Định nghĩa tính chất cơ lý vật liệu
Tính chất cơ lý vật liệu là tập hợp các chỉ tiêu kỹ thuật mô tả hành vi của vật liệu khi chịu tác dụng của lực cơ học và các yếu tố vật lý môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và áp suất. Tính chất cơ lý không phải một chỉ số duy nhất mà là bộ thông số đa chiều, mỗi chỉ tiêu phản ánh một khía cạnh khác nhau của tính năng vật liệu.
Phân biệt với tính chất hóa học (phản ứng với môi trường, ăn mòn, oxy hóa) và tính chất công nghệ (khả năng gia công, đúc, hàn). Tính chất cơ lý là cơ sở chính để kỹ sư kết cấu lựa chọn vật liệu và tính toán kích thước cấu kiện.
Nhóm tính chất cơ học
Cường độ (Strength)
Cường độ là khả năng chịu ứng suất mà không bị phá hủy. Gồm cường độ kéo (σt), nén (σc), uốn (σf) và cắt (τ). Đơn vị MPa (N/mm²). Cường độ nén bê tông B25: 25 MPa; thép CB400-V: σt ≥ 570 MPa (TCVN 1651-2:2018).
Độ cứng (Stiffness/Rigidity)
Độ cứng phản ánh khả năng chống biến dạng đàn hồi, đặc trưng bởi Mô-đun đàn hồi (Modulus of Elasticity — E). Thép: E ≈ 200.000 MPa; bê tông: E ≈ 25.000–35.000 MPa; gỗ dọc thớ: E ≈ 10.000–12.000 MPa. E lớn nghĩa là vật liệu cứng, biến dạng ít dưới tải.
Độ dẻo (Ductility)
Độ dẻo là khả năng biến dạng dẻo đáng kể trước khi phá hủy, đặc trưng bởi độ giãn dài tương đối (δ%) và độ thắt tiết diện (ψ%). Thép CB400-V: δ ≥ 14%. Vật liệu dẻo (thép) an toàn hơn vật liệu giòn (thủy tinh, gốm) vì cho cảnh báo trước khi sập.
Độ cứng bề mặt (Hardness)
Đo bằng thang Brinell (HB), Vickers (HV) hoặc Rockwell (HR). Thép tôi đạt HRC 60–65; gang xám 150–250 HB. Độ cứng bề mặt quan trọng cho vật liệu sàn, ốp lát và bề mặt chịu mài mòn.
Độ dai va đập (Impact Toughness)
Độ dai va đập là năng lượng hấp thụ trước khi phá hủy đột ngột, đo bằng thử nghiệm Charpy (J/cm²). Vật liệu dai (thép kết cấu) hấp thụ năng lượng va đập tốt hơn vật liệu giòn (gang, kính). Quan trọng cho kết cấu chịu tải trọng động và va đập.
Từ biến (Creep)
Creep là biến dạng tăng dần theo thời gian dưới tải trọng không đổi. Bê tông có creep đáng kể — biến dạng dài hạn có thể gấp 2–3 lần biến dạng đàn hồi ban đầu, phải kể đến trong thiết kế kết cấu bê tông ứng lực trước và kết cấu cao tầng.
Nhóm tính chất vật lý
Khối lượng riêng và khối lượng thể tích
Khối lượng riêng (density, ρ) là khối lượng vật liệu trên đơn vị thể tích đặc (không có lỗ rỗng), đơn vị kg/m³ hoặc g/cm³. Khối lượng thể tích (bulk density, ρ0) tính cả lỗ rỗng trong vật liệu. Thép: ρ = 7.850 kg/m³; bê tông thường: ρ0 = 2.200–2.500 kg/m³; gạch đặc: ρ0 = 1.600–1.900 kg/m³.
