Độ bền, độ cứng và độ dẻo khác nhau thế nào?

• Giới hạn chảy
• Độ bền kéo tới hạn
• Lúc gãy

Bạn sẽ học được gì

• Phân biệt biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo, giới hạn chảy và độ bền kéo tới hạn.
• Giải thích độ dẻo và vì sao vật liệu giòn gãy gần như không báo trước.
• Nói được độ cứng đo điều gì và vì sao nó liên quan đến mài mòn.

Cần biết trước

Biết lực làm vật biến dạng là đủ. Bài này dùng ví dụ lò xo và chiếc kẹp giấy.

Độ bền cho biết điều gì?

Độ bền cho biết vật liệu chịu được ứng suất tới mức nào, và có hai mốc quan trọng. Theo giáo trình Mechanical Properties của Đại học Cambridge, một lò xo bị treo vật nặng sẽ dài ra, rồi trở về hình cũ khi bỏ tải; đó là biến dạng đàn hồi, tức thay đổi hình dạng có thể phục hồi khi bỏ tải.

Quá một ngưỡng thì vật liệu không trở về hình cũ nữa. Giáo trình gọi ngưỡng ứng suất mà biến dạng dẻo bắt đầu là giới hạn chảy. Biến dạng dẻo là thay đổi hình dạng vĩnh viễn, như khi bẻ cong chiếc kẹp giấy. Mốc thứ hai là độ bền kéo tới hạn, tức ứng suất lớn nhất vật liệu chịu được khi bị kéo trước khi đứt.

Trên đồ thị ứng suất theo biến dạng, đoạn thẳng đầu là đàn hồi, điểm đỏ là giới hạn chảy, đỉnh là độ bền kéo tới hạn và dấu chéo là lúc gãy.

Độ dẻo là gì và khác độ giòn ra sao?

Độ dẻo cho biết vật liệu đã biến dạng dẻo bao nhiêu khi gãy. Giáo trình định nghĩa độ dẻo là thước đo mức biến dạng dẻo mà vật liệu chịu được tại lúc gãy. Vật liệu dẻo biến dạng dẻo khá nhiều, qua quá trình thắt lại gọi là thắt cổ chai, rồi mới gãy, và hấp thụ nhiều năng lượng hơn.

Vật liệu giòn thì ngược lại. Theo giáo trình, vật liệu giòn hầu như không biến dạng dẻo trước khi gãy. Vì vậy trên hình, đường của vật liệu giòn dừng sớm và ngắn, còn đường của vật liệu dẻo kéo dài.

• Vật liệu dẻo
• Vật liệu giòn

Độ cứng đo điều gì?

Độ cứng là thước đo khả năng chống biến dạng dẻo cục bộ của vật liệu. Phép đo quen thuộc là ấn một mũi nhọn với lực biết trước vào bề mặt rồi xem vết lõm. Giáo trình nói độ cứng quan trọng khi xét khả năng chống mài mòn của vật liệu.

Giáo trình nêu một đánh đổi trong hóa bền biến dạng: biến dạng dẻo làm độ cứng tăng, giúp chống mòn nhưng cũng có thể làm vật liệu giòn hơn. Nhận xét này thuộc quá trình hóa bền đang xét, không phải quy tắc rằng mọi vật liệu cứng đều giòn hơn mọi vật liệu mềm.

• Mũi ấn
• Vết lõm
• Lực ấn

Ví dụ trong đời sống

Hãy bẻ cong chiếc kẹp giấy một chút rồi thả ra. Nếu chỉ cong nhẹ, nó có thể trở lại, vì đang ở vùng đàn hồi. Bẻ quá tay thì nó giữ nguyên hình cong, tức đã vượt giới hạn chảy. Một viên gạch men thì khác: nó gần như không cong mà nứt luôn, đúng kiểu vật liệu giòn.

Hiểu lầm thường gặp

Bền và cứng là một. Giáo trình định nghĩa chúng khác nhau: độ bền nói về ứng suất vật liệu chịu được, độ cứng nói về sức chống vết lõm cục bộ.

Cứng thì không gãy. Khả năng chống vết lõm không bảo đảm khả năng chịu gãy; giáo trình nêu hóa bền biến dạng có thể làm vật liệu giòn hơn.

Dẻo là yếu. Độ dẻo chỉ cho biết mức biến dạng dẻo tại lúc gãy. Vật liệu dẻo gãy sau khi biến dạng nhiều và hấp thụ nhiều năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

Giới hạn chảy là gì?

Là ngưỡng ứng suất mà biến dạng dẻo bắt đầu xảy ra. Dưới ngưỡng này, vật liệu phục hồi hình dạng khi bỏ tải.

Vật liệu giòn là gì?

Là vật liệu hầu như không biến dạng dẻo trước khi gãy, nên hấp thụ ít năng lượng trước khi gãy.

Độ cứng có phải là độ bền không?

Không. Độ cứng là khả năng chống biến dạng dẻo cục bộ, còn độ bền kéo tới hạn là ứng suất lớn nhất khi kéo. Chúng là hai đại lượng riêng.

Tóm tắt

• Dưới giới hạn chảy vật liệu đàn hồi; quá ngưỡng đó biến dạng dẻo bắt đầu, và độ bền kéo tới hạn là ứng suất lớn nhất khi kéo.
• Độ dẻo là mức biến dạng dẻo tại lúc gãy; vật liệu giòn hầu như không biến dạng dẻo trước khi gãy.
• Độ cứng là khả năng chống biến dạng dẻo cục bộ và liên quan đến mài mòn; hóa bền biến dạng có thể đánh đổi độ dẻo lấy độ cứng.