Làm cứng: Tăng cường độ bền của thép thông qua các quy trình xử lý nhiệt

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Làm cứng là một quá trình xử lý nhiệt được áp dụng cho hợp kim sắt để tăng độ cứng và độ bền của chúng bằng cách biến đổi cấu trúc vi mô thông qua các hoạt động gia nhiệt và làm nguội có kiểm soát. Quá trình này bao gồm việc nung thép đến nhiệt độ cao hơn điểm chuyển đổi quan trọng của nó, giữ ở nhiệt độ đó để đạt được quá trình austenit hóa hoàn toàn hoặc một phần, sau đó làm nguội nhanh (làm nguội) với tốc độ đủ để tạo thành martensite hoặc bainite. Quá trình chuyển đổi này về cơ bản làm thay đổi các tính chất cơ học của vật liệu, làm tăng đáng kể độ cứng, giới hạn chảy và khả năng chống mài mòn.

Trong bối cảnh rộng hơn của ngành luyện kim, tôi luyện là một trong những quy trình xử lý nhiệt quan trọng nhất giúp thép đạt được tính linh hoạt đáng chú ý của nó như một vật liệu kỹ thuật. Nó đóng vai trò là nền tảng cho nhiều ứng dụng công nghiệp đòi hỏi độ bền cao, khả năng chống mài mòn và độ bền. Khả năng làm cứng thép thông qua các quy trình nhiệt tương đối đơn giản đã đóng vai trò trung tâm trong sự tiến bộ công nghệ kể từ Thời đại đồ sắt, khiến nó trở thành một khái niệm nền tảng trong kỹ thuật vật liệu.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, quá trình tôi luyện liên quan đến quá trình biến đổi pha trạng thái rắn, trong đó austenit lập phương tâm mặt (FCC) chuyển thành martensite tứ phương tâm khối (BCT). Trong quá trình làm nguội nhanh, các nguyên tử cacbon bị mắc kẹt trong mạng lưới sắt, gây ra sự biến dạng và ngăn cản sự hình thành cấu trúc ferit lập phương tâm khối (BCC) cân bằng. Sự biến dạng mạng lưới này tạo ra nhiều sai lệch và ứng suất bên trong cản trở chuyển động sai lệch tiếp theo.

Biến đổi martensitic xảy ra thông qua cơ chế không khuếch tán, loại cắt, trong đó các chuyển động nguyên tử được phối hợp tạo ra cấu trúc tinh thể mới mà không cần khuếch tán tầm xa. Biến đổi này tạo ra hình thái dạng thanh hoặc tấm đặc trưng tùy thuộc vào hàm lượng cacbon. Cấu trúc vi mô kết quả chứa mật độ lệch vị trí cao và tinh thể mịn có hiệu quả ngăn chặn chuyển động lệch vị trí, do đó tăng độ cứng và độ bền.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính mô tả quá trình tôi thép là sơ đồ Thời gian-Nhiệt độ-Biến đổi (TTT), sơ đồ này lập bản đồ mối quan hệ giữa nhiệt độ, thời gian và sự tiến hóa của cấu trúc vi mô trong quá trình biến đổi đẳng nhiệt. Sau đó, sơ đồ này được bổ sung bằng sơ đồ Biến đổi làm mát liên tục (CCT), sơ đồ này thể hiện tốt hơn các quá trình tôi luyện trong công nghiệp.

Sự hiểu biết về quá trình tôi luyện đã phát triển đáng kể từ kiến ​​thức rèn thực nghiệm thành lý thuyết khoa học vào đầu thế kỷ 20. Công trình tiên phong của Bain và Davenport vào những năm 1930 đã thiết lập nên sơ đồ TTT toàn diện đầu tiên, trong khi nghiên cứu sau đó của Koistinen và Marburger đã phát triển các mô hình định lượng cho động học chuyển đổi martensitic.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại kết hợp nhiệt động lực học tính toán thông qua phương pháp CALPHAD (TÍNH TOÁN Biểu đồ pha) và mô hình trường pha để dự đoán sự tiến hóa của cấu trúc vi mô trong quá trình tôi luyện với độ chính xác cao hơn.

