấu trúc vi mô với phân tích ứng suất, cho phép dự đoán hành vi cơ học dựa trên các thông số xử lý và thành phần hóa học. Phương pháp kỹ thuật vật liệu tính toán này hứa hẹn sẽ đẩy nhanh quá trình phát triển các vật liệu phù hợp cho các điều kiện ứng suất cụ thể.