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 nung lại thép đã tôi đến nhiệt độ dưới điểm tới hạn, sau đó làm nguội có kiểm soát để giảm độ giòn và tăng độ dẻo dai trong khi vẫn duy trì mức độ cứng chấp nhận được. Quy trình xử lý nhiệt này sửa đổi cấu trúc vi mô của thép đã tôi trước đó để đạt được sự cân bằng cụ thể của các đặc tính cơ học phù hợp với yêu cầu ứng dụng.

Làm nguội là một bước quan trọng trong toàn bộ trình tự xử lý nhiệt của thép, thường là sau các hoạt động làm nguội tạo ra cấu trúc martensitic cứng nhưng giòn. Quá trình này làm giảm ứng suất bên trong, kết tủa cacbua và sửa đổi cấu trúc vi mô để đạt được sự kết hợp tối ưu giữa độ bền, độ dẻo và độ dai.

Trong khoa học luyện kim, tôi luyện là một phương pháp tiếp cận cơ bản đối với kỹ thuật vi cấu trúc, cho phép các nhà luyện kim kiểm soát chính xác các đặc tính vật liệu thông qua thao tác nhiệt. Nó minh họa cho nguyên tắc cốt lõi của luyện kim rằng các đặc tính cơ học có liên quan trực tiếp đến cấu trúc vi mô, có thể được thay đổi một cách có chủ ý thông qua quá trình xử lý nhiệt có kiểm soát.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, quá trình tôi luyện liên quan đến quá trình phân hủy martensite siêu bền thành các pha ổn định hơn. Trong quá trình tôi luyện, các nguyên tử cacbon khuếch tán ra khỏi martensite quá bão hòa, tạo thành các chất kết tủa cacbua trong khi ma trận martensite tứ giác dần dần chuyển thành cấu trúc ferit lập phương hơn.

Quá trình này diễn ra theo các giai đoạn riêng biệt: đầu tiên, kết tủa epsilon carbide (100-200°C); thứ hai, chuyển đổi austenit giữ lại (200-300°C); thứ ba, chuyển sang hình thành cementit và phục hồi martensite (300-400°C); và cuối cùng, cementit thô hóa và kết tinh lại ở nhiệt độ cao hơn (trên 400°C). Mỗi giai đoạn đều giảm dần ứng suất bên trong và sửa đổi cấu trúc trật khớp.

Chuyển động lệch vị trí ngày càng có thể xảy ra khi cacbon rời khỏi mạng lưới martensit, cho phép cải thiện độ dẻo trong khi vẫn duy trì độ bền đáng kể thông qua cơ chế làm cứng kết tủa và các đặc điểm vi cấu trúc tinh tế.

Mô hình lý thuyết

Tham số Hollomon-Jaffe (HJP) thể hiện mô hình lý thuyết chính mô tả quá trình tôi luyện, 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). Tham số này thiết lập mối quan hệ thời gian-nhiệt độ trong quá trình tôi luyện.

Hiểu biết lịch sử về quá trình tôi luyện đã phát triển từ kiến ​​thức thủ công thực nghiệm thành hiểu biết khoa học thông qua công trình của các nhà luyện kim như Bain và Davenport vào những năm 1930, những người đầu tiên mô tả các giai đoạn tôi luyện bằng kỹ thuật nhiễu xạ tia X.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại bao gồm các mô hình động học dựa trên khái niệm năng lượng hoạt hóa, các mô hình biến đổi kiểm soát khuếch tán và nhiệt động lực học tính toán sử dụng các phương pháp CALPHAD, cung cấp các dự đoán chính xác hơn về các biến đổi pha trong quá trình tôi luyện.

Cơ sở khoa học vật liệu

Quá trình tôi luyện trực tiếp làm thay đổi cấu trúc tinh thể bằng cách cho phép các nguyên tử cacbon khuếch tán từ các vị trí xen kẽ trong martensit tứ phương tâm khối (BCT) bị biến dạng về phía các dạng cacbua ổn định hơn, dần dần đưa ma trận trở lại cấu trúc ferit lập phương tâm khối (BCC).

Các ranh giới hạt đóng vai trò là các vị trí hạt nhân cho quá trình kết tủa carbide trong quá trình tôi luyện, với mật độ và đặc tính của chúng ảnh hưởng đến phản ứng tôi luyện. Các ranh giới hạt austenit trước đó, ranh giới thanh martensite và ranh giới gói đều đóng vai trò trong trình tự kết tủa và các tính chất cơ học thu được.