Cơ sở khoa học vật liệu

Quá trình làm cứng về cơ bản liên quan đến các biến đổi cấu trúc tinh thể, trong đó austenit FCC biến đổi thành martensite BCT. Quá trình biến đổi này tạo ra một mạng lưới có độ căng cao với nhiều vị trí sai lệch giúp tăng cường vật liệu thông qua các cơ chế làm cứng ứng suất. Mật độ vị trí sai lệch cao có hiệu quả ghim các vị trí sai lệch hiện có, đòi hỏi ứng suất cao hơn để bắt đầu biến dạng dẻo.

Hiệu quả của quá trình tôi luyện phụ thuộc rất nhiều vào kích thước hạt và ranh giới hạt austenite trước đó. Các hạt austenite mịn hơn thường tạo ra các gói và khối martensite mịn hơn, tăng cường độ bền thông qua các cơ chế gia cố ranh giới hạt được mô tả bởi mối quan hệ Hall-Petch.

Quá trình làm cứng minh họa một số nguyên tắc cốt lõi của khoa học vật liệu, bao gồm chuyển đổi pha, động học khuếch tán và mối quan hệ cấu trúc-tính chất. Quá trình này chứng minh cách thao tác có kiểm soát cấu trúc vi mô có thể thay đổi đáng kể các tính chất cơ học vĩ mô, minh họa mối liên hệ cơ bản giữa sự sắp xếp nguyên tử và hiệu suất kỹ thuật.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Độ cứng đạt được thông qua quá trình tôi có thể được ước tính bằng phương trình Maynier về độ cứng của martensit:

$$HV_M = 127 + 949C + 27Si + 11Mn + 8Ni + 16Cr + 21\log(V_r)$$

Ở đâu:
- $HV_M$ là độ cứng Vickers của martensit
- $C, Si, Mn, Ni, Cr$ là phần trăm khối lượng của các nguyên tố này
- $V_r$ là tốc độ làm mát ở 700°C tính bằng °C/h

Công thức tính toán liên quan

Phần thể tích của martensit hình thành trong quá trình tôi có thể được tính toán bằng phương trình Koistinen-Marburger:

$$f_m = 1 - \exp[-b(M_s - T)]$$

Ở đâu:
- $f_m$ là phần thể tích của mactenxit
- $b$ là hằng số vật liệu (thường là 0,011 K⁻¹ đối với nhiều loại thép)
- $M_s$ là nhiệt độ bắt đầu của martensit tính bằng Kelvin
- $T$ là nhiệt độ làm nguội tính bằng Kelvin

Nhiệt độ ban đầu của martensit có thể được ước tính bằng phương trình tuyến tính của Andrews:

$$M_s(°C) = 539 - 423C - 30,4Mn - 12,1Cr - 17,7Ni - 7,5Mo$$

Trong đó các nguyên tố hóa học biểu thị phần trăm trọng lượng của chúng trong thép.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này thường có giá trị đối với thép cacbon thấp đến trung bình (0,1-0,6 wt% C) với nồng độ nguyên tố hợp kim điển hình. Phương trình Maynier trở nên kém chính xác hơn đối với thép hợp kim cao hoặc thép chứa các nguyên tố tạo thành cacbua mạnh như vanadi hoặc vonfram.

Phương trình Koistinen-Marburger giả định các điều kiện làm nguội lý tưởng và trở nên kém chính xác hơn khi sự hình thành bainite đáng kể xảy ra trong quá trình làm nguội. Nó cũng không tính đến các cơ chế ổn định austenite được giữ lại ngoài các hiệu ứng nhiệt độ đơn giản.

