Martempering: Một quá trình xử lý nhiệt quan trọng để giảm sự biến dạng

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Ủ thép là một quá trình xử lý nhiệt chuyên dụng dành cho thép bao gồm quá trình austenit hóa tiếp theo là làm nguội đến nhiệt độ cao hơn một chút so với nhiệt độ bắt đầu của martensite (Ms), giữ ở nhiệt độ đó cho đến khi đồng đều hoàn toàn, sau đó làm nguội chậm trong phạm vi chuyển đổi martensite để giảm thiểu biến dạng và nứt.

Quá trình này đại diện cho một sự thay đổi quan trọng của quá trình tôi thông thường, làm giảm các gradient nhiệt và ứng suất bên trong liên quan trong khi vẫn đạt được cấu trúc vi mô martensitic mong muốn. Quá trình tôi thép đóng vai trò quan trọng trong công nghệ xử lý nhiệt vì nó thu hẹp khoảng cách giữa quá trình tôi thông thường và các quá trình phức tạp hơn như tôi thép không gỉ.

Trong lĩnh vực luyện kim rộng hơn, tôi luyện thép là ví dụ về việc kiểm soát tinh vi các chuyển đổi pha để đạt được các kết hợp đặc tính cơ học và vi cấu trúc cụ thể. Nó chứng minh cách các nguyên lý động học có thể được điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất vật liệu trong khi giảm thiểu các tác dụng phụ không mong muốn của quá trình xử lý nhiệt.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, quá trình tôi luyện thép kiểm soát quá trình biến đổi austenit lập phương tâm mặt (FCC) thành martensite tứ giác tâm khối (BCT). Quá trình biến đổi không khuếch tán này xảy ra khi các nguyên tử cacbon bị kẹt ở các vị trí xen kẽ trong quá trình sắp xếp lại mạng tinh thể nhanh chóng từ FCC thành cấu trúc BCC bị biến dạng.

Quá trình này giảm thiểu các gradient nhiệt giữa bề mặt và lõi của thành phần bằng cách giữ ở nhiệt độ cao hơn Ms một chút, cho phép phân phối nhiệt độ đồng đều trên toàn bộ bộ phận. Sự phân phối nhiệt độ đồng đều này đảm bảo rằng sự hình thành martensite xảy ra đồng đều hơn trên toàn bộ thành phần trong giai đoạn làm mát chậm tiếp theo.

Các gradient nhiệt giảm làm giảm thiểu ứng suất bên trong thường gây ra biến dạng và nứt ở các bộ phận được tôi thông thường. Sự biến đổi martensitic vẫn xảy ra, nhưng theo cách được kiểm soát nhiều hơn, cân bằng sự phát triển độ cứng với độ ổn định về kích thước.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính mô tả quá trình tôi luyện martempering dựa trên biểu đồ thời gian-nhiệt độ-biến đổi (TTT), biểu đồ này lập bản đồ động học của quá trình phân hủy austenit. Các biểu đồ này minh họa cách các đường dẫn của quá trình tôi luyện martempering cố tình tránh mũi của đường cong TTT để ngăn ngừa sự hình thành perlite hoặc bainit.

Theo lịch sử, hiểu biết về martempering phát triển từ công trình ban đầu của Edgar C. Bain vào những năm 1920 và 1930, người đã nghiên cứu các cơ chế biến đổi austenit. Quá trình này được phát triển thêm vào những năm 1940 khi các nhà luyện kim tìm cách giảm nứt tôi trong thép hợp kim và thép cacbon cao.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại kết hợp các mô hình tính toán dự đoán các gradient nhiệt và động học biến đổi trong toàn bộ hình học phức tạp. Các mô hình này khác với các phương pháp tiếp cận TTT cổ điển ở chỗ tính đến các điều kiện làm mát liên tục và các biến thể không gian trong hành vi biến đổi.

Cơ sở khoa học vật liệu

Martempering liên quan trực tiếp đến cấu trúc tinh thể vì nó quản lý quá trình chuyển đổi từ austenite FCC thành martensite BCT. Quá trình này giảm thiểu sự hình thành các vị trí sai lệch do chuyển đổi gây ra tại ranh giới hạt, đây là các vị trí tập trung ứng suất phổ biến trong quá trình tôi thông thường.

