Biến dạng vật liệu là gì?

Định nghĩa biến dạng vật liệu

Biến dạng vật liệu (deformation) là sự thay đổi hình học — chiều dài, thể tích, hình dạng hoặc góc — của vật liệu dưới tác dụng của ngoại lực, nhiệt độ, độ ẩm hoặc tác nhân hóa học. Biến dạng dài tương đối (strain, ký hiệu ε) được định nghĩa là tỷ số giữa thay đổi chiều dài ΔL và chiều dài ban đầu L₀: ε = ΔL/L₀ (không có thứ nguyên, thường tính bằng mm/mm hoặc % hoặc µε — microstrain). Phân tích biến dạng là nền tảng của cơ học vật liệu và thiết kế kết cấu, được quy định trong TCVN 5574:2018 (bê tông), TCVN 1651:2008 (thép) và TCVN 9346:2012 (gỗ).

Phân loại biến dạng vật liệu

1. Biến dạng đàn hồi (Elastic Deformation)

Biến dạng đàn hồi là biến dạng phục hồi hoàn toàn khi loại bỏ tải trọng — vật liệu trở về hình dạng và kích thước ban đầu. Trong vùng đàn hồi tuyến tính, ứng suất và biến dạng tuân theo định luật Hooke: σ = E × ε, trong đó E là module Young. Giới hạn đàn hồi (elastic limit) hoặc giới hạn tỷ lệ (proportional limit) là giá trị ứng suất tối đa mà vật liệu còn phục hồi hoàn toàn. Biến dạng đàn hồi điển hình của thép kết cấu là ε_el ≤ 0,001–0,002 (0,1–0,2%).

2. Biến dạng dẻo (Plastic Deformation)

Biến dạng dẻo xảy ra khi ứng suất vượt quá giới hạn chảy (yield strength, fy). Không giống biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo là vĩnh cửu — khi loại bỏ tải trọng, vật liệu không trở về hình dạng ban đầu mà giữ lại một phần biến dạng. Cơ chế vi mô của biến dạng dẻo trong kim loại là chuyển động của lệch mạng (dislocation) trong tinh thể; trong polymer là trượt chuỗi phân tử; trong bê tông là nứt vi mô (microcracking). Khả năng biến dạng dẻo lớn trước khi đứt gãy gọi là độ dẻo dai (ductility) — tính chất an toàn quan trọng trong thiết kế kháng chấn.

3. Biến dạng từ biến (Creep)

Từ biến là biến dạng tăng dần theo thời gian dưới tải trọng không đổi ở điều kiện nhiệt độ nhất định. Từ biến đặc biệt quan trọng trong: bê tông (từ biến do khô ngót và biến dạng cơ học dài hạn), thép ở nhiệt độ cao (>0,4 Tm), polyme ở nhiệt độ phòng và địa kỹ thuật (đất, đá). Theo TCVN 5574:2018, hệ số từ biến của bê tông φ = 1,5–3,5 tùy cấp độ ẩm môi trường và tuổi chịu tải. Biến dạng dài hạn do từ biến thường được tính: ε_creep = (φ/E) × σ.

4. Biến dạng nhiệt (Thermal Deformation)

Biến dạng nhiệt xảy ra khi nhiệt độ thay đổi, tỷ lệ với hệ số giãn nở nhiệt dài α và chênh lệch nhiệt độ ΔT: ε_T = α × ΔT. Với thép α ≈ 12×10⁻⁶/°C và bê tông α ≈ 10–12×10⁻⁶/°C — sự tương đồng này là lý do chính hai vật liệu tương thích trong bê tông cốt thép. Gỗ có α dọc thớ rất nhỏ (~3–5×10⁻⁶/°C) nhưng α vuông góc thớ lớn hơn nhiều (~30–60×10⁻⁶/°C), gây ra cong vênh khi nhiệt độ và độ ẩm thay đổi không đều.