Độ rỗng và độ đặc
Độ rỗng (P%) = thể tích lỗ rỗng / thể tích toàn bộ × 100. Độ đặc (D%) = 100 – P%. Độ rỗng ảnh hưởng đến độ thấm nước, cường độ và cách nhiệt. Gạch đặc P ≈ 10–15%; bê tông thường P ≈ 5–10%; aerogel P ≈ 90–99%.
Độ hút nước
Độ hút nước (W%) là lượng nước hấp thụ tối đa tính theo phần trăm khối lượng khô. Gạch đất sét nung W ≤ 16%; gạch ceramic ốp tường W ≤ 10%; gạch granite W < 0,5% theo TCVN 7830. Độ hút nước cao liên quan đến nguy cơ đóng băng-tan băng ở vùng lạnh và giảm cường độ khi ẩm.
Hệ số dẫn nhiệt (λ)
Hệ số dẫn nhiệt λ (W/m·K) đặc trưng cho tốc độ truyền nhiệt qua vật liệu. Thép: λ ≈ 50 W/(m·K); bê tông: λ ≈ 1,4–1,7 W/(m·K); gạch đất sét: λ ≈ 0,5–0,8 W/(m·K); EPS cách nhiệt: λ ≈ 0,033–0,040 W/(m·K). Vật liệu cách nhiệt có λ thấp.
Hệ số giãn nở nhiệt (α)
Hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính α (10⁻⁶/°C) là biến dạng tương đối khi nhiệt độ tăng 1°C. Thép: α ≈ 12 × 10⁻⁶/°C; bê tông: α ≈ 10–12 × 10⁻⁶/°C (lý do thép và bê tông làm việc tốt cùng nhau). Nhôm: α ≈ 23 × 10⁻⁶/°C — cần khe co giãn nhiệt trong kết cấu nhôm dài.
Bảng tổng hợp tính chất cơ lý vật liệu phổ biến
| Vật liệu | ρ₀ (kg/m³) | E (MPa) | σ nén (MPa) | σ kéo (MPa) | λ W/(m·K) |
|---|---|---|---|---|---|
| Thép CB400 | 7.850 | 200.000 | 400 | ≥570 | 50 |
| Bê tông B25 | 2.400 | 30.000 | 25 | 2,1 | 1,6 |
| Gạch đặc M75 | 1.750 | 5.000 | 7,5 | 0,3 | 0,6 |
| Gỗ thông (dọc thớ) | 500 | 10.000 | 35 | 75 | 0,13 |
| Nhôm 6061 | 2.700 | 70.000 | 276 | 310 | 167 |
| Gạch AAC B2,5 | 500 | 1.750 | 2,5 | — | 0,12 |
| Kính float 6mm | 2.500 | 70.000 | — | 45 | 1,0 |
Những hiểu lầm phổ biến
- Tính chất cơ lý là hằng số tuyệt đối: Các chỉ tiêu như cường độ, E thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gia tải và thời gian. Bê tông tăng cường độ theo tuổi; gỗ giảm cường độ khi độ ẩm tăng.
- Vật liệu nhẹ = yếu: Gỗ có tỷ lệ bền/khối lượng rất cao. Gỗ thông với σt = 75 MPa và ρ = 500 kg/m³ cho tỷ lệ bền riêng 150 kN·m/kg, cao hơn bê tông đáng kể.
- Chỉ cần kiểm tra cường độ nén là đủ: Trong thực tế, cấu kiện chịu đồng thời nhiều loại ứng suất. Dầm chịu kéo ở thớ dưới, nén ở thớ trên, cắt ở gần gối. Phải kiểm tra đủ các chế độ tải.
- Modulus đàn hồi E và cường độ có liên hệ tỷ lệ thuận: Không phải lúc nào. Thủy tinh có E ~ 70.000 MPa (rất cứng) nhưng cường độ kéo chỉ 40–60 MPa (thấp, giòn). Cao su có E rất thấp (~1 MPa) nhưng chịu biến dạng cực lớn trước khi đứt.
