Ý nghĩa đặc biệt của tensile strength

Tensile strength đóng một vai trò không thể phủ nhận trong việc đánh giá độ bền của vật liệu khi chịu lực căng. Khái niệm này không chỉ là một thông số kỹ thuật mà còn là yếu tố quyết định tính đáng tin cậy và an toàn của cấu trúc, linh kiện, hay vật liệu được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như xây dựng, ô tô, hàng không, điện tử và nhiều ngành khác.

Tensile strength, hoặc độ bền kéo, đo lường khả năng chịu lực căng của vật liệu khi áp dụng một lực kéo đến khi nó đứt. Điều này cung cấp thông tin quan trọng để kỹ sư và nhà thiết kế đánh giá khả năng chịu lực căng của vật liệu trong môi trường thực tế. Qua quá trình đo lường tensile strength, họ có thể xác định khả năng vật liệu chịu được những tác động lực lượng và áp dụng các biện pháp an toàn, giúp đảm bảo rằng cấu trúc xây dựng, linh kiện ô tô, hay các sản phẩm công nghiệp khác đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn và độ bền yêu cầu. Nhờ vào sự hiểu biết sâu sắc về tensile strength, người làm kỹ thuật có thể tối ưu hóa thiết kế và sử dụng vật liệu một cách hiệu quả, góp phần nâng cao chất lượng và tính ổn định của các sản phẩm và cấu trúc trong các ngành công nghiệp đa dạng.

Tensile strength là gì?

Tensile strength, hay còn được biết đến với các thuật ngữ như “giới hạn bền kéo,” “ultimate tensile strength” (cường độ chịu kéo giới hạn), “độ bền kéo,” hoặc “độ bền kéo giới hạn,” không chỉ là một khái niệm kỹ thuật mà còn là một độ đo quan trọng trong việc đánh giá chất lượng và tính chất cơ học của vật liệu, đặc biệt trong lĩnh vực ứng dụng kết cấu.

Tensile strength không chỉ là một yếu tố thuần túy trong ngôn ngữ kỹ thuật, mà còn là một tiêu chuẩn quốc tế được tích hợp trong nhiều hệ thống đo lường như ISO 527 và ASTM D638. Việc xác định giới hạn bền kéo đòi hỏi quá trình thử nghiệm mẫu vật liệu bằng cách gây phá vỡ chúng, làm nổi bật sự phản ứng của vật liệu dưới tác động của lực kéo.

Tensile strength không chỉ là một số liệu kỹ thuật, mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển, thiết kế, và sản xuất máy móc và vật liệu. Sự hiện diện của giới hạn bền kéo cao không chỉ là bảo đảm an toàn mà còn là đánh dấu sự mạnh mẽ, độ bền và ổn định vượt trội so với các sản phẩm thông thường, đóng góp vào việc thiết lập những tiêu chuẩn mới và nâng cao chất lượng trong ngành công nghiệp đa dạng.

Công thức:

Ứng suất kéo = F/A

Trong đó:

• F là lực kéo đưa vào mẫu thử (N)

• A là diện tích tiết diện ban đầu của mẫu thử (mm2)

Tensile strength không chỉ là một số liệu kỹ thuật, mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển, thiết kế, và sản xuất máy móc và vật liệu. Sự hiện diện của giới hạn bền kéo cao không chỉ là bảo đảm an toàn mà còn là đánh dấu sự mạnh mẽ, độ bền và ổn định vượt trội so với các sản phẩm thông thường, đóng góp vào việc thiết lập những tiêu chuẩn mới và nâng cao chất lượng trong ngành công nghiệp đa dạng.

Ý nghĩa đặc biệt của tensile strength

Tensile strength có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá khả năng chịu lực kéo của vật liệu. Khi đã hiểu rõ khái niệm này, chúng ta có thể đi sâu vào tìm hiểu ý nghĩa của nó. Dưới đây là một số định nghĩa và khái niệm liên quan:

Chiều dài cữ (Gauge Length – L):

• Chiều dài cữ ban đầu (Original gauge length – Lo): Đây là chiều dài của mẫu thử trước khi đặt lực kéo lên, và được sử dụng để đảm bảo rằng ứng suất kéo không gây phá vỡ mẫu thử.

• Chiều dài cữ lúc cuối (Final gauge length – Lu): Đây là chiều dài cuối cùng của mẫu thử khi nó bị kéo đứt.

