Phần 2: Nguyên lý giảm chiều dày kết cấu bằng thép cường lực cao

Giảm chiều dày không đơn giản là thay một tấm thép dày bằng một tấm thép mỏng hơn. Muốn giảm khối lượng mà kết cấu vẫn đáp ứng yêu cầu chịu lực, cần hiểu vật liệu bắt đầu biến dạng dư ở mức ứng suất nào, khả năng biến dạng còn bao nhiêu và có thể tạo được hình tiết diện theo thiết kế hay không.

Ba thông số thường được đặt cạnh nhau là giới hạn chảy, giới hạn bền và độ giãn dài. Mỗi thông số phản ánh một đặc tính khác nhau của vật liệu. Trong bài toán giảm tự trọng, giới hạn chảy là cơ sở quan trọng để đánh giá khả năng chịu lực, còn độ giãn dài và bán kính uốn quyết định phần lớn khả năng đưa vật liệu đó vào chế tạo thực tế.

1. Giới hạn chảy, giới hạn bền và độ giãn dài khác nhau thế nào?

Thông số	Cho biết điều gì	Vai trò trong thiết kế và chế tạo
Giới hạn chảy	Mức ứng suất bắt đầu xuất hiện biến dạng dư	Cơ sở quan trọng khi tính khả năng chịu lực của kết cấu
Giới hạn bền	Mức ứng suất kéo lớn nhất vật liệu đạt được trong phép thử kéo	Đánh giá đặc tính chịu kéo và dự trữ cơ học của vật liệu
Độ giãn dài	Mức biến dạng của mẫu trước khi đứt	Cho biết khả năng biến dạng của vật liệu khi gia công

Ba chỉ số không thể thay thế cho nhau.

Một loại thép có giới hạn bền cao chưa có nghĩa kết cấu có thể làm việc đến mức ứng suất đó. Trước khi đạt giới hạn bền, vật liệu có thể đã vượt giới hạn chảy và xuất hiện biến dạng không hồi lại.

Với kết cấu thùng xe, đây là khác biệt quan trọng.

Một tấm thép có thể chưa nứt hoặc đứt nhưng nếu sàn, thành hoặc dầm đã biến dạng vĩnh viễn thì kết cấu không còn làm việc theo hình dạng thiết kế ban đầu.

Vì vậy, khi đánh giá khả năng giảm chiều dày, giới hạn chảy cần được xem xét trước giới hạn bền.

2. Độ giãn dài cho biết khả năng biến dạng còn lại của vật liệu

Độ giãn dài thường ít được chú ý hơn giới hạn chảy vì không trực tiếp cho biết kết cấu chịu được bao nhiêu tải.

Tuy nhiên, với thép cần uốn hoặc tạo hình, đây là một thông số không nên bỏ qua.

Một trường hợp trong hồ sơ khảo sát của Gia Anh ghi nhận tấm thép đã được uốn thử ba lần mà chưa gãy lìa. Nếu chỉ quan sát bằng mắt, vật liệu vẫn có thể được xem là còn sử dụng được.

Tuy nhiên, việc vật liệu chưa đứt không có nghĩa trạng thái của nó vẫn như ban đầu. Quá trình biến dạng đã sử dụng một phần khả năng biến dạng của vật liệu.

Đây là lý do không nên đánh giá khả năng sử dụng của thép chỉ bằng cách uốn thử nhiều lần rồi quan sát xem vật liệu có gãy hay không.

Đặc biệt khi tăng cấp thép, khả năng biến dạng được công bố có xu hướng giảm.

3. Cấp giới hạn chảy càng cao, độ giãn dài có xu hướng giảm

Với thép cường lực cao perform®, độ giãn dài sẽ thay đổi theo cấp giới hạn chảy.

Cấp giới hạn chảy	Độ giãn dài công bố
300–355 MPa	19–25%
460–500 MPa	12–17%
650–700 MPa	10–12%
1.100 MPa	8%

Nguồn của bảng là bản thông tin sản phẩm thép perform® của thyssenkrupp, với thử kéo theo EN ISO 6892-1.

Bảng cho thấy khi cấp giới hạn chảy tăng, độ giãn dài công bố có xu hướng giảm.

Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến cách nhìn về một cấp thép cao hơn.

Cấp thép cao hơn không chỉ mang lại giới hạn chảy lớn hơn. Nó đồng thời đặt ra yêu cầu chặt chẽ hơn đối với quá trình tạo hình.

