Austenitizing: Quá trình xử lý nhiệt quan trọng đối với các đặc tính của thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Austenit hóa là một quá trình xử lý nhiệt quan trọng trong đó thép được nung nóng đến nhiệt độ cao hơn điểm chuyển đổi tới hạn trên (A3 hoặc Acm) để tạo thành austenit, một cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt (FCC) của sắt. Quá trình này hòa tan các cacbua và biến đổi cấu trúc vi mô thành pha austenit đồng nhất, tạo nền tảng cho các quá trình xử lý nhiệt tiếp theo như tôi và ram.

Trong khoa học và kỹ thuật vật liệu, austenit hóa là bước cơ bản quyết định cấu trúc vi mô và tính chất cuối cùng của các thành phần thép. Quá trình này cho phép kiểm soát kích thước hạt, hòa tan các thành phần hợp kim và đồng nhất hóa cấu trúc vi mô.

Trong lĩnh vực luyện kim rộng hơn, austenitizing là một quy trình nền tảng bắc cầu giữa sản xuất thép chính và phát triển tính chất cuối cùng. Nó đóng vai trò là giai đoạn chuẩn bị cho hầu hết các hoạt động làm cứng và ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm cứng, độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn của sản phẩm thép thành phẩm.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ nguyên tử, austenit hóa liên quan đến quá trình biến đổi ferit lập phương tâm khối (BCC) và cacbua sắt thành austenit lập phương tâm mặt (FCC). Quá trình biến đổi đa hình này xảy ra khi các nguyên tử sắt sắp xếp lại vị trí tinh thể của chúng trong khi các nguyên tử cacbon di chuyển từ các hạt cacbua vào các vị trí xen kẽ trong mạng austenit.

Sự hòa tan của carbide giải phóng cacbon và các nguyên tố hợp kim vào ma trận austenit. Các nguyên tử cacbon chiếm các vị trí xen kẽ bát diện trong mạng FCC, gây ra sự biến dạng và giãn nở mạng. Đồng thời, các nguyên tố hợp kim thay thế phân phối lại khắp ma trận austenit.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính mô tả quá trình austenit hóa dựa trên động học chuyển đổi pha được kiểm soát bằng khuếch tán. Phương trình Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) tạo thành nền tảng để hiểu quá trình chuyển đổi phụ thuộc thời gian trong quá trình austenit hóa.

Theo truyền thống, sự hiểu biết về quá trình austenit hóa đã phát triển từ các quan sát thực nghiệm vào thế kỷ 19 thành các giải thích khoa học với sự phát triển của biểu đồ pha của Roozeboom và biểu đồ pha sắt-cacbon của Roberts-Austen vào đầu thế kỷ 20. Sự hiểu biết hiện đại kết hợp lý thuyết khuếch tán và nhiệt động lực học tính toán.

Các phương pháp tiếp cận lý thuyết khác nhau bao gồm các mô hình biến đổi đẳng nhiệt và các mô hình biến đổi gia nhiệt liên tục. Trong khi các mô hình đẳng nhiệt đơn giản hơn cho phân tích lý thuyết, các mô hình gia nhiệt liên tục thể hiện tốt hơn các hoạt động công nghiệp.

Cơ sở khoa học vật liệu

Austenit hóa liên quan trực tiếp đến cấu trúc tinh thể vì nó chuyển đổi cấu trúc BCC của ferit thành cấu trúc FCC của austenit. Sự chuyển đổi này làm thay đổi hệ số đóng gói nguyên tử từ 0,68 thành 0,74, làm tăng độ hòa tan của cacbon trong sắt.

Quá trình này ảnh hưởng đáng kể đến ranh giới hạt, với nhiệt độ austenit hóa cao hơn thúc đẩy sự phát triển của hạt. Ranh giới hạt trong austenit trở thành vùng năng lượng cao, nơi sự hòa tan cacbua xảy ra ưu tiên và đóng vai trò là các vị trí hình thành hạt trong quá trình chuyển đổi làm nguội tiếp theo.

