Độ cứng là khả năng chống trầy và chống lún, độ bền là mức lực vật liệu chịu được trước khi hỏng, còn độ dẻo là khả năng cong, giãn mà không gãy. Ba thứ này không đi cùng nhau. Làm thép cứng lên thường khiến nó mất bớt độ dẻo, nên một lưỡi dao rất cứng có thể mẻ khi chém vào vật cứng, trong khi một con dao mềm hơn chỉ quằn lưỡi.
Chào bạn, đây là Nhà Chế Tạo. Người mới vào xưởng hay dùng ba chữ cứng, bền, dẻo như nhau, rồi chọn sai vật liệu vì thế. Tập này mình tách chúng ra, bằng những ví dụ mà bạn cầm lên tay được, để lần sau nghe ai nói thép này tốt, bạn biết hỏi lại: tốt theo nghĩa nào.
Cứng không có nghĩa là bền
Thử nghĩ về một viên gạch men và một cái dây thép. Mũi dao cào lên gạch men không để lại vết, vì gạch rất cứng. Nhưng làm rơi viên gạch xuống sàn, nó vỡ. Dây thép thì dao cào lên để lại vết ngay, nhưng bạn bẻ đi bẻ lại vài lần nó mới đứt.
Độ cứng đo khả năng chống lại một mũi nhọn ấn vào bề mặt. Trong xưởng, nó quyết định dao cắt có giữ bén không, bề mặt trượt có mòn nhanh không, chi tiết có bị lõm khi va chạm nhẹ không.
Độ bền, theo nghĩa kỹ thuật, là lực kéo hay nén lớn nhất trên một đơn vị diện tích mà vật liệu chịu được. Một thanh giằng, một con bu lông, một móc treo cần bền. Chúng không cần chống trầy, chúng cần không đứt.
Và có một thứ nữa ít ai nói tên: độ dai, tức khả năng hấp thụ năng lượng va đập trước khi gãy. Búa, đục, lưỡi rìu cần dai. Một vật liệu cứng mà không dai là vật liệu giòn.
Độ dẻo cứu mạng người như thế nào?
Độ dẻo là khả năng biến dạng lâu dài mà không gãy: cong, kéo dài, thắt lại. Nghe như điểm yếu, nhưng trong kết cấu, độ dẻo là cảnh báo sớm.
Một cái giá treo bằng thép dẻo khi quá tải sẽ cong võng trước. Bạn nhìn thấy, bạn gỡ bớt đồ. Một cái giá bằng vật liệu giòn chịu tới giới hạn thì gãy cái rụp, không báo trước. Đó là lý do thép dùng cho kết cấu nhà cửa, khung xe, móc cẩu đều được chọn loại dẻo.
Khi bạn hàn một khung chở đồ, đặt ra câu hỏi: nếu nó quá tải, mình muốn nó cong hay muốn nó gãy. Câu trả lời gần như luôn là cong.
Độ dẻo cũng là thứ cho phép uốn, dập, gò. Thép tấm mỏng uốn thành hộp được là nhờ nó dẻo. Nhôm cứng quá thì uốn sẽ nứt ở góc, nên người ta chọn loại nhôm mềm hơn cho những chi tiết phải gấp.
Làm cứng thép: vì sao cứng lên lại giòn đi?
Thép có đủ các bon, khi nung lên đỏ tới một nhiệt độ nhất định rồi làm nguội thật nhanh trong nước hoặc dầu, cấu trúc bên trong bị khoá lại ở một trạng thái rất cứng. Thợ rèn gọi việc làm nguội nhanh này bằng một chữ riêng trong nghề, còn người học vật liệu gọi chung là nhiệt luyện.
Thép sau bước đó cứng thật, nhưng cũng giòn thật. Một lưỡi đục vừa làm nguội xong mà đem đục ngay có thể mẻ hoặc gãy đôi.
Nên người ta ram, tức nung lại ở nhiệt độ thấp hơn nhiều rồi để nguội. Ram hy sinh bớt một chút độ cứng để lấy lại độ dai. Ram nhiều thì mềm và dai hơn, ram ít thì cứng và giòn hơn. Mỗi dụng cụ có một điểm cân bằng riêng: dao cạo nghiêng về cứng, lò xo và búa nghiêng về dai.
