Một mối ghép được siết đúng ở 25 °C không còn là mối ghép ấy khi thiết bị chạy lên 300 °C hay khi kho lạnh xuống −40 °C. Lực kẹp thay đổi, vật liệu thay đổi tính chất, và một số cơ chế hỏng chỉ xuất hiện ngoài dải nhiệt độ thường. Đây là chủ đề mà bảng tra lực siết thông thường hoàn toàn không đề cập tới.
Trước hết cần nói rõ phạm vi: ISO 898-1 xác định cơ tính của bulong thép ở nhiệt độ phòng. Tiêu chuẩn ấy không quy định tính năng cho làm việc ở nhiệt độ cao. Khi thiết kế cho nhiệt độ, phải chuyển sang các tiêu chuẩn vật liệu chuyên dụng như EN 10269 hoặc ASTM A193 / A320, nơi mỗi mác thép đi kèm giới hạn nhiệt độ và số liệu tương ứng.
Thép cacbon và thép hợp kim thấp giảm giới hạn chảy khi nóng lên. Điều đó nghĩa là lực kẹp mà bulong chịu được ở 300 °C thấp hơn ở nhiệt độ phòng, dù ta chưa làm gì cả. Với mối ghép nhiệt độ cao, giá trị dùng để tính không phải Rp0,2 ở nhiệt độ phòng mà là giới hạn chảy ở nhiệt độ làm việc, tra từ tiêu chuẩn vật liệu.
Ở nhiệt độ đủ cao, thép biến dạng chậm dưới ứng suất không đổi. Bulong bị kéo căng sẽ dài ra dần, và vì lực kẹp tỉ lệ với độ giãn đàn hồi, lực kẹp giảm dần theo thời gian dù không ai đụng vào. Đây là lý do bích nồi hơi và đường ống hơi phải siết lại theo lịch, và là lý do vật liệu bulong cho nhiệt độ cao được chọn theo khả năng chống rão chứ không chỉ theo độ bền.
Đây là cơ chế hay bị bỏ sót nhất và cũng dễ tính nhất. Thép cacbon giãn nở khoảng 11–12 × 10⁻⁶ trên mỗi độ K; thép không gỉ austenit giãn nở khoảng 16–17 × 10⁻⁶ — nhiều hơn khoảng một nửa. Hệ quả:
Ước lượng nhanh: độ giãn dài chênh lệch bằng Δα × ΔT × LK. Với Δα = 5 × 10⁻⁶/K, ΔT = 150 K và chiều dài kẹp 60 mm, chênh lệch là 0,045 mm. So với độ giãn dài do siết của một bulong M12 điển hình — vào cỡ 0,2 mm như tính ở bài ba cách siết bulong — thì 0,045 mm tương ứng khoảng một phần tư lực kẹp ban đầu. Không phải chi tiết nhỏ.
Lớp phủ hữu cơ, gioăng và đệm phi kim mềm đi hoặc phân hủy khi nóng, làm mất chiều dày và mất lực kẹp. Đai ốc khóa nylon là ví dụ rõ nhất: chốt hãm bằng nylon mất tác dụng khi vượt ngưỡng nhiệt độ làm việc của nó, và khi ấy đai ốc trở thành đai ốc thường.
| Dải nhiệt độ | Hướng chọn | Lưu ý |
|---|---|---|
| Tới khoảng 150 °C | Thép cấp 8.8, 10.9 thông thường | Cần xem lại lớp phủ và các chi tiết phi kim đi kèm. |
| 150 – 400 °C | Thép hợp kim chuyên dụng theo EN 10269 hoặc ASTM A193 nhóm B7, B16 | Bắt đầu phải tính rão; lên lịch siết lại. |
| Trên 400 °C | Thép không gỉ austenit chịu nhiệt hoặc hợp kim nền nickel | Chống rão và chống oxy hóa là tiêu chí chính, không phải độ bền ở nhiệt độ phòng. |
Ba lưu ý thi công cho mối ghép nóng: dùng chất chống kẹt chịu nhiệt vì bulong nóng lâu ngày rất khó tháo; ưu tiên bulong dài để chênh lệch giãn nở chiếm tỉ lệ nhỏ hơn trong tổng độ giãn; và đưa bước siết lại sau chu kỳ nhiệt đầu tiên vào quy trình chạy thử.
Ở nhiệt độ thấp, thép bền hơn nhưng giòn hơn. Rão và mất lực kẹp không còn là vấn đề; thay vào đó là phá hủy giòn: vết nứt lan nhanh, không có biến dạng dẻo báo trước, và có thể xảy ra ở tải thấp hơn nhiều so với khả năng chịu tải tĩnh.
Thép cacbon có một khoảng nhiệt độ chuyển tiếp dẻo – giòn. Trên khoảng đó, thép hấp thụ nhiều năng lượng va đập; dưới khoảng đó, nó vỡ như thủy tinh. Vì thế tiêu chuẩn cho chi tiết lắp xiết nhiệt độ thấp — như ASTM A320 mác L7 — quy định thử độ dai va đập (Charpy) ở nhiệt độ làm việc chứ không chỉ quy định độ bền kéo. Đây là điểm mấu chốt khi mua hàng: một bulong đạt cấp 8.8 ở nhiệt độ phòng không nói lên bất cứ điều gì về hành vi của nó ở −40 °C.
Vật liệu thường dùng cho nhiệt độ thấp:
Kèm theo là chênh lệch giãn nở theo chiều ngược lại: khi lạnh đi, bulong inox co nhiều hơn chi tiết thép, làm lực kẹp tăng. Với thiết bị vận hành ở nhiệt độ rất thấp, phần tăng này phải được cộng vào khi kiểm bền.
ISO 898-1 xác định cơ tính ở nhiệt độ phòng và không quy định tính năng cho nhiệt độ cao, nên câu trả lời phải lấy từ tiêu chuẩn khác. Trong thực hành, thép cấp 8.8 và 10.9 thường được dùng tới khoảng 150 °C mà không cần tính thêm; trên mức đó phải xét giảm bền và rão, và chuyển sang vật liệu theo EN 10269 hoặc ASTM A193.
Thường do ba nguyên nhân cộng lại: vật liệu giảm giới hạn chảy khi nóng, hiện tượng rão làm bulong dài dần dưới ứng suất, và chênh lệch giãn nở nếu bulong nở nhiều hơn chi tiết bị kẹp — trường hợp bulong inox kẹp chi tiết thép là ví dụ điển hình. Ngoài ra gioăng và lớp phủ phi kim mềm đi cũng làm mất chiều dày và mất lực kẹp.
Rất tốt về mặt độ dai. Thép không gỉ austenit không có khoảng chuyển tiếp dẻo – giòn nên giữ được độ dai va đập xuống nhiệt độ rất thấp, trong khi thép cacbon có thể trở nên giòn. Đổi lại phải chấp nhận cấp bền thấp hơn theo ISO 3506-1, và phải tính thêm phần lực kẹp tăng lên do inox co nhiều hơn thép khi lạnh.
Nên, và với thiết bị nhiệt độ cao thì gần như bắt buộc. Chu kỳ nhiệt đầu tiên làm lộ ra phần lún bề mặt, phần rão ban đầu và phần chênh lệch giãn nở. Siết lại sau chu kỳ đó khôi phục lực kẹp, và các chu kỳ tiếp theo thường ổn định hơn nhiều. Bước này nên nằm trong quy trình chạy thử, có ghi hồ sơ.