Tổng quan hai chỉ tiêu cơ học quan trọng nhất của thép
Yield strength (giới hạn chảy, ký hiệu fy hoặc ReH/ReL theo EN) và tensile strength (giới hạn bền kéo, ký hiệu fu hoặc Rm theo EN) là hai chỉ tiêu cơ học nền tảng xuất hiện trong mọi tiêu chuẩn thép xây dựng. Chúng cùng được xác định qua một thử kéo đơn nhưng có ý nghĩa vật lý, vị trí trên đường cong σ–ε và ứng dụng thiết kế hoàn toàn khác nhau.
Bảng so sánh 9 tiêu chí kỹ thuật
| Tiêu chí | Yield Strength (fy) | Tensile Strength (fu) |
|---|---|---|
| 1. Định nghĩa vật lý | Ứng suất tại đó thép bắt đầu biến dạng dẻo không hồi phục; ranh giới giữa đàn hồi và dẻo | Ứng suất lớn nhất thép chịu được trước khi đứt; đỉnh đường cong σ–ε |
| 2. Vị trí trên đường cong σ–ε | Điểm gãy (kink) trên đường cong, kết thúc vùng đàn hồi; thấp hơn fu | Điểm cao nhất (peak) trên đường cong, sau vùng hóa bền; cao nhất trước khi co thắt |
| 3. Ký hiệu theo tiêu chuẩn | fy (TCVN, EC2); ReH/ReL (EN ISO 6892); Fy (ASTM/ACI); σ₀₂ (proof stress thép không có điểm chảy) | fu (TCVN, EC2); Rm (EN ISO 6892); Fu (ASTM); UTS (Ultimate Tensile Strength) |
| 4. Giá trị — CB400V (ví dụ) | fy ≥ 400 MPa (min theo TCVN 1651) | fu ≥ 570 MPa (min theo TCVN 1651) |
| 5. Ứng dụng trong thiết kế kết cấu | Cơ sở thiết kế chính — diện tích cốt thép As = M/(fyd×z); kiểm tra cốt thép chịu uốn, cắt, nén | Thiết kế mối hàn, neo cốt thép; kiểm tra ductility (fu/fy ≥ 1,15); đánh giá quá tải |
| 6. Tỷ lệ tương quan | Luôn nhỏ hơn fu; tỷ số fu/fy ≥ 1,15 (TCVN) đến 1,25+ (thép mềm) | Luôn lớn hơn fy; đảm bảo “dự trữ bền” trước khi đứt |
| 7. Ảnh hưởng của nhiệt độ | Giảm mạnh khi nhiệt độ >200°C; ở 600°C chỉ còn ~50% fy danh nghĩa; thay đổi nhiều hơn fu | Cũng giảm theo nhiệt độ nhưng chậm hơn fy ở nhiệt độ <400°C; ở nhiệt độ cao fy và fu hội tụ gần nhau |
| 8. Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng | Nhạy cảm hơn với tốc độ kéo — kéo nhanh (dynamic) cho fy cao hơn tĩnh đáng kể (dynamic amplification factor >1,2) | Ít nhạy cảm hơn với tốc độ kéo; fu tăng ít hơn khi kéo nhanh |
| 9. Biến dạng tại điểm đo | Biến dạng tổng tại fy thường <1% (εy = fy/E ≈ 0,2%); hoàn toàn đàn hồi trước điểm này | Biến dạng tổng tại fu thường 10–20% (εsu); sau đó co thắt cục bộ và đứt |
Phân tích đường cong σ–ε thép CB400V điển hình
Thép CB400V (thép cacbon thấp–trung bình, vằn) có đường cong σ–ε đặc trưng:
- Vùng đàn hồi (0 → fy): σ = E×ε, tuyến tính, E ≈ 200 GPa; tại fy = 400 MPa, εy = 400/200000 = 0,2%.
- Vùng chảy phẳng (Lüders plateau): ứng suất gần bằng fy, biến dạng tăng mạnh 1–3% — thép “chảy” mà không cần tăng lực.
- Vùng hóa bền (strain hardening): ứng suất tăng từ fy lên fu = 570 MPa khi biến dạng tăng 3% → ~12%.
- Co thắt và đứt: sau fu, tiết diện co thắt cục bộ (necking), ứng suất danh nghĩa giảm và mẫu đứt ở εf ≈ 14–20%.
Tại sao không dùng fu làm cơ sở thiết kế thông thường?
Nếu dùng fu làm cơ sở thiết kế, kết cấu sẽ biến dạng rất lớn (nhiều phần trăm) trước khi phá hoại — không chấp nhận được về mặt sử dụng (serviceability). Thiết kế dùng fy để đảm bảo biến dạng còn trong vùng đàn hồi hoặc dẻo nhỏ, kết cấu vẫn sử dụng được sau khi tải trọng bất thường qua đi.
Fu được dùng làm cơ sở trong một số trường hợp đặc biệt: thiết kế chốt (pin), bu lông chịu cắt, neo cốt thép và thiết kế chống sụp đổ (progressive collapse) — nơi kết cấu được phép biến dạng lớn để hấp thụ năng lượng mà không đứt đột ngột.
N-factor trong thiết kế kháng chấn
N-factor (hay overstrength factor fy/fy,nom) là tỷ số giữa fy thực tế đo được và fy danh nghĩa theo tiêu chuẩn. EN 1998 (kháng chấn Châu Âu) giới hạn n-factor ≤ 1,3 để ngăn “quá bền” (overstrength) tại các phần tử dẻo — khi phần tử chịu lực bị cứng quá, tải trọng địa chấn sẽ truyền thêm vào phần tử khác không được thiết kế để hấp thụ.
Câu hỏi thường gặp
- Khi mua thép, chỉ số nào quan trọng hơn: fy hay fu?
- Cả hai đều quan trọng. Fy quyết định khả năng chịu lực thiết kế; fu xác nhận ductility và chất lượng thép. Chứng chỉ xuất xưởng (mill certificate) phải có cả hai giá trị.
- Có thể dùng thép có fy cao nhưng fu/fy thấp không?
- Không nên nếu thiếu kiểm chứng. Thép fy cao nhưng fu/fy <1,15 không đạt TCVN 1651 và có thể phá hoại giòn (brittle failure) mà không có cảnh báo biến dạng trước.