Vì vậy, không nên lựa chọn một cấp thép chỉ dựa trên mong muốn giảm chiều dày. Khả năng uốn, bán kính cần đạt và thiết bị hiện có tại xưởng phải được xem xét ngay từ giai đoạn thiết kế.

Lưu ý khi đọc bảng độ giãn dài:

Độ giãn dài có thể được công bố theo những cơ sở đo khác nhau.

Các giá trị sẽ được xác định theo:

chiều dài đo cố định
chiều dài đo tỷ lệ theo tiết diện mẫu

Hai giá trị sử dụng cơ sở đo khác nhau không nên được đặt cạnh nhau rồi kết luận trực tiếp vật liệu nào có độ giãn dài cao hơn.

Khi đưa số liệu vào hồ sơ kỹ thuật, cần ghi rõ phương pháp và cơ sở đo được sử dụng.

4. Chọn nhóm tiêu chuẩn theo cách kết cấu sẽ được chế tạo

Trước khi chọn cấp giới hạn chảy, cần xác định phương pháp chế tạo chính của chi tiết.

Hai nhóm tiêu chuẩn được sử dụng cho những phạm vi khác nhau.

Tiêu chuẩn	Phạm vi	Phù hợp khi xem xét
EN 10025-6	Thép cường lực cao ở trạng thái tôi và ram	Kết cấu sử dụng thép tấm, cần xem xét các yêu cầu về cắt, hàn và chế tạo
EN 10149-2	Thép cán nóng cường lực cao dùng cho tạo hình nguội	Chi tiết có yêu cầu uốn và tạo hình tiết diện

Điểm quan trọng không nằm ở việc tiêu chuẩn nào “cao hơn”, mà ở vật liệu có phù hợp với cách chi tiết sẽ được chế tạo hay không.

Nếu một kết cấu cần tạo nhiều gân, uốn sâu hoặc tạo tiết diện hẹp, khả năng tạo hình phải được đưa vào từ bước lựa chọn vật liệu.

Ngược lại, nếu chi tiết chủ yếu được cắt và hàn, các yêu cầu về trạng thái vật liệu, hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt sẽ cần được xem xét kỹ hơn.

Do đó, thứ tự nên là:

Xác định kết cấu → Xác định cách chế tạo → Chọn nhóm tiêu chuẩn → Chọn cấp giới hạn chảy → Chọn mác thép cụ thể.

5. Chọn cấp thép trước, chọn mác cụ thể sau

Một lỗi dễ gặp là bắt đầu từ một mác thép đang có sẵn rồi cố đưa vật liệu đó vào thiết kế.

Cách làm này khiến nguồn cung có thể vô tình quyết định phương án kết cấu.

Thay vào đó, cần tách thành hai quyết định:

Quyết định kỹ thuật

Bộ phận thiết kế xác định:

yêu cầu chịu lực;
cấp giới hạn chảy;
chiều dày cần xem xét;
độ giãn dài;
khả năng uốn;
điều kiện chế tạo.

Quyết định thương mại

Sau khi cấp kỹ thuật đã được xác định, bộ phận mua sắm lựa chọn mác cụ thể trong phạm vi đáp ứng yêu cầu.

Cách tách này giúp bảo đảm rằng mác vật liệu được chọn để phục vụ thiết kế, thay vì thiết kế bị điều chỉnh chỉ vì một mác đang có sẵn trên thị trường.

6. Không phải mọi giá trị giới hạn chảy đều có cùng mức công bố

Khi một con số được dùng làm cơ sở tính toán hoặc đưa vào hồ sơ kỹ thuật, cần xác định rõ mức công bố.

Một giá trị có thể là:

mức bảo đảm;
trị số điển hình;
giá trị áp dụng cho một dải chiều dày xác định.

Trị số điển hình không nên được sử dụng như một mức bảo đảm bắt buộc.

Vì vậy, trước khi đưa giới hạn chảy vào phương án, cần kiểm tra ít nhất bốn thông tin:

Nội dung cần kiểm tra	Lý do
Mức công bố	Xác định giá trị là mức bảo đảm hay trị số điển hình
Dải chiều dày	Cơ tính có thể thay đổi theo chiều dày
Tiêu chuẩn và điều kiện giao hàng	Xác định đúng phạm vi vật liệu
Phiên bản tài liệu	Tránh sử dụng thông số từ tài liệu đã thay đổi

Theo tài liệu nguồn của perform®, với tấm dày trên 8 mm, giới hạn chảy tối thiểu của hai cấp này giảm 20 MPa:

cấp 650: còn 630 MPa
cấp 700: còn 680 MPa

Vì vậy, không nên lấy tên cấp làm giá trị giới hạn chảy mặc định cho mọi chiều dày.

