Độ bền của thép: Khả năng hấp thụ năng lượng và khả năng chống gãy

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Độ dai là khả năng hấp thụ năng lượng và biến dạng dẻo của vật liệu mà không bị gãy. Nó biểu thị tổng năng lượng trên một đơn vị thể tích mà vật liệu có thể hấp thụ trước khi gãy, kết hợp cả đặc tính bền và dẻo. Đặc tính cơ học này rất quan trọng trong các ứng dụng kỹ thuật, trong đó vật liệu phải chịu được tải trọng va đập hoặc hấp thụ năng lượng trong quá trình biến dạng.

Trong luyện kim, độ dẻo dai đóng vai trò quan trọng vì nó kết nối nhiều đặc tính cơ bản. Không giống như độ cứng hoặc độ bền biểu thị khả năng chống biến dạng, độ dẻo dai đặc trưng cho phản ứng của vật liệu đối với tải trọng động và khả năng chống lại sự lan truyền vết nứt. Đặc tính này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng thép, nơi mà sự hỏng hóc đột ngột có thể dẫn đến hậu quả thảm khốc.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, độ dẻo dai thể hiện qua khả năng ngăn cản sự lan truyền vết nứt của vật liệu. Khi vết nứt hình thành, sự tập trung ứng suất tại đầu vết nứt có thể được giải tỏa thông qua biến dạng dẻo, làm cùn vết nứt và ngăn chặn sự phát triển của nó. Quá trình này bao gồm chuyển động trật khớp, kích hoạt mặt phẳng trượt và tiêu tán năng lượng thông qua công việc dẻo.

Các cơ chế vi mô chi phối độ dẻo dai trong thép bao gồm các chồng chéo trật khớp, tính dẻo đầu vết nứt và các rào cản vi cấu trúc đối với sự lan truyền vết nứt. Các rào cản này bao gồm ranh giới hạt, giao diện pha và các chất kết tủa có thể làm chệch hướng các vết nứt hoặc buộc chúng phải đi theo các đường quanh co hơn, do đó làm tăng khả năng hấp thụ năng lượng trước khi phá hủy.

Mô hình lý thuyết

Lý thuyết Griffith hình thành nền tảng lý thuyết chính để hiểu về độ bền, đặc biệt là độ bền gãy. Được AA Griffith phát triển vào năm 1920, lý thuyết này liên hệ sự phá hủy vật liệu với sự cân bằng năng lượng giữa giải phóng năng lượng biến dạng và tạo ra năng lượng bề mặt trong quá trình lan truyền vết nứt.

Hiểu biết lịch sử đã phát triển đáng kể với sự điều chỉnh của Irwin đối với lý thuyết của Griffith vào những năm 1950, giới thiệu khái niệm về hệ số cường độ ứng suất (K) và tính đến biến dạng dẻo ở đầu vết nứt. Phương pháp tích phân J sau đó được Rice phát triển đã cung cấp một tích phân đường viền không phụ thuộc đường đi đặc trưng cho tốc độ giải phóng năng lượng trong vật liệu đàn hồi phi tuyến tính.

Cơ học gãy đàn hồi tuyến tính (LEFM) và Cơ học gãy đàn hồi-dẻo (EPFM) đại diện cho các phương pháp tiếp cận lý thuyết khác nhau có thể áp dụng cho vật liệu giòn và vật liệu dẻo. EPFM đặc biệt có liên quan đến thép cứng thể hiện biến dạng dẻo đáng kể trước khi gãy.

Cơ sở khoa học vật liệu

Độ dai có mối tương quan mạnh với cấu trúc tinh thể, với các cấu trúc lập phương tâm khối (BCC) thường cho thấy nhiệt độ chuyển tiếp từ dẻo sang giòn không giống như các cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC). Các ranh giới hạt đóng vai trò kép—chúng có thể cản trở sự lan truyền vết nứt bằng cách buộc các vết nứt thay đổi hướng, nhưng cũng có thể đóng vai trò là các vị trí bắt đầu vết nứt nếu bị làm yếu bởi các tạp chất tách biệt.

