Định nghĩa cơ tính vật liệu
Cơ tính vật liệu là tập hợp các tính chất định lượng mô tả ứng xử của vật liệu dưới tác dụng của lực cơ học. Khác với “thuộc tính vật liệu” (tổng quan tất cả nhóm), cơ tính đi sâu vào quan hệ ứng suất-biến dạng (σ-ε), các giới hạn đặc trưng và cơ chế phá hủy.
Cơ tính là nhóm thuộc tính quyết định trong thiết kế kết cấu chịu lực. Toàn bộ phép tính độ bền, chuyển vị và ổn định trong kỹ thuật kết cấu đều dựa trên các thông số cơ tính đo được từ thử nghiệm tiêu chuẩn.
Ứng suất và biến dạng — nền tảng cơ tính
Ứng suất (Stress — σ)
Ứng suất là lực nội tại trên một đơn vị diện tích, định nghĩa bằng: σ = F/A (đơn vị Pa hoặc MPa). Có ba loại ứng suất cơ bản: ứng suất pháp kéo (tensile), ứng suất pháp nén (compressive) và ứng suất tiếp cắt τ = V/A. Ứng suất là đại lượng tensor bậc hai, đầy đủ cần 6 thành phần (σₓ, σᵧ, σ_z, τₓᵧ, τᵧ_z, τ_zx) để mô tả trạng thái ứng suất tổng quát.
Biến dạng (Strain — ε)
Biến dạng là sự thay đổi tương đối về kích thước, định nghĩa bằng: ε = ΔL/L₀ (không thứ nguyên, hoặc %). Biến dạng dài (longitudinal strain) và biến dạng cắt (shear strain γ) là hai loại cơ bản. Tương tự ứng suất, biến dạng đầy đủ cũng là tensor bậc hai với 6 thành phần độc lập.
Đường cong ứng suất-biến dạng (σ-ε curve)
Đường cong σ-ε thu được từ thử kéo một trục là “hình chỉ tay” của cơ tính vật liệu. Các điểm đặc trưng gồm: giới hạn tỷ lệ (proportional limit), giới hạn đàn hồi (elastic limit), giới hạn chảy f_y (yield strength), độ bền kéo f_u (ultimate tensile strength) và điểm đứt. Diện tích dưới đường cong biểu thị năng lượng hấp thụ trước khi phá hủy (modulus of resilience hoặc toughness).
Các thông số cơ tính chính
| Thông số | Ký hiệu | Đơn vị | Định nghĩa | Giá trị tiêu biểu (thép S355) |
|---|---|---|---|---|
| Module đàn hồi Young | E | GPa | Độ dốc vùng đàn hồi tuyến tính σ-ε | 210 GPa |
| Giới hạn chảy | f_y (R_eH) | MPa | Ứng suất tại điểm xuất hiện biến dạng dẻo | ≥ 355 MPa |
| Độ bền kéo | f_u (R_m) | MPa | Ứng suất cực đại trên đường cong σ-ε | 470–630 MPa |
| Độ giãn dài | A₅ | % | Biến dạng tương đối khi đứt (L₀ = 5d₀) | ≥ 20% |
| Độ co tiết diện | Z | % | Giảm diện tích tại vùng đứt | ≥ 50% |
| Hệ số Poisson | ν | — | Tỷ lệ biến dạng ngang/dọc | 0,30 |
| Module cắt | G | GPa | G = E/[2(1+ν)] | 80,8 GPa |
| Độ cứng Vickers | HV | — | Sức kháng biến dạng bề mặt | 150–190 HV |
| Độ dai phá hủy | K_IC | MPa·√m | Sức kháng lan rộng vết nứt (mode I) | 50–170 MPa·√m |
| Độ dai va đập | K_V | J | Năng lượng hấp thụ trong thử Charpy | ≥ 27 J ở -20°C |
Module đàn hồi Young — phân tích chuyên sâu
Module Young (E) là hệ số tỷ lệ trong Định luật Hooke: σ = E·ε. Về bản chất vật lý, E phản ánh độ cứng của liên kết nguyên tử: liên kết càng mạnh, E càng cao. E của thép (210 GPa) cao hơn nhôm (70 GPa) vì liên kết nguyên tử sắt trong mạng BCC mạnh hơn liên kết nhôm FCC.