Khi tính kết cấu, cần sử dụng mức bảo đảm tương ứng với đúng dải chiều dày đang được sử dụng.

7. Bán kính uốn quyết định hình tiết diện có thể chế tạo

Giảm chiều dày thường phải đi cùng việc thay đổi hình học để kiểm soát độ võng và ổn định.

Một trong những phương án là sử dụng tiết diện sâu hơn, tạo gân hoặc uốn thành dạng chữ U.

Nhưng khả năng tạo những hình này phụ thuộc trực tiếp vào bán kính uốn mà vật liệu cho phép.

Theo dữ liệu thử uốn ngang 180° trong tài liệu perform®, bán kính uốn thay đổi rõ khi tăng cấp giới hạn chảy.

Cấp giới hạn chảy	Bán kính uốn trong điều kiện thử được công bố
300–315 MPa	0 lần chiều dày
340–420 MPa	0,5 lần chiều dày
460–500 MPa	1,0 lần chiều dày
550–600 MPa	1,5 lần chiều dày
650–700 MPa	2,0 lần chiều dày
900–960 MPa	8,0 lần chiều dày

Bảng thông tin ở trên là số liệu từ bản thông tin sản phẩm perform®, thử uốn theo ISO 7438.

Các giá trị trong bảng là kết quả theo điều kiện thử được công bố. Không nên sử dụng trực tiếp như bán kính uốn khuyến cáo cho mọi điều kiện gia công thực tế.

Điểm cần rút ra từ bảng là:

Cấp giới hạn chảy càng cao không đồng nghĩa càng thuận lợi để tạo hình.

Một cấp thấp hơn nhưng uốn được với bán kính nhỏ có thể tạo được tiết diện sâu hơn, từ đó tăng độ cứng hình học mà không nhất thiết phải tăng khối lượng.

Đây là một trong những lý do cấp thép phù hợp nhất chưa chắc là cấp cao nhất có thể mua.

8. Hướng cán cũng ảnh hưởng đến khả năng uốn

Bán kính uốn không chỉ phụ thuộc vào cấp thép và chiều dày.

Hướng uốn so với hướng cán cũng cần được xác định.

Uốn theo các hướng khác nhau không mặc định sử dụng cùng một bán kính tối thiểu.

Vì vậy, trong thiết kế chế tạo cần xác định:

hướng cán của tấm;
hướng uốn;
chiều dày thực tế;
bán kính cần đạt;
thông số áp dụng cho đúng mác vật liệu.

Hướng uốn nên được thể hiện trên bản vẽ chế tạo thay vì để xưởng tự lựa chọn theo cách bố trí vật liệu thuận tiện nhất.

9. Ba thông tin cần có trước khi đưa một cấp thép vào phương án

Trước khi xem xét giảm chiều dày bằng thép cường lực cao, cần có tối thiểu ba nhóm thông tin.

Thông tin	Dùng để xác định
Giới hạn chảy	Khả năng chịu ứng suất trước khi xuất hiện biến dạng dư
Độ giãn dài	Khả năng biến dạng của vật liệu
Bán kính uốn	Khả năng tạo hình tiết diện theo thiết kế

Nếu thiếu giới hạn chảy, chưa có cơ sở đầy đủ để đánh giá yêu cầu cường độ.

Nếu thiếu độ giãn dài, chưa thấy được mức độ hạn chế về khả năng biến dạng.

Nếu thiếu bán kính uốn, chưa biết tiết diện trên bản vẽ có thể được chế tạo bằng vật liệu thực tế hay không.

Ba thông tin này cần được đọc cùng nhau, không nên tách riêng từng chỉ số.

10. Tăng giới hạn chảy không giải quyết toàn bộ ảnh hưởng của việc giảm chiều dày

Khi chiều dày giảm, nhiều đại lượng cơ học thay đổi cùng lúc.

Trong mô hình tấm phẳng được trình bày ở bài tổng:

ứng suất tăng
độ võng tăng
khả năng chống oằn giảm

Giới hạn chảy cao hơn có thể hỗ trợ phần cường độ khi ứng suất tăng.

Tuy nhiên, tăng giới hạn chảy không trực tiếp làm tăng độ cứng hình học của một tấm có cùng mô đun đàn hồi và hình dạng.

