Chuẩn hóa: Tinh chỉnh cấu trúc vi mô của thép để tăng cường tính chất

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Chuẩn hóa là một quá trình xử lý nhiệt áp dụng cho kim loại đen, đặc biệt là thép, bao gồm việc nung nóng vật liệu đến nhiệt độ cao hơn điểm tới hạn trên của nó (thường là 30-50°C trên Ac3 hoặc Acm), giữ ở nhiệt độ đó trong một khoảng thời gian cụ thể để đạt được quá trình austen hóa hoàn toàn, sau đó làm nguội trong không khí tĩnh đến nhiệt độ phòng. Quá trình này tinh chỉnh cấu trúc hạt, tăng cường các tính chất cơ học và tạo ra cấu trúc vi mô đồng đều và có thể dự đoán được hơn.

Chuẩn hóa đóng vai trò là phương pháp xử lý nhiệt cơ bản, thiết lập cấu trúc vi mô chuẩn hóa trong các thành phần thép, loại bỏ các bất thường về cấu trúc do quá trình xử lý nhiệt hoặc cơ học trước đó gây ra. Quá trình này tạo ra cấu trúc đồng nhất hơn với khả năng gia công và tính chất cơ học được cải thiện.

Trong bối cảnh rộng hơn của ngành luyện kim, quá trình chuẩn hóa chiếm vị trí trung gian giữa quá trình ủ và quá trình tôi. Quá trình này cung cấp cấu trúc hạt tinh tế hơn quá trình ủ trong khi tránh được độ cứng cực độ và độ giòn tiềm ẩn liên quan đến quá trình tôi. Tính linh hoạt này khiến quá trình chuẩn hóa trở thành một quy trình thiết yếu trong quy trình sản xuất và chế tạo thép.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, quá trình chuẩn hóa liên quan đến quá trình chuyển đổi hoàn toàn các pha thép ở nhiệt độ phòng (thường là ferit và peclit hoặc các thành phần khác) thành austenit trong quá trình nung nóng. Trong quá trình làm mát bằng không khí sau đó, austenit này chuyển đổi trở lại thành ferit và peclit (trong thép hạ eutectoid) hoặc peclit và xêmentit (trong thép siêu eutectoid).

Tốc độ làm nguội trong quá trình chuẩn hóa nhanh hơn ủ nhưng chậm hơn làm nguội, tạo ra khoảng cách giữa các hạt perlit mịn hơn và kích thước hạt ferit nhỏ hơn so với các cấu trúc ủ. Sự tinh chỉnh này xảy ra vì quá trình làm nguội nhanh hơn cung cấp ít thời gian hơn cho quá trình khuếch tán cacbon và phát triển hạt, tạo ra nhiều vị trí hình thành hạt hơn cho các pha mới.

Động học biến đổi trong quá trình làm mát tuân theo các nguyên tắc được nêu trong biểu đồ Thời gian-Nhiệt độ-Biến đổi (TTT), với tốc độ làm mát xác định cấu trúc vi mô kết quả. Tốc độ làm mát vừa phải của quá trình chuẩn hóa thường tránh được sự hình thành các pha không cân bằng như martensite hoặc bainite.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính mô tả quá trình chuẩn hóa dựa trên động học chuyển đổi pha, đặc biệt là phương trình Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK), mô tả tiến trình chuyển đổi pha trạng thái rắn:

Sự hiểu biết về chuẩn hóa đã phát triển đáng kể với sự phát triển của biểu đồ pha sắt-cacbon vào đầu thế kỷ 20. Trước đó, chuẩn hóa được thực hiện theo kinh nghiệm mà không có sự hiểu biết rõ ràng về các nguyên tắc luyện kim cơ bản.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại để chuẩn hóa kết hợp các mô hình tính toán dự đoán sự tiến hóa của cấu trúc vi mô dựa trên thành phần hóa học, cấu trúc vi mô ban đầu và điều kiện làm mát. Các mô hình này thường tích hợp cơ sở dữ liệu nhiệt động lực học với các mô hình động học để mô phỏng các biến đổi pha trong quá trình chuẩn hóa.

