Giới hạn bền là gì?
Giới hạn bền (tiếng Anh: Ultimate Tensile Strength — UTS, hoặc tensile strength, ký hiệu fu hoặc Rm) là ứng suất kéo lớn nhất mà vật liệu có thể chịu được trước khi bắt đầu xảy ra hiện tượng thắt cổ (necking) và đứt gãy. Đây là điểm đỉnh (peak) trên đường cong ứng suất–biến dạng (σ–ε).
Công thức: fu = Fmax / A₀, trong đó Fmax là lực kéo cực đại đo được trong thử nghiệm, A₀ là diện tích mặt cắt ngang ban đầu (trước khi biến dạng). Đơn vị: MPa (N/mm²).
Vị trí trên đường cong σ–ε
Trên đường cong ứng suất–biến dạng kỹ thuật (engineering stress-strain curve) của thép mềm, giới hạn bền fu là điểm đỉnh, nằm sau vùng biến cứng (strain hardening) và trước điểm đứt (fracture point). Sau fu, ứng suất kỹ thuật có vẻ giảm nhưng thực ra là do tiết diện co thắt mạnh — ứng suất thực (true stress) tiếp tục tăng cho đến điểm đứt.
Giá trị fu của vật liệu thông dụng
- Thép thanh CB240T (TCVN 1651-1): fu ≥ 380 MPa
- Thép thanh CB300T (TCVN 1651-1): fu ≥ 450 MPa
- Thép thanh CB400V (TCVN 1651-2): fu ≥ 570 MPa
- Thép thanh CB500V (TCVN 1651-2): fu ≥ 630 MPa
- Thép không gỉ 304 (AISI/SUS304): fu ≥ 515 MPa
- Thép không gỉ 316: fu ≥ 515 MPa
- Nhôm 6061-T6: fu ≈ 310 MPa
- Bê tông C30 (kéo): fctk ≈ 2,0 MPa (chỉ bằng ~7% cường độ nén)
- Sợi carbon (T700): fu ≈ 4900 MPa
Phân biệt giới hạn bền kéo và nén
Đối với kim loại dẻo (thép, nhôm), giới hạn bền kéo và nén xấp xỉ nhau. Đối với vật liệu giòn (bê tông, gang, gốm), giới hạn bền nén cao hơn rất nhiều so với giới hạn bền kéo:
- Bê tông C30: fck (nén) = 30 MPa; fctk (kéo) ≈ 2,0 MPa — tỷ lệ nén/kéo ≈ 15:1
- Gang xám: fu (nén) ≈ 570 MPa; fu (kéo) ≈ 180 MPa — tỷ lệ 3:1
- Thép CB400V: fu (kéo) ≈ fu (nén) ≈ 570 MPa — gần bằng nhau
Tỷ lệ fu/fy — chỉ số độ dẻo
Tỷ số n = fu/fy (strain hardening ratio) là chỉ số quan trọng đánh giá độ dẻo của thép và khả năng phân phối lại nội lực trong thiết kế kháng chấn:
- CB400V: fu/fy = 570/400 = 1,43 — đủ điều kiện dẻo cao (Ductility Class C)
- CB300T: fu/fy = 450/300 = 1,50 — tốt
- Thép cường độ cao 7 sợi (tao cáp dự ứng lực): fu/fpy ≈ 1,10 — ít dẻo hơn
Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn Eurocode 8 yêu cầu fu/fy ≥ 1,15 đến ≥ 1,35 tùy lớp dẻo kết cấu.
Giới hạn bền và thiết kế kết cấu
Trong thiết kế kết cấu thông thường, kỹ sư không dùng fu làm cơ sở tính toán cho cấu kiện kéo/nén — thay vào đó dùng giới hạn chảy fy với hệ số an toàn. Fu chỉ được dùng trong một số trường hợp đặc biệt:
- Tính toán bu lông chịu lực (kéo đứt hoặc cắt đứt bu lông).
- Tính toán mối hàn (weld throat failure).
- Thiết kế neo và chốt kết nối.
- Kiểm tra phá hoại giòn (brittle fracture) trong điều kiện nhiệt độ thấp.
Xác định fu bằng thử nghiệm
Giới hạn bền được xác định qua thử nghiệm kéo theo TCVN 197-1:2014 (tương đương ISO 6892-1): kéo mẫu thử hình xương chó (dog-bone) đến đứt, ghi lại lực tối đa Fmax, tính fu = Fmax/A₀. Kết quả được so sánh với giá trị tối thiểu theo tiêu chuẩn vật liệu (TCVN 1651, TCVN 5709…).
Câu hỏi thường gặp
- Tại sao không dùng fu để thiết kế cấu kiện kéo?
- Vì ở ứng suất fu, vật liệu đã biến dạng dẻo rất lớn (co thắt cổ, biến dạng vĩnh cửu 15–25%) — kết cấu không còn an toàn sử dụng bình thường. Thiết kế giới hạn tại fy để đảm bảo hình dạng kết cấu không thay đổi đáng kể.
- Giới hạn bền của bê tông kéo tại sao thấp đến vậy?
- Bê tông là vật liệu tổ hợp không đồng nhất — mặt ranh giới giữa cốt liệu và hồ xi măng là điểm yếu nhất. Các vết nứt vi mô có sẵn tại ranh giới này lan truyền nhanh khi có ứng suất kéo, gây phá hủy giòn sớm trước khi đạt ứng suất cao.