E hầu như không phụ thuộc vào thành phần hợp kim (với kim loại) mà phụ thuộc vào bản chất nguyên tử. Tuy nhiên, E giảm đáng kể khi nhiệt độ tăng cao: thép ở 600°C chỉ còn E ≈ 120 GPa, tức giảm ~43% so với nhiệt độ phòng — yếu tố quan trọng trong thiết kế chịu lửa theo EN 1993-1-2.
Giới hạn chảy và cơ chế dẻo
Khi ứng suất vượt giới hạn chảy f_y, kim loại bắt đầu biến dạng dẻo thông qua trượt mặt phẳng tinh thể (crystallographic slip). Lệch mạng (dislocation) di chuyển dọc theo mặt trượt, tạo ra biến dạng dẻo vĩnh cửu. Mật độ lệch mạng tăng làm vật liệu cứng thêm — hiện tượng biến cứng gia công (strain hardening) mô tả bằng hệ số n trong luật lũy thừa Hollomon: σ = K·εⁿ.
Độ dai phá hủy — cơ tính chống nứt
Độ dai phá hủy K_IC (mode I — mở vết nứt) đặc trưng cho khả năng chống lan rộng vết nứt khi có khuyết tật. Theo cơ học phá hủy tuyến tính đàn hồi (LEFM): K_I = σ·Y·√(πa), trong đó a là chiều dài nửa vết nứt và Y là hệ số hình dạng. Khi K_I đạt K_IC, vết nứt lan rộng đột ngột.
Sự khác biệt K_IC giữa các vật liệu rất lớn: thép kết cấu dẻo K_IC ≈ 50–170 MPa·√m; gang xám K_IC ≈ 6–20 MPa·√m; thủy tinh K_IC ≈ 0,7–1 MPa·√m. Đây là lý do kính và gốm giòn dù độ bền kéo không thấp — chúng không chịu được khuyết tật bề mặt.
Những hiểu lầm phổ biến
- Module Young càng cao, vật liệu càng bền: Sai. Module Young đo độ cứng (stiffness), không phải độ bền (strength). Kim cương có E cao nhất (~1.000 GPa) nhưng giòn và dễ vỡ. Độ bền phụ thuộc vào f_y và K_IC.
- Giới hạn chảy và độ bền kéo là một: Sai. f_y là ứng suất tại điểm bắt đầu biến dạng dẻo; f_u là ứng suất cực đại. Với thép S355: f_y = 355 MPa, f_u = 470–630 MPa. Tỷ lệ f_u/f_y < 1,1 bị hạn chế trong EN 1998 vì thiếu vùng biến cứng an toàn.
- Độ cứng Vickers (HV) tương đương độ bền kéo: Có tương quan gần đúng (f_u ≈ 3,4×HV MPa với thép) nhưng không chính xác tuyệt đối. Quan hệ này chỉ dùng để ước tính nhanh, không thay thế thử kéo tiêu chuẩn.
- Vật liệu không bị hỏng nếu ứng suất dưới f_y: Không đúng khi có tải trọng lặp lại. Mỏi (fatigue) gây phá hủy ở ứng suất thấp hơn nhiều so với f_y sau số chu kỳ đủ lớn. Giới hạn mỏi thép carbon thường ≈ 0,4–0,5·f_u.
- Cơ tính đo trong lab áp dụng trực tiếp cho thiết kế: Cần hệ số an toàn. Tiêu chuẩn EN 1993 dùng hệ số γ_M0 = 1,0 cho tiết diện, γ_M1 = 1,0 cho ổn định và γ_M2 = 1,25 cho liên kết. TCVN 5574 dùng hệ số độ tin cậy vật liệu γ_b và γ_s.
Câu hỏi thường gặp
- Thử kéo (tensile test) theo tiêu chuẩn nào?
- ISO 6892-1:2019 (kim loại ở nhiệt độ phòng), ISO 6892-2 (nhiệt độ cao), ISO 527 (nhựa), EN 12390-6 (bê tông — thử chẻ). ASTM E8/E8M là tiêu chuẩn Mỹ tương đương ISO 6892-1. Việt Nam áp dụng TCVN 197-1 tương đương ISO 6892-1.
- Tại sao thép có hai giá trị f_y: R_eH và R_eL?