Cơ sở khoa học vật liệu

Chuẩn hóa ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tinh thể của thép bằng cách tinh chỉnh kích thước hạt và thiết lập sự phân bố pha đồng đều hơn. Quá trình này làm giảm sự thay đổi trong đặc điểm ranh giới hạt và loại bỏ các hiệu ứng định hướng từ quá trình xử lý trước đó.

Cấu trúc vi mô kết quả thường bao gồm các hạt ferit đẳng trục với các cụm perlit phân bố đồng đều trong thép hạ eutectoid. Trong thép siêu eutectoid, cấu trúc bao gồm perlit với cementit tiền eutectoid tại ranh giới hạt. Cấu trúc vi mô đồng đều này cung cấp các đặc tính cơ học nhất quán trong toàn bộ thành phần.

Chuẩn hóa minh họa cho nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản rằng cấu trúc vi mô kiểm soát các đặc tính. Bằng cách thiết lập một cấu trúc vi mô chuẩn, tinh chỉnh, chuẩn hóa tạo ra hành vi cơ học có thể dự đoán được, điều này rất cần thiết cho các ứng dụng kỹ thuật.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Mối quan hệ cơ bản chi phối quá trình chuẩn hóa có thể được thể hiện thông qua phương trình Avrami để biến đổi pha:

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

Ở đâu:
- $X$ = phần biến đổi đã hoàn thành
- $k$ = hằng số tốc độ phụ thuộc nhiệt độ
- $t$ = thời gian
- $n$ = Số mũ Avrami liên quan đến cơ chế hình thành và phát triển

Công thức tính toán liên quan

Thời gian gia nhiệt cần thiết để austenit hóa hoàn toàn trong quá trình chuẩn hóa có thể được ước tính bằng cách sử dụng:

$t = \frac{D^2}{4\alpha} \ln\left(\frac{T_f - T_0}{T_f - T_s}\right)$

Ở đâu:
- $t$ = thời gian cần thiết để đun nóng (giây)
- $D$ = độ dày của tiết diện (mét)
- $\alpha$ = độ khuếch tán nhiệt (m²/s)
- $T_f$ = nhiệt độ lò
- $T_0$ = nhiệt độ ban đầu
- $T_s$ = nhiệt độ thép mong muốn

Tốc độ làm mát trong quá trình làm mát bằng không khí có thể được ước tính bằng:

$\frac{dT}{dt} = h \cdot \frac{A}{V \cdot \rho \cdot c_p} \cdot (T - T_{amb})$

Ở đâu:
- $\frac{dT}{dt}$ = tốc độ làm mát (°C/giây)
- $h$ = hệ số truyền nhiệt (W/m²·K)
- $A$ = diện tích bề mặt (m²)
- $V$ = thể tích (m³)
- $\rho$ = khối lượng riêng (kg/m³)
- $c_p$ = nhiệt dung riêng (J/kg·K)
- $T$ = nhiệt độ hiện tại (°C)
- $T_{amb}$ = nhiệt độ môi trường xung quanh (°C)

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này chủ yếu có giá trị đối với hình học đơn giản và khi độ dốc nhiệt trong bộ phận là tối thiểu. Đối với hình dạng phức tạp, thường cần phân tích phần tử hữu hạn.

Các mô hình giả định thành phần đồng nhất và cấu trúc vi mô ban đầu, điều này có thể không đúng đối với các vật liệu bị phân tách nhiều hoặc có biến dạng trước đáng kể.

