Tính giòn (Brittleness)

Đặc điểm của vật liệu giòn:

• Biến dạng đàn hồi lớn: Vật liệu giòn có thể thể hiện biến dạng đàn hồi đáng kể cho đến điểm gãy, có nghĩa là chúng trở lại hình dạng ban đầu khi tải trọng được loại bỏ, miễn là tải trọng không vượt quá giới hạn đàn hồi. Tuy nhiên, vùng biến dạng dẻo gần như không có.
• Không có hoặc rất ít biến dạng dẻo: Không giống như vật liệu dẻo, vật liệu giòn hầu như không trải qua biến dạng dẻo (biến dạng vĩnh viễn) trước khi gãy.
• Hấp thụ năng lượng thấp: Vật liệu giòn hấp thụ một lượng năng lượng tương đối nhỏ trước khi bị gãy. Năng lượng này được biểu thị bằng diện tích dưới đường cong ứng suất – biến dạng.
• Gãy đột ngột: Sự gãy của vật liệu giòn thường xảy ra đột ngột và không báo trước.
• Bề mặt gãy giòn: Bề mặt gãy của vật liệu giòn thường có dạng tinh thể hoặc dạng hạt, cho thấy sự tách rời dọc theo các mặt phẳng tinh thể cụ thể.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tính giòn

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến tính giòn của vật liệu, bao gồm:

• Cấu trúc vi mô: Cấu trúc tinh thể, kích thước hạt và sự hiện diện của các khuyết tật như lỗ rỗng hoặc vết nứt có thể ảnh hưởng đáng kể đến tính giòn. Ví dụ, kích thước hạt nhỏ hơn thường làm tăng độ bền và độ dẻo, trong khi các khuyết tật có thể đóng vai trò là điểm tập trung ứng suất, thúc đẩy gãy giòn.
• Nhiệt độ: Nhiệt độ thấp thường làm tăng tính giòn của vật liệu. Điều này là do ở nhiệt độ thấp, năng lượng nhiệt khả dụng cho sự chuyển động của nguyên tử giảm, làm cho vật liệu khó biến dạng dẻo hơn.
• Tốc độ biến dạng: Tốc độ biến dạng cao có thể làm cho vật liệu dẻo thể hiện hành vi giòn. Điều này là do ở tốc độ biến dạng cao, vật liệu không có đủ thời gian để trải qua biến dạng dẻo.
• Môi trường: Một số môi trường có thể làm vật liệu giòn hơn, ví dụ như sự hiện diện của hydro trong thép (hiện tượng giòn hydro).
• Thành phần hóa học: Thành phần của vật liệu có thể ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô và do đó ảnh hưởng đến tính giòn. Việc thêm các nguyên tố hợp kim có thể làm thay đổi đáng kể tính chất cơ học của vật liệu.

Ví dụ về vật liệu giòn

Một số ví dụ về vật liệu giòn bao gồm:

• Gốm sứ (ví dụ: thủy tinh, gạch)
• Bê tông
• Gang
• Một số loại nhựa (ví dụ như polystyrene)
• Kim cương

Ứng suất gãy và ứng suất làm việc cho phép

• Ứng suất gãy ($σ_f$): Là ứng suất tại đó vật liệu giòn bị gãy.
• Ứng suất làm việc cho phép ($σ_w$): Để đảm bảo an toàn, ứng suất làm việc cho phép của vật liệu giòn được tính toán dựa trên ứng suất gãy và hệ số an toàn (N): $σ_w = \frac{σ_f}{N}$.

So sánh với tính dẻo

Sự khác biệt giữa vật liệu giòn và vật liệu dẻo có thể được tóm tắt như sau:

Ứng dụng

Mặc dù tính giòn thường được coi là một tính chất tiêu cực, nhưng nó có thể có lợi trong một số ứng dụng nhất định, chẳng hạn như trong các công cụ cắt, nơi mong muốn có độ sắc nét và khả năng chống mài mòn cao. Ví dụ, dao làm bằng vật liệu giòn như gốm hoặc kim cương có thể duy trì độ sắc bén tốt hơn dao làm bằng vật liệu dẻo. Tuy nhiên, trong hầu hết các ứng dụng kết cấu, tính dẻo được ưu tiên hơn tính giòn để tránh sự cố gãy đột ngột.

Thử nghiệm tính giòn

Một số phương pháp thử nghiệm thường được sử dụng để đánh giá tính giòn của vật liệu bao gồm:

• Thử nghiệm uốn: Thử nghiệm này thường được sử dụng cho vật liệu giòn như gốm sứ và bê tông. Một mẫu thử được đặt trên hai gối đỡ và tải trọng được áp dụng ở giữa cho đến khi mẫu thử bị gãy. Độ bền uốn được tính toán từ tải trọng gãy và kích thước của mẫu thử. Kết quả thường được biểu diễn bằng mô-men uốn gãy.
• Thử nghiệm va đập: Thử nghiệm va đập, như thử nghiệm Charpy hoặc Izod, đo lượng năng lượng mà mẫu thử hấp thụ khi bị phá vỡ bởi một tác động đột ngột. Năng lượng va đập thấp hơn cho thấy tính giòn cao hơn. Thử nghiệm này đặc biệt hữu ích để đánh giá hành vi của vật liệu ở nhiệt độ thấp.
• Thử nghiệm độ cứng: Mặc dù độ cứng không phải là thước đo trực tiếp của tính giòn, nhưng nó thường tương quan với tính giòn. Vật liệu cứng hơn có xu hướng giòn hơn. Các phương pháp thử nghiệm độ cứng phổ biến bao gồm Vickers, Rockwell và Brinell.