Quá trình tôi luyện minh họa cho nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản về tính ổn định tạm thời và chuyển pha, trong đó hệ thống chuyển động hướng tới trạng thái cân bằng nhiệt động thông qua các quá trình kiểm soát khuếch tán khi được cung cấp đủ năng lượng nhiệt để vượt qua các rào cản hoạt hóa.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Tham số tôi luyện Hollomon-Jaffe là phương trình cơ bản mô tả hành vi tôi luyện:

$P = T(K)(C + \logt)$

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

Công thức tính toán liên quan

Độ cứng giảm trong quá trình tôi luyện có thể được ước tính bằng:

$HRC = HRC_0 - K \log(P)$

Ở đâu:
- $HRC$ = độ cứng thu được theo thang Rockwell C
- $HRC_0$ = độ cứng ban đầu trước khi tôi luyện
- $K$ = hằng số phụ thuộc vật liệu
- $P$ = tham số tôi luyện

Năng lượng hoạt hóa để tôi luyện có thể được tính toán bằng cách sử dụng:

$\ln(t_1/t_2) = (Q/R)[(1/T_1) - (1/T_2)]$

Ở đâu:
- $t_1, t_2$ = thời gian để đạt được sự tôi luyện tương đương ở nhiệt độ $T_1$ và $T_2$
- $Q$ = năng lượng hoạt hóa cho quá trình tôi luyện
- $R$ = hằng số khí phổ biến
- $T_1, T_2$ = nhiệt độ tuyệt đối tính bằng Kelvin

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này chủ yếu áp dụng cho thép cacbon thông thường và thép hợp kim thấp với cấu trúc vi mô khởi đầu chủ yếu là martensitic. Chúng 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 Cr, Mo, V và W.

Tham số Hollomon-Jaffe giả định rằng thời gian và nhiệt độ có thể thay thế cho nhau theo mối quan hệ đã chỉ định, mối quan hệ này khá ổn trong phạm vi nhiệt độ tôi luyện thông thường (150-650°C) nhưng trở nên kém chính xác hơn ở nhiệt độ khắc nghiệt.

Các mô hình này giả định tốc độ gia nhiệt và làm nguội đồng đều, cấu trúc vi mô ban đầu đồng nhất và không có các phản ứng cạnh tranh như làm cứng thứ cấp, có thể làm thay đổi đáng kể phản ứng ram trong một số hệ hợp kim nhất định.

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 chuyển đổi pha của thép hợp kim thấp và cacbon hypoeutectoid - Bao gồm các quy trình đo lường và báo cáo chuyển đổi pha.

ASTM E18: Phương pháp thử tiêu chuẩn về độ cứng Rockwell của vật liệu kim loại - Chỉ định các quy trình thử độ cứng thường được sử dụng để xác minh kết quả tôi luyện.

ISO 6508: Vật liệu kim loại — Thử nghiệm độ cứng Rockwell - Cung cấp các tiêu chuẩn quốc tế về thử nghiệm độ cứng để đánh giá hiệu quả tôi luyện.

ASTM E3: Hướng dẫn tiêu chuẩn về chuẩn bị mẫu kim loại học - Chi tiết về chuẩn bị mẫu để phân tích cấu trúc vi mô của thép tôi.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Máy kiểm tra độ cứng (Rockwell, Vickers, Brinell) đo khả năng chống lõm, cung cấp đánh giá nhanh về hiệu quả tôi luyện thông qua mối tương quan với các đặc tính cơ học.

Kính hiển vi quang học cho thấy các đặc điểm cấu trúc vi mô của martensit tôi luyện, bao gồm kích thước cacbua, phân bố và đặc điểm của ma trận, thường đòi hỏi phải khắc bằng dung dịch nital hoặc picral để làm lộ các đặc điểm này.

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) cung cấp hình ảnh có độ phân giải cao hơn về các cấu trúc tôi luyện, trong khi kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cho phép quan sát trực tiếp các kết tủa cacbua mịn và các cấu trúc sai lệch hình thành do tôi luyện.

Thiết bị nhiễu xạ tia X (XRD) đo những thay đổi trong cấu trúc tinh thể, ứng suất dư và có thể xác định các pha cacbua hình thành trong các giai đoạn tôi luyện khác nhau.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu kim loại học tiêu chuẩn cần được cắt cẩn thận để tránh làm thay đổi cấu trúc vi mô do biến dạng hoặc gia nhiệt, thường được gắn trong nhựa để dễ xử lý.