Cấu trúc vi mô ảnh hưởng sâu sắc đến độ dẻo dai thông qua kích thước hạt, phân bố pha và hàm lượng tạp chất. Thép hạt mịn thường có độ dẻo dai vượt trội do số lượng ranh giới hạt tăng lên có thể cản trở sự lan truyền vết nứt. Tương tự như vậy, các pha thứ cấp phân tán có thể tăng cường độ dẻo dai bằng cách cung cấp các chướng ngại vật cho sự phát triển của vết nứt.

Độ bền kết nối với các nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản thông qua mối quan hệ giữa liên kết nguyên tử, cấu trúc tinh thể và cơ chế biến dạng. Khả năng của vật liệu thích ứng với biến dạng dẻo thông qua chuyển động trật khớp ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hấp thụ năng lượng trước khi gãy.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Định nghĩa cơ bản về độ dẻo dai có thể được biểu thị bằng diện tích bên dưới đường cong ứng suất-biến dạng:

$$U_T = \int_0^{\varepsilon_f} \sigma d\varepsilon$$

Ở đâu:
- $U_T$ là độ dẻo dai (năng lượng trên một đơn vị thể tích)
- $\sigma$ là ứng suất
- $\varepsilon$ là biến dạng
- $\varepsilon_f$ là biến dạng tại điểm gãy

Công thức tính toán liên quan

Độ dẻo dai gãy xương do tải trọng chế độ I (mở kéo) được thể hiện bằng hệ số cường độ ứng suất:

$$K_I = Y\sigma\sqrt{\pi a}$$

Ở đâu:
- $K_I$ là hệ số cường độ ứng suất (MPa·m^(1/2))
- $Y$ là một hệ số hình học không có đơn vị
- $\sigma$ là ứng suất được áp dụng
- $a$ là chiều dài vết nứt

Đối với vật liệu đàn hồi-dẻo, tích phân J cung cấp một phép đo phù hợp hơn:

$$J = \int_{\Gamma} \left( W dy - \mathbf{T} \cdot \frac{\partial \mathbf{u}} {\partial x} ds \right)$$

Ở đâu:
- $J$ là giá trị tích phân J
- $W$ là mật độ năng lượng biến dạng
- $\mathbf{T}$ là vectơ lực kéo
- $\mathbf{u}$ là vectơ dịch chuyển
- $\Gamma$ là đường đi quanh đầu vết nứt

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các mô hình toán học này có giá trị trong những điều kiện cụ thể. LEFM chỉ áp dụng khi biến dạng dẻo bị giới hạn trong một vùng nhỏ gần đầu vết nứt, thường là trong vật liệu có độ bền cao, độ dẻo dai thấp hoặc trong điều kiện biến dạng phẳng.

Phương pháp tích phân J giả định hành vi đàn hồi phi tuyến tính, chỉ xấp xỉ hành vi đàn hồi-dẻo khi chịu tải đơn điệu. Đối với tải tuần hoàn hoặc biến dạng dẻo rộng, các mô hình này cần được sửa đổi.

Các công thức này giả định các đặc tính vật liệu đẳng hướng và thường được áp dụng cho các điều kiện tải tĩnh hoặc bán tĩnh. Tải động tạo ra các phức tạp bổ sung đòi hỏi các mô hình phụ thuộc vào tốc độ.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

• ASTM E23: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn cho thử nghiệm va đập thanh khía của vật liệu kim loại (thử nghiệm Charpy và Izod)
• ASTM E1820: Phương pháp thử tiêu chuẩn để đo độ bền gãy
• ISO 148-1: Vật liệu kim loại — Thử nghiệm va đập con lắc Charpy
• ASTM E1290: Phương pháp thử tiêu chuẩn để đo độ bền nứt gãy do dịch chuyển mở đầu vết nứt (CTOD)

