Làm cứng: Quá trình làm mát nhanh để tăng cường độ bền của thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Làm cứng tôi là một quá trình xử lý nhiệt được áp dụng cho kim loại đen, đặc biệt là thép, để tăng độ cứng và độ bền bằng cách làm nguội nhanh (làm nguội) vật liệu từ nhiệt độ austenit hóa xuống nhiệt độ phòng. Quá trình nhiệt được kiểm soát này biến đổi cấu trúc vi mô của thép, dẫn đến sự hình thành martensite, một cấu trúc bán bền cứng.

Quá trình này là một trong những cơ chế tăng cường cơ bản trong luyện kim đen, cho phép các kỹ sư thay đổi đáng kể các tính chất cơ học mà không làm thay đổi thành phần hóa học. Làm cứng bằng phương pháp tôi là nền tảng cho nhiều quy trình xử lý nhiệt tiên tiến trong sản xuất thép hiện đại.

Trong lĩnh vực luyện kim rộng hơn, tôi cứng đóng vai trò trung tâm trong họ các chuyển đổi pha không khuếch tán. Nó kết nối các khía cạnh lý thuyết của động học chuyển đổi pha với các ứng dụng công nghiệp thực tế, khiến nó trở thành kiến ​​thức thiết yếu đối với các nhà luyện kim, kỹ sư vật liệu và chuyên gia sản xuất.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, quá trình tôi cứng liên quan đến quá trình biến đổi austenit lập phương tâm mặt (FCC) thành martensite tứ giác tâm khối (BCT). Điều này xảy ra khi các nguyên tử cacbon bị mắc kẹt trong mạng lưới sắt trong quá trình làm nguội nhanh, ngăn cản sự khuếch tán của chúng và gây ra sự biến dạng mạng lưới.

Sự biến đổi này không có sự khuếch tán, nghĩa là các nguyên tử cacbon không có thời gian để di chuyển trong quá trình làm mát. Thay vào đó, chúng vẫn ở vị trí xen kẽ, tạo ra ứng suất bên trong đáng kể trong cấu trúc tinh thể. Ứng suất này biểu hiện dưới dạng các sai lệch ngăn cản chuyển động sai lệch tiếp theo, tạo ra độ cứng đặc trưng của martensite.

Quá trình biến đổi martensitic diễn ra phi nhiệt—phụ thuộc vào nhiệt độ chứ không phải thời gian. Khi nhiệt độ bắt đầu martensitic thấp hơn (Ms), quá trình biến đổi bắt đầu và tiếp tục khi nhiệt độ giảm cho đến khi đạt đến nhiệt độ kết thúc martensitic (Mf).

Mô hình lý thuyết

Phương trình Koistinen-Marburger biểu diễn mô hình lý thuyết chính mô tả quá trình biến đổi martensitic trong quá trình làm nguội:

$V_m = 1 - \exp$$-\alpha(M_s - T)$$$

Trong đó $V_m$ là phần thể tích của martensit, $M_s$ là nhiệt độ ban đầu của martensit, $T$ là nhiệt độ hiện tại và $\alpha$ là hằng số riêng của vật liệu.

Theo truyền thống, sự hiểu biết về quá trình tôi cứng đã phát triển từ các quan sát thực nghiệm của thợ rèn thành các giải thích khoa học vào đầu thế kỷ 20. Công trình tiên phong của Edgar Bain vào những năm 1920 đã thiết lập cơ sở tinh thể học cho quá trình biến đổi martensitic, trong khi các nhà nghiên cứu sau này như Koistinen và Marburger đã phát triển các mô hình định lượng.

Các phương pháp tiếp cận lý thuyết thay thế bao gồm lý thuyết hiện tượng học về tinh thể martensit (PTMC) và các mô hình trường pha gần đây hơn kết hợp các cân nhắc về năng lượng biến dạng đàn hồi.