Chuẩn bị bề mặt bao gồm việc mài qua các giai đoạn liên tiếp (thường là từ 120 đến 1200 grit), sau đó đánh bóng bằng hỗn hợp kim cương hoặc nhôm oxit để đạt được bề mặt sáng bóng như gương trước khi khắc.

Đối với thử nghiệm cơ học về đặc tính tôi luyện, mẫu vật phải được gia công theo các tiêu chuẩn có liên quan (ví dụ: ASTM E8 đối với thử nghiệm kéo) với sự chú ý cẩn thận đến hướng so với hình dạng sản phẩm ban đầu.

Thông số thử nghiệm

Kiểm tra độ cứng phải được tiến hành ở nhiệt độ phòng (20-25°C) trong điều kiện tải trọng được kiểm soát theo quy định của tiêu chuẩn có liên quan (ví dụ: tải trọng 150 kgf cho thang Rockwell C).

Kiểm tra kim loại học thường sử dụng chất khắc như nital 2-5% (axit nitric trong etanol) với thời gian tiếp xúc là 5-30 giây tùy thuộc vào thành phần thép và điều kiện tôi luyện.

Kiểm tra độ va đập của thép tôi thường được thực hiện ở nhiệt độ cụ thể, từ nhiệt độ cực thấp đến nhiệt độ cao để đánh giá độ bền trong mọi điều kiện sử dụng.

Xử lý dữ liệu

Các phép đo độ cứng thường yêu cầu nhiều phép đo (tối thiểu 5) tại các vị trí khác nhau để tính toán giá trị trung bình và độ lệch chuẩn, đảm bảo kết quả mang tính đại diện.

Phân tích cấu trúc vi mô bao gồm các phép đo định lượng về kích thước cacbua, khoảng cách và thể tích bằng phần mềm phân tích hình ảnh được áp dụng cho các ảnh chụp vi mô đã hiệu chuẩn.

Dữ liệu về đặc tính cơ học từ các thử nghiệm kéo hoặc va đập thường được phân tích thống kê để thiết lập khoảng tin cậy, với kết quả được chuẩn hóa để tính đến những thay đổi nhỏ trong kích thước mẫu vật.

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)	20-35HRC	Tôi luyện ở nhiệt độ 400-650°C	Tiêu chuẩn ASTMA29
AISI 4140 (Hợp kim Cr-Mo)	28-45 HRC	Tôi luyện ở nhiệt độ 350-650°C	Tiêu chuẩn ASTMA29
AISI 52100 (Thép chịu lực)	58-64 HRC	Tôi luyện ở nhiệt độ 150-250°C	Tiêu chuẩn ASTMA295
Thép dụng cụ H13	38-54 HRC	Tôi luyện ở nhiệt độ 540-650°C	Tiêu chuẩn ASTMA681

Sự khác biệt trong mỗi phân loại là kết quả của nhiệt độ tôi luyện cụ thể, thời gian giữ và điều kiện austen hóa trước đó. Nhiệt độ tôi luyện cao hơn thường tạo ra độ cứng thấp hơn nhưng độ dẻo dai được cải thiện.

Những giá trị này nên được hiểu là hướng dẫn chứ không phải thông số kỹ thuật tuyệt đối, trong đó các tính chất thực tế phụ thuộc vào kích thước mặt cắt, lịch sử xử lý trước đó và các thông số xử lý nhiệt cụ thể.

Có một xu hướng rõ ràng tồn tại giữa các loại thép: hàm lượng hợp kim cao hơn thường cho phép duy trì độ cứng lớn hơn ở nhiệt độ tôi tương đương do hiệu ứng tôi thứ cấp và động học làm thô cacbua chậm hơn.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư phải cân bằng giữa yêu cầu về độ cứng với nhu cầu về độ dẻo dai khi chỉ định phương pháp xử lý tôi luyện, thường sử dụng đường cong tôi luyện (biểu đồ độ cứng so với nhiệt độ) cụ thể cho từng loại thép.

Hệ số an toàn cho các thành phần tôi luyện thường nằm trong khoảng từ 1,5-3,0 tùy thuộc vào mức độ quan trọng của ứng dụng, với hệ số cao hơn được áp dụng khi gãy giòn có thể gây ra thảm họa hoặc khi điều kiện tải bao gồm va chạm hoặc mỏi.

Quyết định lựa chọn vật liệu thường liên quan đến việc so sánh các đặc tính tôi luyện giữa nhiều loại thép, xem xét cách phản ứng tôi luyện ảnh hưởng đến đặc tính cuối cùng liên quan đến chi phí, khả năng gia công và khả năng hàn.

