Thép và những tính chất cơ bản

Xin tiếp nối series về vật liệu thép và các tính chất cơ bản
Đầu tiên của phần tính chất cơ bản em xin giới thiệu về quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu thép.



Hình trên mô tả khái quát kết quả thí nghiệm kéo vật liệu thép (Mẫu thử được quy định theo tiêu chuẩn JIS Z 2241-1980).
Trục đứng biểu diễn ứng suất kéo σ, trục ngang biểu diễn độ biến dạng ε. những giá trị này được tính bằng công thức sau đây

           σ=P/A       ε=⊿/L          P: độ lớn lực kéo
                                              A: diện tích mặt cắt mẫu thử khi chưa tác dụng lực
                                              L: khoảng cách chuẩn dùng để đo độ kéo dãn
                                             ⊿: độ kéo dãn giữa 2 điểm lấy làm chuẩn

1/ Điểm kofuku: việc vật liệu vượt quá giới hạn đàn hồi và chuyển sang trạng thái dẻo gọi là kofuku. Tại điểm kofuku sẽ có 2 giá trị được ghi là: kofuku dưới 下降伏点 (điểm B) và kofuku trên 上降伏点 (điểm A). Giá trị ứng suất tại 2 điểm này chỉ sai khác nhau vài %. Tuy nhiên nếu tốc độ tác dụng lực chậm thì điểm kofuku trên sẽ không hiện rõ ràng. Từ sau điểm kofuku dưới thì dù là ứng suất không thay đổi nhưng vẫn xuất hiện dòng chảy biến dạng dẻo. Hay còn gọi là "trường nhảy" (おどり場). Sau đó vật liệu tiếp tục hoá cứng và ứng suất lại tăng lên.



2/ Ứng suất kofuku: về mặt lực học thì chúng ta chỉ chú ý tới ứng suất σy tại điểm kofuku dưới, nhưng về thí nghiệm vật liệu thì chỉ xem xét điểm kofuku trên. Những vật liệu chứa hàm lượng Cacbon cao, có cường độ kéo lớn thì "trường nhảy" sẽ không rõ ràng, và trong nhiều trường hợp sẽ không thấy điểm kofuku. Trong TH này tại điểm biến dạng ban đầu phát sinh 0.2%, vẽ 1 đường thẳng song song với đồ thị sẽ được điểm ứng suất kofuku. Trong bộ quy chuẩn JIS thì gọi là tải lực.

3/ Điểm bắt đầu biến dạng hoá cứng (歪硬化開始点): Là điểm C trong hình 1. Tại đây do biến dạng hoá cứng mà ứng suất lại tăng lên lần nữa. Biến dạng ứng với điểm này tuỳ theo từng loại vật liệu sẽ khác nhau.

4/ Cường độ kéo (引張り強さ): là điểm mà tại đó ứng suất đạt giá trị cực đại σmax ứng với lúc tải trọng cực đại. Điểm D

5/ Tỷ số kofuku (降伏比): Là tỷ số của tải lực hay ứng suất tại điểm kofuku đối với cường độ kéo. Đối với vật liệu SS400 tỷ số này vào khoảng 0.6~0.7%, nhưng đối với vật liệu cường độ kéo lớn thì vào khoảng 0.8%. Tỷ số này càng cao thì từ lúc kofuku cho đến lúc phá hoại sẽ diễn ra rất nhanh, lượng biến dạng dẻo cũng giảm xuống. Ngược lại tỷ số này càng nhỏ thì vật liệu được cho là có tính dẻo.

6/ Độ giãn (伸び) và độ thắt (絞り): biến dạng giãn tại điểm bị phát hoại E gọi là độ giãn. Biểu thị độ giãn biến dạng dẻo của cự li 2 điểm chuẩn bằng độ phần trăm %. Tại chỗ bị phá hoại, vì xảy ra biến dạng thắt nên gọi là độ thắt được biểu thị bằng tỷ số phần trăm của diện tích mặt cắt tại vị trí đó lúc nguyên mẫu với sau khi bị phá hoại.

