Thép và hợp kim đàn hồi

Độ bền tích thoát được đánh giá bởi sự chống lại tích thoát ứng suất. Tích thoát ứng suất được đặc trưng 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 thước 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 được tích lũy theo thời gian. Với cấc ứng suất thấp hơn giới hạn đàn hồi, biến dạng dẻo tế vi có thể được 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 được giới hạn đàn hồi và độ bền tích thoát cao cần phải tạo được cấu trúc lệch ổn định, trong đó không chỉ phần lớn mà hầu như tất cả các lệch bị phong tỏa chắc chắn. Ngoài ra cấu trúc như 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 người ta dùng tất cả các phương tiện tạo chướng 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.

Các loại thép lò xo, nhíp

Các thép cacbon lò xo, nhíp thường được gọi là thép lò xo thông dụng có môđun đàn hồi cao để hạn chế biến dạng đàn hồi. Chúng được sử dụng để chế tao các chi tiết đàn hồi, chịu lực cao. Đây là các vật liệu có giá thành không cao nên được sử dụng rộng rãi trong ngành chế tạo ô tô, máy kéo, trong vận tải đường 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 thường có hàm lượng cacbon cao (0,5 – 0,7%) được tôi và ram ở nhiệt độ 420 – 450⁰C thỏa mãn các yêu cầu đó.

Thép được tôi ra tổ chức mactenxit có giới hạn đàn hồi không cao. Giới hạn đàn hồi được 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 hướng dòn 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 dưới cũng cho kết quả tốt. Nó cho phép có được cơ tính cao khi chi tiết ít bị biến dạng.

Các lò xo không lớn và hình dạng ít phức tạp được 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 được chế tạo bằng cách quấn nóng hay rập nóng sẽ được nhiệt luyện.

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

Các mác thép cacbon bao gồm : C65, 70, 75, 80, 85, 65Mn, 70Mn (TCVN) được đặc trưng 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 được 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 trọng hơn thì thép được hợp kim hóa thêm Cr (~1%) và Ni (<1,7%) các nguyên tố hợp kim yêu cầu phải có ảnh hưởng ít tới giới hạn đàn hồi là tính chất chủ yếu của họ thép này. Quan trọng hơn là hợp kim hóa để nâng cao độ thấm tôi, độ bền tích thoát ứng suất và giới hạn mỏi. Do đó, hợp kim được sử dụng cho những phần tử đàn hồi kích thước lớn và đảm bảo cho chúng làm việc lâu hơn và độ tin cậy cao hơn.

Các mác thép Silic 50Si2, 60Si2, 70Si3A được dùng làm lò xo hay nhíp có chiều dày 18 mm. Chúng có đặc điểm chống sự lớn lên của hạt khi tôi, nhưng lại có xu hướng 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 được nhược điểm này và được 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 được 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 đươc tôi thấu trong các tiết diện tương ứng là 50 và 80 mm và được dùng làm các lò xo và nhíp lớn có tải nặng và đặc biệt. Các tính chất của thép được quyết định bởi hàm lượng Cacbon và nhiệt độ ram. Ram được 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.

Các mác thép 70Si3A, 60Si2CrA, 60Si2Ni2A có cơ tính cao nhất σb≥ 1800MPa; σ_0,2 ≥ 1600MPa; δ≥ 5%; Ψ ≥20%. Giới hạn đàn hồi đạt σ_0,01=880 – 1150 MPa, còn độ cứng đạt 40 – 48 HRC. Với độ bền và độ cứng như vậy, thép này nhạy cảm với sự tập trung ứng suất cho nên trạng thái bề mặt có ảnh hưởng rất lớn đến độ bền mỏi. Khi không có khuyết tật bề mặt giới hạn mỏi của thép khi uốn thấp hơn 500MPa, còn khi xoắn ~300MPa. Để giảm độ nhạy cảm với tập trung ứng suất thì các lò xo và nhíp đã chế tạo được biến cứng bề mặt bằng phun bi. Sau khi đã hóa bền bằng phun bi giới hạn mỏi tăng 1,5 – 2 lần.

TS. Trần Thanh Tùng

Khoa KH & CN Vật liệu, ĐH Bách Khoa Hà Nội