Làm cứng thứ cấp: Cơ chế chính cho thép công cụ hiệu suất cao

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Làm cứng thứ cấp là một hiện tượng luyện kim trong đó một số loại thép hợp kim trải qua quá trình tăng độ cứng lần thứ hai trong quá trình tôi ở nhiệt độ cao (thường là 500-600°C), sau khi tôi cứng ban đầu đạt được thông qua quá trình làm nguội. Quá trình này chủ yếu xảy ra ở các loại thép có chứa các nguyên tố tạo thành cacbua mạnh như crom, molypden, vanadi và vonfram.

Khái niệm cơ bản liên quan đến việc kết tủa các hợp kim cacbua mịn thay thế các hợp kim cacbua chuyển tiếp và xêmentit được hình thành trong giai đoạn tôi luyện ban đầu. Các hợp kim cacbua này cung cấp các chướng ngại vật hiệu quả đối với chuyển động trật khớp, do đó làm tăng độ bền và độ cứng của vật liệu vượt quá mức thông thường mong đợi trong quá trình tôi luyện thông thường.

Làm cứng thứ cấp là một khía cạnh quan trọng của kỹ thuật luyện kim, đặc biệt là trong quá trình phát triển thép công cụ hiệu suất cao và hợp kim chịu nhiệt. Nó chứng minh sự tương tác phức tạp giữa thành phần, cấu trúc vi mô và quá trình xử lý nhiệt định hình ngành luyện kim thép hiện đại.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, quá trình tôi cứng thứ cấp là kết quả của sự kết tủa các hợp kim cacbua cực kỳ mịn, mạch lạc hoặc bán mạch lạc trong ma trận martensite đã tôi luyện. Các cacbua này thường có đường kính 5-10 nanomet và hình thành khi các nguyên tố tạo cacbua mạnh (V, Mo, Cr, W) kết hợp với cacbon ở nhiệt độ cao cụ thể.

Quá trình bắt đầu bằng việc hòa tan các cacbua epsilon và cementite (Fe₃C) hình thành trong các giai đoạn tôi luyện trước đó. Khi quá trình tôi luyện tiếp tục ở nhiệt độ cao hơn, các nguyên tố hợp kim, ban đầu ở trong dung dịch rắn quá bão hòa trong martensite, khuếch tán và kết hợp với cacbon để tạo thành các cacbua loại MC, M₂C, M₇C₃ hoặc M₂₃C₆ phức tạp (trong đó M biểu thị các nguyên tử kim loại).

Các chất kết tủa ở cấp độ nano này tạo ra các biến dạng liên kết trong ma trận xung quanh và ngăn cản hiệu quả chuyển động sai lệch thông qua cơ chế tăng cường phân tán và cơ chế làm cứng kết tủa, dẫn đến sự gia tăng độ cứng đặc trưng.

Mô hình lý thuyết

Tham số Hollomon-Jaffe (HJP) cung cấp khuôn khổ lý thuyết chính để hiểu các hiện tượng tôi luyện bao gồm cả sự cứng thứ cấp. Tham số này được thể hiện như sau:

$P = T(C + \logt)$

Trong đó T là nhiệt độ tuyệt đối, t là thời gian tính bằng giờ và C là hằng số phụ thuộc vào vật liệu (thường là 20 đối với thép).

Sự hiểu biết về quá trình tôi thứ cấp đã phát triển đáng kể thông qua công trình của Bain và Davenport vào những năm 1930, những người đầu tiên ghi chép hiện tượng này trong thép molypden. Sau đó, nghiên cứu của Geller vào những năm 1950 đã thiết lập các mô hình toàn diện cho chuỗi kết tủa carbide.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại kết hợp mô hình nhiệt động lực học sử dụng các công cụ tính toán như CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams) để dự đoán độ ổn định của carbide và động học kết tủa. Các mô hình này được bổ sung bởi các lý thuyết về hạt nhân và tăng trưởng mô tả sự tiến hóa của kích thước carbide và phân phối trong quá trình tôi luyện.

Cơ sở khoa học vật liệu

Quá trình tôi thứ cấp có liên quan mật thiết đến cấu trúc tinh thể tứ giác tâm khối (BCT) của martensite, cấu trúc này chuyển thành cấu trúc lập phương tâm khối (BCC) trong quá trình tôi. Mạng lưới méo mó của martensite cung cấp nhiều vị trí hình thành hạt nhân để kết tủa carbide.

