Độ bền kéo (Tensile Strength)

Định nghĩa

Độ bền kéo được tính bằng lực kéo tối đa chia cho diện tích tiết diện ban đầu của mẫu thử:

$\sigmat = \frac{F{max}}{A_0}$

Trong đó:

• $\sigma_t$: Độ bền kéo (đơn vị thường là Pascal (Pa), Megapascal (MPa), hoặc N/mm²)
• $F_{max}$: Lực kéo tối đa (đơn vị thường là Newton (N))
• $A_0$: Diện tích tiết diện ban đầu của mẫu thử (đơn vị thường là mm² hoặc m²)

Phương pháp xác định

Độ bền kéo được xác định bằng thử nghiệm kéo (Tensile Test). Trong thử nghiệm này, một mẫu thử chuẩn bị được kẹp chặt vào máy thử nghiệm kéo và chịu một lực kéo dọc trục tăng dần đều cho đến khi mẫu thử bị đứt. Máy thử nghiệm sẽ ghi lại lực kéo và độ giãn dài tương ứng trong suốt quá trình thử nghiệm. Từ dữ liệu này, có thể vẽ được đường cong ứng suất – biến dạng (Stress-Strain Curve). Độ bền kéo tương ứng với điểm cao nhất trên đường cong này.

Ý nghĩa và ứng dụng

Độ bền kéo là một thông số quan trọng trong việc lựa chọn vật liệu cho các ứng dụng khác nhau. Nó cung cấp thông tin về khả năng chịu lực kéo của vật liệu và giúp kỹ sư thiết kế các cấu trúc và sản phẩm an toàn và đáng tin cậy. Ví dụ, độ bền kéo cao là cần thiết cho các ứng dụng như cáp thép, dây xích, và các bộ phận chịu tải trọng lớn.

Độ bền kéo được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm:

• Xây dựng: Lựa chọn vật liệu cho kết cấu thép, bê tông cốt thép.
• Cơ khí: Thiết kế các bộ phận máy móc, ô tô, máy bay.
• Sản xuất: Kiểm soát chất lượng vật liệu, lựa chọn vật liệu cho bao bì.
• Y sinh: Thiết kế và chế tạo các thiết bị y tế, implant.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền kéo

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến độ bền kéo của vật liệu, bao gồm:

• Thành phần hóa học: Sự có mặt của các tạp chất hoặc các nguyên tố hợp kim.
• Cấu trúc vi mô: Kích thước hạt, sự phân bố pha, các khuyết tật.
• Nhiệt độ: Độ bền kéo thường giảm khi nhiệt độ tăng.
• Tốc độ biến dạng: Tốc độ tải trọng tác động lên mẫu thử.
• Xử lý nhiệt: Các quá trình như tôi luyện, ủ, ram có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ bền kéo.

Lưu ý

Độ bền kéo chỉ là một trong nhiều tính chất cơ học quan trọng của vật liệu. Cần xem xét kết hợp với các tính chất khác như độ dẻo, độ cứng, độ dai va đập để có cái nhìn toàn diện về hiệu suất của vật liệu.

Mối quan hệ với các tính chất cơ học khác

Độ bền kéo có liên quan đến, nhưng khác biệt với, các tính chất cơ học khác như:

• Độ dẻo (Ductility): Độ dẻo là khả năng của vật liệu biến dạng dẻo (kéo dài) dưới tác dụng của lực kéo trước khi bị đứt. Một vật liệu có độ dẻo cao sẽ có vùng biến dạng dẻo lớn trên đường cong ứng suất – biến dạng.
• Độ cứng (Stiffness): Độ cứng là khả năng của vật liệu chống lại biến dạng đàn hồi. Mô đun Young (E) là đại lượng đo lường độ cứng. Vật liệu có mô đun Young cao sẽ cứng hơn.
• Độ dai va đập (Impact Strength): Độ dai va đập là khả năng của vật liệu hấp thụ năng lượng khi chịu tải trọng va đập đột ngột.
• Giới hạn chảy (Yield Strength): Ứng suất mà tại đó vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo (vĩnh viễn). Ký hiệu là $\sigma_y$.

Ví dụ về độ bền kéo của một số vật liệu thông dụng (ở nhiệt độ phòng)

• Thép kết cấu: 400-800 MPa
• Nhôm: 100-300 MPa
• Đồng: 200-400 MPa
• Polyetylen (PE): 10-30 MPa

Sự khác biệt giữa độ bền kéo và độ bền nén

Độ bền kéo đo lường khả năng chịu lực kéo, trong khi độ bền nén đo lường khả năng chịu lực nén. Một số vật liệu có độ bền kéo và độ bền nén tương tự nhau (ví dụ: thép), trong khi một số vật liệu khác có độ bền kéo thấp hơn nhiều so với độ bền nén (ví dụ: bê tông).

