Nhiệt độ: Quy trình xử lý nhiệt để tối ưu hóa các tính chất của thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Temper là quá trình gia nhiệt lại có kiểm soát thép đã tôi đến nhiệt độ dưới điểm tới hạn, sau đó là quá trình làm nguội có kiểm soát, để đạt được các tính chất cơ học cụ thể. Quá trình xử lý nhiệt này làm giảm độ cứng và độ giòn truyền qua quá trình tôi trong khi tăng độ dai và độ dẻo lên mức mong muốn. Temper rất cần thiết để cân bằng các tính chất cơ học trong các thành phần thép, vì thép đã tôi hoàn toàn thường quá giòn đối với hầu hết các ứng dụng thực tế.

Theo thuật ngữ luyện kim, tôi là một bước quan trọng trong toàn bộ trình tự xử lý nhiệt bao gồm austenit hóa, tôi và tôi. Nó chiếm một vị trí quan trọng trong luyện kim vì nó cho phép các kỹ sư tinh chỉnh các tính chất cơ học của thép, tạo ra vật liệu có sự kết hợp tối ưu giữa độ bền, độ cứng và độ dẻo dai cho các ứng dụng cụ thể.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, tôi luyện liên quan đến quá trình phân hủy martensite, một dung dịch rắn cacbon siêu bão hòa trong sắt có cấu trúc tứ giác tâm khối. Trong quá trình tôi luyện, các nguyên tử cacbon khuếch tán ra khỏi mạng lưới martensite bị biến dạng, tạo thành các chất kết tủa cacbua. Sự khuếch tán này làm giảm ứng suất bên trong và biến dạng mạng lưới trong cấu trúc martensite.

Quá trình này diễn ra theo các giai đoạn riêng biệt khi nhiệt độ tăng: sự phân tách các nguyên tử cacbon thành các khuyết tật mạng (25-100°C), sự kết tủa các cacbua chuyển tiếp (100-200°C), sự biến đổi của austenit giữ lại (200-300°C) và sự hình thành và làm thô của cementit (250-700°C). Những thay đổi về cấu trúc vi mô này dần dần làm thay đổi các tính chất cơ học của thép.

Mô hình lý thuyết

Tham số Hollomon-Jaffe (HJP) đại diện cho mô hình lý thuyết chính được sử dụng để mô tả các hiệu ứng tôi luyện, tương quan giữa thời gian và nhiệt độ:

$P = T(C + \logt)$

Trong đó T là nhiệt độ (K), t là thời gian (giờ) và C là hằng số phụ thuộc vào vật liệu (thường là 20 đối với thép). Tham số này cho phép dự đoán các điều kiện tôi luyện tương đương trên các kết hợp thời gian-nhiệt độ khác nhau.

Hiểu biết lịch sử về quá trình tôi luyện đã phát triển từ kiến ​​thức thủ công thực nghiệm thành hiểu biết khoa học vào đầu thế kỷ 20. Công trình đầu tiên của Bain và Davenport vào những năm 1930 đã thiết lập các giai đoạn cơ bản của quá trình tôi luyện thông qua các nghiên cứu nhiễu xạ tia X.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại bao gồm các mô hình động học dựa trên năng lượng hoạt hóa cho các mô hình động học khuếch tán cacbon và kết tủa kết hợp các lý thuyết về sự hình thành hạt nhân và sự phát triển cho quá trình hình thành cacbua.

Cơ sở khoa học vật liệu

Quá trình tôi luyện ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tinh thể bằng cách cho phép các nguyên tử cacbon khuếch tán từ martensite quá bão hòa để tạo thành các chất kết tủa carbide. Điều này làm giảm tính tứ phương của mạng martensite, tiến gần đến cấu trúc lập phương tâm khối.

Các ranh giới hạt đóng vai trò là các vị trí ưu tiên cho quá trình kết tủa carbide trong quá trình tôi luyện. Sự phân bố và hình thái của các kết tủa này ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cơ học, với các carbide mịn, phân bố đều thường cung cấp độ dẻo dai tối ưu.

