Giới hạn chảy của thép là mức ứng suất mà tại đó thép bắt đầu biến dạng dẻo, tức bị giãn ra vĩnh viễn, không trở lại hình dạng ban đầu khi bỏ lực. Đây là chỉ tiêu quan trọng nhất để chọn thép cho kết cấu: thép CB400-V có giới hạn chảy tối thiểu 400 MPa, thép tấm SS400 khoảng 245 MPa, thép Q355 khoảng 355 MPa. Bài viết giải thích giới hạn chảy, giới hạn bền (cường độ chịu kéo), độ giãn dài, cách đọc các con số này trên biểu đồ thử kéo và chứng chỉ chất lượng, kèm bảng giá trị của các mác thép thông dụng.
Giới hạn chảy của thép là gì?
Khi kéo một mẫu thép, lúc đầu thép giãn ra tỷ lệ thuận với lực và co lại hoàn toàn khi bỏ lực. Đây là vùng đàn hồi. Đến một mức ứng suất nhất định, thép đột ngột giãn dài thêm trong khi lực gần như không tăng: thép đã “chảy”. Ứng suất tại thời điểm này là giới hạn chảy. Vượt qua giới hạn chảy, thép bị biến dạng dư, cấu kiện bị võng hoặc giãn vĩnh viễn dù chưa đứt.
Ký hiệu thường gặp trong tiêu chuẩn và chứng chỉ:
- ReH: giới hạn chảy trên, ứng suất tại đỉnh đầu tiên khi bắt đầu chảy. Các tiêu chuẩn thép xây dựng thường lấy giá trị này.
- ReL: giới hạn chảy dưới, mức ứng suất thấp nhất trên thềm chảy.
- Rp0,2: giới hạn chảy quy ước, dùng cho thép không có thềm chảy rõ (thép cường độ cao, inox), là ứng suất gây ra biến dạng dư 0,2%.
- Trên chứng chỉ tiếng Anh thường ghi YS (yield strength).
Giới hạn bền, cường độ chịu kéo và độ giãn dài
| Chỉ tiêu | Ký hiệu | Ý nghĩa |
|---|---|---|
| Giới hạn chảy | ReH, Rp0,2 (YS) | Ứng suất bắt đầu biến dạng dẻo. Căn cứ chính để thiết kế |
| Giới hạn bền kéo | Rm (TS) | Ứng suất lớn nhất thép chịu được trước khi đứt, bằng lực lớn nhất chia diện tích ban đầu |
| Độ giãn dài sau đứt | A (EL) | Phần trăm chiều dài mẫu tăng thêm khi đứt. Càng lớn thép càng dẻo |
| Độ giãn dài tổng ở lực lớn nhất | Agt | Khả năng biến dạng đều trước khi thắt cổ. Quan trọng với thép cốt bê tông chịu động đất |
Trong giao tiếp, “cường độ chịu kéo” thường được dùng với nghĩa giới hạn bền kéo Rm. Cần phân biệt với cường độ tính toán trong thiết kế kết cấu: đó là giá trị đã chia hệ số an toàn từ giới hạn chảy, nhỏ hơn giới hạn chảy ghi trong tiêu chuẩn sản phẩm.
Đọc giới hạn chảy trên biểu đồ thử kéo
Mẫu thép được kéo trên máy thử theo tiêu chuẩn thử kéo kim loại ISO 6892-1 (TCVN 197-1). Máy ghi lại lực và độ giãn để vẽ biểu đồ ứng suất – biến dạng gồm các giai đoạn:
- Đàn hồi: đường thẳng, độ dốc là mô đun đàn hồi (với thép khoảng 200.000 MPa).
- Chảy: đỉnh chảy rồi thềm gần nằm ngang. Thép cacbon thấp thể hiện rõ, thép cường độ cao gần như không có thềm.
- Củng cố: thép cứng dần, ứng suất tăng đến giới hạn bền Rm.
- Thắt cổ và đứt: mẫu thắt lại tại một vị trí rồi đứt. Đo chiều dài sau đứt để tính độ giãn dài A.
Đơn vị thường dùng là MPa, bằng N/mm². Đổi sang đơn vị cũ: 1 kgf/cm² xấp xỉ 0,0981 MPa, nên 400 MPa tương đương khoảng 4.079 kgf/cm².
