Giới hạn chảy: Ngưỡng quan trọng đối với hiệu suất và thiết kế của thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Giới hạn chảy là ứng suất mà tại đó vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo, chuyển từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái dẻo. Nó biểu thị ứng suất tối đa có thể tác dụng lên vật liệu mà không gây biến dạng vĩnh viễn. Thuộc tính này xác định giới hạn thực tế cho các ứng dụng thiết kế kỹ thuật, vì các cấu trúc thường phải hoạt động dưới ngưỡng này để duy trì độ ổn định về kích thước.

Trong luyện kim, giới hạn chảy chiếm vị trí trung tâm trong số các tính chất cơ học, đóng vai trò là thông số thiết kế quan trọng cùng với độ bền kéo, độ dẻo và độ dai cực đại. Nó cung cấp nền tảng cho các tính toán về tính toàn vẹn của cấu trúc và thể hiện ranh giới giữa biến dạng có thể phục hồi và không thể phục hồi trong các ứng dụng chịu tải.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi mô, độ bền kéo biểu hiện thông qua khả năng chống lại chuyển động lệch trong mạng tinh thể của thép. Lệch là các khuyết tật đường trong cấu trúc tinh thể cho phép biến dạng dẻo thông qua sự lan truyền của chúng. Khi ứng suất được áp dụng, các lệch này bắt đầu di chuyển dọc theo các mặt trượt trong cấu trúc tinh thể.

Nhiều chướng ngại vật cản trở chuyển động của trật khớp, bao gồm các trật khớp khác, ranh giới hạt, chất kết tủa và các nguyên tử chất tan. Sức cản tập thể do các chướng ngại vật này tạo ra quyết định độ bền kéo vĩ mô. Sự chuyển đổi từ hành vi đàn hồi sang dẻo xảy ra khi ứng suất được áp dụng vượt qua các rào cản này, cho phép các trật khớp nhân lên và di chuyển tự do hơn.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính mô tả hành vi giới hạn chảy là tiêu chuẩn giới hạn chảy von Mises, định nghĩa giới hạn chảy xảy ra khi bất biến thứ hai của tenxơ ứng suất lệch đạt đến giá trị tới hạn. Tiêu chuẩn này dự đoán hiệu quả hành vi giới hạn chảy trong vật liệu dẻo như thép trong điều kiện tải phức tạp.

Hiểu biết lịch sử về hiện tượng biến dạng dẻo đã phát triển từ công trình đầu tiên của Tresca vào thế kỷ 19 thành các mô hình tinh vi hơn của von Mises và Taylor vào đầu thế kỷ 20. Lý thuyết trật khớp hiện đại, được Taylor, Orowan và Polanyi phát triển vào những năm 1930, đã thiết lập mối liên hệ giữa chuyển động trật khớp vi mô và biến dạng dẻo vĩ mô.

Các phương pháp tiếp cận thay thế bao gồm tiêu chí Tresca (lý thuyết ứng suất cắt cực đại) và tiêu chí Mohr-Coulomb, mặc dù tiêu chí von Mises vẫn chiếm ưu thế đối với các ứng dụng thép do khả năng dự đoán vượt trội của nó đối với kim loại dẻo.

Cơ sở khoa học vật liệu

Độ bền kéo có mối tương quan mạnh với cấu trúc tinh thể, với thép lập phương tâm khối (BCC) thường biểu hiện hành vi kéo khác với cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC). Các ranh giới hạt đóng vai trò là rào cản quan trọng đối với chuyển động trật khớp, với các cấu trúc hạt mịn hơn thường tạo ra độ bền kéo cao hơn theo mối quan hệ Hall-Petch.

Cấu trúc vi mô của thép—bao gồm thành phần pha, phân bố và hình thái—về cơ bản quyết định hành vi giới hạn chảy. Các cấu trúc ferit, peclit, bainit và martensit đều thể hiện cường độ giới hạn chảy đặc trưng do các rào cản chuyển động trật khớp riêng biệt của chúng.