Hiện tượng này phụ thuộc rất nhiều vào đặc điểm ranh giới hạt, vì các giao diện này đóng vai trò là các vị trí hạt nhân ưu tiên cho các cacbua lớn hơn. Tuy nhiên, quá trình làm cứng thứ cấp hiệu quả nhất xảy ra thông qua sự kết tủa đồng đều các cacbua mịn bên trong ma trận thay vì ở ranh giới hạt.

Các nguyên tắc khuếch tán trạng thái rắn chi phối quá trình này, với khuếch tán thay thế các nguyên tố hợp kim là bước giới hạn tốc độ. Sự kết hợp giữa các cacbua kết tủa và ma trận, hình thái cacbua và sự phân bố không gian của chúng cùng nhau xác định biên độ của hiệu ứng làm cứng theo cơ chế tăng cường Orowan.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Hiệu ứng làm cứng thứ cấp có thể được định lượng bằng cách sử dụng phương trình vi phân độ cứng:

$\Delta H = H_s - H_m$

Trong đó $\Delta H$ là mức tăng độ cứng thứ cấp, $H_s$ là độ cứng đỉnh đạt được trong quá trình cứng thứ cấp và $H_m$ là độ cứng tối thiểu được quan sát thấy trước khi quá trình cứng thứ cấp bắt đầu.

Công thức tính toán liên quan

Động học của quá trình làm cứng thứ cấp tuân theo phương trình Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK):

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

Trong đó $f$ là phân số được biến đổi, $k$ là hằng số tốc độ phụ thuộc vào nhiệt độ, $t$ là thời gian và $n$ là số mũ Avrami phản ánh cơ chế hình thành và phát triển.

Sự đóng góp tăng cường lượng mưa có thể được ước tính bằng phương trình Orowan:

$\Delta\tau = \frac{Gb}{L}$

Trong đó $\Delta\tau$ là mức tăng cường độ chịu kéo, $G$ là mô đun cắt, $b$ là vectơ Burgers và $L$ là khoảng cách trung bình giữa các kết tủa.

Các công thức này được áp dụng để dự đoán sự phát triển độ cứng trong chu kỳ tôi luyện và để tối ưu hóa các thông số xử lý nhiệt cho các thành phần hợp kim cụ thể.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các mô hình toán học này chủ yếu có giá trị đối với thép chứa đủ lượng các nguyên tố tạo thành cacbua mạnh (thường >0,5 wt% kết hợp). Các công thức giả định sự phân bố đồng đều các nguyên tố hợp kim và cacbon trong cấu trúc martensitic ban đầu.

Các mô hình có giới hạn nhiệt độ, thường áp dụng trong khoảng 500-650°C, vì các cơ chế hình thành cacbua khác nhau chiếm ưu thế ngoài phạm vi này. Ở nhiệt độ cao hơn, sự thô hóa nhanh chóng của cacbua dẫn đến sự mềm hóa lấn át hiệu ứng làm cứng.

Các công thức này giả định điều kiện tôi luyện đẳng nhiệt và có thể cần điều chỉnh cho các tình huống làm nóng hoặc làm mát liên tục. Ngoài ra, chúng không tính đến các hiệu ứng kích thước hạt austenit trước đó hoặc chuyển đổi austenit giữ lại trong quá trình tôi luyện.

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 các phương pháp thử độ cứng vĩ mô phù hợp với phép đo độ cứng khối. ASTM E92, E384 và ISO 6507 đề cập đến thử độ cứng vi mô phù hợp với phép đo cục bộ và mẫu mỏng.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Máy kiểm tra độ cứng Rockwell (thường sử dụng thang đo C) thường được sử dụng để đo hiệu ứng làm cứng thứ cấp trong thép dụng cụ. Các dụng cụ này áp dụng tải trọng được xác định trước thông qua đầu kim cương hình nón và đo độ sâu thâm nhập.

Máy kiểm tra độ cứng vi mô Vickers và Knoop sử dụng đầu kim tự tháp kim cương để tạo ra các vết lõm cực nhỏ dưới tải trọng được kiểm soát chính xác. Các đường chéo vết lõm kết quả được đo quang học để tính toán giá trị độ cứng.

Đặc tính nâng cao sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát trực tiếp kết tủa cacbua, kích thước và phân bố. Chụp cắt lớp thăm dò nguyên tử (APT) cung cấp bản đồ thành phần ba chiều ở độ phân giải nguyên tử để phân tích hóa học và hình thái cacbua.

