NỨT DƯỚI ỨNG SUẤT

40
CHƯƠNG 4 NỨT DƯỚI ỨNG SUẤT
4.1. Giới thiệu
4.1.1. Các hiện tượng nứt dưới ứng suất
Trong một số môi trường, kim loại bị nứt và đứt gảy ở các ứng suất thấp
hơn rất nhiều so với độ bền kéo cực đại, thậm chí nhỏ hơn giới hạn đàn hồi của
chúng. Hiện tượng này được gọi là nứt dưới ứng suất do cảm ứng môi trường
(environment induced cracking, EIC). Do đó độ bền vật liệu khi sử dụng không
chỉ phụ thuộc vào các tính chất cơ của nó mà còn phụ thuộc vào các điều kiện
của môi trường.
Nứt dưới ứng suất của kim loại do cảm ứng môi trường (EIC) bao gồm ăn
mòn dưới ứng suất, giòn do hydrô, ăn mòn mỏi và giòn do kim loại lỏng.
• Ăn mòn dưới ứng suất
(stress corrosion cracking, SCC) là kết quả của
một tác động đồng thời giữa ăn mòn và ứng suất kéo tĩnh (có thể là ứng suất áp
đặt hoặc ứng suất dư). Loại hư hỏng này chỉ xảy ra khi các điều kiện như tính
chất kim loại, ứng suất cơ học và môi trường cùng thỏa mãn.
• Giòn do hydrô
(hydrogen embrittlement, HE) là nứt gây ra bởi một ứng
suất kéo và sự hiện diện của hydrô hòa tan trong kim loại (đôi khi chỉ cần có
hydrô cũng đủ gây hư hỏng kim loại). Trong một số trường hợp SCC và HE xảy
ra đồng thời, do đó không có những giới hạn rõ ràng để phân biệt hai hiện tượng
này.
• Ăn mòn mỏi
(corrosion fatigue, CF) xuất hiện do tác động liên hợp của
môi trường ăn mòn và ứng suất chu kỳ, làm giảm độ bền mỏi của kim loại.
• Giòn do kim loại lỏng
(liquid metal embrittlement) xảy ra khi một kim
loại rắn tiếp xúc với một kim loại ở trạng thái lỏng hoặc kim loại có nhiệt độ ở
gần nhiệt độ nóng chảy. Hiện tượng này không kéo theo các phản ứng hóa học

nên không được xem xét trong giáo trình này.
4.1.2. Đặc tính của đứt gảy
Các đứt gảy do EIC có hai đặc tính chung: đứt giòn và chỉ biểu hiện sau
một khoảng thời gian nào đó. Sự hiện diện của đứt giòn trong kim loại (kim loại
thường là đứt dẻo) cho phép xác định EIC. Mặt khác, nứt chỉ biểu hiện sau một
khoảng thời gian nào đó làm cho việc nghiên cứu trong phòng thí nghiệm trở
nên khó khăn vì phải tăng tốc các hiện tượng, sau đó ngoại suy về các điều kiện
thực tế.
4.1.3. Nứt ở biên giới hạt (intergranular) và ngang qua hạt (transgranular)
Tùy theo điều kiện, EIC có thể tạo ra các vết nứt dọc theo biên giới hạt
hoặc tạo các vết nứt phân nhánh ngang qua hạt.
Hình chụp từ kính hiển vi quang học cho thấy (a) các vết nứt trên biên giới
hạt của thép không gỉ austenit trong môi trường kiềm ở 80
o
C và (b) nứt ngang
qua hạt của thép không gỉ austenit trong môi trường có clorua (Cl
-
) ở 100
o
C.

41


Hai loại nứt này sẽ gây ra các đứt gảy trên biên giới hạt hoặc ngang qua hạt
tương ứng. Đôi khi người ta quan sát thấy các đứt gảy là hổn hợp của hai kiểu
trên. Việc nghiên cứu hình thái các vết gảy cho phép suy đoán cơ chế hư hỏng
quan sát được trong thực tế.
4.2. Phép thử ăn mòn dưới ứng suất
4.2.1. Phân loại các phép thử ăn mòn dưới ứng suất

Việc mô hình hóa trong phòng thí nghiệm các biểu hiện của kim loại khi
chịu EIC đặt ra nhiều vấn đề:
• Phải làm chủ đồng thời các điều kiện điện hóa và cơ học ở điểm nứt.
Nếu không, gradient nồng độ sẽ làm thành phần dung dịch ở điểm nứt khác với
trong lòng dung dịch hoặc điện thế rơi làm cho điện thế ở điểm nứt khác với
điện thế áp đặt lên mẫu thử.
• Phải tăng tốc các hiện tượng để giới hạn thời gian thử bằng cách dùng
các môi trường đặc biệt ăn mòn như dung dịch MgCl
2
sôi.
• Ứng suất cục bộ tại điểm nứt phụ thuộc vào dạng hình học của vết nứt,
tuy nhiên vết nứt lại phát triển theo thới gian thử nghiệm.
Các yếu tố này làm phức tạp hóa việc giải thích kết quả thử trong phòng thí
nghiệm và gây khó khăn cho việc ngoại suy về các điều kiện làm việc.
Các phép thử ăn mòn dưới ứng suất thường cung cấp các thông tin mang
tính định tính dùng để phục vụ cho việc nghiên cứu độ bền của vật liệu với SCC
và HE. Chúng có thể thực hiện trên máy thử kéo hoặc chỉ với các công cụ đơn
giản.
Có ba nhóm phép thử ăn mòn dưới ứng suất:

42
• Phép thử tĩnh với mẫu không nứt
• Phép thử tĩnh với mẫu nứt trước
• Phép thử kéo với tốc độ biến dạng thấp
4.2.2. Phép thử tĩnh với mẫu không nứt
Trong phép thử này người ta áp tải lên mẫu (mẫu trơn hoặc có khắc trước
để cố định vị trí đứt), đặt vào môi trường ăn mòn và đo thời gian trước khi hư
hỏng t
C
.