Tính chất này minh họa mối quan hệ cấu trúc-tính chất quan trọng đối với khoa học vật liệu, trong đó sự sắp xếp nguyên tử và cấu trúc khuyết tật ảnh hưởng trực tiếp đến hành vi cơ học vĩ mô. Các cơ chế tăng cường như tăng cường dung dịch rắn, làm cứng kết tủa và làm cứng làm việc đều hoạt động bằng cách ngăn cản chuyển động trật khớp.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Giới hạn chảy ($\sigma_y$) thường được xác định từ đường cong ứng suất-biến dạng bằng phương pháp bù trừ 0,2%:

$$\sigma_y = \frac{F_y}{A_0}$$

Ở đâu:
- $\sigma_y$ = giới hạn chảy (MPa hoặc psi)
- $F_y$ = lực tại điểm giới hạn chảy (N hoặc lbf)
- $A_0$ = diện tích mặt cắt ngang ban đầu (mm² hoặc in²)

Công thức tính toán liên quan

Đối với vật liệu không có điểm giới hạn chảy riêng biệt, giới hạn chảy lệch 0,2% được tính bằng cách tìm giao điểm của đường cong ứng suất-biến dạng với đường thẳng song song với phần đàn hồi lệch một độ biến dạng là 0,002:

$$\sigma_{0.2} = E \cdot 0,002 + \sigma(\varepsilon = 0,002)$$

Ở đâu:
- $\sigma_{0.2}$ = 0,2% độ bền kéo lệch
- $E$ = mô đun đàn hồi
- $\sigma(\varepsilon = 0,002)$ = ứng suất tại điểm giao nhau

Mối quan hệ Hall-Petch liên quan đến giới hạn chảy với kích thước hạt:

$$\sigma_y = \sigma_0 + \frac{k_y}{\sqrt{d}} $$

Ở đâu:
- $\sigma_0$ = ứng suất ma sát chống lại chuyển động trật khớp
- $k_y$ = hệ số tăng cường
- $d$ = đường kính hạt trung bình

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này giả định các điều kiện tải gần như tĩnh và các đặc tính vật liệu đồng nhất trên toàn bộ mẫu vật. Chúng thường có giá trị đối với nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ kết tinh lại của vật liệu.

Phương pháp bù trừ 0,2% trở nên kém tin cậy hơn đối với các vật liệu có hành vi đàn hồi phi tuyến tính hoặc độ cứng biến dạng rõ rệt. Ngoài ra, các mô hình này giả định hành vi vật liệu đẳng hướng, điều này có thể không đúng đối với thép có kết cấu hoặc được xử lý nhiều.

Các yếu tố môi trường như nhiệt độ và tốc độ biến dạng có thể làm thay đổi đáng kể hành vi năng suất, hạn chế khả năng áp dụng các công thức chuẩn trong điều kiện khắc nghiệt. Hầu hết các mô hình cũng giả định vật liệu không có khuyết tật, trong khi các thành phần kỹ thuật thực tế chứa nhiều điểm không liên tục.

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 (bao gồm chuẩn bị mẫu, quy trình thử nghiệm và phân tích dữ liệu để xác định giới hạn chảy)
• ISO 6892-1: Vật liệu kim loại — Thử kéo — Phần 1: Phương pháp thử ở nhiệt độ phòng (chỉ định các tiêu chuẩn quốc tế để xác định giới hạn chảy)
• 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 cụ thể cho ngành sản phẩm thép)
• JIS Z 2241: Phương pháp thử kéo cho vật liệu kim loại (Tiêu chuẩn Nhật Bản về thử kéo bao gồm xác định giới hạn chảy)

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Máy thử nghiệm vạn năng (UTM) là thiết bị chính để đo độ bền kéo, có cảm biến lực để đo lực và máy đo độ giãn dài để đo độ biến dạng. Các hệ thống hiện đại kết hợp thu thập dữ liệu kỹ thuật số và tải được điều khiển bằng máy tính.

Nguyên lý cơ bản bao gồm việc áp dụng tải kéo đơn trục tăng dần lên một mẫu chuẩn trong khi liên tục theo dõi cả lực và độ giãn. Điểm chảy được xác định bằng cách xuất hiện điểm chảy hoặc thông qua phương pháp bù trừ 0,2%.

Thiết bị tiên tiến có thể bao gồm hệ thống đo độ biến dạng quang học không tiếp xúc, buồng môi trường để thử nghiệm không ở môi trường xung quanh và thu thập dữ liệu tốc độ cao cho các ứng dụng thử nghiệm động.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu kéo tiêu chuẩn thường có phần đo giảm với mặt cắt ngang hình tròn (đường kính 12,5mm) hoặc hình chữ nhật (chiều rộng 12,5mm). Chiều dài đo được chuẩn hóa ở mức 50mm cho hầu hết các ứng dụng, với tổng chiều dài mẫu khoảng 200mm.