Quá trình này tuân theo các nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản về khuếch tán, kết tủa và chuyển pha. Động lực cho các chuyển đổi này là sự giảm năng lượng tự do Gibbs khi cấu trúc martensite siêu bền chuyển sang các cấu hình ổn định hơn.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Tham số tôi luyện Hollomon-Jaffe được định nghĩa như sau:

$P = T(C + \log t) \lần 10^{-3}$

Ở đâu:
- $P$ = tham số tôi luyện
- $T$ = nhiệt độ tuyệt đối (K)
- $C$ = hằng số vật liệu (thường là 15-20 đối với thép)
- $t$ = thời gian (giờ)

Công thức tính toán liên quan

Mối quan hệ giữa độ cứng và thông số tôi luyện có thể được biểu thị như sau:

$HRC = A - B \log(P)$

Ở đâu:
- $HRC$ = độ cứng theo thang Rockwell C
- $A$ và $B$ = hằng số vật liệu riêng
- $P$ = tham số tôi luyện

Để ước tính độ bền kéo từ độ cứng sau khi tôi luyện:

$UTS (MPa) \khoảng 3,45 \lần HV$

Trong đó $HV$ là số độ cứng Vickers.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này thường có giá trị đối với thép hợp kim thấp và thép cacbon thông thường có hàm lượng cacbon từ 0,3-0,6%. Tham số Hollomon-Jaffe trở nên kém chính xác hơn đối với thép hợp kim cao, đặc biệt là những loại thép có chứa các nguyên tố tạo thành cacbua mạnh như vanadi hoặc molypden.

Các mô hình giả định cấu trúc vi mô ban đầu đồng nhất (hoàn toàn là martensitic) và phân bố nhiệt độ đồng nhất trong quá trình tôi luyện. Độ lệch đáng kể xảy ra khi áp dụng cho các cấu trúc martensitic một phần hoặc khi tôi luyện các thành phần rất lớn với các gradient nhiệt.

Các mối quan hệ này cũng giả định nhiệt độ tôi luyện thông thường (150-650°C); chúng có thể không dự đoán chính xác các đặc tính cho quá trình tôi luyện ở nhiệt độ rất thấp hoặc nhiệt độ cao.

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 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
• ISO 6508: Vật liệu kim loại — Thử độ cứng Rockwell
• ISO 6507: Vật liệu kim loại — Thử độ cứng Vickers

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Máy kiểm tra độ cứng (Rockwell, Vickers, Brinell) là thiết bị chính để đánh giá hiệu ứng tôi luyện. Các thiết bị này đo khả năng chống lại vết lõm của vật liệu bằng cách sử dụng các đầu đo và tải trọng chuẩn.

Kính hiển vi kim loại học có khả năng chụp ảnh kỹ thuật số cho phép kiểm tra các cấu trúc vi mô đã tôi luyện. Nguyên lý bao gồm chuẩn bị mẫu thông qua mài, đánh bóng và khắc để lộ các đặc điểm cấu trúc vi mô.

Đặc tính nâng cao sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) với quang phổ tia X phân tán năng lượng (EDS) để chụp ảnh có độ phân giải cao và phân tích hóa học các chất kết tủa cacbua.

Yêu cầu mẫu

Mẫu thử độ cứng tiêu chuẩn yêu cầu bề mặt phẳng, song song với độ dày tối thiểu gấp 10 lần độ sâu vết lõm. Độ hoàn thiện bề mặt phải đạt 0,8μm Ra hoặc tốt hơn để có kết quả chính xác.

Các mẫu kim loại học cần được chuẩn bị cẩn thận bao gồm cắt, gắn, mài (cỡ hạt 120-1200), đánh bóng (hoàn thiện 1μm) và khắc hóa học (thường là dung dịch nital 2-5%).

Các mẫu phải đại diện cho thành phần đang được đánh giá, xem xét đến các biến thể tiềm ẩn trong tốc độ làm nguội trong quá trình tôi và các gradient nhiệt trong quá trình ram.

Thông số thử nghiệm

Thử nghiệm tiêu chuẩn được tiến hành ở nhiệt độ phòng (23±5°C) với độ ẩm tương đối dưới 70%. Đối với thử nghiệm ở nhiệt độ cao, cần có thiết bị chuyên dụng duy trì độ chính xác ±3°C.

Kiểm tra độ cứng sử dụng tải trọng chuẩn hóa (ví dụ: 150kgf đối với Rockwell C) với thời gian dừng cụ thể (10-15 giây) và tốc độ tải được kiểm soát.

