Tổng quan hai thông số nền tảng
Giới hạn chảy (fy) và giới hạn bền (fu) là hai thông số cơ học quan trọng nhất của thép kết cấu, đều đo bằng MPa nhưng ý nghĩa và ứng dụng hoàn toàn khác nhau. Hiểu rõ sự khác biệt giúp kỹ sư chọn đúng thông số cho từng bài toán thiết kế.
Bảng so sánh 8 tiêu chí kỹ thuật
| Tiêu chí | Giới hạn chảy (fy) | Giới hạn bền (fu) |
|---|---|---|
| 1. Vị trí trên đường cong σ–ε | Điểm đầu vùng dẻo — kết thúc vùng đàn hồi tuyến tính | Điểm đỉnh — ứng suất kỹ thuật lớn nhất, trước khi thắt cổ |
| 2. Ký hiệu tiêu chuẩn | fy (Eurocode); ReH/ReL (ISO 6892); σ₀.₂ (proof stress) | fu (Eurocode); Rm (ISO 6892); UTS (tiêu chuẩn Mỹ ASTM) |
| 3. Dùng trong thiết kế kết cấu | Chính — cơ sở của mọi kiểm tra ULS và SLS | Phụ — dùng cho bu lông, mối hàn, neo, kiểm tra phá hoại giòn |
| 4. Công thức tính cường độ tính toán | Ry = fy/γ_m (γ_m = 1,025 theo TCN; γ_M0 = 1,0 theo EC3) | Ru = fu/γ_M2 (γ_M2 = 1,25 theo Eurocode 3 — hệ số an toàn cao hơn) |
| 5. Thay đổi theo nhiệt độ | Giảm nhanh hơn: ở 300°C còn ~85%; ở 600°C còn ~20% | Giảm chậm hơn ở nhiệt độ thấp-trung; cả hai đều giảm mạnh trên 400°C |
| 6. Thay đổi theo tốc độ tải | Tăng rõ rệt khi tốc độ tải cao (tải va đập): +10–30% | Ít nhạy cảm hơn với tốc độ tải so với fy |
| 7. Giá trị điển hình — thép CB400V | fy = 400 MPa (tối thiểu theo TCVN 1651-2) | fu = 570 MPa (tối thiểu theo TCVN 1651-2) |
| 8. Hệ số n = fu/fy (strain hardening ratio) | n = fu/fy: CB400V: 570/400 = 1,43; CB300T: 450/300 = 1,50; Thép không gỉ 304: 515/215 = 2,40; Thép DP980: ≈1,30 | |
Phân tích chi tiết
1. Tại sao thiết kế dùng fy thay vì fu?
Khi ứng suất đạt fu, vật liệu đã biến dạng dẻo 15–30% — kết cấu không còn hình dạng an toàn sử dụng. Thiết kế theo giới hạn fy đảm bảo: (a) biến dạng còn trong phạm vi chấp nhận được, (b) kết cấu còn khả năng chịu lực sau khi bỏ tải (đàn hồi trở lại một phần). Hệ số an toàn ngầm định giữa fy và fu (n = fu/fy ≈ 1,4–1,5) cung cấp dự phòng bổ sung.
2. Trường hợp dùng fu trong thiết kế
Fu được dùng khi phá hoại xảy ra trước khi đạt biến dạng chảy toàn diện — tức là phá hoại cục bộ:
- Bu lông chịu kéo: Phá hoại giòn ren bu lông — kiểm tra fu × A_ren.
- Mối hàn (weld): Phá hoại cổ họng (throat) — fu × A_throat / √3.
- Bản nối lỗ bu lông (net section fracture): fu × A_net — phá hoại qua lỗ khoan giảm tiết diện.
- Cẩu hàn, neo vào bê tông: Kéo đứt thép neo — tính theo fu.
3. Quan hệ fu/fy và thiết kế kháng chấn
Hệ số n = fu/fy phản ánh khả năng biến cứng sau khi chảy — “dự phòng sức kháng bổ sung” của thép. Eurocode 8 (TCVN 9386) yêu cầu n ≥ 1,15 cho thép kết cấu kháng chấn (Ductility Class B). Nếu n quá nhỏ (n ≈ 1,0), thép “giòn dẻo” — phá hủy ngay sau khi chảy mà không có cơ hội phân phối lại nội lực. Thép CB400V có n = 1,43 đáp ứng tốt yêu cầu này.
4. Hiệu ứng nhiệt độ — bảo vệ chống cháy
Trong hỏa hoạn, cả fy và fu đều giảm nhưng fy giảm nhanh hơn ở nhiệt độ thấp-trung, dẫn đến n tăng lên. Ở 400°C, fy còn ~60% nhưng fu còn ~70% — n tăng từ 1,43 lên ~1,67. Thiết kế chống cháy theo Eurocode 3 Part 1-2 dùng hệ số giảm ky,θ (cho fy) và ku,θ (cho fu) theo nhiệt độ θ. Yêu cầu thời gian chịu lửa R30/R60/R90/R120 quyết định độ dày lớp bảo vệ cần thiết.
5. Vật liệu không có điểm chảy rõ ràng
Thép cường độ cao, thép không gỉ austenitic (304, 316), nhôm hợp kim không có điểm chảy rõ — phải dùng R₀.₂ thay cho fy. Điều này làm n = fu/R₀.₂ có giá trị lớn hơn thép mềm: thép không gỉ 304 có R₀.₂ ≈ 215 MPa và Rm ≈ 515 MPa → n ≈ 2,4 — tức là biến cứng mạnh hơn rất nhiều.
Câu hỏi thường gặp
- Thép có fy cao hơn thì fu cũng cao hơn không?
- Không nhất thiết. Thép cường độ cao thường có fy tăng nhanh hơn fu, dẫn đến n = fu/fy giảm. Ví dụ: thép DP980 có fy ≈ 700 MPa, fu ≈ 980 MPa (n = 1,40) — n thấp hơn thép mềm CB300T (n = 1,50). Tradeoff giữa cường độ cao và độ dẻo là thách thức lớn trong phát triển thép mới.
- Có thể nhìn thấy giới hạn chảy bằng mắt thường không?
- Có thể — khi thép mềm đạt điểm chảy trong thử nghiệm, xuất hiện các vạch trượt (Lüders lines) trên bề mặt mẫu nghiêng 45° với trục kéo. Đây là biểu hiện trực quan của biến dạng cắt cực đại tại mặt phẳng trượt tinh thể.