Chuẩn bị bề mặt đòi hỏi phải loại bỏ các vết gia công, lớp khử cacbon hoặc các bất thường bề mặt khác có thể gây ra hỏng hóc sớm. Độ hoàn thiện bề mặt 0,8μm Ra hoặc tốt hơn thường được chỉ định cho các ứng dụng quan trọng.

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

Thông số thử nghiệm

Thử nghiệm tiêu chuẩn được tiến hành ở nhiệt độ phòng (23±5°C) và điều kiện khí quyển bình thường. Đối với các ứng dụng chuyên biệt, thử nghiệm có thể được thực hiện ở nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ đông lạnh.

Tốc độ tải thường được kiểm soát bởi tốc độ biến dạng, với 0,001/giây là phổ biến đối với vùng đàn hồi, đôi khi giảm xuống 0,00025/giây sau khi biến dạng. Tốc độ đầu chữ thập thường dao động từ 0,5-5mm/phút tùy thuộc vào kích thước mẫu.

Độ thẳng hàng của trục tải với trục mẫu phải được duy trì trong phạm vi 0,25° để tránh ứng suất uốn có thể ảnh hưởng đến phép đo độ bền kéo.

Xử lý dữ liệu

Thu thập dữ liệu bao gồm việc ghi liên tục các giá trị lực và độ giãn, thường ở tốc độ lấy mẫu 10-100Hz. Chúng được chuyển đổi thành ứng suất và biến dạng kỹ thuật bằng cách chia cho diện tích mặt cắt ngang ban đầu và chiều dài đo tương ứng.

Phân tích thống kê thường yêu cầu tối thiểu ba thử nghiệm hợp lệ cho mỗi điều kiện vật liệu, với kết quả được báo cáo là giá trị trung bình có độ lệch chuẩn. Phân tích ngoại lệ có thể được thực hiện bằng cách sử dụng thử nghiệm Q của Dixon hoặc tiêu chuẩn của Chauvenet.

Giá trị giới hạn chảy cuối cùng được xác định từ điểm giới hạn chảy dưới (đối với vật liệu có hiện tượng giới hạn chảy) hoặc từ phương pháp bù trừ 0,2% (đối với vật liệu có hành vi giới hạn chảy liên tục).

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)	210-350MPa	Nhiệt độ phòng, tốc độ biến dạng 0,001/giây	Tiêu chuẩn ASTMA370
Thép cacbon trung bình (AISI 1045)	310-650MPa	Nhiệt độ phòng, tốc độ biến dạng 0,001/giây	Tiêu chuẩn ASTMA370
Hợp kim thấp cường độ cao (HSLA)	350-550MPa	Nhiệt độ phòng, tốc độ biến dạng 0,001/giây	Tiêu chuẩn ASTMA572
Thép không gỉ Austenitic (304)	205-310MPa	Nhiệt độ phòng, tốc độ biến dạng 0,001/giây	Tiêu chuẩn ASTMA240
Thép không gỉ Martensitic (410)	275-620MPa	Nhiệt độ phòng, tốc độ biến dạng 0,001/giây	Tiêu chuẩn ASTMA240
Thép công cụ (D2)	1400-1700MPa	Nhiệt độ phòng, tốc độ biến dạng 0,001/giây	Tiêu chuẩn ASTMA681

Sự khác biệt trong mỗi phân loại chủ yếu là do sự khác biệt trong xử lý nhiệt, làm nguội và nồng độ nguyên tố hợp kim cụ thể. Hàm lượng cacbon đặc biệt ảnh hưởng đến độ bền kéo trong thép cacbon, trong khi quá trình tôi kết tủa và gia cường dung dịch rắn thúc đẩy sự khác biệt trong thép hợp kim.

Các giá trị này đóng vai trò là hướng dẫn thiết kế chứ không phải là giới hạn tuyệt đối, với các kỹ sư thường áp dụng các hệ số an toàn phù hợp dựa trên mức độ quan trọng của ứng dụng. Tỷ lệ giữa giới hạn chảy và độ bền kéo cực đại (tỷ lệ giới hạn chảy) thường cung cấp thêm thông tin chi tiết về hành vi vật liệu dưới tải.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư thường thiết kế các cấu trúc để hoạt động ở ứng suất dưới giới hạn chảy, áp dụng các hệ số an toàn từ 1,1 (đối với các ứng dụng không quan trọng, được mô tả rõ) đến 3,0 hoặc cao hơn (đối với các ứng dụng quan trọng có tải không chắc chắn). Hệ số an toàn cụ thể phụ thuộc vào hậu quả của sự cố, khả năng dự đoán tải và các yếu tố môi trường.

