Chương 6: Dây thép bị kéo mảnh đi, trạng thái vật liệu cũng thay đổi
Tại hiện trường dập nguội có một tình huống rất thường gặp:
Cùng một mác vật liệu, cùng một nhà máy thép, cuối cùng kích thước sau khi kéo cũng giống nhau, nhưng khi đưa vào máy dập nguội thì một lô sản xuất trơn tru, còn lô kia lại gặp hiện tượng tạo hình không ổn định, đầu chi tiết không đầy, thậm chí đôi khi còn bị nứt.
Vấn đề nằm ở đâu?
Nhiều người cho rằng việc kéo sợi chỉ đơn giản là làm cho dây thép thô trở nên mảnh hơn, miễn sao đạt đúng kích thước là được.
Thực ra không hề đơn giản như vậy.
Kéo sợi không chỉ làm thay đổi đường kính, mà còn ảnh hưởng đến khả năng dập nguội của vật liệu sau này.
I. Cùng đến đích, chưa chắc đã đi qua cùng một con đường
Cùng kéo đến 10 mm, nhưng một lô có thể bắt đầu từ 11 mm, trong khi lô khác lại bắt đầu từ 13 mm.
Mặc dù đường kính cuối cùng giống nhau, nhưng lô thứ hai đã trải qua mức độ biến dạng lớn hơn đáng kể.
Dây thép càng bị kéo giãn nhiều thì thường sẽ trở nên cứng hơn, độ bền cao hơn; do đó, khi tiếp tục dập nguội để tạo hình, lực cần thiết để tạo hình cũng sẽ thay đổi.
Vì vậy, để đánh giá xem vật liệu có dễ dập nguội hay không, không thể chỉ dựa vào kích thước cuối cùng, mà còn phải xem:
Nó ban đầu dày bao nhiêu, và tổng cộng đã bị kéo giảm đi bao nhiêu.
Điều này giống như hai người cùng lên đến đỉnh núi, một người đi cáp treo, còn người kia leo bộ. Tuy đứng cùng một vị trí, nhưng trạng thái cơ thể lại hoàn toàn khác nhau.
II. Kéo một lần quá nhiều hay chia thành nhiều lần cũng cho kết quả khác nhau
Một sợi dây thép từ tiết diện lớn kéo xuống tiết diện nhỏ có thể giảm trực tiếp một lượng lớn, hoặc có thể chia thành nhiều bước để thực hiện dần dần.
Kéo một lần quá nhiều sẽ làm tăng áp lực, ma sát và nhiệt độ giữa dây thép và khuôn, đồng thời sự biến đổi ở bề mặt và bên trong vật liệu cũng có thể không đồng nhất.
Tuy nhiên, số lần kéo cũng không phải càng nhiều càng tốt.
Quá nhiều lần kéo cũng sẽ tích lũy dần các tác động về ma sát và biến dạng.
Điều thực sự quan trọng là cách bố trí từng công đoạn, đặc biệt là việc điều chỉnh công đoạn kéo cuối cùng có phù hợp hay không.
Tổng cộng kéo bao nhiêu rất quan trọng, nhưng cách kéo lần cuối cùng cũng quan trọng không kém.
Đó cũng là lý do tại sao các nhà chế biến khác nhau sử dụng cùng một loại cuộn dây thép, nhưng vật liệu cuối cùng vẫn có thể cho hiệu suất dập nguội khác nhau.
III. Dây thép cũng “ghi nhớ” hướng chịu lực
Khi kéo rút, dây thép chủ yếu bị kéo dài theo chiều tiến.
Khi dập nguội, vật liệu lại bị nén và chảy về phía đầu cũng như các hướng xung quanh.
Nói cách khác, vật liệu vừa trải qua trạng thái “kéo”, ngay sau đó lại phải chịu tác động của “nén”.
