Ý nghĩa đặc biệt của tensile strength

Ý nghĩa của tensile strength rất quan trọng, vì nó cung cấp thông tin về độ bền của vật liệu trong quá trình chịu lực căng. Điều này giúp kỹ sư và nhà thiết kế đánh giá tính đáng tin cậy và an toàn của các cấu trúc; linh kiện hoặc vật liệu được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau như:  xây dựng, ô tô, hàng không, điện tử và nhiều lĩnh vực khác.

Qua bài viết tổng hợp dưới đây, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu sâu hơn về tensile strength. Từ định nghĩa và ý nghĩa của nó đến ứng dụng và cách đo lường… Gúp bạn có cái nhìn tổng quan về khía cạnh quan trọng này của vật liệu.

Tensile strength là gì?

Tensile Strength còn được gọi là “giới hạn bền kéo”. Hay còn được gọi là ultimate tensile strength/cường độ chịu kéo giới hạn/ độ bền kéo hoặc độ bền kéo giới hạn. 

Đây là thuật ngữ tiếng Anh để chỉ mức độ khả năng chống lại sự phá vỡ dưới tác động của ứng suất kéo. Là một trong những đặc tính quan trọng nhất của vật liệu được sử dụng trong các ứng dụng kết cấu.

Ngày nay, tensile strength đã được tích hợp vào nhiều hệ thống tiêu chuẩn quốc tế như:  ISO 527 và ASTM D638. Để xác định giới hạn bền kéo, ta cần tiến hành đo các mẫu thử bằng cách gây phá vỡ mẫu thử. Quá trình này giúp sản xuất và thiết kế các máy móc với độ chính xác cao hơn.

Công thức tính ứng suất kéo là 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 đã tồn tại từ lâu và được xem như một tiêu chuẩn để các chuyên gia phát triển; thiết kế và sản xuất máy móc và vật liệu với độ chính xác cao hơn. Sản phẩm nào có giới hạn bền kéo cao hơn so với những loại thông thường sẽ có độ bền cao hơn.

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 là một chỉ số quan trọng trong việc đánh giá tính linh hoạt của vật liệu. Nó cho biết mức độ mà vật liệu có thể chịu kéo mà không gây phá vỡ hoặc bị hỏng. Độ giãn dài càng cao, vật liệu càng có khả năng chịu biến dạng mà không bị đứt hoặc déo gãy.

Để xác định độ giãn dài, ta thường quan sát và đo lường sự thay đổi trong chiều dài của mẫu thử trong suốt quá trình thử nghiệm. Thông tin về độ giãn dài cung cấp thông tin quan trọng về tính chất và hiệu suất của vật liệu trong ứng dụng thực tế.

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 %). Đây là một chỉ số rất quan trọng và thường được sử dụng.

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.

>>> Bạn có thể xem thêm: Cách kiểm tra cảm biến áp suất

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

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

Là chỉ số cho biết sự thay đổi diện tích mặt cắt ngang sau khi mẫu thử bị đứt, được tính dựa trên phần trăm của diện tích mặt cắt ban đầu (So).

Lực lớn nhất (Fm) – Maximum force

Là giá trị lực tối đa mà mẫu thử chịu được trước khi đứt. Đối với các vật liệu không có điểm chảy, giá trị này được xác định là lực tối đa thử nghiệm trên mẫu.

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

Được biết đến là giá trị lực được đo tại điểm mẫu thử bị đứt.

Ứng suất – 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 thử tại một thời điểm cụ thể trong quá trình thử nghiệm.

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

Có thể hiểu là giá trị ứng suất tại điểm dẻo quy ước, được đo tại một độ dài không tỷ lệ trên máy đo độ giãn (Le). Ký hiệu Rp thường được kết hợp với phần trăm đã quy định, ví dụ như Rp0.4.

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.

>>> Tham khảo thêm bài viết: Cách kiểm tra CO – CQ thật hay giả 

Ứng dụng của tensile strength

Ứng dụng của giới hạn bền kéo (tensile strength) là rất đa dạng và quan trọng trong các lĩnh vực khác nhau. Qua bài viết trên, hy vọng sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về khái niệm này.

Để xác định giới hạn bền kéo, có thể áp dụng các phương pháp dựa trên các tiêu chuẩn ISO 1184 hoặc ASTM D882. Ví dụ, tiêu chuẩn ISO 37 hoặc tiêu chuẩn ASTM cho phép xác định giới hạn bền kéo cho các vật liệu như cao su và các vật liệu có tính đàn hồi cao.

Các tiêu chuẩn ASTM và ISO đều quy định việc lựa chọn mẫu thử và thực hiện thử nghiệm theo kích thước cố định. Điều này đảm bảo tính nhất quán và chính xác trong việc sử dụng các thiết bị đo lực kéo và máy cắt mẫu chuyên dụng.

Ngoài giới hạn bền kéo, còn có nhiều giới hạn bền khác mà bạn cần biết để hiểu thêm về tính chất và đặc điểm của các vật liệu khác nhau.

Có thể nói tensile strength hay còn gọi là giới hạn bền kéo đóng vai trò quan trọng trong khoa học và kỹ thuật vật liệu. Việc đo và hiểu giới hạn bền kéo cho phép ta đánh giá và so sánh các tính chất cơ học của các vật liệu khác nhau. Từ đó, mở ra cơ hội để tạo ra những giải pháp an toàn, hiệu quả và tiên tiến về công nghệ để đáp ứng thách thức của tương lai.