Do đó, kết cấu vẫn cần được kiểm tra riêng về:

độ võng
ổn định cục bộ
bố trí gân
hình tiết diện
tải động và mỏi

Đây chính là bước chuyển từ bài toán vật liệu sang bài toán kết cấu.

Nội dung này được phân tích chi tiết trong Phần 3: Ba giới hạn kỹ thuật khi giảm chiều dày – Độ võng, ổn định cục bộ và mỏi.

11. Những thông tin có thể kiểm tra tại xưởng

Không phải mọi chỉ tiêu cơ tính đều có thể xác định trực tiếp tại xưởng.

Nội dung	Có thể kiểm tra tại xưởng	Cơ sở sử dụng
Chiều dày tấm	Có	Đo trực tiếp tại các vị trí phù hợp
Bán kính uốn thực tế	Có	Đo và đối chiếu với yêu cầu áp dụng
Giới hạn chảy	Không xác định trực tiếp bằng đo kích thước thông thường	Chứng chỉ hoặc phép thử phù hợp
Độ giãn dài	Không xác định trực tiếp tại xưởng bằng quan sát	Chứng chỉ hoặc kết quả thử kéo

Không nên suy ra giới hạn chảy hoặc độ giãn dài từ:

cảm giác khi gõ vào tấm
quan sát chiều dày
uốn thử bằng tay
việc vật liệu chưa gãy sau một vài lần nắn

Những cách quan sát này không thay thế được kết quả thử cơ tính.

12. Trách nhiệm của các bộ phận

Nội dung công việc	Người hoặc bộ phận phụ trách
Xác định yêu cầu chịu lực của kết cấu	Bộ phận thiết kế
Chọn nhóm tiêu chuẩn phù hợp với phương pháp chế tạo	Bộ phận thiết kế phối hợp với xưởng
Chọn cấp giới hạn chảy	Bộ phận thiết kế
Kiểm tra mức công bố của cơ tính	Phòng chất lượng
Xác nhận khả năng uốn theo bán kính yêu cầu	Xưởng gia công
Xác định hướng uốn trên bản vẽ	Bộ phận thiết kế
Chọn mác cụ thể trong phạm vi yêu cầu kỹ thuật	Bộ phận mua sắm theo yêu cầu đã được phê duyệt

Xưởng cần tham gia từ giai đoạn lựa chọn phương án, đặc biệt khi thiết kế phụ thuộc nhiều vào khả năng tạo hình.

Một cấp thép phù hợp về tính toán nhưng không thể tạo được tiết diện theo thiết kế sẽ làm phương án khó triển khai trong thực tế.

13. Lưu ý khi áp dụng kiến thức

Một, các giá trị cơ tính cụ thể cần lấy từ đúng bản thông số của mác thép và phiên bản tài liệu đang áp dụng. Không sử dụng một giá trị chung cho toàn bộ nhóm thép cường lực cao.

Hai, độ giãn dài chỉ nên được so sánh khi cùng cơ sở thử. Nếu chiều dài đo khác nhau, các giá trị không nên được đặt cạnh nhau để kết luận trực tiếp.

Ba, bán kính trong phép thử uốn không mặc định là bán kính khuyến cáo cho sản xuất. Khi gia công cần đối chiếu đúng hướng dẫn của nhà sản xuất, chiều dày, hướng cán và thiết bị thực tế.

Bốn, giới hạn chảy được dùng để xem xét yêu cầu cường độ nhưng không tự giải quyết độ võng và ổn định khi chiều dày giảm. Các nội dung này cần được tính riêng theo hình học kết cấu.

Năm, tăng cấp thép có thể làm thay đổi khả năng tạo hình. Vì vậy, lựa chọn cấp vật liệu cần được xem cùng bán kính uốn và hình tiết diện cần chế tạo.

Sáu, nội dung bài viết xác định các thông số cần đọc và trình tự lựa chọn vật liệu, không thay thế bản tính kết cấu cho một mẫu xe cụ thể.

Một phương án giảm chiều dày chỉ khả thi khi cấp thép đáp ứng đồng thời hai phía: đủ cơ sở về cường độ cho thiết kế và đủ khả năng tạo hình cho xưởng chế tạo. Chọn cấp quá thấp có thể không đạt yêu cầu chịu lực, nhưng chọn cấp quá cao trong khi không tạo được tiết diện cần thiết cũng không mang lại lợi thế cho kết cấu. Vì vậy, cấp thép phù hợp là cấp đáp ứng được cả tính toán và phương án chế tạo đã chọn.