SỰ LÀM VIỆC CỦA THÉP KHI CHỊU TẢI TRỌNG

 2.3.1. Dạng phá hoại của kết cấu thép
Sự phá hoại kết cấu thép phụ thuộc vào mức độ phát triển biến dạng dẻo, có hai hình thức phá hoại dẻo và phá hoại giòn.
- Phá hoại giòn (hình 2.14a) là sự phá hoại ở biến dạng nhỏ, kèm theo vết nứt, vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi. Sự phá hoại xảy ra là do bị đứt, lực tương tác giữa các phân tử bị mất đi, các phân tử bị xa rời nhau.
- Phá hoại dẻo (hình 2.14b) là sự phá hoại với biến dạng lớn, vật liệu làm việc trong giai đoạn dẻo, xảy ra do sự trượt giữa các phân tử (hạt tinh thể) khi mà ngoại lực lớn hơn lực chống trượt giữa các phân tử.

Vật liệu thép có thể phá hoại theo giòn hoặc dẻo phụ thuộc điều kiện làm việc khác nhau (trạng thái ứng suất, chịu ứng suất cục bộ, nhiệt độ môi trường).
Các mối liên kết nguyên tử bị phá hoại khi kéo đứt. Biết lực liên kết giữa các nguyên tử, có thể xác định độ bền kéo đứt của tinh thể. Độ bền kéo đứt tinh thể thép theo lý thuyết vào khoảng 3300kN/cm2, còn lực chống trượt giữa các phân tử trong mạng tinh thể (1300kN/cm2) là nhỏ hơn, nên về lý thuyết chỉ có phá hoại dẻo đối với thép.
Chỉ trong phòng thí nghiệm thép có thể đạt tới độ bền 400kN/cm2, nhưng thực tế thép có độ bền không quá 100kN/cm2. Sự khác nhau giữa lý thuyết và thực tế được giải thích do khuyết tật tinh thể thép. Phân ra bốn dạng khuyết tật: điểm (tinh thể) (hình 2.15); đường (hình 2.16); mặt, khối.

HÌNH ẢNH MINH HỌA

2.3.2. Sự làm việc của thép khi chịu kéo
Sự làm việc của thép theo trạng thái ứng suất một trục, đặc trưng cho sự chịu lực của thép dưới tải trọng có thể nghiên cứu bằng thí nghiệm kéo mẫu thép.
Kéo một mẫu thép (vuông hoặc tròn – gia công theo [24]) mác CT38 bằng tải trọng tĩnh tăng dần, vẽ đồ thị quan hệ giữa ứng suất  và biến dạng tỉ đối , ta được biểu đồ kéo của thép như trên hình 2.17. Trục tung biểu thị ứng suất  = P/A, kN/cm2. Trục hoành biểu thị biến dạng tỉ đối  =  l/l, %, trong đó A, l là tiết diện và
chiều dài ban đầu của mẫu ( l  5,65 ),  l là độ dãn dài ứng với từng cấp tải trọng.
Trong thời gian thí nghiệm mẫu xem xét bốn giai đoạn sau:
Giai đoạn 1: tương ứng với ứng suất từ 0 đến khoảng 2000daN/cm2, là một đường thẳng. Trong giai đoạn này, ứng suất và biến dạng có quan hệ tuyến tính, biến dạng đàn hồi do sai lệch mạng tinh thể sẽ mất khi dỡ tải, vật liệu làm việc tuân theo định luật Hook:  = E, trong đó môđun đàn hồi E là hệ số góc của đường thẳng OA. Đối với thép cacbon thông thường, E = 2,06.106 daN/cm2. Giai đoạn này gọi là giai đoạn tỉ lệ ; ứng suất tương ứng gọi là giới hạn tỉ lệ tl.
Giai đoạn 2: Tiếp tục tăng tải, xuất hiện sự tách rời của các hạt ferrit, đường thẳng hơi cong đi, không còn giai đoạn tỉ lệ nữa, nhưng thép vẫn làm việc đàn hồi, nghĩa là biến dạng sẽ hoàn toàn mất đi khi không còn tải trọng. Ứng suất tương ứng với điểm A’ gọi là giới hạn đàn hồi đh (ứng với biến dạng dư tương đối khoảng 0.05%), là giới hạn của vùng làm việc đàn hồi của thép. Thực tế, đh khác rất ít với
tl, nên nhiều khi người ta đồng nhất hai giai đoạn làm việc này. Khi đường ứng suất cong rõ rệt. Thép không còn làm việc đàn hồi nữa; môđun đàn hồi E giảm dần đến

bằng 0 với ứng suất khoảng 2400daN/cm2. Giai đoạn này gọi là giai đoạn đàn hồi dẻo.