Cơ sở khoa học vật liệu

Hiệu quả của quá trình tôi cứng liên quan trực tiếp đến quá trình chuyển đổi cấu trúc tinh thể từ austenite FCC sang martensite BCT. Quá trình chuyển đổi này tạo ra các giao diện năng lượng cao và độ méo mạng đáng kể giúp tăng cường vật liệu.

Các ranh giới hạt đóng vai trò quan trọng trong quá trình tôi cứng, vì chúng ảnh hưởng đến độ ổn định của austenit và các vị trí hình thành hạt martensite. Kích thước hạt austenit mịn hơn thường làm giảm nhiệt độ MS và tạo ra martensite mịn hơn, tăng độ cứng đồng thời giảm thiểu nguy cơ biến dạng và nứt.

Quá trình này minh họa cho nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản rằng cấu trúc vi mô kiểm soát các đặc tính. Bằng cách điều chỉnh tốc độ làm mát, các nhà luyện kim có thể kiểm soát cấu trúc vi mô kết quả và do đó điều chỉnh các đặc tính cơ học cho các ứng dụng cụ thể.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Thử nghiệm tôi cuối Jominy cung cấp một phương pháp chuẩn hóa để định lượng khả năng làm cứng, được thể hiện như sau:

$H_d = f(D, t, \lambda)$

Trong đó $H_d$ là độ cứng ở khoảng cách d tính từ đầu tôi, $D$ là hệ số khuếch tán của cacbon trong austenit, $t$ là thời gian làm nguội và $\lambda$ biểu thị các hệ số thành phần hợp kim.

Công thức tính toán liên quan

Tốc độ làm nguội tới hạn (CCR) cần thiết để đạt được chuyển đổi martensitic hoàn toàn có thể được ước tính bằng cách sử dụng:

$CCR = \frac{T_A - M_s}{t_c}$

Trong đó $T_A$ là nhiệt độ austenit hóa, $M_s$ là nhiệt độ bắt đầu martensit và $t_c$ là thời điểm quan trọng để tránh sự hình thành peclit hoặc bainit.

Hệ số nghiêm ngặt dập tắt Grossmann ($H$) định lượng hiệu quả dập tắt:

$H = \frac{h}{2k}$

Trong đó $h$ là hệ số truyền nhiệt tại giao diện kim loại-chất tôi và $k$ là độ dẫn nhiệt của thép.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này chủ yếu áp dụng cho thép dưới eutectoid và eutectoid có hàm lượng cacbon từ 0,3% đến 0,8%. Đối với thép trên eutectoid, cần phải điều chỉnh để tính đến austenit giữ lại.

Các mô hình giả định thành phần austenit đồng nhất trước khi tôi và bỏ qua các hiệu ứng phân tách hoặc tạo dải. Chúng cũng giả định rằng tốc độ làm mát vượt quá tốc độ làm mát quan trọng trong toàn bộ thành phần.

Sự thay đổi nhiệt độ ở các phần lớn hơn có thể làm mất hiệu lực các mô hình đơn giản này, đòi hỏi phải phân tích phần tử hữu hạn để có thể dự đoán chính xác trong các hình học phức tạp.

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
• ISO 642: Thép – Thử độ cứng bằng cách tôi cuối (thử nghiệm Jominy)
• SAE J406: Phương pháp xác định độ cứng của thép
• ASTM E18: Phương pháp thử tiêu chuẩn cho độ cứng Rockwell của vật liệu kim loại

ASTM A255 và ISO 642 nêu chi tiết các quy trình cho thử nghiệm tôi cuối Jominy, trong khi SAE J406 cung cấp các phương pháp xác định độ cứng dành riêng cho ngành. ASTM E18 bao gồm các quy trình thử độ cứng áp dụng cho các mẫu đã tôi cứng.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Máy kiểm tra độ cứng (Rockwell, Vickers hoặc Brinell) đóng vai trò là công cụ đo lường chính, định lượng khả năng chống lại vết lõm của vật liệu. Các thiết bị này áp dụng tải trọng chuẩn thông qua các đầu đo được hiệu chuẩn và đo kích thước ấn tượng thu được.

