Yield strength là gì?
Yield strength (giới hạn chảy), ký hiệu fy, là giá trị ứng suất (stress) tại đó vật liệu thép bắt đầu biến dạng dẻo vĩnh cửu (plastic deformation) — nghĩa là nếu bỏ tải, thanh thép sẽ không trở về chiều dài ban đầu. Trong thiết kế kết cấu, fy là ngưỡng làm việc cho phép của cốt thép, đơn vị là MPa (megapascal) hay N/mm².
Đối với thép cacbon thấp (low-carbon steel) dùng làm cốt thép (CB240T, CB300T, CB400V), đường cong ứng suất–biến dạng (σ–ε) có vùng chảy rõ ràng: sau khi vượt giới hạn tỷ lệ, xuất hiện vùng chảy phẳng (yield plateau) trước khi thép hóa bền (strain hardening). Vùng này gọi là vùng Lüders band.
Vùng chảy Lüders band và ý nghĩa kỹ thuật
Lüders band (hay Lüders lines) là vùng biến dạng dẻo lan truyền dọc theo thanh thép trong giai đoạn chảy. Ứng suất dao động nhỏ trong khi biến dạng tăng mạnh — đây là đặc trưng của thép cacbon thấp. Trên đường σ–ε thấy rõ: điểm chảy trên (upper yield point, fyU) và điểm chảy dưới (lower yield point, fyL); tiêu chuẩn thường lấy fyL làm fy thiết kế (giá trị an toàn hơn).
Thép cường độ cao (CB500V, thép dự ứng lực) không có vùng chảy rõ ràng — giới hạn chảy được xác định bằng quy tắc offset 0,2% (0,2% proof stress): vẽ đường song song với phần tuyến tính từ điểm biến dạng 0,002 (0,2%), giao điểm với đường cong σ–ε cho fy.
Phương pháp xác định fy — thử kéo (tensile test)
Yield strength được xác định bằng thử kéo đơn trục theo TCVN 197-1:2014 (EN ISO 6892-1). Mẫu thử là đoạn thép có chiều dài chuẩn L₀ = 5d (d = đường kính danh nghĩa), kẹp vào máy thử kéo, kéo với tốc độ kiểm soát cho đến khi đứt:
- Máy đo và vẽ đường cong lực–độ giãn (F–ΔL) hoặc ứng suất–biến dạng (σ–ε).
- Đọc giá trị ứng suất tại điểm chảy (yield point) — với thép có vùng chảy rõ là điểm gãy đầu tiên trên đường cong.
- Với thép không có vùng chảy rõ: dùng phương pháp offset 0,2%.
- Kết quả fy được so sánh với giá trị tối thiểu theo mác thép (TCVN 1651).
Giá trị fy theo mác thép TCVN
| Mác thép | fy min (MPa) — TCVN 1651 | fyd thiết kế* (MPa) — TCVN 5574 |
|---|---|---|
| CB240T | 240 | 210 |
| CB300T | 300 | 260 |
| CB400V | 400 | 350 |
| CB500V | 500 | 435 |
* fyd = fy/γs, với hệ số an toàn vật liệu γs = 1,15 theo TCVN 5574:2018.
Fy trong thiết kế kết cấu bê tông cốt thép
Trong thiết kế theo trạng thái giới hạn cường độ (TCVN 5574:2018, tương đương EC2), ứng suất cốt thép tại trạng thái giới hạn không được vượt fyd = fy/γs. Diện tích cốt thép yêu cầu As = M/(fyd × z), trong đó M là momen thiết kế và z là cánh tay đòn nội lực. Như vậy, tăng mác thép từ CB240T lên CB400V giảm As xuống còn 240/400 = 60%.
Fy cũng được dùng để kiểm tra điều kiện chảy dẻo (ductility) tại tiết diện: trong vùng kháng chấn, quy phạm yêu cầu cốt thép đạt giới hạn chảy thực tế (actual fy) trước khi bê tông bị phá hoại, đảm bảo kết cấu có ductility đủ lớn để tiêu tán năng lượng địa chấn.
Ảnh hưởng của nhiệt độ và tốc độ kéo đến fy
- Nhiệt độ cao: fy giảm đáng kể — thép CB400V mất ~50% fy ở 600°C; đây là lý do kết cấu thép (và BTCT) cần lớp bảo vệ chống cháy.
- Nhiệt độ thấp: fy tăng nhẹ nhưng độ dẻo giảm mạnh; thép carbon thấp dễ giòn ở nhiệt độ âm sâu.
- Tốc độ kéo nhanh: fy đo được cao hơn giá trị tĩnh do hiệu ứng tốc độ biến dạng (strain rate effect); tiêu chuẩn quy định tốc độ kéo chuẩn để đảm bảo so sánh được.
Câu hỏi thường gặp
- Tại sao thép CB400V có fy = 400 MPa nhưng fyd thiết kế chỉ 350 MPa?
- Hệ số an toàn vật liệu γs = 1,15 kể đến sai số sản xuất, biến thiên thống kê của vật liệu và khả năng suy giảm theo thời gian; đây là giá trị thiết kế cận dưới bảo đảm an toàn.
- Yield strength và proof stress khác nhau thế nào?
- Yield strength chỉ điểm chảy rõ ràng trên đường cong σ–ε; proof stress (Rp0.2) là giới hạn chảy quy ước 0,2% dùng cho vật liệu không có điểm chảy rõ như thép cường độ cao và nhôm — hai khái niệm khác nhau về phương pháp xác định.