Austenitizing kết nối với các nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản bao gồm cân bằng pha, động học khuếch tán và hiện tượng kết tinh lại. Nó minh họa cách các lực truyền động nhiệt động lực học và các quá trình động học tương tác để xác định sự tiến hóa vi cấu trúc trong các hệ thống kim loại.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Tỷ lệ austenit được hình thành trong quá trình austenit hóa đẳng nhiệt có thể được biểu thị bằng phương trình JMAK:

$$X = 1 - \exp(-kt^n)$$

Trong đó X là phần austenit biến đổi, k là hằng số tốc độ phụ thuộc nhiệt độ, t là thời gian và n là số mũ Avrami phản ánh cơ chế biến đổi.

Công thức tính toán liên quan

Sự phụ thuộc nhiệt độ của hằng số tốc độ tuân theo mối quan hệ Arrhenius:

$$k = k_0 \exp\left(-\frac{Q}{RT}\right)$$

Trong đó $k_0$ là hệ số tiền mũ, $Q$ là năng lượng hoạt hóa để hình thành austenit, $R$ là hằng số khí và $T$ là nhiệt độ tuyệt đối.

Sự tiến triển về kích thước hạt austenit trong quá trình austenit hóa có thể được ước tính bằng:

$$D = D_0 \exp\left(\frac{-Q_g}{RT}\right) \cdot t^{1/n_g}$$

Trong đó $D$ là đường kính hạt austenit, $D_0$ là hằng số vật liệu, $Q_g$ là năng lượng hoạt hóa cho sự phát triển của hạt, $t$ là thời gian và $n_g$ là số mũ phát triển của hạt (thường là 2-4).

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này có giá trị đối với điều kiện đẳng nhiệt và sự hình thành austenit đồng nhất. Chúng trở nên kém chính xác hơn đối với thép có hàm lượng hợp kim cao hoặc cấu trúc vi mô ban đầu phức tạp.

Điều kiện biên bao gồm phạm vi nhiệt độ trên A3 hoặc Acm nhưng dưới nhiệt độ solidus. Các mô hình giả định sự hòa tan hoàn toàn của carbide và phân phối carbon đồng nhất.

Các mô hình toán học này giả định quá trình gia nhiệt đồng đều, không có quá trình khử cacbon và các tác động không đáng kể từ quá trình xử lý trước đó. Các ứng dụng thực tế đòi hỏi phải có sự điều chỉnh để tính đến các điều kiện không đẳng nhiệt và tính không đồng nhất.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

ASTM A255: Phương pháp thử tiêu chuẩn để xác định độ cứng của thép, bao gồm các thông số austenit hóa cho thử nghiệm tôi cuối Jominy.

ISO 643: Thép - Xác định kích thước hạt biểu kiến ​​bằng kính hiển vi, bao gồm phép đo kích thước hạt austenit sau khi austenit hóa.

ASTM E112: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để xác định kích thước hạt trung bình, áp dụng để đánh giá kích thước hạt austenit.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Máy đo độ giãn nở đo những thay đổi về kích thước trong quá trình austenit hóa, phát hiện sự giãn nở thể tích liên quan đến quá trình chuyển đổi từ ferit sang austenit. Các thiết bị này cung cấp khả năng kiểm soát chính xác tốc độ gia nhiệt và nhiệt độ.

Phương pháp phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) đo lưu lượng nhiệt trong quá trình biến đổi, xác định nhiệt độ biến đổi quan trọng và những thay đổi năng lượng trong quá trình austenit hóa.

Đặc tính nâng cao sử dụng nhiễu xạ tia X hoặc nhiễu xạ neutron tại chỗ để quan sát trực tiếp những thay đổi về cấu trúc tinh thể trong quá trình austenit hóa theo thời gian thực.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu chuẩn thường bao gồm các mẫu hình trụ có đường kính 3-10 mm và chiều dài 10-25 mm để đo độ giãn nở hoặc các đĩa có đường kính 3-5 mm để phân tích DSC.

Chuẩn bị bề mặt đòi hỏi phải mài đến độ nhám 600 và làm sạch bằng axeton hoặc cồn để loại bỏ các chất gây ô nhiễm có thể ảnh hưởng đến quá trình biến đổi.

Mẫu vật phải đại diện cho vật liệu khối có lịch sử xử lý trước đó nhất quán. Đối với các nghiên cứu về kích thước hạt, mẫu vật phải được chuẩn bị để phát hiện ranh giới hạt austenit trước đó thông qua các kỹ thuật khắc chuyên dụng.