Giới hạn chảy của thép cốt bê tông
| Mác thép | Tiêu chuẩn | Giới hạn chảy tối thiểu (MPa) | Giới hạn bền tối thiểu (MPa) | Độ giãn dài A tối thiểu |
|---|---|---|---|---|
| CB240-T | TCVN 1651-1:2018 | 240 | 380 | 20% |
| CB300-T | TCVN 1651-1:2018 | 300 | 440 | 16% |
| CB300-V | TCVN 1651-2:2018 | 300 | 450 | 16% |
| CB400-V | TCVN 1651-2:2018 | 400 | 570 | 14% |
| CB500-V | TCVN 1651-2:2018 | 500 | 650 | 14% |
| CB600-V | TCVN 1651-2:2018 | 600 | 710 | 10% |
| SD295 | JIS G3112 | 295 | 440 đến 600 | Theo cỡ thanh |
| SD390 | JIS G3112 | 390 đến 510 | 560 | Theo cỡ thanh |
| SD490 | JIS G3112 | 490 đến 625 | 620 | Theo cỡ thanh |
| Grade 40 | ASTM A615 | 280 | 420 | Theo cỡ thanh |
| Grade 60 | ASTM A615 | 420 | 620 | Theo cỡ thanh |
Con số trong tên mác TCVN chính là giới hạn chảy tối thiểu: CB400-V nghĩa là thép thanh vằn có giới hạn chảy từ 400 MPa. Ý nghĩa đầy đủ của ký hiệu, thành phần hóa học và khả năng hàn của từng mác có trong bài ký hiệu CB300-V, CB400-V và cách chọn mác. Nhiều nhà máy đạt cường độ cao bằng cách làm nguội nhanh thanh thép ngay sau khi cán, nguyên lý giống quá trình tôi thép để tăng độ bền.
Giới hạn chảy của thép kết cấu (tấm, hình)
Giá trị cho chiều dày đến 16 mm. Thép càng dày, giới hạn chảy quy định càng giảm.
| Mác thép | Tiêu chuẩn | Giới hạn chảy tối thiểu (MPa) | Giới hạn bền kéo (MPa) |
|---|---|---|---|
| CT3 | GOST (Nga) | Khoảng 235 đến 255 | Khoảng 370 đến 490 |
| XCT38 | TCVN 5709:2009 | 240 | Từ 380 |
| Q235B | GB/T 700 | 235 | 370 đến 500 |
| S235JR | EN 10025-2 | 235 | 360 đến 510 |
| SS400 | JIS G3101 | 245 | 400 đến 510 |
| A36 | ASTM A36 | 250 | 400 đến 550 |
| SM490A | JIS G3106 | 325 | 490 đến 610 |
| A572 Grade 50 | ASTM A572 | 345 | Từ 450 |
| Q355B | GB/T 1591 | 355 | 470 đến 630 |
| S355JR | EN 10025-2 | 355 | 470 đến 630 |
Với SS400, giới hạn chảy giảm từ 245 MPa (đến 16 mm) xuống 205 MPa (trên 100 mm). Bảng đầy đủ theo chiều dày có trong bài cơ tính thép SS400 theo chiều dày. Mác cường độ cao Q355 và các cấp thử va đập B, C, D được trình bày trong bài thép kết cấu Q355 thay Q345. Nguồn gốc và cách đọc ký hiệu CT3 xem bài mác thép CT3 của Nga.
Giới hạn chảy của inox
Inox austenit không có thềm chảy rõ nên dùng giới hạn chảy quy ước Rp0,2. Theo ASTM A240, inox 304 và 316 có Rp0,2 tối thiểu 205 MPa, giới hạn bền tối thiểu 515 MPa và độ giãn dài rất lớn (từ 40%). Nghĩa là inox bắt đầu biến dạng dẻo sớm hơn thép SS400 nhưng dẻo dai và chịu kéo đứt tốt hơn.
Những yếu tố ảnh hưởng đến giới hạn chảy
- Thành phần hóa học: cacbon, mangan và các nguyên tố vi hợp kim (niobi, vanadi, titan) làm tăng giới hạn chảy nhưng có thể giảm độ dẻo và khả năng hàn.