Yêu cầu mẫu

Mẫu chuẩn yêu cầu bề mặt phẳng, song song với độ nhám bề mặt dưới 0,8 μm Ra. Độ dày tối thiểu phải gấp ít nhất 10 lần độ sâu vết lõm đối với thử nghiệm Rockwell và gấp 1,5 lần chiều dài đường chéo đối với thử nghiệm Vickers.

Chuẩn bị bề mặt thường bao gồm việc mài bằng chất mài mòn mịn hơn theo thứ tự sau đó đánh bóng đến khi có bề mặt gương. Đối với kiểm tra cấu trúc vi mô, cần phải khắc thêm bằng thuốc thử thích hợp (thường là nital hoặc picral).

Mẫu vật phải không bị thoát cacbon, điều này đòi hỏi phải có môi trường bảo vệ trong quá trình xử lý nhiệt hoặc loại bỏ lớp bề mặt trước khi thử nghiệm.

Thông số thử nghiệm

Thử nghiệm thường được tiến hành ở nhiệt độ phòng (23±5°C) trong điều kiện độ ẩm được kiểm soát. Đối với đánh giá hiệu suất ở nhiệt độ cao, có thể sử dụng máy thử độ cứng nóng chuyên dụng hoạt động ở nhiệt độ lên đến 800°C.

Tốc độ tải chuẩn cho thử nghiệm Rockwell được chỉ định trong ASTM E18, thường áp dụng tải trọng chính trong 1-3 giây. Thời gian dừng cho tải trọng chính được chuẩn hóa ở mức 1-5 giây cho thử nghiệm thông thường.

Cần thực hiện nhiều phép đo (thường là 5-7 phép đo) ở các vị trí khác nhau để có được kết quả có ý nghĩa thống kê, với khoảng cách tối thiểu giữa các vết lõm bằng 3-4 lần đường kính vết lõm.

Xử lý dữ liệu

Các phép đo độ cứng thô được thu thập và tính trung bình, với các giá trị ngoại lệ được xác định bằng các phương pháp thống kê như tiêu chuẩn Chauvenet. Độ lệch chuẩn được tính toán để đánh giá tính nhất quán của phép đo.

Đường cong tôi luyện được tạo ra bằng cách biểu diễn các giá trị độ cứng theo nhiệt độ hoặc thời gian tôi luyện, với các đỉnh tôi luyện thứ cấp được xác định thông qua thuật toán phát hiện đỉnh hoặc điều chỉnh đa thức.

Năng lượng hoạt hóa cho quá trình kết tủa cacbua có thể được tính toán từ dữ liệu tôi luyện đẳng nhiệt bằng cách sử dụng biểu đồ Arrhenius, cung cấp thông tin chi tiết về cơ chế khuếch tán kiểm soát.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép dụng cụ H13	48-54 HRC	Tôi luyện ở nhiệt độ 550°C, 2h	Tiêu chuẩn ASTMA681
Thép tốc độ cao M2	63-67 HRC	Tôi luyện ở nhiệt độ 560°C, 2h	Tiêu chuẩn ASTMA600
Thép làm việc nguội D2	58-62 HRC	Tôi luyện ở nhiệt độ 525°C, 2h	Tiêu chuẩn ASTMA681
Thép tốc độ cao T15	65-68 HRC	Tôi luyện ở nhiệt độ 565°C, 2 giờ	Tiêu chuẩn ASTMA600

Sự khác biệt trong mỗi phân loại thép chủ yếu là do sự khác biệt nhỏ về thành phần, đặc biệt là hàm lượng carbon và vanadi. Nồng độ vanadi cao hơn thường tạo ra phản ứng làm cứng thứ cấp mạnh hơn.

Trong các ứng dụng thực tế, các giá trị này biểu thị độ cứng tối đa có thể đạt được thông qua xử lý nhiệt thích hợp. Đỉnh làm cứng thứ cấp biểu thị điều kiện tôi luyện tối ưu cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng chống mài mòn tối đa trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai thích hợp.