Nhiệt luyện bằng lò than ở nhà rất khó kiểm soát nhiệt độ, và dầu nóng có thể bắt lửa. Nếu bạn muốn học, hãy học từ một thợ rèn có kinh nghiệm, làm ngoài trời, có sẵn nắp đậy thùng dầu và bình chữa cháy. Còn chi tiết máy quan trọng thì nên gửi xưởng nhiệt luyện chuyên nghiệp.
Những lỗi chọn vật liệu vì nhầm ba khái niệm
Lỗi thứ nhất là làm trục bằng thép càng cứng càng tốt. Trục chịu xoắn và uốn liên tục, cần dai. Trục quá cứng và giòn có thể gãy đột ngột. Người ta thường chỉ làm cứng bề mặt trục ở chỗ tiếp xúc với ổ, còn lõi vẫn dai.
Lỗi thứ hai là mài dụng cụ quá nóng. Bạn mài lưỡi đục trên đá mài tới mức đầu lưỡi đổi màu xanh tím, tức là bạn vừa vô tình ram nó quá mức, đầu lưỡi đã mềm đi. Mài từ từ, nhúng nước thường xuyên.
Lỗi thứ ba là hàn lên chi tiết đã nhiệt luyện. Nhiệt hàn phá hỏng trạng thái cứng ở vùng quanh mối hàn, có khi còn làm nứt. Lưỡi cày, lò xo lá, dụng cụ cầm tay, đừng hàn lên chúng nếu không hiểu mình đang làm gì.
Lỗi thứ tư là dùng lại thép phế liệu mà không biết nó là gì. Nhíp ô tô cũ là thép lò xo rất tốt, nhưng khó khoan, khó cắt, và phản ứng với nhiệt khác hẳn thép hộp.
Một cách tự thử trong xưởng
Bạn không cần máy đo độ cứng để có cảm nhận đầu tiên. Một cây dũa tốt là thước đo thô: dũa ăn ngọt vào thép là thép mềm, dũa trượt như lướt trên kính là thép đã được làm cứng.
Để thử độ dẻo, lấy một mẩu dư, kẹp ê tô, bẻ cong. Thép dẻo sẽ cong êm. Thép giòn sẽ gãy với mặt gãy hạt mịn, sáng. Nhớ đeo kính, mảnh vỡ có thể văng.
Tia lửa khi mài cũng kể chuyện: thép nhiều các bon cho tia lửa nổ tách nhiều nhánh, thép ít các bon cho tia dài và ít nhánh. Người làm lâu năm nhìn tia lửa đoán được loại thép khá sát, nhưng đó là kinh nghiệm cần thời gian.
Ba khái niệm này khi đã tách bạch sẽ theo bạn suốt nghề. Mỗi lần cầm một thanh thép, thử hỏi: mình cần nó chống trầy, chịu lực, hay chịu đập.
Câu hỏi thường gặp
Thép không gỉ có cứng hơn thép đen không?
Không nhất thiết. Các loại inox thông dụng như 304 thường không cứng hơn thép đen bao nhiêu, nhưng dai và chống gỉ tốt. Có những loại inox làm dao có thể làm cứng bằng nhiệt luyện, nhưng đó là nhóm riêng.
Ram thép là gì?
Ram là nung lại thép đã làm cứng ở nhiệt độ thấp hơn rồi để nguội, để giảm bớt độ giòn. Thép sau khi ram mất một ít độ cứng nhưng dai hơn nhiều. Mức ram phụ thuộc dụng cụ đó cần cứng hay cần dai.
Vì sao mũi khoan bị gãy chứ không cong?
Mũi khoan được làm rất cứng để cắt kim loại, nên độ dẻo thấp. Khi bị kẹt hoặc bị bẻ ngang, nó gãy thay vì cong. Giữ máy khoan thẳng và không ép quá lực là cách tránh.
Nhôm có nhiệt luyện được không?
Một số hợp kim nhôm được tăng bền bằng nhiệt luyện, nhưng cơ chế khác thép và cần kiểm soát nhiệt độ chính xác. Với xưởng nhỏ, cách thực tế là mua đúng loại nhôm có trạng thái mình cần ngay từ đầu.
Làm sao biết một chi tiết thép đã được làm cứng hay chưa?
Thử dũa ở chỗ không quan trọng: dũa trượt trên bề mặt là đã được làm cứng. Cách chính xác hơn là máy đo độ cứng ở xưởng gia công. Màu sắc bề mặt không phải là dấu hiệu đáng tin.
