Phần 1: Tính chất vật liệu và các đánh đổi khi lựa chọn
Một trong những câu hỏi thường gặp khi lựa chọn vật liệu chống mài mòn là: vật liệu nào cứng nhất?
Câu hỏi này có thể trả lời bằng một con số, nhưng con số đó chưa đủ để quyết định vật liệu nào phù hợp với vị trí đang xét. Độ cứng chỉ là một trong những tính chất cần đọc. Khi điều kiện làm việc có thêm va đập, nhiệt hoặc tải kết cấu, việc chỉ tăng độ cứng có thể dẫn đến một dạng hư hỏng khác.
Ở vị trí chủ yếu chịu hạt cào, độ cứng cao hơn có thể giúp bề mặt chống mài mòn tốt hơn. Ngược lại, tại vị trí có tảng vật liệu dội trực tiếp, vật liệu quá cứng có thể nứt thay vì biến dạng. Khi đó, tấm lót có thể mất khả năng làm việc trước khi chiều dày bị mòn hết.
Vì vậy, lựa chọn vật liệu cần đọc đồng thời độ cứng, độ dai va đập và cơ tính kéo, đồng thời xác định rõ mỗi thông số trong bảng kỹ thuật được đo bằng phương pháp nào và được công bố ở mức nào.
1. Độ cứng cao hơn không đồng nghĩa phù hợp hơn
Độ cứng và độ dai là hai tính chất khác nhau.
Độ cứng cho biết khả năng chống lại tác động cào xước hoặc ấn lõm của bề mặt.
Độ dai phản ánh khả năng vật liệu hấp thụ tác động trước khi nứt hoặc phá hủy.
Trong cùng một hệ thép chống mài mòn, khi độ cứng tăng, khả năng hấp thụ va đập trước khi nứt thường giảm. Đây là sự đánh đổi cần được kiểm tra khi lựa chọn vật liệu, thay vì chỉ xếp các mác từ mềm đến cứng.
Ở vị trí chủ yếu chịu mài mòn do hạt cào, độ cứng cao có thể là lợi thế.
Ở vị trí có tảng liệu dội trực tiếp, yêu cầu về độ dai tăng lên. Nếu khả năng chịu va đập không đủ, dạng hỏng có thể chuyển từ mòn dần theo chiều dày sang nứt hoặc tróc mảng.
Vì vậy, ngoài câu hỏi: “Vật liệu này cứng bao nhiêu?” cần tiếp tục xác định: “Vị trí này cần độ cứng đến mức nào và vẫn phải duy trì bao nhiêu khả năng chịu va đập?”
2. Độ cứng, độ dai va đập và cơ tính kéo trả lời ba câu hỏi khác nhau
Ba nhóm tính chất được xác định bằng các phép thử khác nhau và không thể quy đổi trực tiếp sang nhau.
Biết độ cứng không có nghĩa đã biết độ dai.
Tương tự, từ một giá trị độ cứng cũng không thể tự suy ra giới hạn chảy, giới hạn bền kéo hoặc độ giãn dài.
Ngoài ra, ba thông số của phép thử kéo cũng không thể dùng thay cho nhau
Trong kết quả thử kéo, ba thông số thường gặp gồm:
Độ giãn dài là chỉ số dễ bị bỏ qua khi người đọc chỉ tập trung vào độ cứng hoặc giới hạn chảy.
Một chi tiết chưa xuất hiện vết nứt sau khi uốn hoặc biến dạng không đồng nghĩa khả năng biến dạng dự trữ vẫn còn nguyên. Khi vật liệu tiếp tục được sử dụng trong kết cấu chịu tải, trạng thái cơ học cần được đánh giá bằng các chỉ số phù hợp thay vì chỉ quan sát bề mặt.
3. Cách đọc một bảng thông số vật liệu
Một con số trong bảng kỹ thuật chỉ có giá trị khi biết rõ:
- đang đo tính chất nào
- sử dụng phương pháp thử nào
- điều kiện thử ra sao
- nhà sản xuất công bố con số đó ở mức nào
3.1. Không so trực tiếp các giá trị từ những thang độ cứng khác nhau
Độ cứng có thể được công bố theo Brinell, Rockwell hoặc Vickers.
Các con số thuộc những thang khác nhau không nên được đặt cạnh nhau rồi so trực tiếp như thể cùng một đơn vị.
Trước khi so hai vật liệu, cần kiểm tra:
- có đang so cùng một tính chất hay không
- có cùng phương pháp thử hay không
- có cùng điều kiện thử hay không
Nếu hai số đến từ hai thang khác nhau, cần đọc theo đúng phương pháp tương ứng thay vì coi chúng là hai giá trị trên cùng một thang.