Sau khi kim loại biến dạng theo một hướng nhất định, nếu tiếp tục chịu lực theo hướng ngược lại, trạng thái bắt đầu biến dạng có thể thay đổi. Trong kỹ thuật, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Bauschinger.
Một cách hiểu đơn giản là:
Dây thép sẽ ghi nhớ quá trình kéo trước đó diễn ra như thế nào.
Sau quá trình kéo rút, giới hạn bền kéo của vật liệu tuy tăng lên, nhưng điều đó không đồng nghĩa với việc sức cản biến dạng theo hướng nén trong quá trình dập nguội cũng tăng tương ứng.
Vì vậy, khi đánh giá vật liệu sau kéo rút, không chỉ dựa vào giới hạn bền kéo và độ cứng, mà còn phải cân nhắc xem nó sẽ phải chịu biến dạng theo hướng nào tiếp theo.
IV. Hiện tượng “cứng hóa” và “ghi nhớ hướng” cùng tồn tại sau kéo rút
Sau kéo rút, vật liệu thường trở nên cứng hơn; đây được gọi là hiện tượng cứng hóa do biến dạng.
Tuy nhiên, khi chuyển từ trạng thái kéo sang nén, vật liệu lại chịu ảnh hưởng của hiệu ứng Bauschinger.
Hai hiện tượng này cùng tồn tại đồng thời:
- Càng nhiều biến dạng do kéo rút, sức cản đối với các biến dạng tiếp theo của vật liệu thường càng lớn;
- Khi hướng chịu lực thay đổi, vật liệu có thể bắt đầu biến dạng nén sớm hơn.
Ở giai đoạn ban đầu, hiện tượng nào rõ rệt hơn, hay đến giai đoạn biến dạng tiếp theo thì hiện tượng nào chiếm ưu thế, đều phụ thuộc vào loại vật liệu, trạng thái ban đầu và mức độ kéo rút.
Do đó, không thể đơn giản cho rằng “kéo càng ít càng tốt”, cũng không thể nói “tận dụng hiệu ứng Bauschinger thì kéo càng nhiều càng tốt”. Điều cần thiết thực sự là xác định một phạm vi hợp lý.
Nhưng phạm vi này không giống nhau đối với mọi mác thép, mọi quy cách và mọi sản phẩm.
V. Vì sao thép phi nhiệt luyện bainit đáng được chú ý hơn?
Một số loại thép bainit và thép phi nhiệt luyện cường độ cao, sau khi kéo rút, khi chuyển từ trạng thái “kéo” sang “nén” trong quá trình dập nguội, hiệu ứng Bauschinger thường biểu hiện rõ rệt hơn.
Những vật liệu này vốn đã có độ bền khá cao. Sau khi kéo rút, mặc dù giới hạn bền kéo tiếp tục tăng, nhưng sức cản biến dạng nén trong quá trình dập nguội chưa chắc đã tăng tương ứng.
Đây cũng chính là đặc điểm khiến thép phi nhiệt luyện bainit trở nên đáng quan tâm trong các quá trình tăng cường độ bằng biến dạng nguội và dập nguội tạo hình.
Vì vậy, khi đánh giá những loại vật liệu này, không thể chỉ căn cứ vào giới hạn bền kéo và độ cứng sau kéo rút, mà cần kết hợp phân tích toàn diện với mức độ kéo rút, thời gian sản xuất và cả hiệu quả thực tế trong quá trình dập nguội.
6. Tại sao sau một thời gian bảo quản, tính chất của vật liệu vẫn thay đổi?
Một số vật liệu khi vừa kéo rút xong liền đưa vào sản xuất thì không có vấn đề gì; nhưng sau một thời gian lưu kho rồi mới đưa vào sản xuất thì tính chất lại thay đổi.
Nguyên nhân là do sau khi hoàn tất quá trình kéo rút, trạng thái bên trong của sợi thép chưa chắc đã ổn định ngay lập tức.