Đường cong ứng suất — biến dạng (Stress-Strain Curve)

Đường cong ứng suất-biến dạng (σ–ε curve) là biểu đồ đặc trưng nhất của vật liệu, thu được từ thử kéo chuẩn (TCVN 197-1:2014 với kim loại). Các điểm đặc trưng trên đường cong: giới hạn tỷ lệ (proportional limit), giới hạn đàn hồi, giới hạn chảy dưới fy (lower yield point), ứng suất bền kéo fu (ultimate tensile strength, UTS) và ứng suất tại đứt gãy. Diện tích dưới đường cong đến điểm đứt gãy gọi là độ bền dai (toughness, J/m³) — đo lượng năng lượng vật liệu hấp thụ được trước khi phá hủy.

Đặc điểm biến dạng của các vật liệu xây dựng chính

Biến dạng trong thiết kế kết cấu

Độ võng (deflection) là biến dạng tuyến tính của cấu kiện kết cấu dưới tải trọng sử dụng. TCVN 5574:2018 giới hạn độ võng dài hạn của sàn bê tông ≤ L/350 (L là nhịp sàn) để tránh gây hư hỏng cho kết cấu phụ bên dưới. Cần phân biệt biến dạng đàn hồi tức thời (f₁), biến dạng do từ biến (f₂) và biến dạng do co ngót (f₃): độ võng toàn phần f = f₁ + f₂ + f₃. Vật liệu dẻo (ductile) được ưu tiên trong thiết kế kháng chấn vì có khả năng hấp thụ năng lượng địa chấn và biến dạng lớn mà không sụp đổ đột ngột.

Những hiểu lầm phổ biến

• Vật liệu cứng (E cao) đồng nghĩa với vật liệu bền và khó phá hủy: Sai. Thủy tinh cứng (E ≈ 70 GPa) nhưng giòn và vỡ không có cảnh báo. Cao su mềm (E ≈ 0,01 GPa) nhưng biến dạng đến 500% mà không đứt. Độ cứng và độ dẻo dai là hai tính chất độc lập.
• Biến dạng đàn hồi luôn tốt, biến dạng dẻo luôn xấu: Biến dạng dẻo của thép trong kết cấu là cơ chế an toàn quan trọng trong thiết kế kháng chấn — cho phép kết cấu hấp thụ năng lượng động đất và cảnh báo trước khi sụp đổ.
• Từ biến chỉ xảy ra ở nhiệt độ cao: Bê tông có từ biến đáng kể ở nhiệt độ phòng, đặc biệt trong 5 năm đầu sau đổ bê tông. Polymer cũng từ biến ở nhiệt độ phòng. Từ biến ở nhiệt độ cao (trên 0,4 Tm) đặc biệt nghiêm trọng với kim loại.
• Biến dạng nhiệt không đáng kể trong công trình xây dựng: Cầu dài 100 m bằng thép (α = 12×10⁻⁶/°C) giãn dài ~14,4 mm khi nhiệt độ tăng 12°C — đủ để gây phá hủy nếu không có khe giãn nở. Đây là lý do mọi công trình dài đều cần khe co giãn nhiệt.
• Biến dạng dẻo của thép nghĩa là kết cấu bị hỏng: Theo triết lý thiết kế dẻo (plastic design), kết cấu được phép có biến dạng dẻo có kiểm soát tại các vị trí khớp dẻo (plastic hinge). Điều này cho phép kết cấu siêu tĩnh phân phối lại nội lực và tận dụng toàn bộ khả năng chịu lực.

Câu hỏi thường gặp

Biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo phân biệt thế nào trong thực tế?

Biến dạng đàn hồi: khi dỡ tải, cấu kiện trở về hình dạng ban đầu (như lò xo). Biến dạng dẻo: sau khi dỡ tải, cấu kiện vẫn còn biến dạng cố định (như bẻ cong sắt). Trong thực tế, khi thép chịu tải vượt fy, xuất hiện biến dạng dẻo vĩnh viễn — dấu hiệu nhận biết là cấu kiện không thẳng trở lại sau dỡ tải.