7/ Tỷ số young E: được biểu diễn bằng độ dốc A', thông thường có giá trị E=205kN/mm2

8/ Hệ số E tiếp tuyến Et(接線係数Et): là độ dốc của đường cong tại mỗi điểm sau khi giai đoạn tỷ lệ OA'

9/ Hệ số biến dạng hoá cứng(歪硬化係数): giá trị lớn nhất trong 2 giá trị: hệ số tiếp tuyến tại vùng hoá cứng và độ dốc Ét tại điểm bắt đầu hoá cứng.

10/ Tỷ số poison ν: là tỷ số giữa biến dạng theo phương mặt cắt so với biến dạng theo phương trục trong thí nghiệm kéo vật liệu. Đối với vật liệu thép tỷ số này vào khoảng 0.25~0.33

11/ Hệ số đàn hồi cắt (せん断弾性係数)G: là tỷ số của biến dạng theo phương mặt cắt so với ứng suất cắt tại vùng đàn hồi. Được tính bằng công thức sau:
           G=E/2(1+ν)

*Trong thí nghiệm nén vật liệu thép cũng nhận được kết quả tương đối giống đồ thì hình 1, nhưng không bị phá hoại.

Tài liệu tham khảo:
基礎からの鉄骨構造
建築材料をまなぶ

Có nhiều chỗ không hiểu quá, xin được hỏi Quyền:
1. Tại mục "Điểm kofuku": "xuất hiện dòng chảy biến dạng dẻo"→ nghĩa là gì?
Hay còn gọi là "trường nhảy" (おどり場) → cũng không hiểu luôn
2.Ứng suất kofuku : chỗ 0.2% có ý nghĩa gì? có thể giải thích rõ hơn chỗ này được ko?
3.Tỷ số kofuku : "Đối với vật liệu SS400 tỷ số này vào khoảng 0.6~0.7%"→　như vậy, ứng suất chảy chỉ bằng 0.006 cường độ kéo →　có nhầm lẫn ko? Số đúng là 60～70% phải không?

Trả lời câu hỏi:
1/ "Dòng chảy biến dạng dẻo" (塑性流れ) hay trường nhảy (おどり場). Trên đồ thị quan hệ giữa ứng suất và biến dạng, tại thời điểm thép bị kofuku (điểm B) tới điểm hoá cứng (điểm C), đồ thị không đi ngang mà dao động lên xuống như hình sin nên tên tiếng Nhật được đặt là おどり場 giống đang nhảy múa, tên tiếng Anh là (Landing). Tại thời điểm này, mặc dù ứng suất không tăng nhưng vật liệu vẫn biến dạng do tính dẻo, nên được gọi theo cái tên là 塑性流れ, dòng chảy dẻo, hay dòng chảy biến dạng dẻo.

2/ Ứng suất kofuku: Đối với vật liệu có hàm lượng cacbon cao -> tính cứng lớn thì "trường nhảy" おどり場 sẽ không xuất hiện rõ ràng (do biến dạng dẻo không còn), nên để xác định được điểm kofuku, người ta giả định có 1 ứng suất ban đầu làm vật liệu biến dạng 0.2%. Rồi từ vị trí này kéo 1 đường thẳng song song với đường thẳng biến dạng đàn hồi. Đường thẳng này cắt đường cong tại 1 điểm gọi là điểm kofuku. Nếu đặt câu hỏi tại sao, thì có thể xem giả định ban đầu này là để, bù vào phần biến dạng dẻo của vật liệu thép thông thường.