Mỗi tiêu chuẩn đề cập đến các khía cạnh cụ thể của phép đo độ dẻo dai. ASTM E23 bao gồm các quy trình thử nghiệm va đập có khía, trong khi E1820 cung cấp các phương pháp toàn diện để xác định độ dẻo dai khi gãy bằng nhiều thông số khác nhau.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Thiết bị phổ biến bao gồm máy thử va đập con lắc cho các thử nghiệm Charpy và Izod, đo mức hấp thụ năng lượng trong quá trình gãy xương có tốc độ biến dạng cao. Máy thử nghiệm vạn năng được trang bị đồ gá chuyên dụng thực hiện các thử nghiệm độ bền gãy xương như cấu hình kéo nén (CT) hoặc uốn cong khía cạnh đơn (SENB).

Các kỹ thuật này hoạt động theo các nguyên lý khác nhau. Các thử nghiệm va đập đo lường sự hấp thụ năng lượng trong quá trình tải trọng động, trong khi các thử nghiệm độ bền gãy thường liên quan đến sự phát triển vết nứt được kiểm soát trong điều kiện gần như tĩnh với phép đo chính xác tải trọng, độ dịch chuyển và chiều dài vết nứt.

Thiết bị tiên tiến bao gồm máy kiểm tra va đập có ghi lại lịch sử thời gian tải trong quá trình va đập và các thiết bị chuyên dụng để kiểm tra ở nhiệt độ ngoài nhiệt độ môi trường hoặc trong môi trường ăn mòn.

Yêu cầu mẫu

Mẫu Charpy tiêu chuẩn có kích thước 10×10×55 mm với khía chữ V sâu 2 mm. Mẫu độ bền gãy thay đổi tùy theo loại thử nghiệm nhưng thường yêu cầu phải tạo vết nứt trước chính xác để tạo mặt trước vết nứt sắc nét, tự nhiên trước khi thử nghiệm.

Yêu cầu chuẩn bị bề mặt bao gồm gia công cẩn thận theo dung sai kích thước, thường là ±0,1 mm và chuẩn bị khía với bán kính và hướng được kiểm soát. Đối với thử nghiệm độ bền gãy, nứt trước khi chịu mỏi phải tuân theo các giao thức nghiêm ngặt về tải trọng tối đa và tốc độ phát triển vết nứt.

Mẫu vật phải không bị hư hỏng do gia công có thể ảnh hưởng đến kết quả và hướng liên quan đến hướng xử lý vật liệu phải được ghi lại theo danh pháp chuẩn hóa (ví dụ: hướng LT, TL).

Thông số thử nghiệm

Nhiệt độ thử nghiệm tiêu chuẩn dao động từ nhiệt độ đông lạnh đến nhiệt độ cao, đặc biệt chú ý đến vùng chuyển tiếp từ dẻo sang giòn đối với thép BCC. Nhiệt độ phòng (23±5°C) đóng vai trò là điều kiện tham chiếu cho hầu hết các thử nghiệm.

Tốc độ tải thay đổi tùy theo loại thử nghiệm. Các thử nghiệm va đập Charpy liên quan đến vận tốc khoảng 5-5,5 m/giây, trong khi các thử nghiệm độ bền gãy thường sử dụng tốc độ dịch chuyển chậm hơn, được kiểm soát là 0,1-1,0 mm/phút để duy trì các điều kiện gần như tĩnh.

Các yếu tố môi trường như độ ẩm, môi trường ăn mòn hoặc hàm lượng hydro có thể được kiểm soát để thử nghiệm chuyên biệt nhằm mô phỏng các điều kiện dịch vụ.

