Thép và hợp kim đàn hồi

Kim loại và hợp kim đàn hồi với những tính chất đặc biệt hiện đang đ­ợc sử dụng với một số l­ợng rất lớn trong ngành cơ khí chế tạo, giao thông vận tải, xây dựng, công nghiệp quốc phòng,... Để hiểu rõ hơn về bản chất, xin mời các bạn tham khảo bài viết sau:

1. Yêu cầu đối với vật liệu đàn hồi

Thép và các hợp kim có các tính chất đàn hồi cao đ­ợc sử dụng rộng rãi trong chế tạo máy và dụng cụ. Trong chế tạo máy, chúng đ­ợc dùng để chế tạo nhíp, bộ giảm xóc, lò xo chịu lực với các công dụng khác nhau. Trong chế tạo dụng cụ đ­ơc sử dụng làm các chi tiết đàn hồi nh­ tấm rơle, hộp xếp, giá treo, cấu kiện chịu kéo. Đặc điểm chung của các chi tiết này là không đ­ợc phép biến dạng d­ khi tải trọng tĩnh lớn, tuần hoàn hay va đập. Do đó các vật liệu này ngoài cơ tính đặc tr­ng cho các vật liệu kết cấu ( độ bền, độ déo, độ dai, độ bền mỏi) cần phải có độ bền cao để chống lại biến dạng dẻo dù nhỏ. Trong điều kiện chụ tải trọng tĩnh trong thời gian ngắn, độ bền chống biến dạng dẻo nhỏ đ­ợc đặc tr­ng bởi giới hạn đàn hồi, khi chịu tải lâu hay tải tuần hoàn thì đó là độ bền tích thoát.

Độ bền tích thoát đ­ợc đánh giá bởi sự chống lại tích thoát ứng suất. Tích thoát ứng suất đ­ợc đặc tr­ng bởi việc giảm ứng suất làm việc trong chi tiết. Sự tích thoát ứng suất nguy hiểm ở chỗ, khi chuyển một phần biến dạng đàn hồi thành biến dạng dẻo thì các phần tử đàn hồi thay đổi hình dáng và kích th­ớc sau khi bỏ tải trọng.

Tích thoát ứng suất xảy ra bằng cách biến dạng dẻo tế vi trong các hạt tinh thể riêng lẻ và đ­ợc tích lũy theo thời gian. Với cấc ứng suất thấp hơn giới hạn đàn hồi, biến dạng dẻo tế vi có thể đ­ợc gây ra: bởi sự uốn cong các lệch hay sự tách lệch riêng biệt khỏi các chốt hãm khi ứng suất nhỏ, bởi sự dịch chuyển các lệch hãm khi ứng suất cao.

Do đó để hợp kim đạt đ­ợc giói hạn đàn hồi và độ bền tích thoát cao cần phải tạo đ­ợc cấu trúc lệch ổn định, trong đó không chỉ phần lớn mà hầu nh­ tất cả các lệch bị phong tỏa chắc chắn. Ngoài ra cấu trúc nh­ thế phải có ứng suất tế vi ở mức độ không cao ví các ứng suất tế vi này cùng với ứng suất làm việc làm cho lệch chuyển động dễ dàng.

Để hãm lệch ng­ời ta dùng tất cả các ph­ơng tiện tạo ch­ớng ngại vật có hiệu quả: hợp kim hóa, nâng cao mật độ lệch, tiết ra các pha thứ 2 phân tán. Với quan điểm về các tính chất đàn hồi thì cơ nhiệt luyện tạo thành cầu trúc thuận lợi nhất.

2. Các loại thép lò xo, nhíp

Các thép cacbon lò xo, nhíp th­ờng đ­ợc gọi là thép lò xo thông dụng có môđun đàn hồi cao để hạn chế biến dạng đàn hồi. Nên chúng đ­ợc sử dụng để chế tao các chi tiết đàn hồi, chịu lực cao. Đây là các vật liệu có giá thành không cao nên đ­ợc sử dụng rộng rãi trong ngành chế tạo ô tô, máy kéo, trong vận tải đ­ờng sẳt và chế tạo máy công cụ.

Để đảm bảo khả năng làm việc của các phân tử đàn hồi chịu lực các thép lò xo cần phải có giới hạn đàn hồi, giới hạn mỏi và độ bền tích thoát cao. Các thép lò xo th­ờng có hàm l­ợng cacbon cao ( 0,5-0,7% ) đ­ợc tôi và ram ở nhiệt độ 420-4500C thỏa mãn các yêu cầu đó.