• Chiều dài phần song song (Parallel length – Lc): Đây là chiều dài của phần mẫu thử không được gia công và nằm song song với nhau. Khái niệm này có thể thay thế cho khoảng cách giữa hai điểm kẹp mẫu thử trong quá trình thử nghiệm. Việc sử dụng Lc giúp tiện lợi hơn trong quá trình đo lường.

Độ giãn dài của thép khi kéo – Elongation

Ngoài việc quan tâm đến chiều dài cữ, một thông số quan trọng khác cần được lưu ý là độ giãn dài của vật liệu khi bị kéo (Elongation). Độ giãn dài được ký hiệu là Ln và đo lường lượng gia tăng từ chiều dài cữ ban đầu đến bất kỳ thời điểm nào trong quá trình kéo. Độ giãn dài được đo bằng cách đo khoảng cách mà mẫu thử di chuyển từ vị trí ban đầu. Thông thường, nó được đo bằng đơn vị mm hoặc cm. Giá trị độ giãn dài tại vị trí ban đầu được coi là 0 và tất cả các thay đổi về chiều dài của mẫu thử được tính toán từ điểm này.

Độ giãn dài tương đối – Percentage elongation

Là một cách tính toán phần trăm sự dãn dài giữa độ giãn dài và chiều dài cữ ban đầu (Lo). Ký hiệu cho chỉ số này là % dãn dài. Công thức tính cụ thể:

% dãn dài = (Ln/Lo) x 100% (đơn vị đo là mm/mm hoặc %)

Trong khái niệm độ giãn dài tương đối, có 4 kiểu đo được sử dụng:

Độ giãn dài dư tương đối (Percentage permanent elongation): Là chỉ số đo sự tăng chiều dài của mẫu thử sau khi loại bỏ ứng suất so với chiều dài cữ ban đầu. Chỉ số này ít được quan tâm.

Độ giãn dài tương đối sau khi đứt (A) (Percentage elongation after fracture):

Chỉ số đo độ giãn dài của mẫu thử sau khi bị đứt (Lf = Lu – Lo). Được tính theo phần trăm so với chiều dài cữ ban đầu (Lo).

Công thức tính cụ thể là:

% = (Lf/Lo) x 100% (đơn vị đo là mm/mm hoặc %)

Độ giãn dài tương đối sau khi đứt là một thông số quan trọng, cung cấp thông tin về khả năng mất mát độ dài của vật liệu sau khi trải qua quá trình đứt. Chỉ số này thường được sử dụng để đánh giá tính chất đàn hồi và độ dẻo của vật liệu, đặc biệt trong các ứng dụng nơi mà độ co giãn và khả năng chịu đựng tác động lực kéo là yếu tố quan trọng như trong ngành sản xuất vật liệu và kỹ thuật cơ khí.

Độ giãn dài tương đối tổng sau khi đứt (At) (Percentage total elongation at fracture):

Chỉ số này tính tổng độ giãn dài (bao gồm độ giãn dài dẻo và độ giãn dài đàn hồi) sau khi mẫu thử bị đứt. Được tính theo phần trăm so với chiều dài cữ ban đầu (Lo).

Độ giãn dài khi ở lực thử lớn nhất (Agt) (Percentage elongation at maximum force): Là sự gia tăng chiều dài của mẫu thử khi đạt đến lực thử lớn nhất. Nó được tính theo phần trăm so với chiều dài cữ ban đầu (Lo). Chỉ số này thường nằm giữa độ giãn dài tương đối tổng sau khi đứt và không tỷ lệ thuận với lực thử tối đa.

Chiều dài cữ cho máy đo độ giãn (Lo) – Extensometer gauge length

(Lo) Là chiều dài của phần mở rộng đặt trên máy đo độ giãn. Đối với việc đo giới hạn bền đứt và chảy, thông số Le (chiều dài mở rộng) cần thỏa mãn điều kiện Le ≥ Lo/2. Nếu bạn muốn đo các thông số trong quá trình hoặc sau khi thử lực lớn nhất, thì chiều dài mở rộng (Le) sẽ gần bằng chiều dài cữ ban đầu (Lo).

Độ kéo dài – Extension

Đây là lượng tăng thêm trong chiều dài cữ ban đầu (Lo) được xác định tại một thời điểm cụ thể. Có hai loại độ kéo dài đang được sử dụng trong thực tế:

• Độ kéo dài tương đối dư – Percentage permanent extension: Được hiểu là lượng tăng thêm của mẫu thử trong chiều dài cữ sau khi loại bỏ ứng suất quy định. Chỉ số này được tính dựa trên phần trăm của chiều dài mở rộng (Le) từ máy đo độ giãn.