Xử lý dữ liệu

Thu thập dữ liệu chính bao gồm đo năng lượng hấp thụ trong các thử nghiệm va đập hoặc đường cong tải trọng-biến dạng trong các thử nghiệm độ bền gãy. Các kỹ thuật tiên tiến có thể bao gồm tương quan hình ảnh kỹ thuật số để theo dõi biến dạng hoặc phát xạ âm thanh để theo dõi sự phát triển của vết nứt.

Các phương pháp thống kê thường yêu cầu nhiều mẫu (thường là 3-5) để thiết lập các giá trị trung bình và độ lệch chuẩn. Để xác định nhiệt độ chuyển tiếp, cần phải thử nghiệm trên một phạm vi nhiệt độ với đường cong phù hợp tiếp theo.

Giá trị cuối cùng được tính toán theo các quy trình cụ thể của tiêu chuẩn. Đối với thử nghiệm tích phân J, điều này liên quan đến việc xây dựng các đường cong sức cản (đường cong JR) từ nhiều mẫu vật hoặc các kỹ thuật tuân thủ dỡ tải trên một mẫu vật duy nhất.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép cacbon thấp (AISI 1020)	20-40 giờ	Nhiệt độ phòng, Charpy V-notch	Tiêu chuẩn ASTM E23
Thép cacbon trung bình (AISI 1045)	15-30 giờ	Nhiệt độ phòng, Charpy V-notch	Tiêu chuẩn ASTM E23
Hợp kim thấp cường độ cao (HSLA)	40-100J	Nhiệt độ phòng, Charpy V-notch	Tiêu chuẩn ASTM E23
Thép hợp kim tôi và tôi luyện	50-150J	Nhiệt độ phòng, Charpy V-notch	Tiêu chuẩn ASTM E23
Thép không gỉ Austenitic	100-300J	Nhiệt độ phòng, Charpy V-notch	Tiêu chuẩn ASTM E23

Sự khác biệt trong mỗi phân loại bắt nguồn từ sự khác biệt trong xử lý nhiệt, kích thước hạt và các thành phần hợp kim cụ thể. Ví dụ, trong thép tôi và thép tôi, nhiệt độ tôi ảnh hưởng đáng kể đến sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai.

Các giá trị này hướng dẫn lựa chọn vật liệu nhưng cần được diễn giải theo điều kiện tải trọng và hậu quả hỏng hóc của ứng dụng cụ thể. Các giá trị va đập Charpy không chuyển trực tiếp thành các thông số thiết kế nhưng cung cấp các chỉ số độ bền so sánh.

Một xu hướng đáng chú ý cho thấy cấu trúc FCC (như thép không gỉ austenit) vẫn duy trì độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp, trong khi cấu trúc BCC (như thép cacbon và thép hợp kim thấp) thể hiện sự chuyển đổi từ dẻo sang giòn khi nhiệt độ giảm.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư kết hợp độ bền vào thiết kế thông qua các phương pháp tiếp cận cơ học gãy, đặc biệt là khi thiết kế các thành phần quan trọng chịu tải tuần hoàn hoặc chứa các lỗi không thể tránh khỏi. Điều này liên quan đến việc xác định kích thước lỗi quan trọng có thể dẫn đến hỏng hóc dưới ứng suất dịch vụ dự kiến.

Các yếu tố an toàn cho các thiết kế giới hạn độ bền thường nằm trong khoảng từ 2-4 tùy thuộc vào mức độ quan trọng của ứng dụng, khả năng kiểm tra và hậu quả của lỗi. Các yếu tố này tính đến sự thay đổi của vật liệu, sự không chắc chắn về tải và các lỗi tiềm ẩn không được phát hiện.