Xu hướng nhất quán giữa các loại thép khác nhau cho thấy hàm lượng nguyên tố hợp kim cao hơn (đặc biệt là vanadi, molypden và vonfram) tương quan với hiệu ứng làm cứng thứ cấp rõ rệt hơn và giá trị độ cứng đỉnh cao hơn.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư phải tính đến những thay đổi về kích thước trong quá trình xử lý nhiệt tôi luyện thứ cấp, thường là độ co ngót tuyến tính 0,05-0,10%. Sự thay đổi về kích thước này phải được đưa vào dung sai sản xuất cho các thành phần chính xác.

Hệ số an toàn 1,2-1,5 thường được áp dụng khi thiết kế các thành phần sử dụng thép tôi thứ cấp, đặc biệt là đối với các ứng dụng tải tuần hoàn trong đó khả năng chống mỏi là rất quan trọng. Các hệ số này bù đắp cho các biến thể vi cấu trúc tiềm ẩn và tác động môi trường.

Quyết định lựa chọn vật liệu thường cân bằng khả năng chống mài mòn vượt trội của thép tôi thứ cấp với chi phí cao hơn và yêu cầu xử lý nhiệt phức tạp hơn. Khung quyết định thường cân nhắc các điều kiện dịch vụ, tuổi thọ dự kiến ​​của thành phần và các yếu tố kinh tế.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Ngành công nghiệp chế tạo dụng cụ sử dụng rộng rãi quá trình tôi thứ cấp trong thép khuôn gia công nóng (H11, H13) cho các ứng dụng như khuôn rèn và dụng cụ đùn. Các thành phần này phải duy trì độ cứng và độ bền ở nhiệt độ vận hành cao (400-600°C) trong khi vẫn chống lại sự mỏi nhiệt.

Các ứng dụng dụng cụ cắt, đặc biệt là gia công tốc độ cao với thép M2, M4 và T15, dựa vào quá trình tôi thứ cấp để cung cấp khả năng chống mài mòn và độ cứng đỏ đặc biệt. Các dụng cụ này duy trì lưỡi cắt ở nhiệt độ cao tạo ra trong quá trình cắt kim loại tốc độ cao.

Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ và quốc phòng sử dụng thép tôi thứ cấp trong các thành phần quan trọng như bánh đáp máy bay (thép 300M) và đạn xuyên giáp. Các ứng dụng này đòi hỏi sự kết hợp đặc biệt giữa độ bền, độ cứng và độ tin cậy trong điều kiện dịch vụ khắc nghiệt.

Đánh đổi hiệu suất

Quá trình tôi thứ cấp thường làm giảm độ dẻo dai khi độ cứng tăng lên, tạo ra sự đánh đổi cơ bản. Ví dụ, tăng nhiệt độ tôi của H13 từ 550°C lên 600°C có thể làm tăng độ cứng thêm 2-3 HRC nhưng có thể làm giảm độ dẻo dai va đập xuống 30-40%.

Khả năng chống ăn mòn thường giảm khi quá trình tôi thứ cấp tăng lên do sự suy giảm crom trong ma trận khi nó hình thành crom cacbua. Điều này đòi hỏi phải xử lý bề mặt bổ sung hoặc kiểm soát môi trường trong môi trường ăn mòn.

Các kỹ sư cân bằng các yêu cầu cạnh tranh này bằng cách lựa chọn phương pháp xử lý tôi luyện nhiều giai đoạn. Ví dụ, tôi luyện kép ở đỉnh cứng thứ cấp tiếp theo là tôi luyện ở nhiệt độ thấp hơn một chút có thể tối ưu hóa sự cân bằng độ cứng-độ dai cho các ứng dụng cụ thể.

Phân tích lỗi

Nứt mỏi do nhiệt là một chế độ hỏng hóc phổ biến trong thép công cụ gia công nóng được tôi cứng thứ cấp. Các chu kỳ gia nhiệt và làm mát lặp đi lặp lại trong quá trình sử dụng gây ra sự hình thành mạng lưới nứt tiến triển ("kiểm tra nhiệt") cuối cùng dẫn đến hỏng hóc thảm khốc.