Ứng dụng của thử nghiệm kéo

Ngoài việc xác định độ bền kéo, thử nghiệm kéo còn cung cấp nhiều thông tin hữu ích khác về tính chất cơ học của vật liệu, bao gồm:

• Mô đun Young (E): Độ dốc của phần đàn hồi trên đường cong ứng suất – biến dạng.
• Độ giãn dài tương đối (Elongation): Tỷ lệ phần trăm độ tăng chiều dài của mẫu thử so với chiều dài ban đầu khi bị đứt.
• Độ co thắt tương đối (Reduction in Area): Tỷ lệ phần trăm độ giảm diện tích tiết diện của mẫu thử tại điểm đứt so với diện tích tiết diện ban đầu.

Tiêu chuẩn thử nghiệm

Có nhiều tiêu chuẩn quốc tế và quốc gia quy định phương pháp thực hiện thử nghiệm kéo, ví dụ như ASTM E8/E8M, ISO 6892, JIS Z2241.

• Callister, William D., Jr. and Rethwisch, David G. (2007). Materials Science and Engineering: An Introduction. 7th ed. John Wiley & Sons, Inc.
• Beer, Ferdinand P., et al. (2015). Mechanics of Materials. 7th ed. McGraw-Hill Education.
• Ashby, Michael F., and Jones, David R. H. (2019). Engineering Materials 1: An Introduction to Properties, Applications and Design. 5th ed. Butterworth-Heinemann.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài độ bền kéo ($σ_t$), còn những thông số nào khác thu được từ đường cong ứng suất – biến dạng của thử nghiệm kéo, và chúng có ý nghĩa gì?

Trả lời: Đường cong ứng suất – biến dạng cung cấp nhiều thông tin quan trọng, bao gồm:

• Mô đun Young (E): Đại diện cho độ cứng của vật liệu, được tính bằng độ dốc của phần đàn hồi trên đường cong.
• Giới hạn chảy ($σ_y$): Ứng suất mà tại đó vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo (vĩnh viễn).
• Độ giãn dài tương đối: Tỷ lệ phần trăm độ tăng chiều dài của mẫu thử so với chiều dài ban đầu khi bị đứt, thể hiện độ dẻo của vật liệu.
• Độ co thắt tương đối: Tỷ lệ phần trăm độ giảm diện tích tiết diện của mẫu thử tại điểm đứt so với diện tích tiết diện ban đầu, cũng thể hiện độ dẻo.

Làm thế nào để phân biệt giữa biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo?

Trả lời: Biến dạng đàn hồi là biến dạng có thể phục hồi, nghĩa là vật liệu sẽ trở lại hình dạng ban đầu khi tải trọng được loại bỏ. Biến dạng dẻo là biến dạng vĩnh viễn, nghĩa là vật liệu sẽ không trở lại hình dạng ban đầu sau khi tải trọng được loại bỏ. Giới hạn chảy ($σ_y$) là điểm phân chia giữa biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo trên đường cong ứng suất – biến dạng.

Tại sao độ bền kéo của vật liệu composite lại phụ thuộc vào sự sắp xếp của các sợi gia cường?

Trả lời: Trong vật liệu composite, các sợi gia cường chịu tải trọng chính. Sự sắp xếp của các sợi ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của composite. Ví dụ, nếu các sợi được sắp xếp theo hướng của lực kéo, composite sẽ có độ bền kéo cao hơn so với trường hợp các sợi được sắp xếp ngẫu nhiên.

Ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ bền kéo của vật liệu polymer là gì?

Trả lời: Nhiệt độ có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền kéo của polymer. Ở nhiệt độ thấp, polymer thường giòn và dễ gãy. Khi nhiệt độ tăng, polymer trở nên mềm dẻo hơn và độ bền kéo giảm. Tuy nhiên, một số loại polymer đặc biệt có thể duy trì độ bền kéo ở nhiệt độ cao.

Độ bền kéo có liên quan như thế nào đến các ứng dụng thực tế trong kỹ thuật?

Trả lời: Độ bền kéo là một thông số quan trọng trong việc lựa chọn vật liệu cho các ứng dụng kỹ thuật. Ví dụ, trong thiết kế cầu, cần sử dụng vật liệu có độ bền kéo cao để chịu được tải trọng từ giao thông. Trong thiết kế máy bay, vật liệu nhẹ và có độ bền kéo cao là cần thiết để giảm trọng lượng và tăng hiệu suất nhiên liệu. Tóm lại, độ bền kéo là một yếu tố quan trọng cần được xem xét trong nhiều ứng dụng kỹ thuật.