Giới hạn chảy là gì?
Giới hạn chảy (tiếng Anh: Yield Strength hoặc Yield Point, ký hiệu fy hoặc ReH/ReL trong tiêu chuẩn ISO) là ứng suất tại điểm mà vật liệu bắt đầu trải qua biến dạng dẻo vĩnh cửu — nghĩa là sau khi bỏ tải, vật liệu không phục hồi hoàn toàn về hình dạng ban đầu.
Đây là ranh giới phân chia vùng đàn hồi (an toàn sử dụng) và vùng dẻo (biến dạng vĩnh cửu) trên đường cong ứng suất–biến dạng. Đơn vị: MPa (N/mm²).
Điểm chảy trên và dưới (Upper/Lower Yield Point)
Thép cacbon thấp (low carbon steel) có đặc điểm đặc biệt là xuất hiện điểm chảy rõ ràng:
- Điểm chảy trên (ReH — upper yield point): Ứng suất đỉnh trước khi chảy đột ngột — biến dạng tăng vọt mà không cần tăng lực.
- Điểm chảy dưới (ReL — lower yield point): Ứng suất ổn định trong vùng chảy, thường dùng trong thiết kế.
Hiện tượng Lüders band (dải Lüders) xuất hiện khi chảy — các dải biến dạng cục bộ lan truyền qua mẫu ở góc 45° với trục kéo, tạo thành hoa văn đặc trưng trên bề mặt thép mềm.
Giới hạn chảy quy ước (Proof Stress R₀.₂)
Nhiều vật liệu kim loại (nhôm, thép không gỉ, thép cường độ cao) không có điểm chảy rõ ràng — đường cong σ–ε cong dần vào vùng dẻo. Trong trường hợp này, dùng giới hạn chảy quy ước R₀.₂ (0,2% proof stress): ứng suất tại điểm biến dạng dư bằng 0,2% (ε_permanent = 0,002).
Phương pháp xác định: vẽ đường thẳng song song với phần đàn hồi từ điểm ε = 0,002; giao điểm với đường cong σ–ε là R₀.₂.
Giá trị fy của thép thanh theo TCVN 1651
- CB240T: fy ≥ 240 MPa; fu ≥ 380 MPa (gai vòng, dùng cho cốt thép đai, cấu tạo)
- CB300T: fy ≥ 300 MPa; fu ≥ 450 MPa (gai vòng)
- CB400V: fy ≥ 400 MPa; fu ≥ 570 MPa (gai xương cá, phổ biến nhất cho cốt thép chịu lực)
- CB500V: fy ≥ 500 MPa; fu ≥ 630 MPa (gai xương cá, dùng trong kết cấu tải nặng)
Ứng dụng fy trong thiết kế kết cấu
Giới hạn chảy fy là thông số vật liệu quan trọng nhất trong thiết kế kết cấu thép và bê tông cốt thép (BTCT). Thiết kế đảm bảo ứng suất tính toán không vượt quá fy (có xét hệ số vật liệu γ_s):
- Cường độ tính toán cốt thép Rs: Rs = fy/γ_s, với γ_s = 1,15 (TCVN 5574). CB400V: Rs = 400/1,15 ≈ 350 MPa.
- Thiết kế cấu kiện chịu uốn: Bố trí cốt thép để ứng suất cốt thép = Rs khi đạt trạng thái giới hạn.
- Thiết kế kháng chấn: Phân tích pushover dùng mô hình đàn–dẻo lý tưởng (EPP) với điểm chảy tại fy.
Lưu ý: thiết kế kết cấu thông thường dùng fy, không dùng fu — đây là điểm khác biệt quan trọng giữa thiết kế và kiểm tra phá hoại.
Ảnh hưởng của các yếu tố đến giới hạn chảy
- Nhiệt độ: fy giảm mạnh khi nhiệt độ tăng (60°C: giảm ~5%; 400°C: giảm ~50%; 600°C: giảm ~80%). Cần bảo vệ chống cháy cho kết cấu thép.
- Tốc độ tải (strain rate): fy tăng nhẹ khi tốc độ tải tăng — quan trọng trong tải trọng va đập và nổ.
- Biến cứng gia công (work hardening): fy tăng sau biến dạng dẻo trước — cán nguội thép có thể tăng fy 20–30%.
- Hiệu ứng Bauschinger: Sau biến dạng kéo dẻo, fy nén giảm xuống — quan trọng trong tải trọng đảo chiều (kháng chấn).
Giới hạn chảy thực tế vs. danh nghĩa
Trong thực tế sản xuất, fy thực (measured) thường cao hơn fy danh nghĩa (nominal/characteristic) 10–30%. Tiêu chuẩn TCVN 1651 quy định fy là giá trị đặc trưng (characteristic) — 95% số mẫu phải đạt giá trị này. Tiêu chuẩn kháng chấn Eurocode 8 giới hạn fy_actual ≤ 1,25 × fy_nominal để tránh kết cấu cứng quá thiết kế làm tăng lực địa chấn.
Câu hỏi thường gặp
- Thép cường độ cao có fy cao hơn có tốt hơn không?
- Phụ thuộc ứng dụng. fy cao hơn giúp giảm diện tích cốt thép, tiết kiệm vật liệu. Tuy nhiên thép cường độ cao thường có fu/fy thấp hơn — độ dẻo giảm. Trong thiết kế kháng chấn, cần cân bằng giữa fy cao và độ dẻo đủ lớn.
- Bê tông có giới hạn chảy không?
- Bê tông không có giới hạn chảy rõ ràng như thép. Bê tông là vật liệu giòn — phá hủy đột ngột khi đạt cường độ nén fck mà không có vùng chảy đáng kể. Tuy nhiên, đường cong σ–ε nén của bê tông có phần phi tuyến sau khoảng 40% fck, đôi khi được mô hình hóa bằng quan hệ dẻo lý tưởng trong phân tích phi tuyến.