Tensile strength là gì?
Tensile strength (giới hạn bền kéo hay cường độ kéo đứt), ký hiệu fu (Ultimate tensile strength — UTS), là giá trị ứng suất lớn nhất trên đường cong ứng suất–biến dạng (σ–ε) mà vật liệu đạt được trong thử kéo đơn trục. Đây là điểm kết thúc giai đoạn hóa bền (strain hardening) và bắt đầu co thắt cục bộ (necking) trước khi mẫu đứt hoàn toàn.
Fu luôn lớn hơn fy — tỷ số fu/fy ≥ 1,15 là yêu cầu tối thiểu theo TCVN 1651 và EC2, đảm bảo thép có vùng hóa bền đủ rộng, tức là khả năng phân phối lại nội lực và dẻo dai (ductility) của kết cấu.
Vị trí fu trên đường cong σ–ε
Đường cong σ–ε của thép cacbon thấp có các giai đoạn đặc trưng: đàn hồi tuyến tính → vùng chảy (fy) → hóa bền (strain hardening) → fu (cực đại) → co thắt và đứt. Fu nằm ở đỉnh đường cong (peak stress), sau đó ứng suất danh nghĩa giảm do diện tích tiết diện giảm mạnh tại vùng co thắt, dù ứng suất thực tế (true stress) vẫn tăng đến khi đứt.
Thép cường độ cao (CB500V, thép dự ứng lực) không có vùng chảy phẳng rõ ràng; đường cong σ–ε tăng dần liên tục đến fu. Tỷ số fu/fy của các mác thép này thường thấp hơn (1,15–1,25) so với thép mềm (1,3–1,7).
Giá trị fu theo mác thép TCVN 1651:2008
| Mác thép | fy min (MPa) | fu min (MPa) | Tỷ số fu/fy min | A5 min (%) |
|---|---|---|---|---|
| CB240T | 240 | 380 | 1,58 | 25 |
| CB300T | 300 | 450 | 1,50 | 20 |
| CB400V | 400 | 570 | 1,43 | 14 |
| CB500V | 500 | 650 | 1,30 | 10 |
Tỷ số fu/fy — Chỉ số dẻo dai (ductility index)
Tỷ số fu/fy là chỉ số quan trọng đánh giá dẻo dai của thép. Tỷ số cao có nghĩa là vùng hóa bền rộng — thép có thể chịu biến dạng lớn sau khi chảy mà chưa đứt. Đây là đặc tính then chốt trong thiết kế kháng chấn: khi có động đất, khung bê tông cốt thép cần biến dạng lớn để tiêu tán năng lượng (energy dissipation) mà không bị sụp đổ đột ngột.
TCVN 5574:2018 và TCVN 9386 (kháng chấn) yêu cầu fu/fy ≥ 1,15 đối với cốt thép thường; trong vùng chống địa chấn (DCM, DCH), yêu cầu thêm về biến dạng tại fu (εsu ≥ 7,5%) để đảm bảo ductility class B hoặc C.
Ứng dụng fu trong thiết kế kỹ thuật
1. Neo cốt thép (bar development length)
Chiều dài neo cốt thép (Ld) theo TCVN 5574 được tính để truyền đủ lực từ bê tông vào cốt thép, với ứng suất cốt thép tại mặt cắt neo đạt fyd = fy/γs. Tuy nhiên, đối với neo cốt thép tại vùng hóa bền hoặc trong kết cấu kháng chấn, cần kiểm tra thêm với ứng suất gần fu để đảm bảo neo không bị kéo tuột trước khi thép đạt cường độ đầy đủ.
2. Thiết kế mối hàn
Tiêu chuẩn hàn cốt thép (TCVN 9391) yêu cầu mối hàn có cường độ không thấp hơn fu của thép cơ bản; kim loại hàn được chọn theo fu chứ không phải fy. Hàn thép CB500V cần que hàn hoặc dây hàn phù hợp với cường độ cao, kết hợp nhiệt độ sấy que và kiểm soát tốc độ nguội để tránh vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) giòn.
3. Đánh giá kết cấu hiện hữu
Khi kiểm tra công trình cũ dùng thép CT3 (fy ≈ 240 MPa, fu ≈ 370 MPa), kỹ sư dùng tỷ số fu/fy để đánh giá khả năng phân phối lại nội lực. Tỷ số thấp cho thấy thép ít dẻo, cần thận trọng khi tính toán tải trọng vượt thiết kế.
Phân biệt fu danh nghĩa và fu thực tế
Fu theo tiêu chuẩn (nominal fu) là giá trị tối thiểu được đảm bảo. Fu thực tế từ thử kéo thường cao hơn, được gọi là actual fu hay measured fu. Tỷ số fu thực / fy thực gọi là n-factor — các tiêu chuẩn kháng chấn hiện đại (EN 1998, ACI 318-19 kháng chấn) giới hạn n-factor để tránh thiết kế quá lạc quan (overstrength problem).
Câu hỏi thường gặp
- Fu có dùng làm cơ sở thiết kế cường độ kết cấu không?
- Thông thường không — thiết kế kết cấu dùng fy (qua fyd) làm cơ sở, vì fy là giới hạn làm việc an toàn. Fu dùng trong thiết kế mối nối, neo và kiểm tra khả năng dẻo dai.
- Tại sao fu/fy của CB500V thấp hơn CB240T?
- Thép cường độ cao được hóa bền qua gia công nguội (cold-working) hoặc hợp kim hóa, làm tăng fy nhưng giảm phần dư cho hóa bền; vùng từ fy đến fu trên đường cong σ–ε hẹp hơn, nên tỷ số fu/fy thấp hơn.