Cấu trúc vi mô kết quả chủ yếu bao gồm martensite với austenite giữ lại tối thiểu, tùy thuộc vào thành phần thép cụ thể. Martensite hình thành thông qua quá trình này thường thể hiện sự phân bố đồng đều hơn trên toàn bộ mặt cắt so với các bộ phận được tôi thông thường.

Quá trình này minh họa cho nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản rằng các đặc tính cơ học được xác định không chỉ bởi thành phần mà còn bởi đường dẫn xử lý. Martempering chứng minh cách kiểm soát động học biến đổi có thể tạo ra các kết hợp đặc tính vượt trội mà không thể đạt được thông qua các đường dẫn xử lý cân bằng.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Quá trình tôi martensit có thể được đặc trưng bởi mối quan hệ giữa nhiệt độ giữ ($T_h$) và nhiệt độ bắt đầu martensit ($M_s$):

$$T_h = M_s + \Delta T$$

Trong đó $T_h$ là nhiệt độ giữ tính bằng °C, $M_s$ là nhiệt độ bắt đầu của martensit tính bằng °C và $\Delta T$ là độ lệch nhiệt độ (thường là 20-40°C).

Công thức tính toán liên quan

Nhiệt độ bắt đầu của martensit có thể được ước tính cho nhiều loại thép bằng cách sử dụng công thức của Andrews:

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

Trong đó phần trăm biểu thị phần trăm trọng lượng của các nguyên tố hợp kim tương ứng.

Phần thể tích của martensit được hình thành ($f_m$) trong quá trình làm nguội có thể được ước tính bằng phương trình Koistinen-Marburger:

$$f_m = 1 - \exp[-0,011(M_s - T)]$$

Trong đó $T$ là nhiệt độ hiện tại tính theo °C dưới $M_s$.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này thường có giá trị đối với thép hợp kim thấp đến trung bình có hàm lượng cacbon từ 0,3% đến 1,0%. Đối với thép hợp kim cao, nên xác định theo kinh nghiệm $M_s$ vì các công thức dự đoán trở nên kém chính xác hơn.

Phương trình Koistinen-Marburger giả định tốc độ làm nguội đồng đều và thành phần austenit đồng nhất. Độ lệch xảy ra trong trường hợp phân tách, biến dạng trước hoặc tốc độ làm nguội cực nhanh.

Các mô hình này giả định quá trình austenit hóa hoàn toàn trước khi tôi và không tính đến quá trình biến đổi một phần hoặc hiệu ứng hòa tan cacbua có thể xảy ra trong thực tế.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

ASTM A1033: Thực hành tiêu chuẩn về đo lường định lượng và báo cáo các chuyển đổi pha thép hợp kim thấp và cacbon hypoeutectoid - Bao gồm các phương pháp xác định nhiệt độ và động học chuyển đổi.

ISO 643: Thép - Xác định kích thước hạt biểu kiến ​​bằng kính hiển vi - Cung cấp các phương pháp để đánh giá kích thước hạt austenit trước đó, yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình tôi thép.

ASTM E18: Phương pháp thử tiêu chuẩn về độ cứng Rockwell của vật liệu kim loại - Thường được sử dụng để đánh giá độ cứng sau khi tôi thép.

ASTM E384: Phương pháp thử tiêu chuẩn về độ cứng vi vết lõm của vật liệu - Được sử dụng để lập bản đồ độ cứng vi mô trên các mặt cắt đã tôi luyện.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Máy đo độ giãn nở đo những thay đổi về kích thước trong quá trình gia nhiệt và làm nguội, cho phép xác định chính xác nhiệt độ biến đổi và động học trong các chu kỳ tôi nhiệt.

Máy đo độ giãn nở kết hợp quá trình gia nhiệt/làm mát có kiểm soát với phép đo kích thước để mô phỏng và phân tích các quá trình tôi luyện trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) có khả năng nhiễu xạ tán xạ ngược điện tử (EBSD) cho phép mô tả chi tiết các cấu trúc vi mô của martensitic và định lượng austenit còn lại.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu kim loại học tiêu chuẩn thường có đường kính 10-30mm hoặc mặt cắt ngang hình vuông với bề mặt phẳng được chuẩn bị cẩn thận.

Chuẩn bị bề mặt đòi hỏi phải mài qua các kích thước hạt liên tiếp sau đó đánh bóng cho đến khi có bề mặt sáng bóng như gương (thường là 1μm hoặc mịn hơn), sau đó là quá trình khắc thích hợp để lộ cấu trúc vi mô.

