Tổng quan thử nghiệm kéo vật liệu
Thử nghiệm kéo (tensile test) là phương pháp thực nghiệm cơ bản nhất để xác định các tính chất cơ học của vật liệu: giới hạn chảy fy, giới hạn bền fu, mô đun đàn hồi E, độ giãn dài sau đứt A₅ và độ thắt tiết diện Z. Tại Việt Nam, thử nghiệm kéo vật liệu kim loại được thực hiện theo TCVN 197-1:2014 (tương đương ISO 6892-1:2009).
Kết quả thử nghiệm kéo là cơ sở để nghiệm thu vật liệu đầu vào, kiểm soát chất lượng sản xuất và cấp chứng chỉ vật liệu cho công trình xây dựng.
Tiêu chuẩn áp dụng
- TCVN 197-1:2014 — Thử cơ tính kim loại. Phần 1: Phương pháp thử kéo ở nhiệt độ phòng (tương đương ISO 6892-1:2009).
- TCVN 1651-1:2008 / TCVN 1651-2:2008 — Tiêu chuẩn thép thanh cốt bê tông; quy định tần suất lấy mẫu và giá trị nghiệm thu fy, fu, A₅.
- ISO 6892-2 — Thử kéo ở nhiệt độ cao (elevated temperature tensile test).
- ASTM E8/E8M — Tiêu chuẩn Mỹ tương đương, phổ biến trong các dự án FDI.
Thiết bị — Máy kéo vạn năng (UTM)
Máy kéo vạn năng (Universal Testing Machine — UTM) là thiết bị chính trong thử nghiệm kéo. UTM gồm các bộ phận chính:
- Khung máy (load frame): Dầm cố định phía trên và bàn di động phía dưới (hoặc ngược lại). Lực kéo được tạo ra bởi động cơ thủy lực hoặc vít me điện.
- Ô tải (load cell): Cảm biến đo lực chính xác, thường có dải đo 50 kN, 100 kN, 250 kN hoặc lớn hơn. Cần hiệu chuẩn định kỳ theo TCVN 8243.
- Đầu kẹp (grips): Kẹp hai đầu mẫu thử chắc chắn mà không gây ứng suất tập trung tại khu vực kẹp. Loại thủy lực tự tâm (self-aligning hydraulic grips) phổ biến nhất cho thép.
- Extensometer: Dụng cụ đo biến dạng trong gauge length L₀ với độ chính xác cao (ε đến 0,001%). Loại clip-on gauge tiếp xúc hoặc video extensometer không tiếp xúc.
- Phần mềm điều khiển và thu thập dữ liệu: Ghi lực F và biến dạng ΔL theo thời gian; tự động tính σ, ε, vẽ đường cong σ–ε và xuất kết quả.
Chuẩn bị mẫu thử
Mẫu thử phải đáp ứng yêu cầu hình học và bề mặt theo TCVN 197:
- Lấy mẫu: Lấy từ vị trí quy định theo tiêu chuẩn vật liệu (đầu cuộn, lô sản xuất). Số lượng mẫu: thường 2–3 mẫu mỗi lô theo TCVN 1651.
- Cắt mẫu: Dùng cưa đĩa hoặc cắt lazer. Tránh gia công nhiệt (hàn, cắt plasma) gây thay đổi tổ chức thép tại vùng thử. Mẫu thép thanh tròn thường giữ nguyên đường kính, không tiện nhỏ.
- Mẫu hình xương chó (dog-bone): Phần giữa thu nhỏ (reduced section / gauge section) với đường kính d₀ và chiều dài đo L₀ = 5d₀ (mẫu ngắn) hoặc L₀ = 10d₀ (mẫu dài). Phần đầu rộng hơn để kẹp và lực truyền đều.
- Đánh dấu chiều dài đo: Dùng dung dịch màu hoặc bút chấm tự động tạo dấu chia đều trong gauge length. Đo L₀ bằng thước kẹp chính xác 0,02 mm.
- Đo kích thước ban đầu: Đo đường kính d₀ tại 3 điểm trong gauge section, lấy giá trị nhỏ nhất để tính A₀ = πd₀²/4.
Quy trình thực hiện thử nghiệm
- Kiểm tra máy: Kiểm tra hiệu chuẩn load cell, lắp extensometer, chọn đầu kẹp phù hợp với kích thước mẫu.
- Lắp mẫu: Kẹp chặt đầu mẫu vào hai đầu máy, đảm bảo mẫu thẳng đứng và đồng tâm với trục tải. Sai lệch đồng tâm gây uốn phụ, ảnh hưởng kết quả.
- Gắn extensometer: Gắn extensometer vào vùng gauge section, đặt dao đo khít vào vạch đánh dấu L₀.