Việc lựa chọn vật liệu thường ưu tiên tỷ lệ độ bền kéo trên trọng lượng (độ bền riêng) cho các ứng dụng nhạy cảm với trọng lượng như vận chuyển. Đối với các ứng dụng nhạy cảm với chi phí, đơn vị chi phí trên độ bền trở thành tiêu chí lựa chọn chủ đạo.

Tính dị hướng về giới hạn chảy phải được xem xét trong các sản phẩm định hình, vì quá trình cán hoặc đùn có thể tạo ra các đặc tính định hướng ảnh hưởng đến hiệu suất của thành phần trong điều kiện tải phức tạp.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Trong các thành phần kết cấu ô tô, độ bền kéo ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu va chạm và hiệu quả trọng lượng. Thép cường độ cao tiên tiến với độ bền kéo vượt quá 700 MPa cho phép giảm trọng lượng xe trong khi vẫn duy trì hoặc cải thiện sự an toàn của hành khách.

Việc xây dựng các tòa nhà cao tầng và cầu dài dựa vào thép kết cấu có độ bền giới hạn cao (thường là 350-690 MPa) để giảm thiểu kích thước tiết diện trong khi vẫn duy trì khả năng chịu tải. Các ứng dụng này đòi hỏi độ bền giới hạn nhất quán với sự thay đổi tối thiểu để đảm bảo hành vi kết cấu có thể dự đoán được.

Thiết kế bình chịu áp suất phụ thuộc rất nhiều vào độ bền kéo để ngăn ngừa biến dạng vĩnh viễn dưới áp suất vận hành. Các tính toán của ASME Boiler and Pressure Vessel Code kết hợp trực tiếp độ bền kéo để xác định yêu cầu về độ dày thành tối thiểu để vận hành an toàn.

Đánh đổi hiệu suất

Độ bền chảy thường biểu hiện mối quan hệ nghịch đảo với độ dẻo, tạo ra sự đánh đổi cơ bản trong việc lựa chọn vật liệu. Thép có độ bền chảy cao hơn thường cho thấy độ giãn dài giảm trước khi hỏng, có khả năng hạn chế khả năng tạo hình và khả năng hấp thụ năng lượng.

Độ dẻo dai cũng thường giảm khi giới hạn chảy tăng, đặc biệt là ở thép được gia cường thông qua xử lý nhiệt thay vì tinh chế cấu trúc vi mô. Sự đánh đổi này trở nên quan trọng trong các ứng dụng nhiệt độ thấp, nơi nguy cơ gãy giòn tăng lên.

Các kỹ sư cân bằng các đặc tính cạnh tranh này bằng cách lựa chọn các cấu trúc vi mô và lộ trình xử lý thích hợp. Các kỹ thuật xử lý nhiệt cơ học hiện đại có thể sản xuất thép với sự kết hợp tối ưu giữa độ bền và độ dẻo dai thông qua quá trình tinh chế hạt và kết tủa có kiểm soát.

Phân tích lỗi

Sự sụp đổ dẻo là một chế độ hỏng hóc phổ biến khi các thành phần chịu tải vượt quá giới hạn chảy. Sự biến dạng tiến triển này có thể dẫn đến độ lệch quá mức, ảnh hưởng đến các thành phần liền kề hoặc hỏng do kéo cuối cùng.

Cơ chế hỏng hóc thường bắt đầu tại các điểm tập trung ứng suất, nơi ứng suất cục bộ vượt quá giới hạn chảy, ngay cả khi ứng suất danh nghĩa vẫn ở dưới ngưỡng này. Sự gián đoạn hình học, khuyết tật vật liệu và ứng suất dư đều có thể tạo ra các điểm tập trung ứng suất này.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm thiết kế để duy trì ứng suất dưới mức giới hạn chảy với các hệ số an toàn thích hợp, loại bỏ các chuyển đổi hình học đột ngột tạo ra sự tập trung ứng suất và chỉ định các phương pháp xử lý sau như phun bi để tạo ra ứng suất dư nén có lợi.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng cacbon có ảnh hưởng trực tiếp nhất đến giới hạn chảy trong thép cacbon thông thường, với mỗi lần tăng 0,1% thường làm tăng giới hạn chảy thêm 50-60 MPa. Sự gia cường này xảy ra thông qua quá trình gia cường dung dịch rắn và bằng cách thúc đẩy các thành phần vi cấu trúc cứng hơn.