Kiểm tra va đập đối với thép tôi luyện thường sử dụng mẫu thép chữ V Charpy tiêu chuẩn được thử nghiệm trong phạm vi nhiệt độ để xác định nhiệt độ chuyển tiếp.

Xử lý dữ liệu

Việc thu thập dữ liệu bao gồm nhiều phép đo (thường là 5-7 phép đo) tại các vị trí khác nhau để tính đến tính không đồng nhất tiềm ẩn trong cấu trúc tôi luyện.

Phân tích thống kê bao gồm tính toán giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và khoảng tin cậy. Các giá trị ngoại lệ vượt quá hai độ lệch chuẩn thường được điều tra và có thể bị loại trừ với lý do chính đáng.

Giá trị tính chất cuối cùng được xác định thông qua các phương trình tương quan liên quan đến độ cứng với tính chất kéo hoặc được đo trực tiếp thông qua thử nghiệm kéo theo ASTM E8/ISO 6892.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình (HRC)	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
AISI 1045 (Carbon trung bình)	18-25	Tôi luyện ở nhiệt độ 550-650°C	Tiêu chuẩn ASTMA29
AISI 4140 (Hợp kim Cr-Mo thấp)	28-36	Tôi luyện ở nhiệt độ 450-550°C	Tiêu chuẩn ASTMA29
AISI 52100 (Thép chịu lực)	58-64	Tôi luyện ở nhiệt độ 150-200°C	Tiêu chuẩn ASTMA295
Thép dụng cụ H13	38-54	Tôi luyện ở nhiệt độ 550-650°C	Tiêu chuẩn ASTMA681

Sự thay đổi trong mỗi phân loại chủ yếu là do sự khác biệt về nhiệt độ tôi luyện, với nhiệt độ tôi luyện thấp hơn mang lại giá trị độ cứng cao hơn. Thời gian giữ, kích thước tiết diện và kích thước hạt austenit trước đó cũng góp phần vào sự thay đổi về tính chất.

Các giá trị này đóng vai trò là hướng dẫn cho việc lựa chọn vật liệu và thông số kỹ thuật xử lý nhiệt. Các kỹ sư nên cân nhắc rằng giá trị độ cứng cao hơn thường tương ứng với độ bền cao hơn nhưng độ dẻo dai thấp hơn.

Một xu hướng đáng chú ý cho thấy thép hợp kim cao giữ được độ cứng tốt hơn ở nhiệt độ tôi cao do hiệu ứng làm cứng thứ cấp từ quá trình kết tủa hợp kim cacbua.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư kết hợp hiệu ứng tôi luyện vào thiết kế bằng cách lựa chọn nhiệt độ tôi luyện thích hợp để đạt được các đặc tính cơ học mục tiêu. Các thành phần quan trọng về an toàn thường chỉ định cả giá trị độ cứng tối thiểu và tối đa để đảm bảo hiệu suất nhất quán.

Hệ số an toàn thường nằm trong khoảng từ 1,5-2,5 đối với các bộ phận bằng thép tôi luyện, với hệ số cao hơn được áp dụng khi tính chất vật liệu có sự thay đổi lớn hơn hoặc khi hậu quả của sự cố là nghiêm trọng.

Quyết định lựa chọn vật liệu cân bằng giữa yêu cầu về độ cứng với nhu cầu về độ dẻo dai, trong đó martensit tôi luyện mang lại sự kết hợp vượt trội so với cấu trúc chuẩn hóa hoặc ủ cho nhiều ứng dụng hiệu suất cao.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Hệ thống truyền động ô tô yêu cầu các bộ phận được tôi luyện chính xác như trục khuỷu và thanh truyền, trong đó khả năng chống mỏi và chống mài mòn phải được cân bằng với độ bền đủ để ngăn ngừa hỏng hóc nghiêm trọng.

Dụng cụ cắt và khuôn mẫu là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng khác, trong đó thép công cụ tôi luyện phải duy trì được độ sắc bén và khả năng chống mài mòn trong khi vẫn chống được tình trạng sứt mẻ và nứt dưới tải trọng va đập.

Bình chịu áp suất và các thành phần kết cấu trong ứng dụng dầu khí dựa vào thép hợp kim tôi luyện để mang lại độ bền và độ dẻo dai trong môi trường ăn mòn ở nhiệt độ và áp suất cao.