- R_eH (Upper yield strength) là ứng suất cực đại tại điểm chảy trên. R_eL (Lower yield strength) là ứng suất nhỏ hơn ở vùng chảy dưới. Hiện tượng này đặc trưng cho thép carbon thấp do nguyên tử carbon “ghim” lệch mạng. Trong thiết kế, R_eL (giá trị thấp hơn và ổn định hơn) được dùng làm giới hạn chảy thiết kế.
- Thử va đập Charpy đo gì?
- Thử Charpy (EN ISO 148-1) đo năng lượng K_V (J) hấp thụ khi búa đập gãy mẫu có rãnh chữ V ở nhiệt độ xác định. K_V phản ánh tính dai va đập (impact toughness), đặc biệt quan trọng để đánh giá nguy cơ giòn lạnh và chọn mác thép cho kết cấu ngoài trời vùng lạnh.
- Mỏi vật liệu (fatigue) xảy ra như thế nào?
- Mỏi xảy ra khi vật liệu chịu ứng suất lặp lại (tải trọng biên độ thay đổi). Vết nứt mỏi bắt đầu tại khuyết tật bề mặt hoặc tập trung ứng suất, lan rộng dần theo số chu kỳ N. Đường cong S-N (Wöhler) mô tả quan hệ giữa biên độ ứng suất S và số chu kỳ phá hủy N. Thép có giới hạn mỏi (endurance limit) rõ ràng tại khoảng 10⁷ chu kỳ; nhôm không có.
- Từ biến (creep) trong kim loại khác bê tông như thế nào?
- Từ biến trong kim loại chủ yếu xảy ra ở nhiệt độ cao (T > 0,3·T_m tuyệt đối), do khuếch tán nguyên tử và trượt biên giới hạt. Từ biến bê tông xảy ra ở nhiệt độ thường do chuyển dịch nước trong gel CSH và tái sắp xếp vi cấu trúc, bắt đầu ngay từ khi đổ bê tông và tiếp tục hàng chục năm.
- Ứng suất dư (residual stress) là gì và tại sao quan trọng?
- Ứng suất dư là ứng suất tồn tại trong vật liệu khi không có tải trọng ngoài, hình thành do biến dạng dẻo không đồng đều trong hàn, cán nóng, rèn hoặc nhiệt luyện. Ứng suất dư kéo làm giảm giới hạn mỏi và tăng nguy cơ ăn mòn ứng suất; ứng suất dư nén (từ shot peening) tăng cường chịu mỏi. TCVN và EN yêu cầu xem xét ứng suất dư trong tính toán kết cấu hàn.
- Độ cứng có thể dùng để ước tính cường độ kéo không?
- Có, với độ chính xác khoảng ±10–15% cho thép carbon thông thường: f_u (MPa) ≈ 3,4 × HV. Với vật liệu khác (hợp kim, nhiệt luyện đặc biệt) mối tương quan thay đổi đáng kể. Phương pháp này hữu ích để kiểm tra nhanh hiện trường nhưng không thay thế thử kéo chính thức.
- Vì sao bê tông cao tính năng (HPC) có thể đạt f’c = 100 MPa?
- HPC đạt cường độ cao nhờ tỷ lệ W/C rất thấp (0,25–0,35), dùng phụ gia siêu dẻo (superplasticizer), silica fume làm đặc vi cấu trúc và cốt liệu chất lượng cao. Silica fume (SiO₂ phản ứng) lấp đầy lỗ rỗng mao quản và tạo phản ứng pozzolanic tăng cường gel C-S-H. Kết quả là vi cấu trúc đặc chắc hơn nhiều so với bê tông thường.
Kết luận
Cơ tính vật liệu — bao gồm Module Young, giới hạn chảy, độ bền kéo, tính dẻo và độ dai phá hủy — là nền tảng của mọi tính toán kết cấu. Hiểu đúng từng thông số, điều kiện đo và ý nghĩa vật lý là điều kiện tiên quyết để thiết kế kết cấu an toàn và hiệu quả.
Cơ tính không cô lập mà tương tác chặt chẽ với nhiệt tính (E giảm theo nhiệt độ), hóa tính (ăn mòn giảm tiết diện hiệu quả) và lịch sử gia công (ứng suất dư, biến cứng). Thiết kế kết cấu tốt đòi hỏi xem xét toàn diện các tương tác này.