Kính hiển vi kim loại cho phép kiểm tra cấu trúc vi mô để xác minh sự biến đổi martensitic. Khi kết hợp với các kỹ thuật khắc như nital (axit nitric 2-5% trong etanol), chúng sẽ cho thấy các cấu trúc martensitic dạng kim hoặc dạng thanh đặc trưng.

Đặc tính nâng cao có thể sử dụng nhiễu xạ tia X (XRD) để định lượng austenit giữ lại hoặc kính hiển vi điện tử quét (SEM) để kiểm tra hình thái martensit mịn.

Yêu cầu mẫu

Mẫu thử Jominy tiêu chuẩn có đường kính 25,4mm (1 inch) và chiều dài 100mm (4 inch) với bề mặt gia công đạt 0,8μm Ra hoặc tốt hơn. Mẫu thử độ cứng Rockwell yêu cầu bề mặt phẳng, song song không có vảy hoặc lớp khử cacbon.

Chuẩn bị bề mặt thường bao gồm mài để loại bỏ các lớp khử cacbon, sau đó đánh bóng để đạt được độ hoàn thiện bề mặt cần thiết. Đối với kiểm tra kim loại học, mẫu vật phải được đánh bóng đến độ hoàn thiện gương và được khắc axit thích hợp.

Mẫu vật phải không bị xử lý nguội trước đó vì có thể ảnh hưởng đến đặc tính biến đổi và phải thể hiện thành phần vật liệu khối.

Thông số thử nghiệm

Thử nghiệm tiêu chuẩn diễn ra ở nhiệt độ phòng (20-25°C) trong môi trường phòng thí nghiệm có độ ẩm được kiểm soát. Đối với các ứng dụng chuyên biệt, có thể thực hiện thử nghiệm ở nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ đông lạnh.

Các thử nghiệm Jominy chuẩn hóa nhiệt độ nước ở mức 24±5°C với lưu lượng nước được chỉ định. Các phép đo độ cứng tuân theo tỷ lệ tải chuẩn hóa và thời gian dừng theo các tiêu chuẩn áp dụng.

Các thông số quan trọng bao gồm nhiệt độ austenit hóa (thường cao hơn 30-50°C so với Ac3), thời gian austenit hóa (đủ để đồng nhất hoàn toàn) và nhiệt độ làm nguội.

Xử lý dữ liệu

Thu thập dữ liệu bao gồm đo độ cứng ở khoảng cách chuẩn từ đầu đã tôi trong các thử nghiệm Jominy hoặc tại các vị trí cụ thể trong các bộ phận sản xuất. Nhiều phép đo tại mỗi vị trí thiết lập độ tin cậy thống kê.

Phân tích thống kê thường bao gồm tính toán giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và khoảng tin cậy. Các thử nghiệm ngoại lệ có thể được áp dụng để xác định và giải quyết các số đọc bất thường.

Đường cong độ cứng cuối cùng biểu diễn độ cứng so với khoảng cách từ đầu đã tôi, trong khi hồ sơ độ cứng cho các bộ phận sản xuất lập bản đồ phân bố độ cứng trên các mặt cắt quan trọng.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi độ cứng điển hình (HRC)	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
AISI 1045 (Carbon trung bình)	50-55	Làm nguội bằng nước từ 845°C	Tiêu chuẩn ASTMA255
AISI 4140 (Hợp kim Cr-Mo)	54-59	Làm nguội dầu từ 850°C	SAE J406
AISI 52100 (Thép chịu lực)	62-66	Làm nguội dầu từ 845°C	Tiêu chuẩn ASTM E18
AISI O1 (Thép công cụ)	62-65	Làm nguội dầu từ 800°C	Tiêu chuẩn ISO642

Sự thay đổi trong mỗi phân loại thường là kết quả của sự khác biệt nhỏ về thành phần, đặc biệt là hàm lượng cacbon và hợp kim. Kích thước mặt cắt ảnh hưởng đáng kể đến độ cứng có thể đạt được do sự thay đổi tốc độ làm nguội từ bề mặt đến lõi.