Đánh đổi hiệu suất

Độ cứng và độ dẻo dai thể hiện mối quan hệ nghịch đảo trong thép tôi. Nhiệt độ tôi luyện cao hơn làm tăng độ dẻo dai nhưng làm giảm độ cứng và khả năng chống mài mòn, đòi hỏi các kỹ sư phải xác định điểm thỏa hiệp tối ưu.

Độ bền mỏi và độ dẻo là một sự đánh đổi khác. Nhiệt độ tôi thấp hơn sẽ tối đa hóa độ bền mỏi nhưng lại làm giảm độ dẻo, điều này có thể gây ra vấn đề cho các thành phần bị biến dạng dẻo trong quá trình lắp ráp hoặc bảo dưỡng.

Các kỹ sư cân bằng những yêu cầu cạnh tranh này thông qua việc lựa chọn cẩn thận cả thành phần thép và các thông số tôi luyện, đôi khi sử dụng phương pháp tôi luyện khác biệt cho các thành phần có yêu cầu về tính chất khác nhau ở các khu vực khác nhau.

Phân tích lỗi

Giòn do tôi là một chế độ hỏng hóc phổ biến trong đó một số loại thép hợp kim bị giảm độ dẻo dai sau khi tiếp xúc với phạm vi nhiệt độ cụ thể (375-575°C) hoặc làm nguội chậm trong các phạm vi này.

Cơ chế này bao gồm sự phân tách các thành phần tạp chất (P, Sn, Sb, As) thành ranh giới hạt austenit trước đó, tạo ra các đường nứt ưu tiên. Điều này dẫn đến gãy liên hạt với biến dạng dẻo tối thiểu.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm giảm thiểu các thành phần tạp chất thông qua các biện pháp sản xuất thép sạch, bổ sung molypden (chống giòn) và tránh phạm vi nhiệt độ có vấn đề trong quá trình gia công và bảo dưỡng.

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 khả năng làm cứng và phản ứng ram, thép có hàm lượng cacbon cao hơn sẽ giữ được độ cứng cao hơn sau khi ram ở nhiệt độ tương đương.

Các nguyên tố vi lượng như phốt pho và lưu huỳnh có thể ảnh hưởng đáng kể đến quá trình tôi luyện bằng cách thúc đẩy quá trình tôi luyện giòn khi ở mức cao hơn mức tới hạn (thường >0,015%).

Các phương pháp tối ưu hóa bao gồm cân bằng cacbon để đạt được độ cứng cần thiết, thêm molypden (0,15-0,30%) để chống giòn khi tôi và kết hợp vanadi (0,03-0,10%) để thúc đẩy quá trình tôi cứng thứ cấp trong quá trình tôi.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt austenit mịn hơn thường cải thiện độ dẻo dai sau khi ram mà không làm giảm đáng kể độ bền, khiến quá trình tinh chế hạt thông qua quá trình austenit hóa có kiểm soát trở thành một phương pháp tối ưu hóa có giá trị.

Sự phân bố pha trước khi tôi ảnh hưởng đến phản ứng ram, với các cấu trúc hoàn toàn là martensitic cho thấy hành vi ram dễ dự đoán hơn so với các cấu trúc vi mô hỗn hợp chứa bainit hoặc ferit.

Các tạp chất phi kim loại đóng vai trò là chất tập trung ứng suất có thể làm giảm độ dẻo dai sau khi tôi luyện, đặc biệt là trong các ứng dụng có độ bền cao, khi độ dẻo dai khi gãy trở thành yếu tố thiết kế hạn chế.

Xử lý ảnh hưởng

Các thông số xử lý nhiệt ảnh hưởng rất lớn đến kết quả ram, trong đó nhiệt độ austenit hóa cao hơn thường đòi hỏi nhiệt độ ram cao hơn để đạt được độ dẻo dai tương đương.

Gia công cơ học trước khi xử lý nhiệt ảnh hưởng đến phản ứng với quá trình tôi luyện thông qua những thay đổi về mật độ trật khớp và cấu trúc hạt. Thép làm việc nguội thường cho thấy phản ứng tôi luyện nhanh hơn so với vật liệu ủ.

Tốc độ làm mát sau khi tôi luyện ảnh hưởng đến các đặc tính, đặc biệt là đối với thép hợp kim dễ bị giòn khi tôi luyện. Làm mát bằng không khí thường được ưa chuộng hơn làm mát bằng lò chậm để giảm thiểu thời gian lưu trú trong phạm vi nhiệt độ giòn.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ sử dụng ảnh hưởng đến các kết cấu đã tôi luyện, khi tiếp xúc kéo dài ở mức trên 350°C có khả năng gây ra quá trình tôi luyện bổ sung và làm giảm tính chất của nhiều loại thép kỹ thuật.