3/ Chỗ này thì em nhầm mất. Chính xác là 0.6~0.7

Hình dưới là ví dụ cho trường hợp tác dụng lực lặp đi lặp lại.
Tại thời điểm ban đầu, từ điểm O tác dụng lực kéo lên vật liệu, vật liệu sẽ bị kofuku và đạt đến điểm a. Tại đây, giảm dần cường độ lực tác dụng, thì đồ thị sẽ trở thành đường thẳng ab song song với đường thẳng đi lên ban đầu. Vật liệu một lần nữa có tính đàn hồi.
Khi lực tác dụng giảm về 0, thì tại b sẽ còn sót lại (残留) biến dạng dẻo Ob. Tại điểm b, nếu lại tăng cường độ tác dụng (lực kéo), thì đồ thị sẽ trở thành đường bcd. Nhìn bề ngoài thì sẽ có cảm giác như là, giữa chừng không có việc giảm lực tác dụng về 0, mà đồ thị đi từ O->d theo đường Oacd.
Tại điểm d, dần dần giảm lực tác dụng (lực kéo) và dần gia tăng lực nén thì đồ thị sẽ biến đổi theo đường def, tại đây nếu thay đổi chiều của lực tác dụng thì lại trở thành đường fgh.
Lúc vật liệu biến đổi theo đường def, ứng suất tại điểm có độ dốc biến đổi gấp e, nhỏ hơn ứng suất kofuku của vật liệu trong thí nghiệm chịu nén thông thường. Đây được gọi là hiện tượng "hiệu quả Bauschinger".
Tại điểm h, nếu thay phiên nhau tác dụng lực kéo nén, thì độ thị sẽ biến dạng theo đường hei, và igj. Sau đó nếu không thay đổi độ lớn của biến dạng thì đồ thị dưới sẽ hầu như biến dạng theo 1 đường cong duy nhất.
Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng thường được sử dụng để phân tích các công trình kiến trúc lúc xảy ra động đất.


Tài liệu tham khảo:
基礎からの鉄骨構造

Và cuối cùng em muốn giới thiệu với mọi người là tính hàn.

Trong các công trình kiến trúc thép, thì phương pháp hàn là một trong những phương pháp thường được sử dụng để kết nối các vật liệu. Chính vì thế mà vật liệu thép được sử dụng phải đảm bảo, không xảy ra khiếm khuyết (欠陥) khi hàn như bị nứt, hay đảm bảo có thể hàn một cách dễ dàng, hơn nữa là phải đảm bảo được từ cường độ cho đến độ cứng, và phải đảm bảo an toàn sau khi hàn. Người ta gọi những tính chất trên của vật liệu thép là tính hàn (溶接性)

Bộ phận dễ xảy ra khiếm khuyết khi hàn, là bộ phận nằm ở ranh giới giữa vật liệu được hàn (母材) và kim loại hàn (溶接金属), được gọi là　vùng ảnh hưởng nhiệt (熱影響部 HAZ).


Vùng ảnh hưởng nhiệt. 熱影響部HAZ

Do tác dụng của nhiệt sinh ra do hàn, mà vật liệu được hàn sẽ biến đổi tính chất, độ cứng tăng lên và tính dẻo bị giảm xuống.
Bởi vì quá trình hàn được thực hiện ở nhiệt độ cao nên khi nguội đi, kim loại hàn (溶接金属) sẽ bị co lại, dẫn đến vùng tiếp giáp xung quanh của vật liệu được hàn (母材) sẽ bị kéo về phía kim loại hàn và sinh ra lực kéo.
Do đó nếu vật liệu không đủ độ dẻo thì sẽ sinh ra nứt tại kim loại hàn, hay nứt tại vật liệu được hàn.

Vùng ảnh hưởng nhiệt là nguyên nhân gây ra nứt gãy khi hàn. Người ta khắc phục sự hoá cứng của vùng vật liệu này bằng cách điều chỉnh thành phần hoá học trong thép.
Trong trường hợp giống nhau về độ dày, hình dạng kết nối, điều kiện hàn thì hàm lượng C, Mn, Cr, Ni, Mo, v.v... trong thép sẽ quyết định độ cứng lớn hay nhỏ của thép. Trong đó hàm lượng Cacbon là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất, nên các nguyên tố khác sẽ được tính độ ảnh hưởng đó dựa trên cách tính quy đổi lấy C làm chuẩn. Công thức tính như sau:



Lượng Cacbon tương ứng Ceq này càng nhỏ thì tính hoá cứng sẽ càng nhỏ. Trong trường hợp các thành phần hoá học đều đồng nhất, thì tốc độ làm nguội của mối hàn càng nhanh thì độ hoá cứng của vùng ảnh hưởng nhiệt càng tăng lên. Do đó, trong trường hợp hàn các vật liệu có nhiệt dung lớn như các tấm thép dày bằng cách hàn tay với nhiệt lượng đầu vào nhỏ, thì cần chú ý phải tăng nhiệt độ ban đầu của tấm thép để làm chậm đi tốc độ làm nguội của vật liệu.

Tài liệu tham khảo:
基礎からの鉄骨構造