Những tính toán này cũng giả định rằng tốc độ làm mát là nhất quán trong suốt quá trình và không có sự chuyển đổi pha nào xảy ra trong quá trình gia nhiệt, điều này có thể không chính xác đối với tất cả các thành phần thép.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

• ASTM A1033: Thực hành tiêu chuẩn để đo lường định lượng và báo cáo các chuyển đổi pha thép hợp kim thấp và cacbon hypoeutectoid
• ASTM E3: Hướng dẫn chuẩn để chuẩn bị mẫu kim loại học
• ASTM E112: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để xác định kích thước hạt trung bình
• ISO 643: Thép – Xác định kích thước hạt biểu kiến ​​bằng phương pháp vi mô

Mỗi tiêu chuẩn đều cung cấp các phương pháp cụ thể để chuẩn bị mẫu, phân tích cấu trúc vi mô và báo cáo kết quả liên quan đến kết cấu thép chuẩn hóa.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Kính hiển vi quang học là công cụ chính để đánh giá các cấu trúc vi mô chuẩn hóa, thường ở độ phóng đại 100-500 lần. Kính hiển vi cho thấy kích thước hạt, phân bố pha và tính đồng nhất của cấu trúc vi mô nói chung.

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) cung cấp phân tích độ phân giải cao hơn để kiểm tra chi tiết hình thái và phân bố pha. Khi kết hợp với quang phổ tia X phân tán năng lượng (EDS), nó cũng có thể tiết lộ sự phân tách nguyên tố.

Thiết bị kiểm tra độ cứng (Rockwell, Brinell hoặc Vickers) thường được sử dụng để xác minh hiệu quả của quá trình chuẩn hóa bằng cách đo độ cứng thu được, độ cứng này phải nằm trong phạm vi quy định đối với vật liệu được chuẩn hóa đúng cách.

Yêu cầu mẫu

Mẫu kim loại học tiêu chuẩn thường có đường kính 10-30mm hoặc hình vuông, độ dày 10-15mm. Đối với các thành phần lớn hơn, mẫu nên được lấy từ các vị trí đại diện.

Chuẩn bị bề mặt đòi hỏi phải mài bằng chất mài mòn mịn hơn dần dần (thường là đến 1200 grit), sau đó đánh bóng bằng hỗn dịch kim cương hoặc nhôm oxit để đạt được độ bóng như gương. Khắc bằng thuốc thử thích hợp (thường là 2-5% nital) để lộ cấu trúc vi mô.

Mẫu vật phải không bị biến dạng hoặc không bị ảnh hưởng bởi nhiệt trong quá trình lấy mẫu, vì có thể làm thay đổi cấu trúc vi mô đang được đánh giá.

Thông số thử nghiệm

Kiểm tra cấu trúc vi mô thường được tiến hành ở nhiệt độ phòng trong điều kiện phòng thí nghiệm tiêu chuẩn. Không cần kiểm soát môi trường đặc biệt.

Kiểm tra độ cứng phải tuân theo các quy trình chuẩn cho phương pháp đã chọn (Rockwell, Brinell hoặc Vickers), với lựa chọn tải trọng phù hợp dựa trên phạm vi độ cứng dự kiến.

Cần thực hiện nhiều phép đo ở nhiều vị trí khác nhau để đảm bảo kết quả mang tính đại diện, đặc biệt đối với các thành phần lớn hoặc có độ dày mặt cắt khác nhau.

Xử lý dữ liệu

Các phép đo kích thước hạt thường tuân theo phương pháp chặn hoặc so sánh như được chỉ định trong ASTM E112, với kết quả được báo cáo dưới dạng số kích thước hạt ASTM.

Phân tích thống kê nhiều phép đo là điều cần thiết, với các giá trị trung bình và độ lệch chuẩn thường được báo cáo. Đối với độ cứng, thông lệ phổ biến là thực hiện tối thiểu năm phép đo.

