Ứng suất nhiệt là gì?
Khi bị nung nóng hay làm lạnh, vật liệu luôn có xu hướng giãn ra hoặc co lại. Nếu chuyển động đó bị chặn lại — chẳng hạn một dầm thép được gắn cứng giữa hai bức tường — thì thay vì biến dạng tự do, ứng suất sẽ tích tụ bên trong vật liệu. Ứng suất nhiệt này có thể đủ lớn để làm cong vênh đường ray, nứt bê tông hoặc phá hỏng các mối nối đường ống. Công cụ này ước tính ứng suất sinh ra trong một cấu kiện bị ràng buộc hoàn toàn dựa trên ba thông số đầu vào.
Cách sử dụng
Nhập mô đun Young (E) của vật liệu theo đơn vị gigapascal (GPa), hệ số giãn nở nhiệt theo chiều dài (α) theo đơn vị ×10⁻⁶ trên mỗi °C, và độ chênh nhiệt độ (ΔT) theo °C. Công cụ sẽ trả về ứng suất tương ứng tính bằng megapascal (MPa). Với một cấu kiện bị giữ chặt, ΔT dương (nung nóng) tạo ra ứng suất nén; còn làm lạnh tạo ra ứng suất kéo. Độ lớn là như nhau bất kể dấu âm hay dương.
Giải thích công thức
Phương trình cơ bản là $$\sigma = E \cdot \alpha \cdot \Delta T$$ Biến dạng nhiệt tự do được tính bằng \(\varepsilon = \alpha \cdot \Delta T\). Khi bị ràng buộc hoàn toàn, toàn bộ biến dạng này chuyển hóa thành ứng suất theo định luật Hooke \(\sigma = E \cdot \varepsilon\), dẫn tới \(\sigma = E \cdot \alpha \cdot \Delta T\). Máy tính sẽ đổi E từ GPa sang MPa (×1000) và α từ ×10⁻⁶ về đơn vị cơ bản trước khi nhân, nhờ đó kết quả cuối cùng nằm ở đơn vị MPa.
Ví dụ minh họa
Với thép kết cấu: \(E = 200 \text{ GPa}\), \(\alpha = 12 \times 10^{-6} \text{ /°C}\), \(\Delta T = 50 \text{ °C}\). Khi đó $$\sigma = 200\,000 \text{ MPa} \times 0{,}000012 \times 50 = 120 \text{ MPa}$$ Một thanh thép bị giữ cố định hoàn toàn khi chịu thay đổi nhiệt độ 50 °C sẽ sinh ra khoảng 120 MPa — một tỷ lệ đáng kể so với giới hạn chảy thường gặp, và đó chính là lý do tại sao người ta phải bố trí các khe co giãn.
Câu hỏi thường gặp
Chiều dài có ảnh hưởng không? Không. Với một cấu kiện bị ràng buộc hoàn toàn, ứng suất chỉ phụ thuộc vào E, α và ΔT — chiều dài bị triệt tiêu trong phép tính. Chiều dài chỉ ảnh hưởng đến mức giãn nở tự do, chứ không ảnh hưởng đến ứng suất khi bị ràng buộc.
Nếu cấu kiện chỉ bị ràng buộc một phần thì sao? Khi đó chỉ phần biến dạng bị ngăn cản mới chuyển thành ứng suất, nên ứng suất thực tế sẽ thấp hơn giá trị cực đại này.
Kết quả là ứng suất nén hay kéo? Nung nóng một cấu kiện bị giữ chặt sẽ tạo ra ứng suất nén; làm lạnh sẽ tạo ra ứng suất kéo. Công cụ này chỉ hiển thị độ lớn của ứng suất.