• Độ kéo dài tương đối tại điểm chảy (Ao) – Percentage yield point extension: Đây là chỉ số cho thấy sự kéo dài ở điểm bắt đầu và điểm chuyển từ đàn hồi sang chảy của vật liệu. Chỉ số này cũng được tính dựa trên phần trăm của chiều dài mở rộng từ máy đo độ giãn.

Độ thắt tương đối (Z) – Percentage reduction of area

Độ thắt tương đối (Z), hay còn gọi là “Percentage reduction of area,” là một chỉ số quy định sự biến đổi của diện tích mặt cắt ngang sau khi mẫu thử bị đứt, được tính dựa trên phần trăm giảm của diện tích mặt cắt ban đầu (So). Chỉ số này đo lường sự thay đổi của vật liệu trong khía cạnh bề mặt và diện tích cắt ngang sau khi trải qua quá trình đứt, cung cấp thông tin quan trọng về tính chất cơ học và sự biến đổi của vật liệu trong điều kiện tác động lực kéo và nén.

Lực lớn nhất (Fm) – Maximum force

Lực lớn nhất (Fm), hay còn được gọi là “Maximum force” đại diện cho giá trị lực tối đa mà mẫu thử có thể chịu được trước khi xảy ra hiện tượng đứt. Đối với các vật liệu không có điểm chảy, giá trị này được xác định là lực tối đa đạt được trong quá trình thử nghiệm mẫu.

Lực lớn nhất là một chỉ số quan trọng trong việc đánh giá sức mạnh và khả năng chịu đựng của vật liệu dưới tác động của lực kéo. Nó thường được sử dụng để xác định giới hạn chịu lực của vật liệu và đặt ra những hạn chế cho việc áp dụng lực kéo trong các ứng dụng cụ thể. Chính giá trị Fm cung cấp cái nhìn tổng quan về khả năng chống đứt của vật liệu và có thể ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu, kỹ thuật cơ khí, và sản xuất công nghiệp.

Lực kéo đứt của thép (F) – Force at break

Lực kéo đứt của thép (F), hay còn được gọi là “Force at break,” là giá trị lực được đo tại điểm mẫu thử bị đứt trong quá trình thử nghiệm. Đây là một chỉ số quan trọng đo lường sức mạnh cơ học của vật liệu trong điều kiện tác động lực kéo.

Lực kéo đứt là giá trị lực tối đa mà mẫu thử thép có thể chịu được trước khi xảy ra hiện tượng đứt. Qua quá trình thử nghiệm, khi mẫu thử tiếp tục chịu tác động của lực kéo, giá trị này được ghi lại tại thời điểm mẫu thử bị đứt. Lực kéo đứt không chỉ là một yếu tố quyết định tính chất cơ học của thép mà còn cung cấp thông tin về độ mạnh mẽ và khả năng chịu đựng tải trọng của vật liệu trong điều kiện đặc biệt.

Điều này làm cho lực kéo đứt trở thành một thước đo quan trọng trong việc đánh giá và so sánh hiệu suất cơ học của các loại thép khác nhau, có thể áp dụng rộng rãi trong nghiên cứu vật liệu, sản xuất, và các ngành công nghiệp khác.

Ứng suất – Stress

Ứng suất, được biểu thị bằng từ “Stress,” là kết quả của việc chia lực tác động lên mẫu thử cho diện tích bề mặt cắt ngang ban đầu (So) của mẫu tại một thời điểm cụ thể trong quá trình thử nghiệm. Đơn vị đo của ứng suất là N/m² hoặc Pascal (Pa). Ứng suất là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá cách mà vật liệu đối phó với lực tác động và làm việc trong môi trường ứng lực. Thông qua ứng suất, chúng ta có thể hiểu rõ hơn về tính chất cơ học và ứng xử của vật liệu trong các điều kiện thử nghiệm khác nhau.

Giới hạn chảy của thép – Yield strength

Đây được hiểu là ứng suất của vật liệu kim loại tại điểm chảy, khi vật liệu bắt đầu trải qua biến dạng dẻo mà lực tác động không tăng lên.

Công thức tính giới hạn chảy của thép là Lực tại điểm chảy chia cho diện tích tiết diện của mẫu thử.

