Tổng quan về hai loại biến dạng
Trong cơ học vật liệu, mọi vật liệu khi chịu tải đều trải qua biến dạng — sự thay đổi kích thước hoặc hình dạng. Câu hỏi then chốt là: sau khi bỏ tải, vật liệu có trở về hình dạng ban đầu không? Câu trả lời phân chia biến dạng thành hai loại hoàn toàn khác nhau về bản chất vật lý và ứng dụng kỹ thuật.
Biến dạng đàn hồi (elastic strain) là biến dạng tạm thời, tự phục hồi hoàn toàn khi bỏ tải. Biến dạng dẻo (plastic strain) là biến dạng vĩnh cửu, không phục hồi. Ranh giới giữa hai vùng là điểm giới hạn chảy (yield point) trên đường cong σ–ε.
Bảng so sánh 9 tiêu chí kỹ thuật
| Tiêu chí | Biến dạng đàn hồi | Biến dạng dẻo |
|---|---|---|
| 1. Khả năng phục hồi | Phục hồi hoàn toàn 100% khi bỏ tải | Không phục hồi — biến dạng vĩnh cửu còn lại |
| 2. Vị trí trên đường cong σ–ε | Vùng tuyến tính trước điểm chảy (σ < fy) | Vùng sau điểm chảy (σ ≥ fy), phi tuyến |
| 3. Giới hạn ứng suất | Giới hạn đàn hồi ≈ giới hạn chảy fy | Từ fy đến giới hạn bền fu (điểm đứt) |
| 4. Cơ chế vi mô | Liên kết nguyên tử bị kéo giãn tạm thời, không dịch chuyển | Mặt phẳng trượt tinh thể bị dịch chuyển vĩnh viễn (dislocation motion) |
| 5. Năng lượng hấp thụ | Năng lượng tích trữ và giải phóng hoàn toàn (resilience) | Năng lượng chuyển thành nhiệt và biến dạng vĩnh cửu (toughness) |
| 6. Vật liệu điển hình | Cao su, thép lò xo, CFRP, gỗ (trong giới hạn) | Thép mềm, nhôm, đồng, chì — kim loại dẻo |
| 7. Biến dạng cuối (giá trị) | Nhỏ: thép ε ≈ 0,1–0,2%; cao su lên đến 500% | Lớn: thép kết cấu có thể đạt 20–30% trước khi đứt |
| 8. Ảnh hưởng đến thiết kế kết cấu | Quyết định độ cứng, kiểm soát độ võng và chuyển vị | Quyết định dự phòng dẻo (ductility reserve) và khả năng phân phối lại nội lực |
| 9. Mô hình tính toán | Tuyến tính đàn hồi: σ = E·ε (Định luật Hooke) | Phi tuyến, dẻo lý tưởng hoặc đàn hồi–dẻo tuyến tính (EPP/linear hardening) |
Phân tích chi tiết từng tiêu chí
1. Khả năng phục hồi — điểm khác biệt cốt lõi
Khi ứng suất nằm dưới giới hạn đàn hồi, vật liệu hành xử như lò xo — biến dạng tỷ lệ với tải và biến mất hoàn toàn khi bỏ tải. Ngược lại, biến dạng dẻo tạo ra “set” vĩnh cửu: một thanh thép bị uốn vượt quá giới hạn chảy sẽ giữ nguyên hình dạng cong sau khi bỏ lực.
2. Cơ chế vi mô — tại sao có sự khác biệt?
Ở cấp độ nguyên tử, biến dạng đàn hồi chỉ kéo giãn khoảng cách giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể mà không phá vỡ trật tự. Biến dạng dẻo xảy ra khi lệch (dislocation) trong mạng tinh thể di chuyển dọc theo mặt phẳng trượt, tạo ra sự dịch chuyển vĩnh viễn giữa các khối tinh thể.
3. Năng lượng — resilience vs. toughness
Modulus of resilience (Ur) — diện tích tam giác dưới phần đàn hồi của đường cong σ–ε — đo khả năng tích trữ năng lượng đàn hồi: Ur = fy²/(2E). Vật liệu lò xo cần Ur lớn. Toughness (độ dai) — tổng diện tích dưới toàn bộ đường cong đến điểm đứt — tích hợp cả vùng dẻo. Thép kết cấu có toughness cao hơn gốm mặc dù gốm có Ur không nhỏ.
4. Ý nghĩa trong thiết kế kháng chấn
Thiết kế kháng chấn theo TCVN 9386 (Eurocode 8) yêu cầu kết cấu có khả năng tiêu tán năng lượng động đất thông qua biến dạng dẻo tại các “khớp dẻo” (plastic hinges) được thiết kế sẵn ở đầu cột, đầu dầm. Đây là lý do thép kết cấu phải có độ dẻo cao (ductility class B, C) — hệ số dẻo μ = εu/εy ≥ 6–9.
5. Biến dạng dư sau tải trọng
Trong tải trọng lặp (cyclic loading), sự tích lũy biến dạng dẻo qua nhiều chu kỳ gọi là ratcheting. Trong tính toán móng, biến dạng dẻo của đất nền (lún) là vấn đề quan trọng — lún đàn hồi phục hồi khi dỡ tải nhưng lún cố kết (consolidation) là vĩnh cửu.
Khi nào cần quan tâm đến từng loại?
- Thiết kế sử dụng bình thường (SLS): Chỉ cho phép biến dạng đàn hồi — kết cấu phải đàn hồi hoàn toàn dưới tải trọng thường xuyên.
- Thiết kế cực hạn (ULS): Cho phép biến dạng dẻo có kiểm soát — khai thác dự phòng dẻo để tăng khả năng chịu tải.
- Gia công kim loại: Hoàn toàn dựa vào biến dạng dẻo để tạo hình sản phẩm (cán, dập, kéo sợi).
Câu hỏi thường gặp
- Vật liệu giòn có biến dạng dẻo không?
- Vật liệu giòn như thủy tinh, gốm, gang xám có vùng biến dạng dẻo rất nhỏ hoặc không có — đường cong σ–ε hầu như tuyến tính đến điểm đứt đột ngột. Ngược lại, vật liệu dẻo như thép mềm có vùng dẻo rộng trước khi đứt.
- Làm thế nào để xác định giới hạn đàn hồi thực nghiệm?
- Phương pháp 0,2% offset: vẽ đường thẳng song song với phần đàn hồi, dịch chuyển 0,2% (ε = 0,002) trên trục biến dạng. Giao điểm với đường cong σ–ε là giới hạn chảy quy ước (proof stress R₀.₂).