Giai đoạn 3: Biểu đồ gần như nằm ngang, ứng với biến dạng từ  = 1,5% ... 2,5% được gọi là thềm chảy, ứng suất trong giai đoạn chảy dẻo gọi là giới hạn chảy
c, gọi là giai đoạn chảy dẻo. Biến dạng vẫn tăng trong khi ứng suất không đổi. Nếu dỡ tải thời điểm này, đường giảm tải sẽ song song với đường gia tải đàn hồi, thép có biến dạng dư.
Giai đoạn 4, quá giai đoạn chảy ( > 2,5% đối với CT38), thép không chảy nữa và lại có thể chịu được lực. Thép như được gia cường, nên giai đoạn này gọi là giai đoạn củng cố. Quan hệ ứng suất – biến dạng là một đường cong thoải, biến dạng tăng nhanh theo kiểu biến dạng dẻo. Mẫu thép bị thắt eo, tiết diện thu nhỏ và bị kéo đứt ứng với ứng suất khoảng 4000 daN/cm2 đối với CT38. ứng suất này gọi là giới hạn bền. Biến dạng lúc kéo đứt rất lớn, o = 20% ... 25%.
Thấy rằng, hiện tượng thềm chảy chỉ có ở thép có hàm lượng cacbon từ 0,1 đến 0,3%. Nếu ít cacbon, các mạng peclit không đủ để giữ các hạt ferrit bị trượt. Nếu nhiều cacbon, mạng peclit nhiều và dày sẽ luôn luôn ngăn cản không cho các hạt ferrit trượt. Biểu đồ  –  của thép cacbon cao (hình 2.17,c) hầu như không có thềm chảy: sau giai đoạn đàn hồi, đường cong chuyển ngay sang giai đoạn củng cố. Ở các

loại thép này, giới hạn chảy được qui ước lấy ứng với biến dạng dư là  = 0,2% ký hiệu là 02.
Từ biểu đồ kéo của thép cho ta các đặc trưng cơ học chủ yếu của thép, được qui định trong tiêu chuẩn đối với mỗi mác thép: giới hạn tỉ lệ tl, giới hạn chảy c, giới hạn bền b, biến dạng khi đứt o và môđun đàn hồi E.
Giới hạn chảy c - quan trọng nhất, đó là ứng suất lớn nhất có thể có trong vật liệu, không được phép vượt qua (ứng với  = 0,2%).
Tùy thuộc trị số của , có thể áp dụng các lí thuyết tính toán:
+ khi   tl : dùng lí thuyết đàn hồi, với E = const;
+ khi tl <  < c : dùng lý thuyết đàn hồi dẻo, với E  const;
+ khi  = c : dùng lí thuyết dẻo – xem xét sự làm việc của vật liệu trong vùng chảy dẻo, với trị số giới hạn của ứng suất là c. Vật liệu thép được tận dụng cao nhất.
Giới hạn bền b, còn gọi là cường độ tức thời của thép, xác định một khoảng dự trữ giữa trạng thái làm việc và trạng thái phá hoại. Đối với thép không có giới hạn chảy thì b là trị số giới hạn cho ứng suất làm việc, tuy nhiên là được chia cho một hệ số an toàn tương ứng. Ngay với thép cacbon thấp, có thềm chảy, khi mà kết cấu được phép có biến dạng lớn, có thể lấy ứng suất làm việc vượt quá c và bằng giới hạn bền b chia cho một hệ số an toàn nhất định.
Biến dạng khi đứt o, đặc trưng cho độ dẻo và độ dai của thép. Đối với thép cacbon thấp, o rất lớn, tới 200 lần biến dạng khi làm việc đàn hồi. Kết cấu thép có một lượng dự trữ an toàn lớn như vậy nên có thể nói kết cấu thép không bao giờ bị phá hoại ở trạng thái dẻo, chỉ có thể có phá hoại khi thép đã chuyển thành giòn.
Ngoài ra, còn có thể đánh giá một số chỉ tiêu của thép qua các tỷ số c/b và
tl/c . Tỷ số c/b đặc trưng cho độ bền giới hạn của thép, vì vậy khi tính toán, ứng suất trong các cấu kiện kết cấu thép không được vượt quá giới hạn chảy. Đối với thép cường độ thường và khá cao tỷ số này xấp xỉ 0,6, có độ dự trữ vừa đủ cho sự làm việc của vật liệu và cho phép sử dụng trong giới hạn dẻo của thép. Với thép cường độ cao tỷ số 02/b là 0,8 ... 0,9, là giới hạn sử dụng trong giai đoạn đàn hồi dẻo của thép.
Khi kết cấu làm việc trong vùng đàn 
hồi dẻo, biểu đồ  –  của thép có thể đơn c
giản hóa bằng sơ đồ Prandtl – đàn hồi dẻo lý tưởng (hình 2.18), vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi, sau đó là đạt giới hạn chảy
hoàn toàn. Hình 2.18. Giản đồ Prandtl
Sự làm việc chịu nén của thép không khác sự làm việc chịu kéo: cùng môđun
đàn hồi, cùng giới hạn tỉ lệ, giới hạn đàn hồi và giới hạn chảy. Chỉ có trong giai đoạn

củng cố thì không xác định được b ở thép cacbon thấp, mẫu thép bị phình ra và tiếp tục chịu được tải lớn. Do đó, trong giai đoạn làm việc đàn hồi và đàn hồi dẻo, các đặc trưng cơ học tính toán của thép chịu kéo và chịu nén lấy giống nhau.

• TRÌNH BÀY
• CÔNG TY CỔ PHẦN TƯ VẤN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG TRUNG LÂM
• Địa chỉ: 25 Đường Số 8 - Phường Long Trường - TP. Thủ Đức - TP HCM
• Điện thoại: 0913 3991299 Email: nhatheptrunglam@gmail.com
• Website: trunglam.vn ; trunglamdecor.com.vn