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 khi khả năng chống mỏi đòi hỏi sự kết hợp tối ưu giữa độ bền và độ dẻo dai đạt được thông qua quá trình tôi luyện cẩn thận.

Dụng cụ cắt và khuôn mẫu là những ứng dụng đòi hỏi khả năng chống mài mòn tối quan trọng, đòi hỏi phải xử lý tôi luyện chuyên biệt để duy trì độ cứng cao đồng thời giảm thiểu độ giòn thông qua quá trình tôi luyện thứ cấp có kiểm soát.

Các ứng dụng cơ sở hạ tầng như bu lông cường độ cao cho cầu và tòa nhà dựa vào các đặc tính tôi luyện để đảm bảo tính toàn vẹn của cấu trúc dưới nhiều điều kiện tải trọng và tác động của môi trường khác nhau trong nhiều thập kỷ sử dụng.

Đánh đổi hiệu suất

Độ cứng và độ bền va đập có mối quan hệ nghịch đảo trong quá trình tôi luyện—nhiệt độ tôi luyện cao hơn làm giảm độ cứng nhưng tăng độ bền, đòi hỏi các kỹ sư phải xác định được sự thỏa hiệp tối ưu.

Khả năng chống mài mòn và hiệu suất chịu mỏi thường có những yêu cầu cạnh tranh nhau, vì độ cứng cao hơn có lợi cho khả năng chống mài mòn có thể gây ra hiện tượng giòn có hại cho tuổi thọ chịu mỏi, đòi hỏi phải kiểm soát quá trình tôi luyện chính xác.

Các kỹ sư thường cân nhắc giữa yếu tố sản xuất và hiệu suất, vì vật liệu có độ tôi luyện cao hơn (mềm hơn) mang lại khả năng gia công tốt hơn nhưng độ bền và khả năng chống mài mòn lại kém hơn.

Phân tích lỗi

Giòn do tôi là một chế độ hỏng hóc phổ biến khi một số loại thép bị giảm độ dẻo dai khi giữ hoặc làm nguội chậm trong phạm vi nhiệt độ tới hạn (375-575°C), dẫn đến gãy liên hạt.

Cơ chế giòn này liên quan đến sự phân tách các thành phần tạp chất (P, Sn, Sb, As) thành các ranh giới hạt austenit trước đó trong quá trình tiếp xúc với nhiệt độ tới hạn, làm suy yếu lực kết dính ranh giới và tạo ra các đường nứt ưu tiên.

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 để giảm khả năng bị ảnh hưởng và thiết kế các chu trình xử lý nhiệt để nhanh chóng vượt qua phạm vi nhiệt độ tới hạn.

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 tôi luyện—thép cacbon cao hơn giữ được độ cứng lớn hơn ở nhiệt độ tôi luyện tương đương do tỷ lệ thể tích cacbua tăng lên và quá trình gia cường ma trận.

Các nguyên tố tạo thành cacbua mạnh (Cr, Mo, V, W) làm chậm quá trình ram bằng cách ổn định cacbua chống lại quá trình thô hóa và có thể tạo ra các đỉnh cứng thứ cấp ở nhiệt độ ram cụ thể thông qua quá trình kết tủa các cacbua hợp kim mịn.

Silic và mangan ảnh hưởng đến động học ram bằng cách tác động đến tốc độ khuếch tán cacbon và độ ổn định của cacbua, trong đó silic đặc biệt hiệu quả trong việc làm chậm quá trình chuyển đổi cacbua chuyển tiếp thành xêmentit.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt austenit trước đó ảnh hưởng đến phản ứng ram thông qua tác động của nó lên kích thước gói và khối martensite, với cấu trúc ban đầu mịn hơn thường mang lại sự kết hợp vượt trội về độ bền và độ dẻo dai sau khi ram.

Sự phân bố pha trước khi ram—đặc biệt là lượng austenit giữ lại—ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cuối cùng, vì austenit này biến đổi trong quá trình ram, góp phần vào các thay đổi về kích thước và tính chất.

Các tạp chất phi kim loại đóng vai trò như chất tập trung ứng suất có thể làm giảm độ dẻo dai trong thép tôi, tác động của chúng trở nên rõ rệt hơn ở mức cường độ cao hơn khi biến dạng dẻo bị hạn chế.

Xử lý ảnh hưởng

Mức độ làm nguội trước khi ram quyết định hàm lượng martensit ban đầu và mật độ sai lệch, ảnh hưởng trực tiếp đến phản ứng ram tiếp theo và các tính chất cơ học cuối cùng.