Khi diễn giải các giá trị này, các kỹ sư phải xem xét rằng độ cứng tối đa xảy ra ở bề mặt với các giá trị giảm dần về phía lõi trong các phần lớn hơn. Độ dốc này phải được tính đến trong các ứng dụng yêu cầu các đặc tính đồng nhất trên toàn bộ thành phần.

Trong các loại thép khác nhau, hàm lượng cacbon và hợp kim cao hơn thường mang lại giá trị độ cứng cao hơn và khả năng làm cứng được cải thiện (độ sâu của quá trình làm cứng).

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư kết hợp hiệu ứng làm cứng khi tôi vào thiết kế bằng cách chỉ định cả yêu cầu về độ cứng bề mặt và lõi dựa trên các điều kiện dịch vụ. Các hệ số an toàn thông thường nằm trong khoảng từ 1,2-1,5 cho các ứng dụng quan trọng về độ cứng để tính đến các biến thể trong quá trình xử lý.

Quyết định lựa chọn vật liệu cân bằng các yêu cầu về khả năng tôi luyện với các yếu tố khác như khả năng gia công, chi phí và khả năng hàn. Thép hợp kim cao hơn có khả năng tôi luyện tốt hơn nhưng chi phí cao hơn và khả năng gia công thường giảm.

Hình dạng của linh kiện ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả làm cứng khi tôi, vì vậy các nhà thiết kế tránh các chuyển tiếp đột ngột, các phần dày và các đặc điểm có thể gây nứt khi tôi hoặc biến dạng quá mức.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Các thành phần truyền động ô tô, đặc biệt là bánh răng và trục, phụ thuộc rất nhiều vào quá trình tôi cứng để đạt được khả năng chống mài mòn và độ bền mỏi. Các ứng dụng này thường yêu cầu độ cứng vỏ là 58-62 HRC với lõi cứng để chịu được cả mài mòn bề mặt và tải xoắn.

Dụng cụ cắt và khuôn là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng khác, nơi độ cứng cực cao (60-65 HRC) mang lại khả năng chống mài mòn và giữ cạnh. Các ứng dụng này thường kết hợp quá trình tôi cứng với quá trình tôi luyện để tối ưu hóa sự cân bằng độ cứng-độ dẻo dai.

Các thành phần ổ trục chứng minh cách tôi cứng cho phép chống mỏi tiếp xúc lăn. Quá trình này tạo ra các bề mặt cứng (60-64 HRC) chống bong tróc trong khi vẫn duy trì độ ổn định về kích thước trong điều kiện tải trọng tuần hoàn.

Đánh đổi hiệu suất

Độ cứng và độ dẻo dai thể hiện mối quan hệ nghịch đảo trong thép tôi cứng. Khi độ cứng tăng, khả năng chống va đập và độ dẻo dai gãy thường giảm, đòi hỏi phải cân bằng cẩn thận dựa trên yêu cầu ứng dụng.

Độ ổn định về kích thước đánh đổi với độ cứng tối đa, vì chất làm nguội mạnh hơn tạo ra độ cứng cao hơn cũng tạo ra độ dốc nhiệt lớn hơn và độ méo kết quả. Điều này thường đòi hỏi các hoạt động gia công sau khi làm nguội.

Các kỹ sư cân bằng các yêu cầu cạnh tranh này thông qua việc lựa chọn hợp kim cẩn thận, lựa chọn chất làm nguội và xử lý tôi luyện sau khi làm nguội. Các phương pháp tiếp cận hiện đại thường sử dụng mô hình máy tính để dự đoán và giảm thiểu biến dạng trong khi vẫn duy trì độ cứng cần thiết.

Phân tích lỗi

Nứt nguội là một chế độ hỏng hóc phổ biến, xảy ra khi ứng suất nhiệt trong quá trình tôi nguội vượt quá độ bền vật liệu. Các vết nứt này thường hình thành ở các góc nhọn, phần chuyển tiếp hoặc các khuyết tật đã tồn tại từ trước và thường lan truyền giữa các hạt.