Các mô hình này giả định thành phần austenit đồng nhất trước khi tôi và không tính đến sự phân tách vi mô, điều này có thể ảnh hưởng đáng kể đến khả năng tôi cứng cục bộ trong vật liệu đúc hoặc vật liệu phân tách nặng.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

• ASTM E18: Phương pháp thử tiêu chuẩn cho độ cứng Rockwell của vật liệu kim loại
• ASTM E92: Phương pháp thử tiêu chuẩn cho độ cứng Vickers của vật liệu kim loại
• ASTM E384: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn cho độ cứng vi vết lõm của vật liệu
• ISO 6508: Vật liệu kim loại — Thử độ cứng Rockwell
• ISO 6507: Vật liệu kim loại — Thử độ cứng Vickers

ASTM E18 và ISO 6508 bao gồm thử nghiệm độ cứng vĩ mô sử dụng phương pháp Rockwell, trong khi ASTM E92 và ISO 6507 trình bày chi tiết các quy trình thử nghiệm độ cứng Vickers, đặc biệt hữu ích đối với thép đã tôi do có phạm vi đo rộng hơn.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Kiểm tra độ cứng của thép tôi thường sử dụng phương pháp dựa trên vết lõm bằng máy kiểm tra độ cứng chuyên dụng. Máy kiểm tra độ cứng Rockwell tác dụng một lực được xác định trước qua đầu kim cương hình nón hoặc đầu bi thép tôi, đo độ sâu thâm nhập để xác định độ cứng.

Máy kiểm tra độ cứng vi mô Vickers và Knoop sử dụng đầu kim tự tháp kim cương và đo kích thước đường chéo của vết in kết quả dưới kính hiển vi. Các phương pháp này cho phép lập bản đồ độ cứng chính xác trên các đặc điểm cấu trúc vi mô.

Đặc tính nâng cao có thể bao gồm các hệ thống nanoindentation cung cấp dữ liệu tải trọng-biến dạng liên tục trong quá trình lõm, cho phép xác định mô đun đàn hồi và độ cứng ở cấp độ nano.

Yêu cầu mẫu

Mẫu có độ cứng tiêu chuẩn yêu cầu bề mặt phẳng, song song với độ nhám bề mặt thường nhỏ hơn 0,8μm Ra. Độ dày tối thiểu phải gấp ít nhất 10 lần độ sâu vết lõm để tránh ảnh hưởng đến chất nền.

Chuẩn bị bề mặt thường bao gồm việc mài bằng chất mài mòn mịn hơn theo thứ tự sau đó là đánh bóng để đạt được bề mặt giống như gương, đặc biệt là đối với thử nghiệm độ cứng vi mô. Bất kỳ lớp khử cacbon nào cũng phải được loại bỏ để có được kết quả đọc chính xác về cấu trúc cứng thực sự.

Mẫu vật phải không có chất bôi trơn, cặn hoặc vật lạ và phải đại diện cho các phần quan trọng của thành phần. Đối với các thành phần được tôi cứng, thử nghiệm thường được thực hiện trên các mặt cắt ngang.

Thông số thử nghiệm

Kiểm tra tiêu chuẩn thường được tiến hành ở nhiệt độ phòng (23±5°C) trong điều kiện độ ẩm được kiểm soát để ngăn ngừa tác động oxy hóa bề mặt. Đối với các ứng dụng chuyên biệt, có thể thực hiện kiểm tra độ cứng ở nhiệt độ cao.

Tốc độ ứng dụng tải trọng lõm được chuẩn hóa (thường là 2-8 giây cho ứng dụng tải trọng) để đảm bảo tính nhất quán. Thời gian dừng (thời gian dưới tải trọng tối đa) thường là 10-15 giây cho thử nghiệm tiêu chuẩn.

Vị trí thử nghiệm phải duy trì yêu cầu về khoảng cách tối thiểu giữa các vết lõm (thường gấp 3-5 lần đường kính vết lõm) và từ các cạnh mẫu vật (thường gấp 2,5 lần đường kính vết lõm).