Cơ chế hỏng hóc liên quan đến biến dạng dẻo tuần hoàn ở bề mặt, với ứng suất nén trong quá trình gia nhiệt và ứng suất kéo trong quá trình làm nguội. Sự thô hóa cacbua trong quá trình tiếp xúc nhiệt độ cao kéo dài làm giảm dần độ bền vật liệu, đẩy nhanh quá trình lan truyền vết nứt.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm hệ thống làm mát được tối ưu hóa để giảm sự chênh lệch nhiệt độ, xử lý bề mặt như thấm nitơ để cải thiện khả năng chống mỏi và các chu trình xử lý nhiệt được sửa đổi, hy sinh một chút độ cứng đỉnh để cải thiện độ dẻo dai và độ ổn định nhiệt.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Vanadi có ảnh hưởng mạnh nhất đến quá trình tôi thứ cấp, tạo thành cacbua V4C3 ổn định, chống lại quá trình thô. Việc bổ sung 1-5% vanadi có thể làm tăng đỉnh tôi thứ cấp thêm 3-8 điểm HRC so với các loại thép tương tự không có vanadi.

Các nguyên tố vi lượng như bo (30-100 ppm) có thể tăng cường quá trình làm cứng thứ cấp bằng cách phân tách thành ranh giới hạt và làm chậm quá trình hình thành cacbua ranh giới hạt, thúc đẩy quá trình kết tủa đồng đều hơn trong ma trận.

Tối ưu hóa thành phần thường bao gồm việc cân bằng hàm lượng cacbon (kiểm soát phần thể tích của cacbua) với các nguyên tố hợp kim (xác định loại cacbua và độ ổn định). Nhiệt động lực học tính toán hiện đại cho phép dự đoán chính xác thành phần tối ưu cho các phản ứng làm cứng thứ cấp cụ thể.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt austenit trước mịn hơn giúp tăng cường quá trình làm cứng thứ cấp bằng cách cung cấp nhiều vị trí hình thành hạt hơn để kết tủa cacbua đồng đều. Kiểm soát kích thước hạt thông thường nhắm mục tiêu đến số lượng hạt ASTM 7-10 để có phản ứng tối ưu.

Phân bố pha ảnh hưởng đáng kể đến quá trình làm cứng thứ cấp, với các cấu trúc martensitic hoàn toàn cho thấy phản ứng mạnh nhất. Austenit giữ lại trên 10% có thể làm giảm quá trình làm cứng thứ cấp bằng cách giảm quá trình bão hòa cacbon trong martensitic.

Các tạp chất phi kim loại, đặc biệt là oxit và sunfua, có thể đóng vai trò là các vị trí hạt nhân không đồng nhất cho các cacbua thô, làm giảm hiệu quả của quá trình tôi thứ cấp. Các phương pháp làm sạch thép hiện đại giảm thiểu những tác động có hại này.

Xử lý ảnh hưởng

Nhiệt độ austenit hóa ảnh hưởng nghiêm trọng đến quá trình tôi thứ cấp bằng cách kiểm soát lượng nguyên tố hợp kim hòa tan trong austenit. Nhiệt độ austenit hóa cao hơn (1050-1200°C) thường làm tăng tiềm năng tôi thứ cấp bằng cách tăng quá trình bão hòa hợp kim.

Làm nguội trước khi tôi có thể đẩy nhanh quá trình làm cứng thứ cấp bằng cách đưa vào các vị trí sai lệch đóng vai trò là các vị trí hình thành hạt nhân để kết tủa cacbua. Phương pháp này đôi khi được sử dụng trong các ứng dụng đua xe hiệu suất cao.

Tốc độ làm nguội giữa quá trình tôi và ram ảnh hưởng đến sự phân bố cacbua ban đầu. Việc chuyển nhanh sang nhiệt độ ram giúp giảm thiểu quá trình ram tự động và bảo toàn nhiều cacbon và nguyên tố hợp kim hơn trong dung dịch để làm cứng lần thứ cấp sau đó.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ làm việc gần với nhiệt độ tôi có thể gây ra quá trình lão hóa và làm mềm thép tôi thứ cấp. Điều này hạn chế ứng dụng thực tế của thép công cụ H13 ở nhiệt độ hoạt động dưới khoảng 540°C.

Hydro trong môi trường ăn mòn có thể tương tác với các giao diện cacbua, làm tăng tốc độ giòn và làm giảm lợi ích hiệu quả của quá trình làm cứng thứ cấp. Điều này đặc biệt có vấn đề trong các ứng dụng hóa dầu.

Các tác động phụ thuộc vào thời gian bao gồm sự thô hóa cacbua trong quá trình tiếp xúc với nhiệt độ cao kéo dài, làm giảm dần độ cứng. Cân nhắc về độ ổn định nhiệt này rất quan trọng đối với các công cụ có tuổi thọ sử dụng dự kiến ​​vượt quá 100.000 chu kỳ.