Cơ chế này bao gồm các gradient nhiệt tạo ra ứng suất kéo ở lõi trong khi bề mặt chuyển thành martensite. Khi các ứng suất này vượt quá độ bền vật liệu, các vết nứt bắt đầu và lan truyền dọc theo ranh giới hạt austenit trước đó.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm nung nóng sơ bộ các thành phần trước khi austenit hóa, sử dụng chất làm nguội ít khắc nghiệt hơn, áp dụng các kỹ thuật làm nguội gián đoạn và thiết kế các thành phần có độ dày tiết diện đồng đều hơn và bán kính lớn.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng carbon quyết định trực tiếp độ cứng tối đa có thể đạt được, với khoảng 0,6% carbon cho phép đạt giá trị độ cứng đỉnh khoảng 65 HRC. Hàm lượng carbon cao hơn làm tăng độ cứng nhưng cũng làm tăng khả năng nứt.

Các nguyên tố hợp kim như crom, molypden và mangan làm tăng đáng kể khả năng tôi luyện bằng cách trì hoãn sự hình thành perlit và bainit. Niken cải thiện độ dẻo dai trong khi vẫn duy trì khả năng tôi luyện, làm cho nó có giá trị trong các ứng dụng quan trọng.

Các nguyên tố vi lượng có thể có tác động không cân xứng; một lượng nhỏ bo (0,001-0,003%) cải thiện đáng kể khả năng làm cứng, trong khi phốt pho và lưu huỳnh có thể phân tách theo ranh giới hạt và làm tăng khả năng nứt khi dập tắt.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt austenite mịn hơn thường tạo ra martensite mịn hơn với độ dẻo dai được cải thiện nhưng độ cứng tối đa giảm nhẹ. Các số kích thước hạt ASTM 5-8 thường cung cấp sự cân bằng tối ưu cho hầu hết các ứng dụng kỹ thuật.

Sự phân bố pha trước khi tôi có ảnh hưởng đáng kể đến kết quả; austenit đồng nhất tạo ra quá trình tôi cứng đồng đều, trong khi sự biến đổi một phần hoặc mạng lưới cacbua có thể gây ra các kiểu độ cứng không thể đoán trước.

Các tạp chất phi kim loại hoạt động như chất tập trung ứng suất trong quá trình tôi, có khả năng gây ra các vết nứt. Các phương pháp sản xuất thép sạch hiện đại giảm thiểu các khuyết tật này thông qua quá trình khử khí chân không và quá trình đông đặc có kiểm soát.

Xử lý ảnh hưởng

Nhiệt độ và thời gian austenit hóa ảnh hưởng rất lớn đến kết quả; nhiệt độ không đủ sẽ ngăn cản sự hình thành austenit hoàn toàn, trong khi nhiệt độ quá cao sẽ gây ra sự phát triển của hạt và tăng nguy cơ biến dạng hoặc nứt.

Các quy trình gia công cơ học trước khi tôi sẽ ảnh hưởng đến kích thước hạt và tính đồng nhất. Các cấu trúc được chuẩn hóa hoặc gia công nóng thường phản ứng với quá trình tôi cứng dễ dự đoán hơn so với vật liệu đúc sẵn hoặc gia công nguội.

Tốc độ làm mát quyết định cấu trúc vi mô cuối cùng, trong đó làm nguội bằng nước cung cấp tốc độ làm mát nhanh nhất (≈300°C/giây ở bề mặt), chất làm nguội bằng polyme cung cấp tốc độ trung gian (≈100°C/giây) và làm nguội bằng dầu cung cấp tốc độ làm mát vừa phải hơn (≈30°C/giây).

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ vận hành cao có thể làm tôi martensite theo thời gian, dần dần làm giảm độ cứng. Hiệu ứng này trở nên đáng kể ở nhiệt độ trên khoảng 150°C đối với thép cacbon và 250°C đối với nhiều loại thép hợp kim.