- Hệ số dẫn nhiệt λ là tính chất duy nhất quyết định cách nhiệt: Hiệu quả cách nhiệt của tường còn phụ thuộc chiều dày (R = d/λ), cầu nhiệt, khe hở và bức xạ nhiệt. Cần tính R-value tổng hợp của toàn bộ kết cấu bao che.
Câu hỏi thường gặp
- Cơ tính và tính chất cơ lý có khác nhau không?
- Cơ tính (mechanical properties) là tập con của tính chất cơ lý, chỉ bao gồm các tính chất liên quan đến lực và biến dạng. Tính chất cơ lý rộng hơn, bao gồm thêm các tính chất vật lý như khối lượng riêng, dẫn nhiệt, độ hút nước.
- Làm sao đọc mác thép CB400-V?
- CB = Cốt Bê tông; 400 = giới hạn chảy fyk ≥ 400 MPa; V = vằn (gai). Theo TCVN 1651-2:2018, cường độ bền kéo σb ≥ 570 MPa và độ giãn dài Agt ≥ 7,5%.
- E của bê tông tính theo cường độ thế nào?
- Theo TCVN 5574:2018: Eb = 0,043 × ρ1,5 × fcm0,3 (MPa) với bê tông thường. Xấp xỉ nhanh: Eb ≈ 4.700 × √f’c (MPa) theo ACI 318, hoặc Eb ≈ 22.000 × (fcm/10)0,3 (MPa) theo Eurocode 2.
- Tại sao bê tông và thép làm việc tốt cùng nhau?
- Ba lý do: (1) hệ số giãn nở nhiệt gần nhau (bê tông α ≈ 10–12, thép α ≈ 12 × 10⁻⁶/°C), nên không tạo ứng suất nhiệt lớn; (2) bê tông bảo vệ thép khỏi ăn mòn và cháy; (3) độ bám dính tốt giữa gai cốt thép và bê tông truyền lực hiệu quả.
- Độ giòn và độ dẻo đo bằng cách nào?
- Độ dẻo đo qua độ giãn dài δ% sau kéo đứt và độ thắt ψ%. Thêm vào đó, thử nghiệm va đập Charpy (ISO 148-1) đo năng lượng phá hủy — vật liệu dẻo hấp thụ năng lượng cao hơn vật liệu giòn ở cùng tiết diện.
- Khối lượng thể tích ảnh hưởng thế nào đến thiết kế?
- Ảnh hưởng trực tiếp đến tải trọng bản thân (dead load). Công trình cao tầng dùng bê tông nhẹ (ρ₀ = 1.200–1.800 kg/m³) để giảm tải trọng đứng tác dụng lên cột và móng, giảm kích thước kết cấu và chi phí.
- Creep của bê tông bao nhiêu là đáng kể?
- Hệ số creep φ (tỷ lệ biến dạng creep/biến dạng đàn hồi ban đầu) thường 1,5–3,0 với bê tông thường. Creep lớn khi: tải trọng sớm, tỷ lệ w/c cao, bê tông trong môi trường khô và chịu tải lâu dài. Eurocode 2 cung cấp biểu đồ tính φ theo tuổi bê tông và độ ẩm.
Kết luận
Tính chất cơ lý vật liệu là bộ thông số đa chiều bao gồm các chỉ tiêu cơ học (cường độ, modulus, độ dẻo, độ cứng) và vật lý (khối lượng riêng, dẫn nhiệt, hút nước, giãn nở nhiệt). Không có vật liệu nào tối ưu trên mọi chỉ tiêu — lựa chọn vật liệu là bài toán đa tiêu chí, cân bằng giữa tính năng kỹ thuật, chi phí và điều kiện môi trường cụ thể.
Kỹ sư thiết kế cần nắm vững tính chất cơ lý của vật liệu đang dùng, tra cứu từ tiêu chuẩn và thử nghiệm thực tế thay vì dùng số liệu tham khảo chung, đặc biệt với vật liệu địa phương có thể có biến động chất lượng đáng kể.