- Công nghệ cán và nhiệt luyện: làm nguội nhanh sau cán, cán kiểm soát nhiệt độ giúp hạt thép mịn, tăng cường độ.
- Chiều dày: tấm và thép hình càng dày, hạt càng thô, giới hạn chảy quy định càng thấp.
- Biến dạng nguội: kéo nguội, cán nguội làm tăng giới hạn chảy nhưng giảm độ dẻo.
- Nhiệt độ: thép mất cường độ nhanh khi bị nung nóng, khoảng 600 °C chỉ còn chừng một nửa. Xem thêm ứng xử của thép ở nhiệt độ cao.
Vì sao thiết kế dựa vào giới hạn chảy chứ không phải giới hạn bền?
Khi ứng suất vượt giới hạn chảy, cấu kiện biến dạng vĩnh viễn: dầm võng, cột cong, bê tông bao quanh cốt thép bị nứt rộng. Công trình coi như đã hư hỏng dù thép chưa đứt. Vì vậy kỹ sư lấy giới hạn chảy làm mốc, chia thêm hệ số an toàn để ra cường độ tính toán. Khoảng cách từ giới hạn chảy đến giới hạn bền là “dự trữ dẻo”: thép báo hiệu bằng biến dạng lớn trước khi phá hoại, thay vì gãy giòn đột ngột. Các tiêu chuẩn thép cốt bê tông đều quy định độ giãn dài và tỷ số giữa giới hạn bền và giới hạn chảy để bảo đảm khả năng này.
Kiểm tra giới hạn chảy khi mua thép
Mỗi lô thép có chứng chỉ của nhà máy ghi kết quả thử kéo: giới hạn chảy (YS), giới hạn bền (TS), độ giãn dài (EL) và thử uốn. Hãy đối chiếu từng giá trị với mức tối thiểu của mác thép trong hợp đồng, và đối chiếu số mẻ nấu trên chứng chỉ với tem bó. Cách đọc bộ chứng từ này được hướng dẫn trong bài đọc kết quả thử kéo trên chứng chỉ CO CQ. Với công trình quan trọng, chủ đầu tư thường lấy mẫu thử lại tại phòng thí nghiệm độc lập.
Giá trị dùng trong thiết kế bê tông cốt thép là cường độ tính toán. Xem bài cường độ tính toán Rs theo TCVN 5574:2018.
Thép có giới hạn chảy cao hơn đáng kể thép kết cấu thông thường, thường từ khoảng 345 MPa, được xếp vào nhóm thép cường độ cao. Xem bài thép cường độ cao và các mác thông dụng.
Câu hỏi thường gặp
Giới hạn chảy của thép CB400 là bao nhiêu?
Tối thiểu 400 MPa theo TCVN 1651-2:2018, giới hạn bền tối thiểu 570 MPa.
Giới hạn chảy của thép CB500 là bao nhiêu?
Tối thiểu 500 MPa, giới hạn bền tối thiểu 650 MPa.
Giới hạn chảy của thép CT3 là bao nhiêu?
Khoảng 235 đến 255 MPa tùy chiều dày và cấp khử ô xy, giới hạn bền khoảng 370 đến 490 MPa.
Giới hạn bền và giới hạn chảy khác nhau thế nào?
Giới hạn chảy là lúc thép bắt đầu biến dạng vĩnh viễn. Giới hạn bền là ứng suất lớn nhất trước khi đứt. Giới hạn bền luôn lớn hơn giới hạn chảy.
Mô đun đàn hồi của thép là bao nhiêu?
Khoảng 200.000 MPa (200 GPa) với thép cacbon. Giá trị dùng trong thiết kế lấy theo tiêu chuẩn thiết kế áp dụng.
Kết luận
Giới hạn chảy cho biết thép chịu được bao nhiêu trước khi biến dạng vĩnh viễn, giới hạn bền cho biết mức chịu tối đa trước khi đứt, còn độ giãn dài thể hiện độ dẻo. Ba con số này quyết định mác thép phù hợp cho từng kết cấu và là thứ cần kiểm tra trên chứng chỉ mỗi lô hàng. Cần báo giá thép đúng mác theo thiết kế, hãy liên hệ Giá Thép Hôm Nay.