Các mẫu phải đại diện cho vật liệu khối và phải ghi lại mọi sự thay đổi về cấu trúc vi mô có thể tồn tại trên mặt cắt ngang của thành phần.

Thông số thử nghiệm

Phân tích nhiệt thường được tiến hành từ nhiệt độ phòng đến khoảng 50°C trên nhiệt độ austenit hóa, với tốc độ làm nguội được kiểm soát để mô phỏng các điều kiện tôi luyện trong công nghiệp.

Tốc độ gia nhiệt 5-10°C/phút và tốc độ làm nguội được kiểm soát trong khoảng 0,1-100°C/phút là phổ biến trong mô phỏng quá trình ủ marmel trong phòng thí nghiệm.

Môi trường bảo vệ (argon, nitơ hoặc chân không) rất cần thiết để ngăn ngừa quá trình khử cacbon hoặc oxy hóa trong quá trình thử nghiệm ở nhiệt độ cao.

Xử lý dữ liệu

Dữ liệu thời gian-nhiệt độ được thu thập liên tục trong quá trình tuần hoàn nhiệt và tương quan với những thay đổi về kích thước để xác định các điểm chuyển đổi.

Phân tích thống kê thường liên quan đến nhiều mẫu để tính đến các biến thể thành phần và thiết lập khoảng tin cậy cho nhiệt độ biến đổi.

Hồ sơ tính chất cuối cùng thường được trình bày dưới dạng độ cứng đi qua các mặt cắt ngang, với phân tích vi cấu trúc tại các vị trí quan trọng để liên hệ cấu trúc với tính chất.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình (Nhiệt độ giữ)	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép Cacbon Trung Bình (1045)	180-220°C	Làm nguội dầu từ 850°C	SAE J770
Thép công cụ (AISI D2)	200-240°C	Tắm muối, austenit hóa ở nhiệt độ 1020°C	Tiêu chuẩn ASTMA681
Thép chịu lực (52100)	170-200°C	Làm nguội bằng khí áp suất cao	Tiêu chuẩn ASTMA295
Thép thấm cacbon (8620)	160-190°C	Làm nguội dầu sau khi thấm cacbon	SAE J404

Sự khác biệt trong mỗi phân loại chủ yếu là do sự khác biệt về kích thước phần, ảnh hưởng đến tốc độ làm mát và tính đồng nhất nhiệt độ trong quá trình làm nguội. Các phần lớn hơn thường yêu cầu nhiệt độ giữ cao hơn để giảm thiểu độ dốc nhiệt.

Các giá trị này nên được hiểu là điểm khởi đầu cho quá trình phát triển, với các thông số cuối cùng yêu cầu xác thực đối với hình dạng thành phần cụ thể và các yêu cầu về tính chất. Quá trình tôi luyện martempering thích hợp thường dẫn đến giá trị độ cứng thấp hơn khoảng 1-3 điểm HRC so với quá trình tôi luyện thông thường.

Xu hướng chung cho thấy thép hợp kim cao hơn thường yêu cầu nhiệt độ giữ cao hơn do độ dẫn nhiệt thấp hơn và khả năng làm cứng cao hơn.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư phải tính đến độ cứng tối đa thấp hơn một chút của các bộ phận được tôi luyện bằng nhiệt so với các bộ phận được tôi thông thường, thường thiết kế cho độ cứng tối đa thấp hơn 1-3 điểm HRC.

Các hệ số an toàn cho các bộ phận được tôi luyện thường có thể giảm so với các bộ phận được tôi luyện thông thường do ứng suất dư thấp hơn và độ biến dạng giảm, thường cho phép ứng suất thiết kế cao hơn 10-15%.

Quyết định lựa chọn vật liệu thường ưu tiên xử lý nhiệt cho các hình dạng phức tạp, các mặt cắt mỏng có dung sai chặt chẽ hoặc các ứng dụng mà biến dạng sẽ đòi hỏi phải gia công xử lý nhiệt sau tốn kém.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ sử dụng rộng rãi phương pháp tôi nhiệt cho các bộ phận bánh đáp, trong đó sự kết hợp giữa độ bền cao, khả năng chống mài mòn và độ ổn định về kích thước là rất quan trọng đối với sự an toàn và hiệu suất.