Môi trường ăn mòn có thể tấn công các cấu trúc martensitic, đặc biệt nếu có sự tập trung ứng suất. Điều này có thể dẫn đến nứt ăn mòn ứng suất ở các vật liệu dễ bị ăn mòn.

Nguy cơ giòn do hydro tăng lên trong các thành phần được tôi cứng do độ cứng cao và ứng suất dư. Các quy trình nung thích hợp sau khi mạ hoặc tiếp xúc với môi trường chứa hydro giúp giảm thiểu nguy cơ này.

Phương pháp cải tiến

Sửa đổi hợp kim là một phương pháp luyện kim để tăng cường phản ứng làm cứng khi tôi. Việc thêm các nguyên tố như crom, molypden và niken làm tăng khả năng làm cứng trong khi vanadi và niobi kiểm soát kích thước hạt.

Quá trình gia nhiệt trước khi tôi và quá trình tôi từng bước làm giảm độ dốc nhiệt và biến dạng liên quan. Các kỹ thuật này hy sinh một số độ cứng để cải thiện khả năng kiểm soát kích thước và giảm nguy cơ nứt.

Việc tối ưu hóa thiết kế bằng máy tính sử dụng phân tích phần tử hữu hạn có thể dự đoán các gradient nhiệt và mô hình biến đổi, cho phép các kỹ sư sửa đổi hình học để có phản ứng tôi cứng đồng đều hơn.

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 tôi, khác với độ cứng đo khả năng chống lại vết lõm. Độ cứng cao hơn cho phép tạo thành martensite ở độ sâu lớn hơn từ bề mặt.

Tôi luyện mô tả quá trình nung lại có kiểm soát thép đã tôi cứng để giảm độ giòn trong khi vẫn duy trì độ cứng thích hợp. Quá trình này cho phép cacbon khuếch tán trong martensite, giảm ứng suất bên trong và tạo thành kết tủa cacbua.

Austenit còn lại đại diện cho austenit chưa biến đổi vẫn còn trong cấu trúc vi mô sau khi tôi, thường là do làm mát không đủ hoặc hàm lượng hợp kim cao. Pha này có thể biến đổi sau đó dưới ứng suất hoặc trong quá trình sử dụng, gây ra sự mất ổn định về kích thước.

Tiêu chuẩn chính

ASTM A255 cung cấp các phương pháp chuẩn hóa để xác định độ cứng của thép bằng cách sử dụng thử nghiệm tôi cuối (Jominy), bao gồm chuẩn bị mẫu, quy trình thử nghiệm và yêu cầu báo cáo.

ISO 9950 chỉ định các phương pháp xác định đặc tính làm mát của chất làm nguội bằng cách đo đường cong làm mát bằng các đầu dò và thiết bị thử nghiệm tiêu chuẩn.

SAE J423 khác với các tiêu chuẩn quốc tế ở chỗ kết hợp các yêu cầu về độ cứng dành riêng cho ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ, thường chỉ định độ cứng tối thiểu tại các vị trí quan trọng.

Xu hướng phát triển

Mô hình tính toán các chuyển đổi pha trong quá trình làm nguội tiếp tục được cải thiện, với các thuật toán được cải tiến kết hợp các tương tác ứng suất-chuyển đổi và khả năng dự đoán cho hình học phức tạp.

Các công nghệ làm nguội bằng khí quyển có kiểm soát đang nổi lên giúp giảm thiểu quá trình oxy hóa và khử cacbon trong khi vẫn kiểm soát được tốc độ làm mát chính xác. Các hệ thống này cải thiện khả năng tái tạo và giảm tác động đến môi trường.

Những phát triển trong tương lai có thể sẽ tập trung vào các cấu trúc vi mô được thiết kế riêng với các đặc tính gradient, trong đó quá trình làm mát có kiểm soát tạo ra sự kết hợp tối ưu giữa độ cứng, độ bền và độ dẻo dai trên các vùng khác nhau của một thành phần duy nhất.