Phương pháp cải tiến

Nhiều chu kỳ tôi luyện (thường là 2-3 lần xử lý) ở nhiệt độ đỉnh cứng thứ cấp làm tăng tính đồng nhất về độ cứng và độ kết tủa hoàn chỉnh. Mỗi chu kỳ thường kéo dài 2 giờ với quá trình làm mát hoàn toàn đến nhiệt độ phòng giữa các chu kỳ.

Xử lý nhiệt độ thấp giữa quá trình tôi và ram có thể tăng cường quá trình làm cứng thứ cấp bằng cách chuyển đổi austenit giữ lại thành martensit, tạo ra nhiều cacbon hơn để hình thành cacbua trong quá trình ram tiếp theo.

Các phương pháp kỹ thuật bề mặt như thấm nitơ hoặc phủ PVD có thể được kết hợp với quá trình làm cứng thứ cấp để tạo ra vật liệu có tính chất bề mặt đặc biệt trong khi vẫn duy trì các lợi ích cốt lõi của quá trình làm cứng thứ cấp.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Làm cứng kết tủa là cơ chế gia cường rộng hơn, trong đó các hạt mịn kết tủa từ dung dịch rắn quá bão hòa. Làm cứng thứ cấp là một loại làm cứng kết tủa cụ thể xảy ra trong quá trình tôi luyện một số loại thép nhất định.

Độ cứng đỏ mô tả khả năng duy trì độ cứng của vật liệu ở nhiệt độ cao, một đặc tính được tăng cường trực tiếp thông qua quá trình làm cứng thứ cấp. Thép có quá trình làm cứng thứ cấp tốt thường có độ cứng đỏ vượt trội lên đến 500-600°C.

Độ bền tôi cho biết khả năng chống lại sự mềm hóa của vật liệu khi tiếp xúc với nhiệt độ cao. Thép tôi thứ cấp có khả năng chống tôi đặc biệt so với thép cacbon thông thường do tính ổn định nhiệt của hợp kim cacbua.

Các thuật ngữ này tạo thành một khuôn khổ liên kết mô tả các đặc tính cơ học ở nhiệt độ cao, với quá trình làm cứng thứ cấp cung cấp nền tảng vi cấu trúc để nâng cao hiệu suất.

Tiêu chuẩn chính

ASTM A681 "Tiêu chuẩn kỹ thuật cho hợp kim thép công cụ" thiết lập các phạm vi thành phần và yêu cầu về độ cứng tối thiểu cho thép công cụ tôi luyện lần thứ cấp, bao gồm thép làm việc nóng loại H và thép làm việc nguội loại D.

ISO 4957 "Thép công cụ" cung cấp các thông số kỹ thuật của Châu Âu về quy trình xử lý nhiệt và các đặc tính mong đợi của thép tôi thứ cấp, với phạm vi thành phần hơi khác so với tiêu chuẩn ASTM.

Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản (JIS) G4404 áp dụng phương pháp tiếp cận dựa trên hiệu suất đối với thép tôi thứ cấp, chỉ định các giá trị độ cứng tối thiểu sau các chu trình xử lý nhiệt chuẩn hóa thay vì kiểm soát chặt chẽ về thành phần.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào mô hình tính toán chuỗi kết tủa carbide để tối ưu hóa phản ứng làm cứng thứ cấp. Các mô hình này tích hợp cơ sở dữ liệu nhiệt động lực học với mô phỏng động học để dự đoán sự tiến hóa của cấu trúc vi mô trong các chu kỳ nhiệt phức tạp.

Các công nghệ đặc tính mới nổi như nhiễu xạ neutron tại chỗ trong quá trình tôi luyện cung cấp những hiểu biết chưa từng có về sự hình thành và hòa tan cacbua theo thời gian thực. Các kỹ thuật này đang tiết lộ các giai đoạn chuyển tiếp tinh tế trước đây không thể phát hiện được.

Các phát triển trong tương lai có thể bao gồm các phản ứng làm cứng thứ cấp được điều chỉnh thông qua kỹ thuật thành phần ở quy mô nano. Nghiên cứu sơ bộ cho thấy việc phân tách có kiểm soát các nguyên tố hợp kim thành các đặc điểm tinh thể cụ thể có thể tăng cường làm cứng thứ cấp đồng thời giảm thiểu độ giòn liên quan.