Ngành công nghiệp ô tô áp dụng phương pháp tôi luyện thép cho bánh răng và trục truyền động, trong đó sự biến dạng sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của khớp nối và đặc tính tiếng ồn trong khi vẫn yêu cầu độ cứng bề mặt cao để chống mài mòn.

Các ứng dụng gia công chính xác, bao gồm khuôn dập và dụng cụ tạo hình, được hưởng lợi từ khả năng giảm thiểu biến dạng của quá trình tôi luyện thép trong khi vẫn duy trì độ cứng cao và khả năng chống mài mòn trong các hình dạng phức tạp với độ dày tiết diện khác nhau.

Đánh đổi hiệu suất

Quá trình tôi luyện thường tạo ra độ cứng tối đa thấp hơn một chút so với quá trình tôi thông thường, tạo ra sự đánh đổi giữa độ cứng tuyệt đối và độ ổn định về kích thước/giảm nguy cơ nứt.

Độ dẻo dai và khả năng chống mỏi thường được cải thiện khi tôi luyện bằng phương pháp martempering so với phương pháp tôi thông thường do giảm ứng suất dư, mặc dù phương pháp này có chi phí xử lý cao hơn do thiết bị phức tạp hơn và thời gian chu kỳ dài hơn.

Các kỹ sư thường cân bằng các yêu cầu cạnh tranh này bằng cách chỉ định quá trình tôi luyện cho các thành phần quan trọng khi hiệu suất được cải thiện và chi phí xử lý sau thấp hơn có thể biện minh cho chi phí xử lý nhiệt ban đầu cao hơn.

Phân tích lỗi

Quá trình tôi luyện không hoàn toàn có thể tạo ra các vi cấu trúc hỗn hợp với các vùng bainit phía trên, làm giảm tính đồng nhất của độ cứng và có thể tạo ra các vùng tập trung ứng suất tại các ranh giới vi cấu trúc.

Cơ chế hỏng hóc này thường tiến triển thông qua sự khởi đầu của vết nứt mỏi sớm tại các điểm gián đoạn cấu trúc vi mô này, đặc biệt là trong điều kiện tải trọng tuần hoàn.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm kiểm soát quy trình cẩn thận bằng cách theo dõi nhiệt độ trong suốt chu kỳ nhiệt, khuấy môi trường làm nguội thích hợp và thử nghiệm xác nhận các mẫu đại diện trước khi xử lý các thành phần sản xuất.

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 bắt đầu và khả năng làm cứng của martensit, trong đó thép cacbon cao hơn đòi hỏi phải kiểm soát chính xác hơn trong quá trình tôi martensit để tránh nứt.

Các nguyên tố vi lượng như bo (chỉ cần 0,001-0,003%) cũng làm tăng đáng kể khả năng tôi luyện, cho phép tôi luyện thành công các phần lớn hơn hoặc với phương pháp tôi luyện ít khắc nghiệt hơn.

Tối ưu hóa thành phần thường bao gồm việc cân bằng các nguyên tố có khả năng làm cứng (Mn, Cr, Mo) để đảm bảo chuyển đổi martensitic hoàn toàn trên toàn bộ mặt cắt trong khi giảm thiểu các nguyên tố hợp kim dễ bị biến dạng.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt austenit trước đó ảnh hưởng đáng kể đến kết quả tôi martensit, với các hạt mịn hơn thường tạo ra sự phân bố martensit đồng đều hơn nhưng có khả năng cần làm nguội nhanh hơn để tránh hình thành ferit.

Sự phân bố pha trước khi austenit hóa ảnh hưởng đến tính đồng nhất của cacbon trong austenit, với các cấu trúc ban đầu hình cầu thường tạo ra martensit đồng đều hơn sau khi tôi martensit.

Các tạp chất phi kim loại đóng vai trò là chất tập trung ứng suất trong quá trình tôi luyện, có khả năng gây ra các vết nứt khi tôi nguội trong những trường hợp nghiêm trọng hoặc tạo ra các điểm mềm cục bộ do động học biến đổi bị thay đổi.

Xử lý ảnh hưởng

Nhiệt độ và thời gian austenit hóa kiểm soát sự phân bố cacbon và hợp kim hòa tan, nhiệt độ cao hơn làm tăng khả năng tôi nhưng có khả năng gây ra sự phát triển hạt và austenit bị giữ lại.

Mức độ làm nguội (xác định bởi loại môi trường, nhiệt độ và sự khuấy trộn) phải đủ để tránh sự biến đổi thành ferit hoặc perlit trong khi giảm thiểu sự chênh lệch nhiệt độ.