Mangan góp phần đáng kể vào độ bền kéo thông qua việc tăng cường dung dịch rắn và thúc đẩy khả năng tôi luyện. Việc bổ sung thông thường 0,6-1,65% có thể làm tăng độ bền kéo lên 80-150 MPa trong khi vẫn duy trì khả năng tạo hình tốt.

Các nguyên tố hợp kim vi mô như niobi, vanadi và titan, ngay cả ở nồng độ dưới 0,1%, cũng làm tăng đáng kể cường độ chảy thông qua quá trình tăng cường kết tủa và tinh chế hạt. Các nguyên tố này tạo thành cacbua và nitrua có hiệu quả trong việc ghim ranh giới hạt và sự sai lệch.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Việc tinh chỉnh kích thước hạt giúp tăng cường độ bền theo mối quan hệ Hall-Petch, với mỗi lần giảm một nửa đường kính hạt trung bình sẽ làm tăng độ bền khoảng 30-70%. Cơ chế này đặc biệt có giá trị vì nó cải thiện độ bền mà không làm giảm độ dẻo dai.

Phân bố pha ảnh hưởng đáng kể đến hành vi năng suất, với các pha cứng hơn như martensite và bainite cung cấp độ bền cao hơn ferrite và pearlite. Thép hai pha tận dụng hiệu ứng này bằng cách kết hợp ma trận ferrite mềm với các đảo martensite cứng để tối ưu hóa độ bền và khả năng tạo hình.

Các tạp chất phi kim loại thường làm giảm độ bền kéo bằng cách tạo ra các điểm tập trung ứng suất và làm giảm tiết diện chịu tải hiệu quả. Các phương pháp sản xuất thép hiện đại giảm thiểu hàm lượng tạp chất thông qua quá trình khử khí chân không và quá trình đông đặc có kiểm soát.

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý nhiệt ảnh hưởng sâu sắc đến giới hạn chảy, với quá trình tôi và ram thường tạo ra giới hạn chảy cao hơn 2-3 lần so với điều kiện chuẩn hóa hoặc ủ. Nhiệt độ ram cụ thể cho phép kiểm soát chính xác sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo.

Làm việc nguội làm tăng giới hạn chảy thông qua quá trình tôi luyện biến dạng (làm cứng khi làm việc), với mỗi lần giảm 10% diện tích thường làm tăng giới hạn chảy thêm 15-20%. Cơ chế gia cố này trở nên đặc biệt quan trọng trong các sản phẩm dây, tấm và ống.

Tốc độ làm mát trong quá trình xử lý nóng ảnh hưởng đến các sản phẩm biến đổi và hành vi kết tủa, với việc làm mát nhanh hơn thường thúc đẩy độ bền cao hơn. Làm mát có kiểm soát trong quá trình xử lý nhiệt cơ cho phép tối ưu hóa cả độ bền và độ dẻo dai.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến độ bền kéo, với hầu hết các loại thép đều cho thấy độ bền kéo giảm khi nhiệt độ tăng. Hiệu ứng này trở nên đặc biệt rõ rệt ở trên 300°C, đòi hỏi phải có hợp kim chịu nhiệt độ cao đặc biệt cho các ứng dụng nhiệt độ cao.

Môi trường ăn mòn có thể làm giảm độ bền kéo hiệu quả thông qua các cơ chế như giòn hydro và nứt ăn mòn ứng suất. Những tương tác môi trường này có thể gây ra hỏng hóc ở ứng suất thấp hơn nhiều so với độ bền kéo được đo trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Tiếp xúc lâu dài với tải trọng tuần hoàn dưới giới hạn chảy có thể dẫn đến tích tụ hư hỏng do mỏi và cuối cùng là hỏng hóc. Hành vi phụ thuộc vào thời gian này đòi hỏi phải xem xét đến giới hạn chảy (thường là 30-50% giới hạn chảy) đối với các thành phần chịu tải trọng tuần hoàn.

Phương pháp cải tiến

Tinh chế hạt thông qua cán có kiểm soát và làm mát nhanh là một phương pháp luyện kim để tăng cường độ bền kéo mà không làm giảm độ dẻo dai. Kỹ thuật này có thể tăng độ bền kéo lên 100-200 MPa trong khi vẫn duy trì hoặc cải thiện các đặc tính va đập.

Làm cứng kết tủa thông qua thiết kế hợp kim cẩn thận và xử lý nhiệt tạo ra các hạt nano cản trở chuyển động trật khớp. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả đối với thép hợp kim siêu nhỏ và thép không gỉ làm cứng kết tủa.