Thông số thử nghiệm

Nhiệt độ austenit hóa tiêu chuẩn nằm trong khoảng từ 750°C đến 1300°C tùy thuộc vào thành phần thép, trong đó hầu hết các loại thép kỹ thuật được austenit hóa ở nhiệt độ từ 850°C đến 950°C.

Tốc độ gia nhiệt thường dao động từ 0,1°C/giây đối với các nghiên cứu cân bằng đến 100°C/giây đối với mô phỏng các quy trình công nghiệp. Thời gian giữ thay đổi từ vài phút đến vài giờ tùy thuộc vào kích thước tiết diện và hàm lượng hợp kim.

Môi trường bảo vệ (argon, nitơ hoặc chân không) ngăn ngừa quá trình khử cacbon và oxy hóa trong quá trình thử nghiệm.

Xử lý dữ liệu

Việc thu thập dữ liệu chính bao gồm các phép đo chuyển đổi nhiệt độ-thời gian, ghi lại những thay đổi về kích thước, dấu hiệu nhiệt hoặc các mẫu nhiễu xạ.

Các phương pháp thống kê bao gồm nhiều phép đo để xác định nhiệt độ bắt đầu và kết thúc chuyển đổi với khoảng tin cậy 95%.

Giá trị cuối cùng được tính toán bằng cách áp dụng phương pháp tiếp tuyến vào đường cong giãn nở hoặc phân tích đỉnh cho dữ liệu nhiệt lượng để xác định nhiệt độ chuyển đổi quan trọng và các thông số động học.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi nhiệt độ austenitizing điển hình	Thời gian giữ	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép cacbon thấp (<0,3% C)	880-930°C	15-30 phút	Tiêu chuẩn ASTMA29
Thép các bon trung bình (0,3-0,6% C)	830-870°C	20-45 phút	Tiêu chuẩn ASTMA29
Thép Cacbon Cao (>0,6% C)	800-850°C	30-60 phút	Tiêu chuẩn ASTMA29
Thép công cụ	1000-1200°C	15-60 phút	Tiêu chuẩn ASTMA681

Sự khác biệt trong mỗi phân loại chủ yếu phụ thuộc vào hàm lượng hợp kim, trong đó thép hợp kim cao hơn thường cần nhiệt độ cao hơn hoặc thời gian dài hơn để hòa tan các hợp kim cacbua phức tạp.

Trong các ứng dụng thực tế, các giá trị này đóng vai trò là điểm khởi đầu có thể cần điều chỉnh dựa trên kích thước mặt cắt, cấu trúc vi mô trước đó và các đặc tính cuối cùng mong muốn.

Đối với các loại thép khác nhau, có xu hướng chung là giảm nhiệt độ austenit hóa khi tăng hàm lượng cacbon, trong khi các nguyên tố hợp kim thường đòi hỏi nhiệt độ cao hơn hoặc thời gian dài hơn.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư tính đến các thông số austenit hóa khi chỉ định các quy trình xử lý nhiệt, đảm bảo chuyển đổi hoàn toàn đồng thời giảm thiểu sự phát triển và biến dạng của hạt.

Các yếu tố an toàn trong quá trình austenit hóa thường bao gồm nhiệt độ vượt quá 20-30°C so với nhiệt độ biến đổi được tính toán để đảm bảo quá trình austenit hóa hoàn toàn trong toàn bộ cấu kiện.

Quyết định lựa chọn vật liệu xem xét các yêu cầu về austenit hóa, với hình dạng phức tạp ưu tiên các loại thép yêu cầu nhiệt độ austenit hóa thấp hơn để giảm thiểu rủi ro biến dạng.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Trong sản xuất ô tô, quá trình austenit hóa rất quan trọng để sản xuất các bộ phận có độ bền cao như bánh răng và trục, trong đó việc kiểm soát chính xác các thông số austenit hóa đảm bảo phân bổ độ cứng và khả năng chống mài mòn đồng đều.

Các ứng dụng hàng không vũ trụ đòi hỏi phải kiểm soát austenit hóa nghiêm ngặt đối với các thành phần quan trọng như bánh đáp và các bộ phận tuabin, trong đó việc kiểm soát kích thước hạt và hòa tan hoàn toàn cacbua là điều cần thiết để chống mỏi.