3.2. Độ dai va đập phải đi cùng nhiệt độ thử
Kết quả Charpy không chỉ phụ thuộc vào vật liệu mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ thử.
Cùng một vật liệu nhưng được thử ở hai nhiệt độ khác nhau có thể cho hai kết quả khác nhau.
Vì vậy, khi so độ dai của hai mác, ngoài giá trị Joule còn phải kiểm tra nhiệt độ thử có giống nhau hay không.
3.3. Mức bảo đảm, trị số điển hình và giá trị quy đổi có giá trị sử dụng khác nhau
Một thông số có thể xuất hiện ở ba mức:
Một trị số điển hình cho biết vật liệu thường nằm quanh mức nào, nhưng không mặc nhiên có nghĩa mọi sản phẩm đều được nhà sản xuất bảo đảm đúng con số đó. Văn bản đã dán (2)
Vì vậy, cần tách hai mục đích:
so sánh kỹ thuật giữa các phương án và xây dựng tiêu chí hợp đồng hoặc nghiệm thu.
Một con số có thể phù hợp cho mục đích thứ nhất nhưng chưa đủ cơ sở cho mục đích thứ hai.
4. Độ cứng của vật liệu phải được đặt cạnh độ cứng của hạt gây mòn
Khi đánh giá mài mòn do hạt cào, phép so giữa hai vật liệu vẫn chưa đủ.
Cần xác định:
Bề mặt vật liệu đứng ở đâu so với loại hạt đang tác động lên nó?
Nếu hạt cứng hơn bề mặt, hạt vẫn có khả năng cắt và làm mất vật liệu.
Vì vậy, độ cứng cần được đọc theo quan hệ:
hạt gây mòn ↔ bề mặt vật liệu
Ngoài hiện trường, độ cứng của hạt có thể được định hướng bằng bộ thử Mohs.
Cách lấy mẫu cần đúng với dòng đang gây mòn:
- Lấy mẫu từ chính dòng liệu đi qua vị trí.
- Thử bằng các mức khác nhau trong bộ Mohs.
- Xác định dải độ cứng xuất hiện.
- Ghi nhận cả loại hạt cứng nhất, không chỉ loại chiếm tỷ lệ lớn.
Dòng liệu thường không đồng nhất. Vì vậy, ghi một dải độ cứng thường phù hợp hơn việc lấy một giá trị duy nhất.
Với vật liệu kỹ thuật, độ cứng phải được đọc từ phương pháp thử và tài liệu kỹ thuật tương ứng. Không nên lấy bảng quy đổi Mohs rồi suy ngược thành một giá trị Vickers hoặc Brinell để sử dụng như số đo trực tiếp.
Bạn có thể tìm hiểu thêm về cách sử dụng độ cứng hạt trong quá trình lọc nhóm vật liệu tại Phần 2: 4 yếu tố tác động và trình tự lựa chọn vật liệu.
5. Bốn sai lệch có thể làm phép so độ cứng mất ý nghĩa
Bảng quy đổi có thể giúp nhìn bậc tương đối, nhưng không thay thế phép thử trực tiếp khi cần xác nhận vật liệu hoặc nghiệm thu.
6. Sự đánh đổi giữa độ cứng và độ dai có thể nhìn thấy ngay trong bảng thông số
Trong cùng hệ sản phẩm thép chống mài mòn Hardox®, xu hướng giữa độ cứng và độ dai va đập có thể được quan sát qua các mác tham chiếu sau:
Dải độ cứng trong bảng được trình bày ở mức bảo đảm, còn các giá trị va đập là trị số điển hình, thử theo EN ISO 148-1 trên mẫu Charpy rãnh chữ V. Văn bản đã dán (2)
Nếu đọc theo chiều tăng độ cứng, xu hướng chung trong hệ sản phẩm này cho thấy độ dai va đập giảm.
Điều đó giải thích vì sao mác cứng nhất có thể mua được không mặc định là mác phù hợp nhất cho mọi vị trí.
Ở vùng chịu mài mòn cơ học mạnh nhưng va đập thấp, độ cứng cao có thể mang lại lợi thế.
Ở vùng có tảng vật liệu dội trực tiếp, cần duy trì đủ độ dai để tránh dạng hỏng chuyển sang nứt hoặc tróc mảng.