Thép đ­ợc tôi ra tổ chức mactenxit có giới hạn đàn hồi không cao. Giới hạn đàn hồi đ­ợc nâng cao rõ rệt khi hình thành tổ chức trootxtit. Trong tổ chức này Ferit có mật độ cao các lệch kém chuyển động do bị biến cứng pha mạnh. Ngoài ra chúng còn bị phong tỏa có hiệu quả bởi các hạt cacbít phân tán.

Ngoài các tính chất đàn hồi cao, ram ra tổ chức trootxtit bảo đảm nâng cao một chừng mực nào đó độ dẻo và độ dai (đặc biệt trong các thép không có xu h­ớng ròn ram), nó quan trọng để giảm độ nhạy cảm với sự tập trung ứng suất và tăng giới hạn mỏi.

Tôi đẳng nhiệt ra tổ chức bainit d­ới cũng cho kết quả tốt. Nó cho phép có đ­ợc cơ tính cao khi chi tiết ít bị biến dạng.

Các lò xo không lớn và hình dạng ít phức tạp đ­ợc chế tạo từ thép đã qua nhiệt luyện. Đối với lò xo to đòi hỏi lực quấn lớn thì dùng thép ở trạng thái ủ. Các chi tiết sau khi đ­ợc chế tạo bằng cách quấn nóng hay rập nóng sẽ đ­ợc nhiệt luyện.

Thép để làm nhíp đ­ợc cung cấp ở dạng băng, sau đó rập tạo hình và tôi, ram ( hiện nay th­ờng dùng lò ch­ơng trình tôi ram liên tục) sau đó bó.

Các mác thép cacbon bao gồm : C65, 70, 75, 80, 85, 65Mn, 70Mn (TCVN) đ­ợc đặc tr­ng bởi độ bền tích thoát không cao, đặc biệt khi nung nóng. Chúng không có lợi để làm việc ở nhiệt độ trên 1000C. Do độ thấm tôi thấp nên các thép này đ­ợc dùng các lò xo tiết diện không lớn lắm.

Các thép lò xo, nhíp hợp kim thuộc về lớp peclít. Các nguyên tố hợp kim cơ bản trong chúng là Si ( 1-3%), Mn (~1%). Trong các chi tiết có công dụng quan trong hơn thì thép đ­ợc hợp kim hóa them Cr (~1%) và Ni (<1,7%) các nguyên tố hợp kim yêu cầu phải có ảnh h­ởng ít tới giới hạn đàn hồi là tính chất chủ yếu của họ thép này. Quan trong hơn là hợp kim hóa để nâng cao độ thấm tôi, độ bền tích thoát ứng suất và gới hạn mỏi. Do đó hợp kim đ­ợc sử dụng cho những phần tử đàn hồi kích th­ớc lớn và đảm bảo cho chúng làm việc lâu hơn và độ tin cậy cao hơn.

Các mác thép Silic 50Si2, 60Si2, 70Si3A đ­ợc dùng làm lò xo hay nhíp có chiều dày 18 mm. Chúng có đặc điểm chống sự lớn lên của hạt khi tôi, nh­ng lại có xu h­ớng dễ thoát cacbon khi nung, đây là một dạng khuyết tật mặt rất nguy hiểm vì giảm độ bền mỏi. Mác thép Si-Mn 60SiMnA đã hạn chế đ­ợc nh­ợc điểm này và đ­ợc dùng để chế tạo các lò xo có chiều dày nhỏ hơn 14 mm.

Các mác thép 50CrVA, 50CrMnVA có nhiệt độ ram cao hơn dòng thép Si và Si-Mn khoảng 5200C, có khả năng chịu nhiệt cao hơn, độ dai cao hơn, ít nhạy cảm với nhát cắt. Chúng đ­ợc dùng làm nhíp các ôtô nhẹ, lò xo xupáp và các lò xo có công dụng quan trọng khác và nhiệt độ làm việc khoảng 3000C.

Các thép 60Si2CrA và 60Si2Ni2A đ­uoc tôi thấm trong các tiết diện t­uong ứng là 50 và 80 mm và đ­ợc dùng làm các lò xo và nhíp lớn có tải nặng và đặc biệt. Các tính chất của thép đ­ợc quyết định bởi hàm l­ợng Cacbon và nhiệt độ ram. Ram đ­ợc tiến hành ở nhiệt độ cao hơn một chút so với nhiệt độ ứng với giới hạn đàn hồi cực đại để đảm bảo độ dẻo và dai.