Đường cong ứng suất-biến dạng là gì?
Đường cong ứng suất-biến dạng (stress-strain curve, σ-ε curve) là đồ thị biểu diễn quan hệ giữa ứng suất kéo σ (MPa) và biến dạng tương đối ε (mm/mm hoặc %) của một mẫu vật liệu trong thí nghiệm kéo đơn trục. Đường cong này là “căn cước” cơ học của vật liệu — cung cấp các thông số quan trọng như mô đun đàn hồi E, giới hạn chảy fy, giới hạn bền fu và độ giãn dài A5.
Bốn giai đoạn chính trên đường cong σ-ε của thép
1. Giai đoạn đàn hồi (0 → fy)
Trong vùng này, σ tỉ lệ tuyến tính với ε theo định luật Hooke: σ = E × ε. Độ dốc đường thẳng chính là mô đun đàn hồi E (thép: E ≈ 200–210 GPa; nhôm: E ≈ 70 GPa). Khi dỡ tải, vật liệu trở về hình dạng ban đầu — không có biến dạng dư. Điểm cuối vùng đàn hồi là giới hạn chảy trên (upper yield point) hoặc giới hạn đàn hồi.
2. Giai đoạn chảy dẻo (vùng chảy — yield plateau)
Thép carbon thấp và thép kết cấu thường có vùng chảy rõ ràng: ứng suất giảm nhẹ xuống giới hạn chảy dưới fy rồi duy trì gần như không đổi trong khi biến dạng tăng lớn (ε = 1–3%). Đây là vùng biến dạng dẻo tự do (plastic deformation). Thép CB300V: fy ≈ 300 MPa; CB400V: fy ≈ 400 MPa. Nhôm và thép không gỉ không có vùng chảy rõ — phải dùng 0.2% proof stress thay thế.
3. Giai đoạn biến cứng (strain hardening)
Sau vùng chảy, ứng suất tăng trở lại khi biến dạng tăng — hiện tượng biến cứng (strain hardening) do sự tăng mật độ lệch mạng (dislocation density) trong cấu trúc tinh thể. Đỉnh đường cong là giới hạn bền kéo fu (ultimate tensile strength). Thép CB400V: fu ≈ 570 MPa.
4. Giai đoạn thắt cổ chai và đứt gãy (necking & fracture)
Sau khi đạt fu, diện tích tiết diện ngang co lại cục bộ (thắt cổ chai — necking), ứng suất danh nghĩa giảm dù ứng suất thực tế tiếp tục tăng. Mẫu đứt gãy tại tiết diện nhỏ nhất. Biến dạng tại đứt gãy chính là độ giãn dài A5 — chỉ tiêu độ dẻo.
Đường cong σ-ε của các vật liệu khác nhau
- Thép không gỉ và nhôm: không có vùng chảy rõ, đường cong tròn liên tục; dùng 0.2% offset proof stress.
- Bê tông (nén): đường cong phi tuyến từ đầu; đạt đỉnh tại ε ≈ 0,002–0,003, sau đó giảm; không có vùng chảy dẻo rõ ràng.
- Gỗ: tuyến tính đến gần phá hủy (giòn); đường cong khác nhau theo thớ dọc và thớ ngang.
- Cao su và polymer: biến dạng rất lớn (100–800%) với ứng suất thấp; đàn hồi phi tuyến.
Ứng dụng trong thiết kế kết cấu
Thiết kế kết cấu thông thường (elastic design) chỉ khai thác vùng đàn hồi (σ < fy/γ). Thiết kế kết cấu dẻo (plastic design) cho phép khai thác đến vùng chảy, tạo “khớp dẻo” (plastic hinge) để phân phối lại nội lực. Kết cấu kháng chấn thiết kế để tiêu tán năng lượng trong vùng chảy và biến cứng — đây là lý do thép có vùng chảy rõ được ưu tiên trong thiết kế kháng chấn.
Câu hỏi thường gặp
- Tại sao nhôm và thép không gỉ không có vùng chảy rõ?
- Do cấu trúc tinh thể và cơ chế biến dạng dẻo khác: không có hiện tượng “Lüders band” (dải biến dạng cục bộ) như thép carbon thấp. Biến dạng dẻo diễn ra đều hơn trên toàn tiết diện.
- Mô đun đàn hồi E lấy từ đâu trên đường cong σ-ε?
- E là độ dốc (slope) của đoạn thẳng tuyến tính trong vùng đàn hồi: E = Δσ/Δε. Với thép, E = 200–210 GPa, gần như không thay đổi theo mác thép.