Cơ chế gãy giòn

Sự gãy giòn thường bắt đầu từ các khuyết tật vi mô trong vật liệu, chẳng hạn như vết nứt hoặc lỗ rỗng. Khi ứng suất được áp dụng, ứng suất tập trung tại các khuyết tật này. Khi ứng suất tập trung vượt quá một giá trị tới hạn, một vết nứt sẽ hình thành và lan truyền nhanh chóng qua vật liệu, dẫn đến gãy đột ngột. Sự lan truyền vết nứt này xảy ra mà không có biến dạng dẻo đáng kể.

Cải thiện tính dẻo và giảm tính giòn

Có nhiều cách để cải thiện tính dẻo và giảm tính giòn của vật liệu, bao gồm:

• Kiểm soát kích thước hạt: Kích thước hạt nhỏ hơn thường dẫn đến tính dẻo cao hơn. Điều này là do kích thước hạt nhỏ hơn tạo ra nhiều ranh giới hạt hơn, cản trở chuyển động của lệch vị và do đó tăng cường độ bền và độ dẻo.
• Xử lý nhiệt: Các quy trình xử lý nhiệt, như ủ, có thể được sử dụng để thay đổi cấu trúc vi mô và cải thiện tính dẻo.
• Thêm hợp kim: Việc bổ sung các nguyên tố hợp kim cụ thể có thể cải thiện tính dẻo của vật liệu. Ví dụ, việc thêm niken vào thép có thể làm tăng độ dai và giảm tính giòn.
• Tránh ứng suất tập trung: Thiết kế các bộ phận để tránh các góc nhọn và các thay đổi đột ngột về tiết diện có thể giúp giảm ứng suất tập trung và ngăn ngừa gãy giòn. Việc gia công bề mặt nhẵn cũng có thể giúp giảm sự tập trung ứng suất.

Kết luận

Tính giòn là một tính chất vật liệu quan trọng cần xem xét trong thiết kế và lựa chọn vật liệu. Hiểu được các yếu tố ảnh hưởng đến tính giòn và các phương pháp thử nghiệm có sẵn có thể giúp các kỹ sư lựa chọn vật liệu phù hợp cho các ứng dụng cụ thể và ngăn ngừa sự cố gãy thảm khốc.

• Callister, W. D., & Rethwisch, D. G. (2018). Materials science and engineering: An introduction. John Wiley & Sons.
• Ashby, M. F., & Jones, D. R. H. (2011). Engineering materials 1: An introduction to properties, applications and design. Butterworth-Heinemann.
• Dieter, G. E. (1989). Mechanical metallurgy. McGraw-Hill.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để phân biệt giữa gãy giòn và gãy dẻo dựa trên bề mặt gãy?

Trả lời: Bề mặt gãy giòn thường có dạng tinh thể hoặc dạng hạt, thể hiện sự tách rời đột ngột dọc theo các mặt phẳng tinh thể. Ngược lại, bề mặt gãy dẻo thể hiện sự biến dạng dẻo đáng kể, thường có dạng sợi hoặc kéo dài, cho thấy vật liệu đã bị kéo giãn trước khi gãy.

Tại sao nhiệt độ thấp lại làm tăng tính giòn của vật liệu?

Trả lời: Ở nhiệt độ thấp, năng lượng nhiệt có sẵn cho sự chuyển động của nguyên tử giảm. Điều này làm giảm khả năng trượt của các mặt phẳng nguyên tử, hạn chế biến dạng dẻo và làm cho vật liệu dễ bị gãy giòn hơn.

Hệ số an toàn (N) trong công thức $σ_w = \frac{σ_f}{N}$ có ý nghĩa gì và tại sao nó lại quan trọng?

Trả lời: Hệ số an toàn (N) là một số lớn hơn 1, được sử dụng để giảm ứng suất làm việc cho phép ($σ_w$) so với ứng suất gãy ($σ_f$). Nó giúp bù đắp cho các biến đổi trong tính chất vật liệu, tải trọng không lường trước được, và các khuyết tật không thể phát hiện được, đảm bảo rằng cấu trúc hoạt động an toàn dưới tải trọng dự kiến.

Ngoài thử nghiệm uốn, va đập và độ cứng, còn phương pháp nào khác để đánh giá tính giòn?

Trả lời: Một số phương pháp khác bao gồm: thử nghiệm kéo ở tốc độ biến dạng cao, phân tích fractography (nghiên cứu bề mặt gãy), và các kỹ thuật đo độ dai gãy như xác định $K_{IC}$ (hệ số cường độ ứng suất tới hạn).

Làm thế nào để cải thiện tính dẻo của vật liệu gốm, vốn được biết đến là vật liệu giòn?

Trả lời: Mặc dù gốm sứ vốn dĩ giòn, tính dẻo của chúng có thể được cải thiện ở một mức độ nhất định bằng cách: tinh chỉnh kích thước hạt (kích thước hạt nhỏ hơn), kiểm soát các khuyết tật vi mô, thiết kế các cấu trúc composite với pha dẻo, và gia cố bằng sợi hoặc whiskers. Tuy nhiên, gốm sứ sẽ không bao giờ đạt được mức độ dẻo như kim loại.