Với sự thay đổi về thời gian lưu kho và nhiệt độ, cường độ cũng như trạng thái biến dạng tiếp theo của vật liệu vẫn có thể tiếp tục điều chỉnh.
Vì vậy, khi so sánh hai lô vật liệu, ngoài việc kiểm tra mác thép và báo cáo thử nghiệm, còn cần xác nhận thêm:
- Hai lô vật liệu được kéo rút vào thời điểm nào;
- Sau khi kéo rút đã được lưu kho bao lâu;
- Môi trường lưu kho có khác biệt rõ rệt hay không.
Những thông tin này tưởng chừng rất bình thường, nhưng đôi khi lại là manh mối quan trọng để tìm ra hướng giải quyết vấn đề.
7. Khi gặp sự cố, cần so sánh những yếu tố nào?
Nếu các vật liệu cùng mác, cùng quy cách có hiệu quả dập nguội khác nhau, trước tiên nên so sánh các thông tin sau:
- Quy cách trước khi kéo rút;
- Quy cách sau khi kéo rút;
- Số lần kéo rút trung gian;
- Lượng rút ở bước cuối cùng có giống nhau không;
- Thiết bị sản xuất và thời gian cải tạo của hai lô vật liệu;
- Thời gian lưu kho sau khi kéo rút của mỗi lô;
- Các hiện tượng bất thường trong dập nguội có thay đổi theo từng đợt cải tạo hay không.
Nếu sau khi đổi sang một đợt cải tạo khác mà các hiện tượng bất thường cũng thay đổi theo, trong khi thiết bị dập nguội, khuôn mẫu và sản phẩm vẫn không thay đổi, thì cần tập trung kiểm tra quy trình kéo rút của hai lô vật liệu.
Tuy nhiên, chỉ phát hiện thấy sự khác biệt về thông số thôi thì chưa thể vội kết luận.
Để đưa ra phán đoán chính xác, phải xem xét xem những thay đổi trong quá trình kéo rút có tương ứng với tính năng của vật liệu và các hiện tượng bất thường trong dập nguội hay không.
Quan điểm của kỹ sư
Kéo rút không đơn thuần chỉ là biến sợi thép từ tiết diện lớn thành tiết diện nhỏ.
Nó còn làm thay đổi cường độ, khả năng biến dạng tiếp theo của vật liệu, cũng như phản ứng của vật liệu khi chuyển từ trạng thái “kéo” sang trạng thái “nén”.
Nguyên liệu quyết định nền tảng ban đầu, còn quy trình kéo rút quyết định vật liệu sẽ đi vào máy dập nguội ở trạng thái như thế nào.
Vì vậy, cùng một mác thép, cùng một quy cách, có loại dễ dập, có loại khó dập; vấn đề không nhất thiết nằm ở chứng nhận chất lượng nguyên liệu, mà còn có thể ẩn sâu trong quy trình kéo rút.
Nếu bạn cũng gặp tình trạng các vật liệu cùng mác, cùng quy cách cho hiệu quả dập nguội không đồng đều, hãy gửi cho tôi thông tin về mác thép, quy cách trước và sau khi kéo rút, số lần kéo rút, thời gian sản xuất và ảnh chụp sản phẩm bất thường.
Tôi sẽ giúp bạn đánh giá sơ bộ xem nên bắt đầu điều tra từ khía cạnh nguyên liệu, quy trình kéo rút – cải tạo, hay từ công nghệ dập nguội.
Giới thiệu kỳ tới
Chương 7: “Mặt ngoài rõ ràng đã được photphat hóa-xà phòng hóa, tại sao khi dập nguội vẫn xảy ra vấn đề?”
Chương tiếp theo sẽ tập trung giải thích: vì sao bề mặt vật liệu “nhìn qua có lớp màng” không đồng nghĩa với việc trong suốt quá trình biến dạng dập nguội luôn có đủ lớp bôi trơn bảo vệ.