Từ biến bê tông ảnh hưởng thế nào đến kết cấu?

Từ biến bê tông làm tăng độ võng theo thời gian (độ võng dài hạn thường gấp 2–4 lần độ võng tức thời), gây mất mát lực căng trước trong kết cấu bê tông ứng lực trước (prestressed concrete) và có thể làm nghiêng tường mỏng dưới tải lệch tâm.

Co ngót bê tông (shrinkage) có phải biến dạng không?

Có. Co ngót là biến dạng không do tải trọng mà do mất nước (khô ngót, drying shrinkage ~0,04–0,08%) và phản ứng hóa học (co ngót tự sinh, autogenous shrinkage ~0,01–0,04% với bê tông cường độ cao). Co ngót bị ngăn cản tạo ra ứng suất kéo và là nguyên nhân chính gây nứt bê tông.

Độ dẻo dai (ductility) ảnh hưởng thế nào đến thiết kế kháng chấn?

Tiêu chuẩn kháng chấn TCVN 9386:2012 (Eurocode 8) phân loại kết cấu theo hệ số ứng xử q (behaviour factor) — phản ánh khả năng tiêu tán năng lượng qua biến dạng dẻo. Kết cấu dẻo cao (DCH) có q = 4–6,5, cho phép giảm lực thiết kế địa chấn đáng kể nhờ độ dẻo kết cấu.

Điểm chảy (yield point) và ứng suất bền kéo (UTS) khác nhau thế nào?

Giới hạn chảy fy là ứng suất tại đó xuất hiện biến dạng dẻo đáng kể. Ứng suất bền kéo fu (UTS) là ứng suất tối đa vật liệu chịu được trước khi co thắt (necking). Với thép CB300-V: fy ≥ 300 MPa, fu ≥ 450 MPa và fu/fy ≥ 1,15 (yêu cầu TCVN 1651-2:2008).

Thép kháng chấn khác thép thông thường thế nào về biến dạng?

Thép kháng chấn (seismic steel) yêu cầu: sàn chảy rõ ràng (well-defined yield plateau), độ giãn dài tối thiểu cao hơn (≥ 14–17%), tỷ số fu/fy = 1,15–1,35 và giới hạn trên của fy (để khớp dẻo hình thành đúng vị trí theo thiết kế). Thép CB400-V theo TCVN 1651-2:2008 đáp ứng các yêu cầu này.

Biến dạng ngang (lateral strain) là gì?

Khi vật liệu chịu kéo dọc, nó co lại theo phương ngang (và ngược lại khi chịu nén). Hệ số Poisson ν = -(biến dạng ngang)/(biến dạng dọc). Với thép ν ≈ 0,3; bê tông ν ≈ 0,15–0,2; cao su ν ≈ 0,5 (gần như không thay đổi thể tích).

Biến dạng góc (shear strain) là gì?

Biến dạng góc (γ) là độ thay đổi góc giữa hai mặt phẳng ban đầu vuông góc trong vật liệu dưới tác dụng của ứng suất cắt τ. Quan hệ: τ = G × γ, trong đó G là module cắt. Biến dạng góc quan trọng trong thiết kế dầm chịu cắt và kết cấu chịu xoắn.

Kết luận

Biến dạng vật liệu là ngôn ngữ cơ học của kết cấu — phân tích biến dạng cho biết vật liệu đang làm việc ở chế độ nào (đàn hồi, dẻo hay từ biến) và cấu kiện có an toàn không. Ba loại biến dạng — đàn hồi, dẻo và từ biến — phản ánh ba cơ chế vi mô khác nhau trong vật liệu và đều phải được xét đến trong thiết kế kết cấu dài hạn theo TCVN hiện hành.