Phân số thể tích pha có thể được xác định thông qua phần mềm đếm điểm hoặc phân tích hình ảnh, với kết quả thường được báo cáo dưới dạng phần trăm các pha thành phần.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình (Độ cứng)	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép cacbon thấp (1018, 1020)	120-160 HB	Làm mát bằng không khí từ 900-930°C	Tiêu chuẩn ASTMA29
Thép Cacbon Trung Bình (1040, 1045)	170-220 HB	Làm mát bằng không khí từ 840-870°C	Tiêu chuẩn ASTMA29
Thép Cacbon Cao (1080, 1095)	200-250 HB	Làm mát bằng không khí từ 800-830°C	Tiêu chuẩn ASTMA29
Thép hợp kim thấp (4140, 4340)	190-240 HB	Làm mát bằng không khí từ 870-900°C	Tiêu chuẩn ASTMA29

Sự khác biệt trong mỗi phân loại thường là do sự khác biệt về hàm lượng carbon chính xác, sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim, độ dày mặt cắt ảnh hưởng đến tốc độ làm nguội và lịch sử xử lý trước đó.

Các giá trị độ cứng này đóng vai trò là chỉ số kiểm soát chất lượng chứ không phải là thông số thiết kế. Các kỹ sư nên sử dụng chúng để xác minh quá trình xử lý thích hợp chứ không phải là đầu vào trực tiếp cho thiết kế cơ khí.

Thép hợp kim và thép có hàm lượng cacbon cao hơn thường có độ cứng cao hơn sau khi chuẩn hóa do khả năng làm cứng tăng lên, trong khi các phần dày hơn có thể có giá trị độ cứng thấp hơn do tốc độ làm nguội chậm hơn.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư thường không thiết kế riêng cho các đặc tính chuẩn hóa mà sử dụng chuẩn hóa để thiết lập cấu trúc vi mô cơ sở nhất quán trước các quá trình xử lý nhiệt hoặc gia công tiếp theo.

Khi sử dụng các đặc tính chuẩn hóa để thiết kế, các hệ số an toàn từ 1,5-2,0 thường được áp dụng để tính đến sự thay đổi về cấu trúc vi mô và đặc tính trên các phần khác nhau của một bộ phận.

Chuẩn hóa thường được lựa chọn khi cần độ bền vừa phải kết hợp với độ dẻo và độ dai tốt, đặc biệt đối với các thành phần sẽ trải qua các quy trình sản xuất tiếp theo.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Trong sản xuất thiết bị hạng nặng, quá trình chuẩn hóa rất quan trọng đối với các thành phần kết cấu lớn như cần trục và khung máy xúc, vì nó mang lại các đặc tính đồng nhất và khả năng hàn tốt đồng thời loại bỏ ứng suất dư trong quá trình chế tạo.

Trong ngành công nghiệp ô tô, quá trình chuẩn hóa được áp dụng cho trục khuỷu, thanh truyền và các bộ phận truyền động khác trước khi xử lý nhiệt cuối cùng để đảm bảo phản ứng nhất quán với các hoạt động tôi luyện tiếp theo.

Các thành phần đường sắt như bánh xe, trục và phần cứng đường ray được hưởng lợi từ quá trình chuẩn hóa để mang lại các đặc tính cơ học đồng nhất và cải thiện khả năng chống mỏi trong các ứng dụng quan trọng đối với an toàn này.

Đánh đổi hiệu suất

Chuẩn hóa thường dẫn đến độ dẻo thấp hơn so với ủ hoàn toàn, điều này có thể gây ra vấn đề cho các ứng dụng đòi hỏi hoạt động tạo hình rộng rãi. Các kỹ sư phải cân bằng nhu cầu về độ bền với các yêu cầu về khả năng tạo hình.

Trong khi việc chuẩn hóa cải thiện khả năng gia công so với điều kiện cán hoặc tôi, nó không cung cấp khả năng gia công tối ưu cho các cấu trúc hình cầu. Sự đánh đổi này phải được xem xét khi lập kế hoạch trình tự sản xuất.

Cấu trúc chuẩn hóa cung cấp độ bền tốt hơn so với vật liệu tôi và ram có độ bền tương đương, nhưng phải trả giá bằng độ bền và độ cứng tổng thể thấp hơn. Sự cân bằng này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng chống va đập.