Các phương pháp xử lý bề mặt như thấm cacbon, thấm nitơ và tôi cảm ứng tạo ra các lớp bề mặt có độ bền cao trong khi vẫn duy trì lõi cứng. Các phương pháp này tối ưu hóa hiệu suất trong các thành phần có ứng suất bề mặt vượt quá ứng suất lõi.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Độ bền kéo cực đại biểu thị ứng suất kỹ thuật tối đa mà vật liệu có thể chịu được trước khi bắt đầu thắt nút. Trong khi độ bền chảy xác định giới hạn đàn hồi, độ bền cực đại xác định khả năng chịu tải tối đa bất kể biến dạng.

Ứng suất thử đóng vai trò thay thế cho giới hạn chảy đối với vật liệu không có điểm giới hạn chảy riêng biệt. Nó biểu thị ứng suất tạo ra biến dạng vĩnh viễn được chỉ định (thường là 0,1% hoặc 0,2%) và về mặt chức năng có cùng mục đích như giới hạn chảy trong tính toán thiết kế.

Số mũ làm cứng biến dạng định lượng khả năng của vật liệu để tăng cường thông qua biến dạng dẻo. Tính chất này liên quan chặt chẽ đến giới hạn chảy, vì vật liệu có giới hạn chảy cao thường có tiềm năng làm cứng biến dạng thấp hơn do mật độ sai lệch vốn đã cao của chúng.

Tỷ lệ giới hạn chảy (độ bền giới hạn chảy chia cho độ bền kéo) biểu thị khả năng biến dạng dẻo của vật liệu trước khi hỏng. Tỷ lệ thấp hơn (0,5-0,7) thường biểu thị khả năng biến dạng lớn hơn, trong khi tỷ lệ gần bằng 1,0 cho thấy khả năng biến dạng dẻo hạn chế.

Tiêu chuẩn chính

ASTM E8/E8M chuẩn hóa các quy trình thử nghiệm kéo trên toàn thế giới, cung cấp các yêu cầu chi tiết về chuẩn bị mẫu, thiết bị thử nghiệm, quy trình và phân tích dữ liệu. Tiêu chuẩn này đảm bảo tính nhất quán và khả năng so sánh của các phép đo cường độ chịu kéo giữa các phòng thí nghiệm khác nhau.

EN 10002-1 (Tiêu chuẩn Châu Âu về thử nghiệm kéo vật liệu kim loại) khác với tiêu chuẩn ASTM chủ yếu ở sở thích hình học mẫu và phương pháp tính toán cụ thể cho các đặc tính giới hạn chảy. Những khác biệt này có thể dẫn đến sự thay đổi nhỏ trong các giá trị được báo cáo giữa các khu vực.

ISO 6892 cung cấp các quy trình thử nghiệm được hài hòa quốc tế, cố gắng thu hẹp sự khác biệt giữa các tiêu chuẩn khu vực. Nó bao gồm các điều khoản cụ thể để xác định các đặc tính năng suất trong các điều kiện khác nhau, bao gồm nhiệt độ cao và tốc độ biến dạng khác nhau.

Xu hướng phát triển

Hợp kim entropy cao tiên tiến đại diện cho một ranh giới trong nghiên cứu về độ bền kéo, với các cơ chế gia cố dung dịch rắn phức tạp tạo ra sự kết hợp đặc biệt giữa độ bền và độ dẻo. Các hợp kim đa thành phần chính này có khả năng cung cấp độ bền kéo vượt quá 1 GPa với độ dẻo tốt.

Tương quan hình ảnh kỹ thuật số và các công nghệ đo biến dạng không tiếp xúc khác đang cách mạng hóa việc thử nghiệm độ bền kéo bằng cách cung cấp bản đồ biến dạng toàn trường thay vì các phép đo điểm đơn lẻ. Các kỹ thuật này cho thấy hiện tượng biến dạng cục bộ trước đây không thể phát hiện được bằng phép đo độ giãn dài thông thường.

Mô hình tính toán hành vi giới hạn chảy sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn dẻo tinh thể đang tiến triển nhanh chóng, cho phép dự đoán giới hạn chảy dựa trên các đặc điểm cấu trúc vi mô. Các mô hình này hứa hẹn sẽ giảm yêu cầu thử nghiệm thực nghiệm và đẩy nhanh quá trình phát triển hợp kim cho các phạm vi giới hạn chảy mục tiêu.