Giới hạn chảy của thép có hai loại:

• Giới hạn chảy trên (Reit) – Upper yield strength: Đây là giá trị ứng suất tại điểm mẫu thử bắt đầu giảm đầu tiên khi thử nghiệm.
• Giới hạn chảy dưới (ReL) – Lower yield strength: Đây là giá trị ứng suất nhỏ nhất trong quá trình biến dạng dẻo của vật liệu, mà không tính đến các hiệu ứng chuyển tiếp ban đầu.

Giới hạn dẻo quy ước với độ dài không tỷ lệ (Rp) – Proof strength non-proportional extension

Giới hạn dẻo quy ước với độ dài không tỷ lệ (Rp), hay còn được biết đến là “Proof strength non-proportional extension,” là giá trị ứng suất được đo tại điểm dẻo quy ước, nhưng đo tại một độ dài không tỷ lệ trên máy đo độ giãn (Le). Ký hiệu Rp thường đi kèm với một phần trăm cụ thể đã được quy định, ví dụ như Rp0.4. Điều này chỉ ra rằng giới hạn dẻo quy ước được đo tại độ dài không tỷ lệ 0.4% trên máy đo độ giãn. Đây là một chỉ số quan trọng trong việc đánh giá sự dẻo quy ước của vật liệu, đặc biệt là trong ngành công nghiệp vật liệu và kỹ thuật cơ khí.

Giới hạn dẻo quy ước với độ dài tổng (Rt) – Proof strength total extension

Ta có thể hiểu là chỉ số ứng suất tại điểm kéo dài tổng (bao gồm độ kéo dài đàn hồi và độ kéo dài dẻo) bằng với độ giãn dài theo quy định từ chiều dài cữ tại máy đo độ giãn (Le). Ký hiệu của giới hạn này cũng tương tự giới hạn dẻo quy ước, với độ dài không tỷ lệ được kèm theo phần trăm quy định. Ví dụ: Rt0.2.

Giới hạn độ bền quy ước (R1) – Permanent set strength

Nó cho ta biết ứng suất sau khi loại bỏ lực tác động, độ kéo dài dư hoặc độ giãn dài dư không được vượt quá mức quy định, được tính dựa trên phần trăm của chiều dài cữ ban đầu (Lo) hoặc chiều dài cữ từ máy đo độ giãn dài (Le). Ký hiệu của nó cũng sẽ dựa vào phần trăm đã quy định của chiều dài cữ ban đầu (Lo) hoặc chiều dài cữ từ máy đo độ giãn dài (Le). Ví dụ: R1.02.

Ứng dụng của tensile strength

Tính chất quan trọng của giới hạn bền kéo (tensile strength) mở ra một loạt ứng dụng đa dạng và quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Việc hiểu rõ và áp dụng khái niệm này mang lại nhiều lợi ích to lớn cho cả nghiên cứu cơ bản và ứng dụng thực tế.

Trong quá trình xác định giới hạn bền kéo, các phương pháp thử nghiệm theo các tiêu chuẩn quốc tế như ISO 1184 hoặc ASTM D882 thường được sử dụng. Chẳng hạn, tiêu chuẩn ISO 37 và ASTM đều cung cấp quy trình đo giới hạn bền kéo cho các vật liệu như cao su và các vật liệu đàn hồi.

Tiêu chuẩn ISO 37 là gì? ISO 37 là một tiêu chuẩn quốc tế do Tổ chức Tiêu chuẩn Hóa quốc tế (ISO) ban hành. Tiêu chuẩn này có tiêu đề là “Rubber, vulcanized or thermoplastic — Determination of tensile stress-strain properties.” Bản dịch tiếng Việt có thể hiểu là “Cao su, vulcanized hoặc nhiệt dẻo – Xác định các tính chất căng căng.”

Các tiêu chuẩn này không chỉ xác định quy trình chọn mẫu thử và thực hiện thử nghiệm theo kích thước cố định mà còn đảm bảo sự chính xác và nhất quán. Bằng cách sử dụng các thiết bị đo lực kéo và máy cắt mẫu chuyên dụng, kết quả thu được trở nên đáng tin cậy và có ý nghĩa trong nghiên cứu và sản xuất.

Ngoài giới hạn bền kéo, sự hiểu biết về nhiều giới hạn bền khác là quan trọng để đánh giá toàn diện đặc điểm và tính chất của vật liệu. Trong lĩnh vực khoa học vật liệu và kỹ thuật, việc đo và hiểu giới hạn bền kéo không chỉ hỗ trợ trong nghiên cứu về vật liệu mới mà còn giúp định hình các giải pháp tiên tiến và an toàn để đáp ứng thách thức ngày càng lớn trong tương lai.