Quyết định lựa chọn vật liệu cân bằng độ bền với các đặc tính khác như độ bền, khả năng chống ăn mòn và chi phí. Trong các ứng dụng quan trọng, nơi hậu quả của sự cố là nghiêm trọng, độ bền thường trở thành tiêu chí lựa chọn chính, ngay cả khi phải đánh đổi các đặc tính khác.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Kết cấu bình chịu áp suất là ứng dụng quan trọng trong đó độ bền ngăn ngừa hư hỏng thảm khốc. Quy định về nồi hơi và bình chịu áp suất ASME chỉ định các yêu cầu về độ bền tối thiểu dựa trên nhiệt độ và áp suất khi sử dụng để đảm bảo hành vi rò rỉ trước khi vỡ.

Các công trình ngoài khơi phải đối mặt với một môi trường ứng dụng khắt khe khác, đòi hỏi thép có độ bền nhiệt độ thấp tuyệt vời để chịu được điều kiện khắc nghiệt của biển và ngăn ngừa gãy giòn. Thép cấp Bắc Cực phải duy trì độ bền thích hợp ở nhiệt độ xuống tới -60°C.

Cấu trúc va chạm ô tô là ví dụ về các ứng dụng mà khả năng hấp thụ năng lượng là tối quan trọng. Các thành phần này sử dụng thép cường độ cao với độ bền được thiết kế riêng để dần dần sụp đổ trong quá trình va chạm, hấp thụ năng lượng trong khi bảo vệ người ngồi trong xe.

Đánh đổi hiệu suất

Độ dẻo dai thường biểu hiện mối quan hệ nghịch đảo với độ cứng và giới hạn chảy. Khi độ bền tăng lên thông qua xử lý nhiệt hoặc hợp kim, độ dẻo dai thường giảm, tạo ra thách thức thiết kế cơ bản cho các ứng dụng hiệu suất cao.

Khả năng hàn cũng là một sự đánh đổi khác, vì nhiều nguyên tố hợp kim tăng cường độ bền (như niken) có thể làm phức tạp quy trình hàn hoặc tăng khả năng nứt hydro. Các kỹ sư phải cân bằng các yêu cầu chế tạo tại hiện trường với hiệu suất cơ học.

Những yêu cầu cạnh tranh này thúc đẩy sự phát triển vật liệu theo hướng vi cấu trúc được tối ưu hóa. Ví dụ, thép hai pha đạt được cả độ bền và độ dẻo dai thông qua hỗn hợp được kiểm soát của pha martensite và ferrite, mỗi pha đóng góp các tính chất khác nhau.

Phân tích lỗi

Gãy giòn là một dạng hỏng hóc phổ biến liên quan đến độ bền không đủ. Hỏng hóc thảm khốc này xảy ra với biến dạng dẻo tối thiểu, thường ở ứng suất dưới giới hạn chảy của vật liệu và có thể lan truyền ở tốc độ gần bằng vận tốc âm thanh của vật liệu.

Cơ chế hỏng hóc thường bắt đầu ở các điểm tập trung ứng suất như khía, khuyết tật mối hàn hoặc vết nứt đã có từ trước. Nhiệt độ thấp, tốc độ biến dạng cao và trạng thái ứng suất ba trục thúc đẩy hành vi giòn bằng cách hạn chế biến dạng dẻo ở đầu vết nứt.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm xử lý nhiệt sau khi hàn để giảm ứng suất dư, sửa đổi thiết kế để giảm tập trung ứng suất và chỉ định nhiệt độ dịch vụ tối thiểu dựa trên nhiệt độ chuyển tiếp vật liệu cộng với biên độ an toàn.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Carbon ảnh hưởng đáng kể đến độ bền, với hàm lượng carbon tăng thường làm giảm độ bền trong khi tăng độ bền. Hàm lượng carbon tối ưu cân bằng các đặc tính này dựa trên yêu cầu ứng dụng.

Các nguyên tố vết như phốt pho và lưu huỳnh làm giảm nghiêm trọng độ dẻo dai bằng cách phân tách thành ranh giới hạt và thúc đẩy gãy liên hạt. Các phương pháp sản xuất thép hiện đại giới hạn các nguyên tố này ở mức <0,02% và <0,01% tương ứng trong các ứng dụng quan trọng về độ dẻo dai.