Xử lý dữ liệu

Các phép đo độ cứng thường bao gồm nhiều phép đo (tối thiểu 5) tại các vị trí khác nhau để tính đến tính không đồng nhất về cấu trúc vi mô. Phân tích thống kê bao gồm tính toán các giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và khoảng tin cậy.

Đối với các thành phần được tôi cứng, dữ liệu độ cứng được biểu diễn theo độ sâu từ bề mặt để xác định độ sâu của vỏ, thường được định nghĩa là độ sâu mà độ cứng bằng 550HV hoặc 50HRC.

Việc chuyển đổi giữa các thang độ cứng khác nhau (Rockwell, Vickers, Brinell) được thực hiện bằng cách sử dụng các bảng chuyển đổi chuẩn hóa trong ASTM E140 hoặc ISO 18265, mặc dù các phép chuyển đổi này có những hạn chế cố hữu về độ chính xác.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép cacbon thấp (1018, 1020)	20-30HRC	Dầu được làm nguội từ 870°C	Tiêu chuẩn ASTMA370
Thép Cacbon Trung Bình (1045, 1050)	50-60HRC	Nước được làm nguội từ 845°C	Tiêu chuẩn ASTMA370
Thép công cụ (D2, A2)	58-65 HRC	Dầu được làm nguội từ 1010°C	Tiêu chuẩn ASTMA681
Thép chịu lực (52100)	60-67 HRC	Dầu được làm nguội từ 845°C	Tiêu chuẩn ASTMA295

Sự khác biệt trong mỗi phân loại thép chủ yếu là do sự khác biệt về hàm lượng carbon, các nguyên tố hợp kim và kích thước tiết diện. Hàm lượng carbon cao hơn thường cho phép độ cứng tối đa cao hơn, trong khi các nguyên tố hợp kim chủ yếu ảnh hưởng đến khả năng tôi luyện (độ sâu của quá trình tôi luyện).

Các giá trị này biểu thị độ cứng tối đa có thể đạt được sau khi tôi đúng cách. Độ cứng thực tế của thành phần có thể thấp hơn do tốc độ làm mát không đủ ở các phần dày hơn hoặc nếu sau đó thực hiện quá trình tôi luyện để cải thiện độ dẻo dai với cái giá phải trả là một số độ cứng.

Xu hướng chung trên các loại thép cho thấy độ cứng tối đa có thể đạt được tăng theo hàm lượng carbon lên đến khoảng 0,6%, ngoài ra, lượng carbon bổ sung chủ yếu làm tăng phần thể tích của cacbua thay vì làm tăng thêm độ cứng của nền.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư thường chỉ định phạm vi độ cứng thay vì giá trị chính xác, tính đến sự không chắc chắn của phép đo và sự thay đổi quy trình thông thường. Các yếu tố an toàn cho các ứng dụng quan trọng về độ cứng thường liên quan đến việc chỉ định giá trị độ cứng tối thiểu cao hơn 2-5 điểm HRC so với yêu cầu thực tế.

Quyết định lựa chọn vật liệu thường cân bằng giữa yêu cầu về độ cứng với độ dẻo dai, khả năng gia công và cân nhắc về chi phí. Thép tôi xuyên suốt được lựa chọn khi cần các đặc tính đồng nhất trên toàn bộ, trong khi các cấp độ tôi vỏ được ưu tiên khi cần lõi cứng với bề mặt cứng.

Các nhà thiết kế phải tính đến những thay đổi về kích thước trong quá trình tôi luyện, thường là độ giãn nở tuyến tính 0,1-0,3% đối với các thành phần được tôi luyện xuyên suốt. Các kích thước quan trọng thường được hoàn thiện sau khi xử lý nhiệt để thích ứng với những thay đổi này.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Trong ngành công nghiệp ô tô, thép cứng là vật liệu thiết yếu cho các bộ phận truyền động như bánh răng, trục và ổ trục, nơi cần ứng suất tiếp xúc cao và khả năng chống mài mòn. Độ cứng bề mặt thường vượt quá 58 HRC cho các ứng dụng này, với các yêu cầu về độ sâu vỏ cụ thể dựa trên điều kiện tải.