Có nhiều loại thiết bị đơn giản được sử dụng để thực hiện các phép thử ăn
mòn dưới ứng suất khi chịu uốn hoặc chịu kéo với các mẫu không nứt. Các mẫu
có thể có dạng thanh mỏng, dạng chữ U hình vòng cung, dạng chữ C hoặc chịu
tải kéo đồng trục.


4.2.3. Phép thử tĩnh với mẫu nứt trước
4.2.3.1. Nguyên tắc
Phương pháp này cho phép đo tốc độ lan truyền vết nứt và xác định ngưỡng
ứng suất mà dưới giá trị đó vết nứt không lan truyền. Tuy nhiên phương pháp
này lại không cho phép xác định thời gian bắt đầu nứt (như trong phép thử trên)
hoặc ảnh hưởng của trạng thái bề mặt. Các vết nứt trước của mẫu thường được
tạo ra bằng phép thử mỏi.
Lý thuyết đàn hồi tuyến tính cung cấp mối liên hệ giữa lực áp dụng và ứng
suất cục bộ ở điểm nứt trong vật liệu giòn.
Mẫu có thể bị đứt theo ba kiểu sau: I, II và III.

43

Nếu mẫu chịu tải theo kiểu I, ba thành phần của ứng suất cục bộ ở vùng lân
cận điểm nứt thay đổi theo bán kính r và góc θ

Thành phần σ
y
(theo phương tác dụng lực) tính theo:
σ
y
= K
I
f(r,θ) với K

I
gọi là hệ số cường độ ứng suất
Nếu mẫu tương ứng với một bản có kích thước vô hạn, chứa trên bề mặt
một vết nứt nhọn có chiều dài a vuông góc với phương kéo thì K
I
[N.m
-3/2
] tính
theo
K
I
= σ
o
(πa)
1/2
với σ
o
[N/m
2
] biểu thị ứng suất áp đặt
Đối với các mẫu có kích thước giới hạn, K
I
phụ thuộc vào dạng hình học
của mẫu, chủ yếu là tỉ lệ a/w với w là bề rộng của mẫu.
K
I
= σ
o
(πa)
1/2

f(a/w) với f(a/w) biểu diễn ảnh hưởng của dạng hình
học
Khi không có tác nhân ăn mòn, vết nứt chỉ lan truyền khi hệ số cường độ
ứng suất vượt qua một giá trị tới hạn K
IC
gọi là độ bền đứt. Giá trị này là một
tính chất đặc trưng cho năng lượng đứt của vật liệu. Trong môi trường ăn mòn
các vết nứt vẫn lan truyền mặc dù K
I
nhỏ hơn K
IC
rất nhiều. Hệ số cường độ ứng
suất tới hạn cho sự nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất K
ISCC
tương ứng với giá
trị tối thiểu của K
I
cho phép các vết nứt phát triển trong một môi trường ăn mòn
cho trước.

44

Giản đồ biểu diễn tốc độ phát triển của một vết nứt theo K
I
cho thấy có ba
vùng. Ban đầu khi K
I
nhỏ hơn K
ISCC
(vùng ổn định), tốc độ phát triển gần như

bằng không. Qua khỏi giá trị K
ISCC
, tốc độ phát triển đầu tiên tăng mạnh theo K
I

sau đó ổn định (vùng dưới tới hạn). Khi K
I
đạt đến K
IC
tốc độ phát triển lại tăng
cho đến khi đứt (vùng quá tới hạn).


Ví dụ cho thấy ảnh hưởng của môi trường (NaCl 35% và nước cất) và độ
cứng của vật liệu đến tốc độ phát triển vết nứt trong thép AISI 4340.
4.2.3.2. Hình dạng mẫu
Các mẫu nứt trước có thể có các dạng chịu tải kéo (a) hoặc chịu uốn (b)

45

a) b)
4.2.4. Phép thử kéo ở tốc độ biến dạng thấp
Phép thử này cho phép xác định nhanh chóng độ nhạy cảm của kim loại với
SCC và HE trong một môi trường cho trước. Phương pháp này giả sử rằng ảnh
hưởng của ăn mòn trên biểu hiện đứt của kim loại phụ thuộc vào tốc độ biến
dạng hơn là giá trị cường độ ứng suất tại điểm nứt. Cường độ ứng suất chỉ can
thiệp một cách gián tiếp vào việc tạo ra biến dạng.
Với máy thử kéo, trên mẫu (trơn hoặc có khắc) người ta áp đặt một biến
dạng tăng dần với tốc độ biến dạng chậm hoặc không đổi, ghi lại σ = f(ε) đến
khi đứt và đo diện tích mặt đứt của mẫu.

Hệ số k
A
biểu diễn độ giảm diện tích sau khi đứt:
k
A
= (A
0
–

A) / A
0
với A
0
, A là diện tích mặt cắt mẫu ban đầu và sau khi đứt
Đối với đứt giòn, A
0
=

A nên k
A
= 0.
Đối với đứt dẻo, A
0
>

A nên 0 < k
A
< 1
Để đánh giá ảnh hưởng ăn mòn, người ta so sánh k
A

trong môi trường ăn
mòn và môi trường trơ.

Ảnh hưởng của ăn mòn dưới ứng suất thường biểu hiện ở các tốc độ biến
dạng tương đối thấp: 10
-3
đến 10
-7
s
-1
(thường dùng 10
-6
s
-1
). Nếu tốc độ biến
dạng quá cao, ăn mòn không đủ thời gian tác động nên kim loại sẽ biểu hiện như