Niken tăng cường độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp bằng cách ổn định austenit và hạ thấp nhiệt độ chuyển tiếp từ dẻo sang giòn. Tương tự, mangan cải thiện độ dẻo dai thông qua quá trình gia cường dung dịch rắn trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai tốt.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Quá trình tinh chế hạt làm tăng đáng kể độ dẻo dai theo mối quan hệ Hall-Petch, vì các hạt mịn hơn cung cấp nhiều rào cản hơn đối với sự lan truyền vết nứt. Các quy trình cán được kiểm soát đạt được các cấu trúc hạt mịn thông qua quá trình kết tinh lại trong quá trình biến dạng.

Phân bố pha ảnh hưởng mạnh đến độ dẻo dai, với ferit hình kim và bainit dưới thường có độ dẻo dai vượt trội so với bainit trên hoặc peclit. Các cấu trúc vi mô này cung cấp cơ chế làm lệch vết nứt và làm cùn hiệu quả.

Các tạp chất phi kim loại, đặc biệt là mangan sulfua kéo dài, tạo ra các mặt phẳng yếu dễ bị nứt và lan truyền. Các phương pháp sản xuất thép sạch hiện đại giảm thiểu hàm lượng tạp chất và thay đổi hình thái tạp chất để giảm tác động có hại của chúng.

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý nhiệt ảnh hưởng sâu sắc đến độ dẻo dai. Làm nguội và tôi luyện có thể tối ưu hóa sự cân bằng độ bền-độ dẻo dai bằng cách hình thành martensite tôi luyện, trong khi chuẩn hóa tạo ra cấu trúc ferit-pearlit có độ dẻo dai vừa phải.

Xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP) kết hợp cán kiểm soát và làm mát tăng tốc để tinh chỉnh cấu trúc hạt và tạo ra các sản phẩm chuyển đổi có lợi. Quá trình này đạt được độ dẻo dai vượt trội mà không cần xử lý nhiệt tiếp theo.

Tốc độ làm nguội trong quá trình xử lý nhiệt ảnh hưởng đến các sản phẩm chuyển pha, với tốc độ làm nguội trung gian thường tạo ra độ dẻo dai tối ưu. Làm nguội quá nhanh có thể tạo ra martensit chưa tôi và ứng suất dư, trong khi làm nguội chậm có thể tạo ra perlit thô với độ dẻo dai giảm.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến độ dẻo dai trong thép BCC, loại thép có nhiệt độ chuyển tiếp từ dẻo sang giòn (DBTT). Dưới nhiệt độ này, độ dẻo dai giảm mạnh, khiến nhiệt độ trở thành yếu tố thiết kế quan trọng đối với các ứng dụng nhiệt độ thấp.

Giòn hydro làm giảm nghiêm trọng độ dẻo dai bằng cách thúc đẩy sự khởi đầu và phát triển vết nứt ở nồng độ hydro cực thấp (phần triệu). Môi trường ăn mòn tạo ra hydro tại chỗ gây ra rủi ro đặc biệt cho thép cường độ cao.

Tiếp xúc với bức xạ gây ra sự giòn thông qua hư hỏng do dịch chuyển và các sản phẩm chuyển đổi, dịch chuyển DBTT lên trên. Hiệu ứng phụ thuộc vào thời gian này giới hạn tuổi thọ của bình chịu áp suất lò phản ứng hạt nhân và đòi hỏi phải kiểm tra giám sát định kỳ.

Phương pháp cải tiến

Tinh chế hạt thông qua hợp kim vi mô với các nguyên tố như niobi, titan và vanadi là một phương pháp luyện kim hiệu quả để tăng cường độ dẻo dai. Các nguyên tố này tạo thành các chất kết tủa mịn hạn chế sự phát triển của hạt trong quá trình chế biến.