Sản xuất dụng cụ và khuôn mẫu dựa vào quá trình austenit hóa được kiểm soát cẩn thận để cân bằng độ cứng, khả năng chống mài mòn và độ dẻo dai trong các dụng cụ cắt, khuôn tạo hình và dao công nghiệp.

Đánh đổi hiệu suất

Nhiệt độ austenit hóa cao hơn làm tăng khả năng tôi luyện và đảm bảo hòa tan hoàn toàn các cacbua nhưng lại thúc đẩy sự phát triển của hạt austenit có thể làm giảm độ dẻo dai và khả năng chống mỏi.

Thời gian austenit hóa dài hơn sẽ cải thiện tính đồng nhất nhưng lại làm tăng mức tiêu thụ năng lượng, giảm năng suất và có thể gây ra hiện tượng thoát cacbon bề mặt hoặc đóng cặn quá mức.

Các kỹ sư cân bằng các yêu cầu cạnh tranh này bằng cách tối ưu hóa các chu trình austenit hóa cho các thành phần cụ thể, đôi khi sử dụng các quy trình austenit hóa theo từng bước kết hợp tiếp xúc ngắn ở nhiệt độ cao với thời gian giữ lâu hơn ở nhiệt độ thấp hơn.

Phân tích lỗi

Quá trình austenit hóa không hoàn toàn thường dẫn đến các điểm mềm trong các thành phần đã tôi cứng, xuất phát từ các vùng mà hàm lượng cacbon trong austenit không đủ để chuyển đổi martensitic hoàn toàn trong quá trình tôi.

Cơ chế hỏng hóc này tiến triển từ quá trình hòa tan cacbua không đủ trong quá trình austenit hóa đến sự hình thành martensit không đồng nhất, cuối cùng gây ra hiện tượng mài mòn sớm hoặc hỏng do mỏi trong quá trình sử dụng.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm lựa chọn nhiệt độ thích hợp dựa trên thành phần hợp kim, thời gian giữ thích hợp theo độ dày của mặt cắt và xác minh thông qua thử nghiệm độ cứng hoặc kiểm tra kim loại học.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng cacbon ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ austenit hóa cần thiết, thép cacbon cao hơn chuyển đổi ở nhiệt độ thấp hơn nhưng cần thời gian dài hơn để hòa tan cacbua.

Các nguyên tố vi lượng như bo có thể phân tách thành ranh giới hạt austenit trong quá trình austenit hóa, làm tăng đáng kể khả năng tôi luyện ngay cả ở nồng độ dưới 0,005%.

Tối ưu hóa thành phần thường liên quan đến việc cân bằng các nguyên tố tạo thành cacbua (Cr, Mo, V) đòi hỏi nhiệt độ austenit hóa cao hơn với chất tinh chế hạt (Nb, Ti, Al) hạn chế sự phát triển của hạt.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt ban đầu ảnh hưởng đến động học austenit hóa, với các cấu trúc ban đầu mịn hơn chuyển đổi nhanh hơn do mật độ vị trí hạt tăng lên ở ranh giới hạt.

Sự phân bố pha trong cấu trúc vi mô ban đầu ảnh hưởng đến tính đồng nhất của quá trình biến đổi, với các cấu trúc hình cầu cần thời gian austenit hóa lâu hơn so với điều kiện chuẩn hóa hoặc tôi và ram.

Các tạp chất phi kim loại và các khuyết tật có từ trước có thể làm kẹt ranh giới hạt austenit trong quá trình austenit hóa, ảnh hưởng đến kích thước và sự phân bố hạt cuối cùng.

Xử lý ảnh hưởng

Các phương pháp xử lý nhiệt trước đây thiết lập cấu trúc vi mô ban đầu cho quá trình austenit hóa, với các cấu trúc ủ đòi hỏi thời gian austenit hóa lâu hơn so với điều kiện chuẩn hóa.

Làm nguội trước khi austenit hóa làm tăng năng lượng được lưu trữ trong cấu trúc vi mô, đẩy nhanh quá trình hình thành austenit và có khả năng dẫn đến sự phát triển hạt bất thường nếu không được kiểm soát đúng cách.