Phân tích lỗi

Hỏng hóc do mỏi có thể xảy ra ở các thành phần chuẩn hóa chịu tải trọng tuần hoàn, đặc biệt nếu quá trình chuẩn hóa không tinh chỉnh cấu trúc hạt một cách đầy đủ hoặc nếu tạp chất hoạt động như chất tập trung ứng suất.

Cơ chế phá hủy thường liên quan đến sự khởi đầu của vết nứt tại các điểm gián đoạn cấu trúc vi mô, sau đó là sự phát triển vết nứt dần dần dọc theo ranh giới hạt hoặc thông qua các cụm perlit.

Các thông số chuẩn hóa thích hợp, kiểm soát tạp chất trong quá trình sản xuất thép và mức ứng suất thiết kế phù hợp là chìa khóa để giảm thiểu những rủi ro hỏng hóc này trong các thành phần chịu tải theo chu kỳ.

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 phản ứng khi chuẩn hóa, thép có hàm lượng cacbon cao hơn sẽ có độ cứng và độ bền cao hơn nhưng độ dẻo dai có khả năng thấp hơn sau khi chuẩn hóa.

Mangan làm tăng khả năng làm cứng, tạo ra perlit mịn hơn và có khả năng hình thành một số bainit trong quá trình làm mát bằng không khí, đặc biệt là ở các phần dày hơn hoặc có hàm lượng mangan cao hơn.

Các nguyên tố hợp kim vi mô như niobi, vanadi và titan có thể làm thay đổi đáng kể phản ứng chuẩn hóa bằng cách tạo thành các cacbua ức chế sự phát triển của hạt trong quá trình austenit hóa, tạo ra cấu trúc hạt cuối cùng mịn hơn.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt ban đầu mịn hơn thường tạo ra cấu trúc hạt chuẩn hóa mịn hơn, vì ranh giới hạt austenit trước đó thường đóng vai trò là vị trí hình thành hạt trong quá trình chuyển đổi làm nguội.

Sự phân bố của cacbua trước khi chuẩn hóa ảnh hưởng đến tính đồng nhất của cacbon trong austenit và sau đó ảnh hưởng đến tính đồng nhất của cấu trúc chuẩn hóa.

Các tạp chất không phải kim loại có thể cản trở chuyển động ranh giới hạt trong quá trình austenit hóa và tạo ra các vị trí hình thành hạt trong quá trình làm nguội, ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô cuối cùng và có khả năng làm giảm các tính chất cơ học.

Xử lý ảnh hưởng

Nhiệt độ austenit hóa ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc vi mô chuẩn hóa—nhiệt độ quá thấp sẽ ngăn cản quá trình austenit hóa hoàn toàn, trong khi nhiệt độ quá cao sẽ gây ra sự phát triển của hạt vẫn tồn tại trong cấu trúc cuối cùng.

Sự thay đổi tốc độ làm mát do sự khác biệt về độ dày của từng phần có thể dẫn đến sự thay đổi cấu trúc vi mô trên toàn bộ một bộ phận, trong đó các phần dày hơn sẽ làm mát chậm hơn và phát triển các cấu trúc thô hơn.

Tiền sử biến dạng trước đó ảnh hưởng đến hành vi kết tinh lại trong quá trình gia nhiệt, với các vật liệu chịu tác động mạnh có khả năng phát triển cấu trúc hạt chuẩn hóa mịn hơn so với các vật liệu có biến dạng trước đó tối thiểu.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng đến tốc độ làm mát trong quá trình chuẩn hóa, môi trường lạnh hơn làm mát nhanh hơn và có khả năng tạo ra các cấu trúc vi mô mịn hơn hoặc thậm chí một số dạng bainit trong thép có thể tôi cứng.

Điều kiện lưu thông không khí ảnh hưởng đáng kể đến tính đồng đều của quá trình làm mát, trong đó luồng không khí cưỡng bức hoặc môi trường có gió lùa có khả năng gây ra hiện tượng làm mát không đều và ứng suất dư.