Ngành công nghiệp dụng cụ phụ thuộc rất nhiều vào thép tôi cứng cho các dụng cụ cắt, khuôn và khuôn đúc. Các ứng dụng này đòi hỏi độ cứng cực cao (60-65 HRC) kết hợp với độ dẻo dai đủ để chống mẻ trong điều kiện tải trọng va đập.

Các thành phần cơ sở hạ tầng như đường ray xe lửa và các bộ phận thiết bị hạng nặng sử dụng thép cứng để chịu được mài mòn và tải trọng va đập cực độ. Các ứng dụng này thường sử dụng các thành phần và chế biến chuyên dụng để đạt được sự kết hợp tối ưu giữa độ cứng, độ bền và khả năng chống chịu môi trường.

Sự đánh đổi về hiệu suất

Độ cứng và độ dẻo dai thường biểu hiện mối quan hệ nghịch đảo trong thép tôi. Khi độ cứng tăng, khả năng chống va đập và độ dẻo dai gãy thường giảm, đòi hỏi phải cân bằng cẩn thận cho các ứng dụng liên quan đến tải va đập hoặc sốc.

Khả năng gia công giảm đáng kể khi độ cứng tăng. Các thành phần cần gia công nhiều thường được gia công ở trạng thái ủ và sau đó được làm cứng hoặc được tôi luyện ở mức độ cứng trung gian cho phép các hoạt động gia công hạn chế.

Các nhà thiết kế phải cân bằng khả năng chống mài mòn với hiệu suất chống mỏi. Trong khi độ cứng cao hơn thường cải thiện khả năng chống mài mòn, độ cứng quá cao có thể làm giảm độ bền mỏi do độ nhạy khía tăng và khả năng phân phối lại ứng suất giảm.

Phân tích lỗi

Nứt nguội là một chế độ hỏng hóc phổ biến trong các thành phần đã tôi, xảy ra khi ứng suất nhiệt hoặc ứng suất biến đổi vượt quá độ bền gãy của vật liệu trong quá trình tôi. Các vết nứt này thường theo ranh giới hạt austenit trước đó và thường bắt nguồn từ các góc nhọn hoặc chuyển tiếp tiết diện.

Độ sâu tôi luyện không đủ có thể dẫn đến hỏng hóc mỏi dưới bề mặt, đặc biệt là trong các ứng dụng tiếp xúc lăn. Cơ chế hỏng hóc liên quan đến sự khởi đầu vết nứt bên dưới lớp tôi luyện, nơi ứng suất cắt là tối đa nhưng độ bền vật liệu thấp hơn.

Những rủi ro này có thể được giảm thiểu thông qua việc lựa chọn thép phù hợp, thiết kế linh kiện với quá trình chuyển đổi tiết diện dần dần, quy trình tôi có kiểm soát và ủ sau khi tôi để giảm ứng suất dư trong khi vẫn duy trì độ cứng thích hợp.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng carbon là yếu tố chính quyết định độ cứng tối đa có thể đạt được, với khoảng 0,6% carbon cho phép đạt giá trị độ cứng lên đến 65 HRC. Hàm lượng carbon cao hơn làm tăng khả năng chống mài mòn thông qua các phân số thể tích cacbua cao hơn nhưng có thể làm giảm độ dẻo dai.

Crom, molypden và mangan làm tăng đáng kể khả năng tôi luyện bằng cách làm chậm quá trình hình thành peclit và bainit trong quá trình làm nguội, cho phép hình thành martensit ở tốc độ làm nguội chậm hơn. Điều này cho phép tôi luyện ở các phần lớn hơn hoặc với chất làm nguội ít nghiêm trọng hơn.

