Độ bền kéo là gì?
Độ bền kéo (tiếng Anh: tensile strength) là khả năng của vật liệu chịu được lực kéo mà không bị phá hủy, đặc trưng bởi giới hạn bền kéo fu (Ultimate Tensile Strength — UTS) là ứng suất kéo lớn nhất đo được trong thử nghiệm. Đơn vị: MPa (N/mm²).
Độ bền kéo bao gồm toàn bộ khả năng chịu kéo từ đàn hồi qua chảy đến phá hoại, được mô tả đầy đủ bởi đường cong ứng suất–biến dạng (σ–ε) thu được từ thử nghiệm kéo tiêu chuẩn.
Các thông số đọc từ thử nghiệm kéo
Thử nghiệm kéo một lần theo TCVN 197 cho phép xác định đồng thời nhiều thông số quan trọng:
- Giới hạn chảy fy (ReH hoặc R₀.₂): Ứng suất bắt đầu biến dạng dẻo (MPa).
- Giới hạn bền fu (Rm): Ứng suất kéo cực đại (MPa).
- Độ giãn dài sau đứt A₅ (%): (Lf − L₀)/L₀ × 100%, với L₀ = 5d₀ (chiều dài đo ban đầu bằng 5 lần đường kính). Đặc trưng cho độ dẻo.
- Độ thắt tiết diện Z (%): (A₀ − Af)/A₀ × 100%. Đặc trưng cho độ dẻo cục bộ.
- Mô đun đàn hồi E: Tính từ độ dốc phần tuyến tính đầu đường cong (GPa).
Phân loại độ bền kéo theo vật liệu
- Vật liệu dẻo (ductile): Đường cong có vùng chảy và biến cứng rõ ràng, A₅ lớn (thép mềm A₅ ≥ 16–25%). Ví dụ: thép CB400V, nhôm 1100-O.
- Vật liệu giòn (brittle): Đường cong gần tuyến tính đến điểm đứt đột ngột, A₅ < 5%. Ví dụ: gang xám, thủy tinh, bê tông không cốt thép chịu kéo.
- Vật liệu bán dẻo: Độ giãn trung bình, đứt gãy hỗn hợp. Ví dụ: một số hợp kim nhôm, thép cường độ cao.
Yêu cầu độ bền kéo theo tiêu chuẩn Việt Nam
- TCVN 1651-1:2008 (thép gai tròn CB240T, CB300T): CB300T yêu cầu Rm ≥ 450 MPa, A₅ ≥ 17%.
- TCVN 1651-2:2008 (thép vằn CB400V, CB500V): CB400V yêu cầu Rm ≥ 570 MPa, A₅ ≥ 14%, ReH/Rm ≤ 0,85.
- TCVN 5709:1993 (thép tấm kết cấu): Quy định Rm theo nhóm thép.
- TCVN 5408:2007 (thép ống): Quy định Rm và yêu cầu thử nghiệm kéo dọc.
Ý nghĩa của độ giãn dài A₅ trong đánh giá chất lượng
A₅ là chỉ số đánh giá độ dẻo tổng thể của vật liệu — thép có A₅ lớn “cảnh báo” trước khi đứt (biến dạng lớn có thể nhìn thấy). A₅ thấp đồng nghĩa với phá hoại đột ngột và nguy hiểm. Trong đánh giá vật liệu tái chế hoặc thép không rõ nguồn gốc, kiểm tra A₅ là bắt buộc để loại trừ thép giòn do tạp chất (P, S cao) hoặc già hóa biến dạng.
So sánh độ bền kéo theo vật liệu xây dựng
| Vật liệu | fu kéo (MPa) | A₅ (%) | Phân loại |
|---|---|---|---|
| Thép CB400V | ≥ 570 | ≥ 14 | Dẻo |
| Thép không gỉ 304 | ≥ 515 | ≥ 40 | Rất dẻo |
| Nhôm 6061-T6 | ≈ 310 | ≥ 8 | Dẻo vừa |
| Sợi carbon T700 | ≈ 4900 | < 2 | Rất giòn |
| Bê tông C30 (kéo) | ≈ 2,0 | ≈ 0 | Giòn hoàn toàn |
| Gỗ (dọc thớ) | 80–150 | < 2 | Giòn |
Ứng dụng thực tiễn của thử nghiệm độ bền kéo
Kết quả thử nghiệm kéo được dùng để: (1) nghiệm thu vật liệu đầu vào tại công trình, (2) kiểm tra chất lượng sản xuất tại nhà máy thép, (3) điều tra sự cố kết cấu (forensic engineering), (4) hiệu chỉnh thông số đầu vào cho phần mềm phân tích phi tuyến.
Câu hỏi thường gặp
- Mẫu thử hình xương chó (dog-bone) tại sao phải có hình dạng đó?
- Phần giữa thu nhỏ (gauge section) đảm bảo đứt xảy ra tại vùng đo, không phải tại đầu kẹp. Phần đầu rộng để lực kẹp phân bố đều không gây ứng suất tập trung sớm. Kích thước mẫu theo TCVN 197 (ISO 6892) có dạng chuẩn hóa để kết quả so sánh được giữa các phòng thí nghiệm.
- Thử nghiệm kéo tốn bao lâu?
- Một mẫu thử thông thường mất 5–15 phút (tốc độ kéo 2–20 mm/phút, chiều dài đo L₀ thường 50 mm → biến dạng 10 mm mất ~1–5 phút). Chuẩn bị mẫu (cắt, đo đường kính) và in biên bản mất thêm 30–60 phút mỗi mẫu.