Môi trường hydro có thể gây ra hiện tượng nứt chậm ở thép tôi cường độ cao thông qua cơ chế giòn do hydro, đặc biệt khi độ cứng vượt quá 35 HRC.

Các tác động phụ thuộc vào thời gian bao gồm lão hóa do biến dạng trong thép tôi có chứa các nguyên tố xen kẽ tự do (C, N), có thể làm tăng giới hạn chảy và giảm độ dẻo trong quá trình sử dụng lâu dài ở nhiệt độ vừa phải.

Phương pháp cải tiến

Các quy trình tôi luyện nhiều giai đoạn, đặc biệt là tôi luyện kép, cải thiện độ ổn định về kích thước và giảm lượng austenit giữ lại trong thép dụng cụ và thép chịu lực bằng cách cho phép chuyển đổi hoàn toàn trong quá trình làm nguội trung gian.

Xử lý nhiệt độ thấp giữa quá trình tôi và ram giúp tăng khả năng chống mài mòn ở một số loại thép dụng cụ bằng cách chuyển đổi austenit giữ lại thành martensit trước khi ram, đảm bảo phân phối cacbua đồng đều hơn.

Các phương pháp kỹ thuật bề mặt như tôi luyện cảm ứng cho phép tạo ra các mức độ đặc tính, cho phép tối ưu hóa các đặc tính bề mặt (khả năng chống mài mòn) trong khi vẫn duy trì các đặc tính cốt lõi (độ bền) trong các thành phần như trục và bánh răng.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Độ giòn khi tôi luyện là độ bền va đập giảm do một số điều kiện hoặc thành phần tôi luyện nhất định, biểu hiện dưới dạng gãy giữa các hạt với biến dạng dẻo tối thiểu.

Độ bền tôi mô tả khả năng duy trì độ cứng của vật liệu ở nhiệt độ tôi cao, thường được tăng cường bởi các nguyên tố tạo thành cacbua mạnh như molypden, vanadi và vonfram.

Làm cứng thứ cấp là hiện tượng một số loại thép hợp kim có độ cứng tăng lên khi được tôi ở nhiệt độ cao (500-600°C) do kết tủa các hợp kim cacbua mịn.

Các thuật ngữ này là những khía cạnh có mối liên hệ với nhau của quá trình tôi luyện cần được xem xét tổng thể khi thiết kế quy trình xử lý nhiệt cho các thành phần quan trọng.

Tiêu chuẩn chính

ASTM A255 cung cấp các phương pháp tiêu chuẩn để xác định độ cứng của thép, bao gồm phản ứng ram thông qua thử nghiệm tôi cuối (Jominy) và xây dựng đường cong ram.

Tiêu chuẩn SAE J406 thiết lập các yêu cầu về tôi luyện đối với thép dùng trong ô tô, chỉ định phạm vi nhiệt độ và các tính chất cơ học thu được cho các loại thép khác nhau được sử dụng trong các bộ phận của xe.

Tiêu chuẩn ISO 683 khác với các phương pháp ASTM/SAE ở chỗ tập trung nhiều hơn vào các dải độ cứng và cung cấp hướng dẫn ram chi tiết hơn cho các loại ứng dụng cụ thể.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào mô hình tính toán các quá trình tôi luyện bằng phương pháp trường pha và phương pháp Monte Carlo động học để dự đoán sự tiến hóa của cấu trúc vi mô và các tính chất thu được với độ chính xác cao hơn.

Các công nghệ mới nổi bao gồm quy trình tôi luyện nhanh sử dụng công nghệ gia nhiệt cảm ứng hoặc laser giúp đạt được tính chất tương đương chỉ trong vài phút thay vì vài giờ, giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng và thời gian xử lý.

Những phát triển trong tương lai có thể bao gồm các hệ thống tối ưu hóa thông số tôi luyện được hỗ trợ bởi AI, có khả năng dự đoán chu kỳ tôi luyện tối ưu dựa trên thành phần thép, lịch sử xử lý trước đó và hồ sơ tính chất cần thiết.