Các nguyên tố vi lượng như bo (30-90 ppm) làm tăng đáng kể khả năng tôi luyện với tác động tối thiểu đến các tính chất khác, trong khi phốt pho và lưu huỳnh thường làm giảm khả năng tôi luyện và có thể thúc đẩy quá trình nứt nguội thông qua sự phân tách thành ranh giới hạt.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt austenite trước đó ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng tôi luyện. Các hạt austenite mịn hơn tạo ra các gói martensit mịn hơn, cải thiện độ dẻo dai trong khi vẫn duy trì độ cứng. Tuy nhiên, các hạt quá mịn có thể làm giảm khả năng tôi luyện bằng cách tăng tổng diện tích ranh giới hạt tạo điều kiện cho sự hình thành hạt của các sản phẩm chuyển đổi không phải martensit.

Sự phân bố pha trước khi tôi sẽ ảnh hưởng đến các tính chất cuối cùng. Sự phân bố cacbua đồng đều trong cấu trúc vi mô ban đầu thúc đẩy sự phân bố cacbon đồng đều trong austenit, tạo ra độ cứng đồng đều hơn sau khi tôi.

Các tạp chất phi kim loại hoạt động như chất tập trung ứng suất trong quá trình tôi và có thể gây ra các vết nứt khi tôi. Chúng cũng tạo ra các điểm mềm cục bộ trong cấu trúc vi mô đã được tôi cứng, có khả năng trở thành các điểm khởi đầu hỏng hóc trong điều kiện sử dụng.

Xử lý ảnh hưởng

Nhiệt độ và thời gian austenit hóa kiểm soát lượng cacbon hòa tan trong austenit. Nhiệt độ cao hơn làm tăng cacbon hòa tan nhưng thúc đẩy sự phát triển của hạt austenit, trong khi thời gian dài hơn đảm bảo sự đồng nhất nhưng có thể gây ra sự khử cacbon trong môi trường không được bảo vệ.

Lựa chọn chất làm nguội ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ làm nguội và độ cứng kết quả. Nước cung cấp tốc độ làm nguội nhanh nhất nhưng rủi ro biến dạng cao nhất, trong khi dầu cung cấp tốc độ làm nguội vừa phải với độ biến dạng thấp hơn. Chất làm nguội polyme và bồn muối cung cấp tốc độ làm nguội trung gian với khả năng kiểm soát được cải thiện.

Tốc độ làm mát đồng đều là yếu tố quan trọng để giảm thiểu nguy cơ biến dạng và nứt. Việc khuấy, định hướng bộ phận thích hợp và thiết kế đồ gá phù hợp đều góp phần làm mát đồng đều trong quá trình tôi.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ vận hành ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của thép tôi. Độ cứng bắt đầu giảm đáng kể ở trên 150°C do hiệu ứng tôi luyện, với sự mềm hóa đáng kể xảy ra ở trên 400°C khi martensit phân hủy thành ferit và cacbua.

Môi trường ăn mòn có thể đẩy nhanh quá trình hỏng hóc thông qua cơ chế giòn do hydro, đặc biệt là ở thép có độ cứng cao (trên 50 HRC). Hiệu ứng này trở nên trầm trọng hơn trong điều kiện tải tĩnh.

Sự làm mềm theo thời gian có thể xảy ra ngay cả ở nhiệt độ vừa phải thông qua các quá trình lão hóa nhiệt. Điều này đặc biệt liên quan đến các ứng dụng gia công trong đó quá trình gia nhiệt theo chu kỳ xảy ra trong quá trình vận hành.

Phương pháp cải tiến

Quá trình thấm cacbon hoặc thấm cacbonit có kiểm soát trước khi làm cứng có thể tạo ra các gradient cacbon/nitơ được tối ưu hóa giúp tăng cường độ cứng bề mặt trong khi vẫn duy trì độ bền lõi. Các quy trình này đặc biệt có giá trị đối với các thành phần chịu mỏi và mài mòn khi tiếp xúc.

