Bỏ qua nội dung chính
Kiến thức vật liệu

Mô đun đàn hồi (Young’s modulus) là gì? Định nghĩa và giá trị E vật liệu

Mô đun đàn hồi (E, Young's modulus) là tỷ số giữa ứng suất và biến dạng trong vùng đàn hồi tuyến tính, đơn vị GPa. Thép E=200-210 GPa, bê tông E=20-35 GPa, gỗ E=7-15 GPa.

Dùng cho mua hàng vật liệu So sánh giá, quy cách và nguồn cung trước khi chốt đơn. Gửi RFQ nhanh

Mô đun đàn hồi là gì?

Mô đun đàn hồi (tiếng Anh: Young’s modulus hoặc modulus of elasticity, ký hiệu E) là đại lượng đặc trưng cho độ cứng (stiffness) của vật liệu trong vùng biến dạng đàn hồi tuyến tính. E được định nghĩa là tỷ số giữa ứng suất (σ) và biến dạng (ε) khi vật liệu tuân theo Định luật Hooke.

Công thức: E = σ / ε = (F/A) / (ΔL/L₀)

Đơn vị của E là Pascal (Pa) nhưng trong kỹ thuật thường dùng GPa (Gigapascal) vì giá trị E của vật liệu kết cấu rất lớn (hàng chục đến hàng trăm GPa). Quan hệ: 1 GPa = 1000 MPa = 10⁹ Pa.

Ý nghĩa vật lý của mô đun đàn hồi

E đo lường sức đề kháng của vật liệu với biến dạng đàn hồi. Vật liệu có E lớn (cứng) biến dạng ít hơn dưới cùng một ứng suất. Vật liệu có E nhỏ (mềm) biến dạng nhiều hơn. E không liên quan đến độ bền — vật liệu cứng chưa chắc bền hơn.

Về vi mô, E tỷ lệ với độ cứng của liên kết nguyên tử trong mạng tinh thể. Kim cương có E ≈ 1000 GPa vì liên kết cộng hóa trị C–C cực kỳ mạnh. Chì có E ≈ 16 GPa vì liên kết kim loại của Pb yếu hơn nhiều.

Giá trị E của vật liệu thông dụng

  • Thép kết cấu (carbon steel): E = 200–210 GPa. Tiêu chuẩn Eurocode lấy E = 210 GPa; TCVN lấy E = 200.000 MPa.
  • Nhôm và hợp kim nhôm: E ≈ 70 GPa — bằng 1/3 thép, đây là lý do cấu kiện nhôm cần tiết diện lớn hơn để đạt độ cứng tương đương.
  • Bê tông: E = 20–35 GPa, phụ thuộc cấp cường độ. Bê tông C30 có Ecm ≈ 32 GPa (Eurocode 2); công thức xấp xỉ E ≈ 4700√fc’ (MPa, psi theo ACI 318).
  • Gỗ: E = 7–15 GPa theo chiều dọc thớ; giảm 10–20 lần theo chiều ngang thớ. Gỗ là vật liệu dị hướng (anisotropic).
  • Kim cương: E ≈ 1000 GPa — vật liệu tự nhiên cứng nhất.
  • Cao su: E ≈ 0,01–0,1 GPa — rất thấp, biến dạng đàn hồi lớn.

Mô đun đàn hồi và Định luật Hooke

Định luật Hooke (Robert Hooke, 1678) phát biểu: trong giới hạn đàn hồi, ứng suất tỷ lệ tuyến tính với biến dạng, hệ số tỷ lệ là E. Trên đường cong σ–ε, E là độ dốc (slope) của phần tuyến tính ban đầu.

Định luật Hooke chỉ áp dụng trong vùng đàn hồi tuyến tính — trước điểm giới hạn tỷ lệ (proportional limit). Sau điểm này, quan hệ σ–ε không còn tuyến tính và E không còn áp dụng trực tiếp.

Mô đun tiếp (Shear Modulus — G)

Tương tự E cho biến dạng dọc trục, mô đun trượt G đặc trưng cho độ cứng của vật liệu với biến dạng cắt: G = τ/γ. Quan hệ giữa E, G và hệ số Poisson ν: G = E / [2(1+ν)]. Với thép: G ≈ 80 GPa (từ E=210 GPa, ν=0,3).

Mô đun nén khối (Bulk Modulus — K)

K đặc trưng cho sức đề kháng của vật liệu với nén đẳng hướng (thay đổi thể tích). Quan hệ: K = E / [3(1-2ν)]. Với vật liệu gần không nén được (ν ≈ 0,5 như cao su), K → ∞.

Ứng dụng E trong tính toán kết cấu

Mô đun đàn hồi xuất hiện trong hầu hết các công thức kết cấu:

  • Độ võng dầm: δ = 5wL⁴/(384EI) — độ võng tỷ lệ nghịch với E.
  • Lực trong cấu kiện thanh: Δ = FL/(EA) — giãn/nén tỷ lệ nghịch với E.
  • Tần số dao động tự nhiên: f ∝ √(EI/m) — kết cấu cứng hơn có tần số riêng cao hơn.
  • Biến dạng nhiệt: σ_nhiệt = E·α·ΔT (α là hệ số giãn nở nhiệt).

Cách xác định E bằng thực nghiệm

E được xác định từ thử nghiệm kéo (tensile test) theo TCVN 197 hoặc ISO 6892: đo lực F và biến dạng ΔL (bằng extensometer), vẽ đường cong σ–ε, tính E = Δσ/Δε trong vùng tuyến tính. Phương pháp siêu âm (ultrasonic pulse velocity) cũng cho phép ước tính E không phá hủy.

Câu hỏi thường gặp

E có thay đổi theo nhiệt độ không?
Có. E giảm khi nhiệt độ tăng. Thép ở 600°C có E chỉ còn khoảng 30% so với ở nhiệt độ phòng — đây là lý do kết cấu thép cần bảo vệ chống cháy. Tiêu chuẩn EN 1993-1-2 cung cấp hệ số giảm E theo nhiệt độ.
Mô đun đàn hồi và độ cứng có giống nhau không?
Không hoàn toàn. Độ cứng kết cấu (structural stiffness, k = EA/L hay EI/L) phụ thuộc cả E và hình học tiết diện/chiều dài. E là tính chất vật liệu; k là tính chất của cấu kiện.
Tại sao bê tông có E thấp hơn thép nhiều vậy?
Bê tông là vật liệu không đồng nhất gồm cốt liệu (E cao), xi măng đã đóng rắn (E trung bình) và lỗ rỗng (E=0). Giá trị E trung bình thấp hơn nhiều so với thép có cấu trúc tinh thể đồng đều.