- Đặt tốc độ kéo: Theo TCVN 197, tốc độ kéo trong vùng đàn hồi không quá 30 MPa/s. Thực tế thường dùng tốc độ crosshead 2–5 mm/phút để mẫu đủ thời gian chảy đồng đều. Sau khi qua giới hạn chảy, có thể tăng lên 10–20 mm/phút.
- Kéo đến đứt: Máy tự động dừng khi tải giảm đột ngột (mẫu đứt). Phần mềm lưu toàn bộ dữ liệu F–ΔL.
- Đo sau đứt: Ghép hai mảnh mẫu lại, đo chiều dài sau đứt Lf để tính A₅ = (Lf − L₀)/L₀ × 100%. Đo đường kính nhỏ nhất tại điểm đứt để tính Z.
Tính toán kết quả
- Ứng suất: σ = F / A₀ (MPa), A₀ = πd₀²/4 hoặc chiều rộng × chiều dày cho mẫu dẹt.
- Biến dạng: ε = ΔL / L₀ (không thứ nguyên hoặc %).
- Giới hạn chảy: fy = ReH (hoặc R₀.₂) đọc từ đường cong hoặc tính từ lực chảy Feh.
- Giới hạn bền: fu = Fmax / A₀ (MPa).
- Độ giãn dài: A₅ = (Lf − L₀)/L₀ × 100% (%).
- Mô đun đàn hồi: E = Δσ/Δε trong vùng tuyến tính (GPa).
Đọc và phân tích đường cong σ–ε
Đường cong σ–ε xuất ra từ phần mềm UTM là tài liệu kỹ thuật quan trọng. Cách đọc:
- Phần tuyến tính ban đầu: độ dốc = E; điểm kết thúc ≈ giới hạn tỷ lệ.
- Đỉnh cục bộ (nếu có): điểm chảy trên ReH.
- Vùng nằm ngang hoặc gần ngang: vùng chảy (Lüders plateau) — đọc ReL.
- Vùng dốc lên sau chảy: biến cứng (strain hardening).
- Điểm đỉnh tuyệt đối: fu = Rm.
- Điểm kết thúc: điểm đứt — đọc biến dạng đứt (fracture strain).
Sai số và lưu ý thực hành
- Mẫu bị trượt trong kẹp: kết quả fy và A₅ không đáng tin cậy — thử lại.
- Mẫu đứt tại đầu kẹp hoặc ngoài gauge length: không dùng kết quả A₅ (fy và fu vẫn có thể chấp nhận nếu đạt yêu cầu).
- Extensometer bị tuột trước khi mẫu đứt: mất dữ liệu ε chính xác — dùng crosshead displacement thay thế nhưng kém chính xác hơn (do độ đàn hồi của khung máy).
- Nhiệt độ phòng thí nghiệm: TCVN 197 quy định 23 ± 5°C. Nhiệt độ cao làm giảm fy; nhiệt độ thấp làm tăng fy nhưng giảm A₅.
Biên bản thử nghiệm theo TCVN 197
Biên bản phải ghi đầy đủ: mã vật liệu, lô sản xuất, ngày thử, kích thước mẫu (d₀, L₀), kết quả ReH/ReL, Rm, A₅, Z, tên tiêu chuẩn, số hiệu máy thử và ngày hiệu chuẩn gần nhất, chữ ký người thực hiện và kiểm tra.
Câu hỏi thường gặp
- Cần bao nhiêu mẫu để nghiệm thu một lô thép?
- Theo TCVN 1651-2:2008, lấy 1 bộ mẫu (2 mẫu kéo) cho mỗi 30 tấn hoặc phần lẻ. Với lô nhỏ hơn 30 tấn, vẫn lấy tối thiểu 1 bộ (2 mẫu). Nếu 1 mẫu không đạt, thử lại 2 mẫu từ cùng cuộn; nếu vẫn không đạt, lô đó bị loại.
- Thử nghiệm kéo và thử nghiệm uốn nguội khác nhau thế nào?
- Thử kéo cho biết fy, fu, E và A₅ — đặc trưng cho độ bền và độ dẻo khi kéo thẳng. Thử uốn nguội (cold bend test, TCVN 198) kiểm tra khả năng uốn cong mà không nứt — đặc trưng cho độ dẻo gia công. Cả hai đều bắt buộc trong nghiệm thu thép cốt bê tông theo TCVN 1651.
- Phòng thí nghiệm cần chứng nhận gì?
- Phòng thí nghiệm phải được công nhận theo TCVN ISO/IEC 17025 (Boal) bởi Văn phòng Công nhận Chất lượng VILAS — Bộ Khoa học và Công nghệ. Kết quả từ phòng thí nghiệm được công nhận mới có giá trị pháp lý trong nghiệm thu vật liệu công trình.