6.1. Công nghệ vật liệu có thể cải thiện sự cân bằng nhưng không loại bỏ nguyên lý đánh đổi
Trong vùng độ cứng khoảng 500 HBW, tài liệu đưa ra một trường hợp so sánh:
Điểm cần đọc không chỉ là 45 J so với 37 J.
Quan trọng hơn là hai con số đang ở mức công bố nào.
Nếu một giá trị cần được đưa vào yêu cầu kỹ thuật hoặc hợp đồng, cần kiểm mức bảo đảm trên bản thông số của chính mác vật liệu đó.
Trường hợp này cho thấy công nghệ có thể cải thiện sự cân bằng giữa độ cứng và độ dai trong một vùng nhất định, nhưng không làm mất yêu cầu phải đánh giá đồng thời hai tính chất.
7. Khi yêu cầu về mài mòn và va đập xung đột, một vật liệu có thể không đủ
Có những vị trí mà hạt gây mòn rất cứng, làm yêu cầu về độ cứng bề mặt tăng cao.
Đồng thời, vị trí lại chịu va đập lớn và cần vật liệu đủ dai để không nứt.
Khi đó xuất hiện hai giới hạn:
- sàn độ cứng: mức tối thiểu cần có để hạn chế hạt cắt bề mặt
- trần độ cứng: mức tối đa có thể sử dụng trước khi khả năng chịu va đập không còn phù hợp với vị trí
Nếu sàn độ cứng cao hơn trần độ cứng, một vật liệu đơn lẻ có thể không đáp ứng cả hai phía.
Các hướng cần xem xét gồm:
- chuyển sang một nhóm vật liệu khác
- ghép nhiều nhóm vật liệu theo từng vùng làm việc
- thay đổi điều kiện dòng nếu có thể để giảm mức tác động
Hướng thứ ba không phải là bài toán vật liệu, nhưng có thể tác động trực tiếp vào nguyên nhân gây hư hỏng.
Bạn có thể tìm hiểu thêm về cách xử lý trường hợp một nhóm vật liệu không đáp ứng toàn bộ điều kiện tại Phần 5: Ghép nhiều vật liệu tại một vị trí: nguyên tắc thiết kế và kiểm soát vùng tiếp giáp.
8. Không phải tính chất nào cũng đo được trực tiếp tại hiện trường
Một số phép đo có thể thực hiện tại xưởng để định hướng, trong khi các chỉ tiêu khác cần thử nghiệm theo phương pháp chuyên biệt.
Một số đo hiện trường có thể đủ để sàng lọc và định hướng, nhưng chưa chắc đủ để sử dụng như tiêu chí nghiệm thu.
Vì vậy, trước khi chọn phương pháp đo cần xác định con số đó sẽ được dùng để làm gì.
9. Trách nhiệm của các bộ phận
Một nguyên tắc cần giữ xuyên suốt là không sử dụng trị số điển hình như mức bảo đảm.
Nếu một thông số được đưa vào hợp đồng hoặc tiêu chí nghiệm thu, cần kiểm tra đúng:
- mác vật liệu
- bản thông số hiện hành
- phương pháp thử
- điều kiện thử
- mức công bố của thông số
10. Lưu ý khi áp dụng kiến thức
Một, bảng thông số mô tả tính chất vật liệu, không trực tiếp cho biết tuổi thọ tại một vị trí cụ thể. Tuổi thọ còn phụ thuộc vào điều kiện làm việc và dữ liệu theo dõi thực tế.
Hai, quy đổi giữa các thang độ cứng chỉ mang tính gần đúng trong phạm vi phù hợp. Không sử dụng bảng quy đổi thay cho phép đo trực tiếp khi cần nghiệm thu.
Ba, thông số phải được đọc trên tài liệu kỹ thuật của mác cụ thể. Trong cùng một bảng có thể đồng thời xuất hiện mức bảo đảm, trị số điển hình và giá trị quy đổi; ba nhóm số này không có cùng giá trị bằng chứng.
Bốn, các tiêu chuẩn được sử dụng trong bài gồm EN ISO 6506-1, EN ISO 6508-1, EN ISO 148-1 và EN ISO 6892-1. Các số liệu Hardox® trong phần so sánh được lấy từ tài liệu kỹ thuật và tài liệu bảo đảm của SSAB.
Độ cứng là một dữ liệu quan trọng, nhưng không thể đứng một mình trong quyết định lựa chọn. Vật liệu chỉ phù hợp khi mức độ cứng cần thiết được đặt cạnh độ dai, cơ tính, điều kiện va đập và giá trị thực của các thông số trong bảng kỹ thuật.