Quá trình oxy hóa trong quá trình chuẩn hóa có thể dẫn đến quá trình khử cacbon trên bề mặt, tạo ra lớp bề mặt mềm hơn với các tính chất khác với vật liệu lõi.

Phương pháp cải tiến

Tốc độ làm mát được kiểm soát thông qua hệ thống làm mát lò được lập trình sẵn hoặc buồng làm mát chuyên dụng có thể cung cấp các cấu trúc vi mô đồng nhất hơn trên khắp các thành phần phức tạp có độ dày mặt cắt khác nhau.

Các chu trình chuẩn hóa được sửa đổi với nhiệt độ giữ trung gian có thể tăng cường sự đồng nhất trong thép hợp kim hoặc những loại thép có độ phân tách đáng kể.

Việc bảo vệ bề mặt thông qua bầu khí quyển được kiểm soát hoặc lớp phủ bảo vệ có thể giảm thiểu quá trình khử cacbon và oxy hóa trong quá trình bình thường hóa, bảo vệ các đặc tính bề mặt.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Ủ là một quá trình xử lý nhiệt tương tự như chuẩn hóa nhưng làm nguội chậm hơn (thường là làm nguội bằng lò), tạo ra các cấu trúc vi mô thô hơn với độ cứng thấp hơn và độ dẻo được cải thiện.

Ủ quy trình là phương pháp xử lý nhiệt dưới tới hạn (dưới Ac1) giúp giảm ứng suất và làm mềm vật liệu mà không cần chuyển pha hoàn toàn, thường được sử dụng giữa các bước sản xuất.

Ủ giảm ứng suất bao gồm việc nung nóng đến nhiệt độ vừa phải (thường là 550-650°C) để giảm ứng suất dư mà không gây ra những thay đổi đáng kể về cấu trúc vi mô, thường được áp dụng sau khi hàn hoặc gia công.

Quá trình chuẩn hóa khác với các quá trình liên quan này chủ yếu ở tốc độ làm mát và phạm vi nhiệt độ, tạo ra các đặc điểm cấu trúc vi mô và tính chất cơ học riêng biệt.

Tiêu chuẩn chính

ASTM A941 cung cấp thuật ngữ tiêu chuẩn liên quan đến thép, thép không gỉ, các hợp kim liên quan và hợp kim fero, bao gồm các định nghĩa chính xác về chuẩn hóa và xử lý nhiệt liên quan.

SAE J1268 thiết lập thuật ngữ xử lý nhiệt và các yêu cầu chung cho các ứng dụng ô tô, với các hướng dẫn cụ thể để chuẩn hóa quy trình.

ISO 4885 phác thảo thuật ngữ xử lý nhiệt cho vật liệu sắt, cung cấp các định nghĩa được chuẩn hóa quốc tế về quá trình chuẩn hóa và các quy trình liên quan có thể khác đôi chút so với thuật ngữ ASTM hoặc SAE.

Xu hướng phát triển

Mô hình hóa máy tính tiên tiến về chuyển đổi pha cho phép dự đoán chính xác hơn các cấu trúc vi mô được chuẩn hóa dựa trên các thông số thành phần và xử lý cụ thể, giảm sự phụ thuộc vào các phương pháp thực nghiệm.

Các công nghệ chuẩn hóa cảm ứng đang nổi lên cho phép xử lý chuẩn hóa nhanh hơn, tiết kiệm năng lượng hơn và được kiểm soát chính xác hơn, đặc biệt là đối với các thành phần lớn hoặc xử lý liên tục.

Các phương pháp xử lý tích hợp kết hợp chuẩn hóa với các phương pháp xử lý khác trong một chu kỳ nhiệt duy nhất đang được phát triển để nâng cao hiệu quả và đạt được các cấu trúc vi mô phù hợp mà không thể thực hiện được chỉ bằng chuẩn hóa thông thường.