Việc điều chỉnh hình dạng tạp chất có kiểm soát bằng cách sử dụng các nguyên tố đất hiếm (xeri, lanthanum) chuyển đổi các sulfua kéo dài có hại thành oxysulfua hình cầu với tác động giòn theo hướng tối thiểu.

Các cân nhắc về thiết kế như tính năng giảm ứng suất, chuyển tiếp tiết diện dần dần và bộ phận ngăn chặn vết nứt có thể tối ưu hóa hiệu suất ngay cả với vật liệu có độ bền nội tại vừa phải. Các phương pháp này phân phối lại ứng suất và ngăn ngừa sự lan truyền vết nứt trong các thành phần quan trọng.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Độ bền nứt (KIC) định lượng khả năng chống lại sự lan truyền vết nứt của vật liệu trong điều kiện biến dạng phẳng. Tính chất này biểu thị hằng số vật liệu xác định cường độ ứng suất mà tại đó vết nứt hiện có sẽ lan truyền không ổn định.

Nhiệt độ chuyển tiếp từ dẻo sang giòn (DBTT) mô tả phạm vi nhiệt độ mà hành vi gãy của vật liệu thay đổi từ dẻo (hấp thụ năng lượng cao) sang giòn (hấp thụ năng lượng thấp). Hiện tượng này đặc trưng của kim loại lập phương tâm khối như thép ferritic.

Độ nhạy khía cho biết khả năng vật liệu dễ bị giòn khi có sự tập trung ứng suất. Vật liệu có độ nhạy khía cao cho thấy độ dẻo dai giảm đáng kể khi khía so với mẫu vật nhẵn.

Các thuật ngữ này là các khía cạnh liên quan đến khả năng chống gãy của vật liệu. Trong khi độ bền cung cấp thước đo chung về khả năng hấp thụ năng lượng, độ bền gãy cung cấp thông số kỹ thuật chính xác hơn cho các tính toán thiết kế liên quan đến các thành phần bị nứt.

Tiêu chuẩn chính

ASTM E1820 "Phương pháp thử tiêu chuẩn để đo độ bền gãy" cung cấp các quy trình toàn diện để xác định các thông số cơ học gãy khác nhau bao gồm KIC, tích phân J và CTOD. Tiêu chuẩn này được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng quan trọng đòi hỏi dữ liệu cơ học gãy chính xác.

Tiêu chuẩn Châu Âu BS EN ISO 148 bao gồm thử nghiệm va đập Charpy với các biến thể về hình dạng khía và nhiệt độ thử nghiệm. Tiêu chuẩn này khác với ASTM E23 ở dung sai kích thước cụ thể và quy trình hiệu chuẩn.

API RP 2Z "Thực hành khuyến nghị để đánh giá chất lượng trước khi sản xuất tấm thép cho các công trình ngoài khơi" nêu rõ các yêu cầu về độ bền cho các ứng dụng ngoài khơi, bao gồm các yêu cầu thử nghiệm độ dày xuyên suốt thường không có trong các tiêu chuẩn khác.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc phát triển thép có độ bền cực cao với độ dẻo dai được cải thiện thông qua các phương pháp xử lý mới như tôi và phân vùng (Q&P) hoặc các cấu trúc vi mô được thiết kế riêng với austenit giữ lại.

Các công nghệ mới nổi bao gồm các phương pháp thử nghiệm thu nhỏ có thể xác định tính chất gãy từ các mẫu nhỏ, cho phép đánh giá độ dẻo dai của các phần mỏng, lớp phủ hoặc các vùng cục bộ như vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt.

Các phát triển trong tương lai có thể sẽ nhấn mạnh vào mô hình tính toán để dự đoán độ bền dựa trên các thông số về thành phần và chế biến. Các phương pháp học máy kết hợp với các nguyên tắc luyện kim vật lý cho thấy triển vọng đẩy nhanh quá trình phát triển thép với các kết hợp tính chất được tối ưu hóa.