Thời gian giữ ở nhiệt độ tôi thép phải được tối ưu hóa cho độ dày của mặt cắt—thời gian giữ quá ngắn sẽ dẫn đến phân bố nhiệt độ không đồng đều, trong khi thời gian giữ quá dài có thể tạo ra bainit trong một số loại thép.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ vận hành ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của các bộ phận được tôi luyện, một số loại thép có hiện tượng giòn khi tôi luyện nếu sử dụng trong phạm vi nhiệt độ cụ thể (250-400°C).

Môi trường ăn mòn có thể tấn công ưu tiên vào các đặc điểm cấu trúc vi mô trong thép tôi martensified, đặc biệt là tại các ranh giới hạt austenit trước đó, nơi có thể xảy ra sự phân tách.

Tiếp xúc nhiệt trong thời gian dài có thể khiến martensit bị phân hủy và cacbua bị thô hơn, làm giảm dần độ cứng và khả năng chống mài mòn theo thời gian ở nhiệt độ cao.

Phương pháp cải tiến

Xử lý nhiệt độ thấp sau khi tôi thép có thể chuyển đổi austenit giữ lại thành martensite, cải thiện độ ổn định về kích thước và khả năng chống mài mòn trong thép dụng cụ hợp kim cao và thép cacbon cao.

Các phương pháp làm nguội từng bước kết hợp nhiều mức giữ nhiệt trong chu trình làm mát có thể làm giảm thêm sự chênh lệch nhiệt độ trong các hình dạng phức tạp hoặc các phần lớn.

Thiết kế các thành phần có độ dày mặt cắt đồng đều bất cứ khi nào có thể sẽ tối ưu hóa hiệu quả tôi luyện bằng cách giảm thiểu sự chênh lệch nhiệt độ trong quá trình tôi và chuyển đổi.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Ủ austenit là một quá trình xử lý nhiệt liên quan đến việc làm nguội và giữ ở nhiệt độ trong phạm vi chuyển đổi bainit, tạo ra cấu trúc bainit thay vì cấu trúc martensit.

Austenit giữ lại là austenit chưa biến đổi vẫn còn trong cấu trúc vi mô sau khi tôi thép, có khả năng gây ra sự mất ổn định về kích thước trong quá trình sử dụng tiếp theo.

Mức độ làm nguội mô tả sức mạnh làm mát của môi trường làm nguội, phải được lựa chọn cẩn thận để quá trình tôi luyện thành công nhằm tránh cả sự chênh lệch nhiệt độ quá mức và tốc độ làm nguội không đủ.

Quá trình tôi luyện martensit khác với quá trình tôi luyện thông thường chủ yếu ở chỗ làm nguội có kiểm soát trong phạm vi chuyển đổi martensit thay vì làm nguội nhanh đến nhiệt độ phòng.

Tiêu chuẩn chính

SAE J2759: Xử lý nhiệt các bộ phận bằng thép, Yêu cầu chung - Cung cấp hướng dẫn toàn diện cho nhiều quy trình xử lý nhiệt khác nhau, bao gồm cả thông số kỹ thuật tôi thép.

ISO 9950: Dầu tôi công nghiệp - Xác định đặc tính làm mát - Cần thiết để xác định đặc tính chất tôi được sử dụng trong quá trình tôi nhiệt.

NADCA #207: Xử lý nhiệt thép khuôn - Bao gồm các khuyến nghị cụ thể về quá trình tôi thép khuôn và thép dụng cụ được sử dụng trong các ứng dụng đúc khuôn.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào mô hình máy tính về sự phát triển ứng suất dư trong quá trình tôi thép để tối ưu hóa các thông số quy trình cho các hình dạng phức tạp mà không cần thử nghiệm thực nghiệm mở rộng.

Các công nghệ mới nổi bao gồm công nghệ tôi nhiệt bằng cảm ứng, giúp kiểm soát nhiệt độ cục bộ chính xác hơn trong giai đoạn làm nguội và giữ nhiệt.

Những phát triển trong tương lai có thể sẽ tích hợp hệ thống giám sát thời gian thực và hệ thống điều khiển thích ứng để điều chỉnh các thông số ủ nhiệt dựa trên hành vi biến đổi thực tế thay vì các cấu hình nhiệt độ-thời gian được xác định trước.