Biến dạng là gì?
Biến dạng (tiếng Anh: strain, ký hiệu ε — epsilon) là đại lượng đo lường mức độ thay đổi kích thước hoặc hình dạng của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng so với kích thước ban đầu. Biến dạng không có đơn vị (adimensional) hoặc biểu thị theo phần trăm (%).
Công thức cơ bản cho biến dạng dọc trục (axial strain): ε = ΔL / L₀, trong đó ΔL là độ thay đổi chiều dài (mm), L₀ là chiều dài ban đầu (mm).
Phân loại biến dạng
- Biến dạng dọc trục (axial/normal strain, ε): Thay đổi chiều dài theo phương của lực kéo hoặc nén.
- Biến dạng cắt (shear strain, γ — gamma): Góc biến dạng gây ra bởi lực cắt, γ = τ/G (G là mô đun trượt).
- Biến dạng thể tích (volumetric strain): Tổng biến dạng theo ba phương không gian, liên quan đến hệ số Poisson ν.
Biến dạng đàn hồi (Elastic Strain)
Biến dạng đàn hồi là loại biến dạng tự phục hồi hoàn toàn khi bỏ tải. Đây là vùng tuyến tính trên đường cong ứng suất–biến dạng (σ–ε), tuân theo Định luật Hooke: σ = E × ε.
Trong vùng đàn hồi, các liên kết nguyên tử chỉ bị kéo giãn hoặc nén lại tạm thời mà không bị phá vỡ. Khi bỏ tải, năng lượng biến dạng được giải phóng hoàn toàn và vật liệu trở về hình dạng gốc.
Biến dạng đàn hồi điển hình của thép khoảng 0,1–0,2% (ε ≈ 0,001–0,002) trước khi đạt giới hạn chảy.
Biến dạng dẻo (Plastic Strain)
Biến dạng dẻo là biến dạng vĩnh cửu — khi bỏ tải, vật liệu không phục hồi về hình dạng ban đầu. Xuất hiện khi ứng suất vượt quá giới hạn chảy fy và các mặt phẳng trượt trong cấu trúc tinh thể bị dịch chuyển.
Biến dạng dẻo là cơ sở cho các công nghệ gia công kim loại như cán, rèn, dập, kéo sợi. Thép kết cấu có thể đạt biến dạng dẻo 20–30% trước khi đứt.
Đường cong ứng suất – biến dạng (σ–ε curve)
Đường cong σ–ε là biểu diễn đồ thị của quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong thử nghiệm kéo. Các điểm đặc trưng theo thứ tự trên đường cong:
- Giới hạn tỷ lệ (proportional limit): Ranh giới cuối của vùng tuyến tính Hooke.
- Giới hạn đàn hồi (elastic limit): Ứng suất tối đa còn biến dạng đàn hồi.
- Điểm chảy trên/dưới (upper/lower yield point): Đặc trưng của thép cacbon thấp.
- Vùng biến cứng (strain hardening): Ứng suất tăng trở lại sau vùng chảy.
- Ứng suất kéo cực đại (UTS/fu): Điểm đỉnh của đường cong.
- Điểm đứt (fracture): Ứng suất và biến dạng tại thời điểm phá hủy.
Hệ số Poisson và biến dạng ngang
Khi vật liệu bị kéo theo một chiều, nó co lại theo chiều vuông góc. Tỷ lệ giữa biến dạng ngang và biến dạng dọc là hệ số Poisson ν: ν = −ε_ngang / ε_dọc. Với thép ν ≈ 0,3; bê tông ν ≈ 0,2; cao su ν ≈ 0,5 (gần như không nén được).
Ứng dụng trong kiểm tra vật liệu
Đo biến dạng thực tế được thực hiện bằng strain gauge (tenzometer) — cảm biến điện trở dán lên bề mặt vật liệu. Khi vật liệu biến dạng, điện trở thay đổi và được đo bằng cầu Wheatstone. Strain gauge có độ phân giải đến 1 microstrain (ε = 10⁻⁶).
Trong kiểm tra kết cấu thực tế, hệ thống SHM (Structural Health Monitoring) sử dụng hàng trăm strain gauge để theo dõi biến dạng cầu, tòa nhà, đập nước theo thời gian thực.
Câu hỏi thường gặp
- Biến dạng 1% có nghĩa là gì?
- Một thanh thép dài 1000 mm bị biến dạng 1% nghĩa là nó ngắn/dài thêm 10 mm (ε = 0,01 = 10 mm/1000 mm).
- Vật liệu nào có biến dạng đàn hồi lớn nhất?
- Cao su tự nhiên có biến dạng đàn hồi lên đến 500–800%, trong khi thép chỉ khoảng 0,1–0,2% trước khi đạt giới hạn chảy.
- Biến dạng có ảnh hưởng đến kết cấu không?
- Có. Độ võng dầm, độ lún nền móng đều là biểu hiện của biến dạng. Tiêu chuẩn thiết kế giới hạn độ võng dầm thường là L/400 đến L/250 để đảm bảo sử dụng bình thường.