Tốc độ gia nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến động học chuyển đổi, trong khi gia nhiệt nhanh có khả năng khiến cacbua hòa tan không hoàn toàn mặc dù đã đạt đến nhiệt độ mục tiêu.

Các yếu tố môi trường

Thành phần khí quyển austenit hóa ảnh hưởng trực tiếp đến hàm lượng cacbon bề mặt, trong đó khí quyển cacbon hóa làm tăng hàm lượng cacbon và khí quyển oxy hóa làm giảm hàm lượng cacbon bề mặt.

Độ ẩm trong lò có thể đưa hydro vào thép trong quá trình austenit hóa, có khả năng gây nứt chậm sau quá trình tôi sau đó.

Thời gian giữ kéo dài ở nhiệt độ austenit hóa có thể dẫn đến các hiện tượng phụ thuộc vào thời gian như sự phát triển của hạt, sự phân tách nguyên tố và sự kết tủa các hợp chất phức tạp ở ranh giới hạt.

Phương pháp cải tiến

Quá trình tinh chế hạt thông qua hợp kim vi mô với các nguyên tố như niobi, titan hoặc nhôm tạo ra chất kết tủa hạn chế sự phát triển của hạt austenit trong quá trình austenit hóa.

Các quy trình gia nhiệt có kiểm soát như austenit hóa từng bước có thể tối ưu hóa quá trình hòa tan cacbua đồng thời giảm thiểu sự phát triển của hạt bằng cách giữ nhiệt độ thấp ban đầu sau đó tiếp xúc trong thời gian ngắn hơn ở nhiệt độ cao hơn.

Các chu trình austenit hóa được điều khiển bằng máy tính với khả năng giám sát thời gian thực có thể tối ưu hóa hiệu suất bằng cách điều chỉnh các thông số dựa trên hành vi biến đổi thực tế thay vì các công thức nhiệt độ-thời gian cố định.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Đồng nhất hóa là quá trình đạt được thành phần đồng nhất trong toàn bộ austenit trong quá trình austenit hóa, đặc biệt quan trọng đối với thép hợp kim có vấn đề về phân tách.

Sự phát triển của hạt mô tả sự gia tăng kích thước hạt austenit trong quá trình giữ ở nhiệt độ austenit hóa, ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính cơ học sau quá trình xử lý nhiệt tiếp theo.

Kích thước hạt austenit trước (PAGS) biểu thị cấu trúc hạt austenit tồn tại ở nhiệt độ cao trước khi chuyển đổi trong quá trình làm nguội, thường được phát hiện thông qua các kỹ thuật khắc chuyên dụng.

Các thuật ngữ này là những khía cạnh có mối liên hệ với nhau của quá trình austenit hóa, cùng nhau xác định hiệu quả của các phương pháp xử lý nhiệt tiếp theo và các tính chất cuối cùng.

Tiêu chuẩn chính

ASTM A1033 cung cấp thông lệ tiêu chuẩn để đo định lượng cấu trúc vi mô của thép, bao gồm các phương pháp để phát hiện và đo kích thước hạt austenit trước đó sau khi austenit hóa.

SAE J406 bao gồm các phương pháp xác định độ cứng của thép, chỉ định các thông số austenit hóa tiêu chuẩn cho các loại thép khác nhau được sử dụng trong các ứng dụng ô tô.

ISO 9950 và ASTM D6200 nêu chi tiết các phương pháp xác định đặc tính làm mát của môi trường tôi, liên quan trực tiếp đến tốc độ làm mát sau khi austenit hóa.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào mô hình tính toán các quá trình austenit hóa sử dụng phương pháp trường pha và CALPHAD để dự đoán sự tiến hóa của cấu trúc vi mô với độ chính xác cao hơn.

Các công nghệ mới nổi bao gồm austenit hóa bằng laser để xử lý bề mặt và austenit hóa cảm ứng với sự điều khiển chính xác của máy tính để tối ưu hóa thời gian chu kỳ và hiệu quả năng lượng.

Những phát triển trong tương lai có thể sẽ tích hợp công nghệ giám sát thời gian thực với trí tuệ nhân tạo để tạo ra các quy trình austenit hóa thích ứng, tự động điều chỉnh các thông số dựa trên các phép đo tại chỗ về tiến trình chuyển đổi.