Các quy trình tôi luyện kép hoặc ba có thể cải thiện đáng kể độ dẻo dai trong khi vẫn duy trì mức độ cứng chấp nhận được. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả đối với thép cacbon cao và thép hợp kim cao, nơi cần quản lý quá trình chuyển đổi austenit giữ lại.

Xử lý đông lạnh sau khi tôi có thể tăng cường độ ổn định độ cứng bằng cách chuyển đổi austenit giữ lại thành martensite. Quy trình này thường được áp dụng cho các ứng dụng gia công chính xác và ổ trục, nơi độ ổn định kích thước là rất quan trọng.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Độ cứng đề cập đến khả năng của thép tạo thành martensite ở độ sâu cụ thể khi được làm nguội trong điều kiện nhất định. Không giống như độ cứng (đo khả năng chống lại vết lõm), độ cứng mô tả mức độ thép có thể được làm cứng sâu đến mức nào và thường được đánh giá bằng thử nghiệm tôi cuối Jominy.

Tôi luyện là quá trình xử lý nhiệt sau khi tôi luyện được thực hiện ở nhiệt độ từ 150-650°C giúp giảm độ cứng trong khi cải thiện độ dẻo dai. Quá trình này làm giảm ứng suất bên trong, phân hủy martensite thành các cấu trúc ổn định hơn và kết tủa các cacbua mịn.

Quá trình tôi cứng bao gồm các quá trình như thấm cacbon, thấm nitơ và tôi cảm ứng tạo ra lớp bề mặt cứng trên lõi cứng. Các quá trình này được phân biệt với quá trình tôi cứng xuyên suốt bằng cách phát triển có chủ đích các gradient tính chất từ ​​bề mặt đến lõi.

Tiêu chuẩn chính

ASTM A255 "Phương pháp thử tiêu chuẩn để xác định độ cứng của thép" nêu chi tiết quy trình thử tôi cuối Jominy, đã trở thành tiêu chuẩn quốc tế để định lượng độ cứng của thép thông qua độ cứng trên các mẫu chuẩn.

SAE J406 "Phương pháp xác định độ cứng của thép" cung cấp các quy trình dành riêng cho ngành công nghiệp ô tô, bao gồm các phương pháp thay thế để đánh giá độ cứng trong môi trường sản xuất.

ISO 642 "Thép - Thử nghiệm độ cứng bằng cách làm nguội đầu (thử nghiệm Jominy)" có đôi chút khác biệt so với ASTM A255 về kích thước mẫu và điều kiện làm mát, tạo ra sự khác biệt nhỏ về độ cứng được báo cáo giữa các tiêu chuẩn này.

Xu hướng phát triển

Mô hình tính toán tiên tiến sử dụng phân tích phần tử hữu hạn kết hợp với động học chuyển đổi pha cho phép dự đoán chính xác hơn về phân phối độ cứng trong hình học phức tạp. Các mô hình này tính đến tốc độ làm mát cục bộ, độ dẻo do chuyển đổi và sự phát triển ứng suất dư.

Các công nghệ làm nguội chính xác sử dụng áp suất khí được kiểm soát, từ trường hoặc khuấy siêu âm đang nổi lên để cung cấp khả năng làm mát đồng đều hơn với độ méo giảm. Các công nghệ này mang lại những lợi thế đặc biệt cho các thành phần có hình dạng phức tạp với độ dày tiết diện khác nhau.

Việc tích hợp giám sát tại chỗ trong quá trình tôi luyện đang được tiến triển thông qua các công nghệ như phát hiện phát xạ âm thanh và đo kích thước theo thời gian thực. Các phương pháp này hứa hẹn sẽ chuyển đổi quá trình tôi luyện từ một quy trình chủ yếu dựa trên kinh nghiệm sang một hoạt động sản xuất được kiểm soát và xác thực chính xác hơn.