Nhiều chu trình tôi luyện thường được áp dụng cho thép hợp kim cao để chuyển đổi austenit giữ lại và đảm bảo kết tủa hoàn toàn các cacbua tôi thứ cấp để phát triển tính chất tối ưu.

Tốc độ làm nguội sau khi ram có thể rất quan trọng, đặc biệt đối với các loại thép dễ bị giòn khi ram, khi đó việc làm nguội nhanh ở phạm vi nhiệt độ nhạy cảm sẽ ngăn ngừa hiện tượng phân tách có hại.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ sử dụng liên quan đến nhiệt độ tôi luyện rất quan trọng—không nên sử dụng các bộ phận ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tôi luyện vì điều này sẽ gây ra những thay đổi liên tục về cấu trúc vi mô và làm giảm tính chất.

Tiếp xúc với hydro có thể làm giòn nghiêm trọng thép đã tôi, trong đó điều kiện cường độ cao hơn (nhiệt độ tôi thấp hơn) dễ bị nứt do hydro hơn.

Tiếp xúc với nhiệt độ theo chu kỳ trong quá trình sử dụng có thể gây ra hiệu ứng tôi luyện tích lũy, làm giảm dần độ cứng và độ bền đồng thời có khả năng gây giòn trong các thành phần dễ bị hư hỏng.

Phương pháp cải tiến

Các quy trình tôi luyện theo từng bước bao gồm nhiều giai đoạn nhiệt độ có thể tối ưu hóa trình tự kết tủa cacbua, đặc biệt có lợi cho thép dụng cụ đòi hỏi cả độ cứng cao và độ dẻo dai phù hợp.

Các kỹ thuật biến đổi bề mặt như tôi luyện cảm ứng cho phép tạo ra các mức độ đặc tính khác nhau, với các điều kiện tôi luyện khác nhau ở bề mặt so với lõi để tối ưu hóa khả năng chống mài mòn và độ bền bên trong.

Các phương pháp thiết kế hợp kim kết hợp các nguyên tố hợp kim vi mô (Nb, Ti, V) có thể tạo ra các kết tủa mịn chống lại sự thô hóa trong quá trình tôi luyện, duy trì độ bền ở nhiệt độ tôi luyện cao hơn.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Martensite là pha tứ phương tâm khối bán bền được hình thành trong quá trình tôi, đóng vai trò là cấu trúc vi mô bắt đầu cho quá trình tôi luyện.

Giòn khi tôi luyện mô tả sự giảm độ dẻo dai xảy ra khi một số loại thép nhất định tiếp xúc với phạm vi nhiệt độ cụ thể trong quá trình tôi luyện hoặc sử dụng.

Làm cứng thứ cấp là hiện tượng một số loại thép hợp kim có độ cứng tăng lên ở nhiệt độ tôi trung gian do kết tủa các hợp kim cacbua mịn.

Độ bền nhiệt mô tả khả năng duy trì độ cứng và độ bền của thép khi tiếp xúc với nhiệt độ cao, một đặc tính quan trọng đối với các công cụ và thành phần chịu nhiệt độ cao.

Tiêu chuẩn chính

SAE J404: Thành phần hóa học của thép hợp kim SAE - Cung cấp thành phần tiêu chuẩn cho các loại thép thường trải qua quá trình xử lý tôi luyện.

ASTM A255: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để xác định độ cứng của thép - Bao gồm các phương pháp đánh giá phản ứng của thép khi tôi và ram.

Bộ tiêu chuẩn ISO 683: Thép có thể xử lý nhiệt, thép hợp kim và thép dễ cắt - Chỉ định các tiêu chuẩn quốc tế cho các loại thép được thiết kế để xử lý nhiệt bao gồm cả tôi.

Xu hướng phát triển

Mô hình tính toán các quá trình tôi luyện sử dụng phương pháp trường pha và Monte Carlo động học đang thúc đẩy khả năng dự đoán cho các hệ thống hợp kim phức tạp và các chu trình tôi luyện không đẳng nhiệt.

Công nghệ tôi luyện chính xác sử dụng cảm ứng, laser và chùm tia điện tử cho phép thay đổi tính chất cục bộ và giảm mức tiêu thụ năng lượng so với phương pháp tôi luyện bằng lò thông thường.

Việc tích hợp các kỹ thuật giám sát tại chỗ bao gồm đo phát xạ âm thanh và điện trở suất trong quá trình tôi luyện hứa hẹn khả năng kiểm soát chất lượng theo thời gian thực và xử lý thích ứng để tối ưu hóa các đặc tính.