Định nghĩa và mục đích của quá trình dập tắt
Thép được nung nóng đến nhiệt độ cao hơn điểm tới hạn Ac3 (thép hạ eutectoid) hoặc Ac1 (thép thượng eutectoid), giữ trong một khoảng thời gian để austenit hóa hoàn toàn hoặc một phần, sau đó làm nguội ở tốc độ lớn hơn tốc độ tôi tới hạn. Quá trình xử lý nhiệt biến đổi austenit quá nguội thành martensite hoặc bainit dưới được gọi là tôi.
Mục đích của quá trình tôi là chuyển đổi austenit quá nguội thành martensite hoặc bainit để thu được cấu trúc martensite hoặc bainit thấp hơn, sau đó kết hợp với quá trình ram ở các nhiệt độ khác nhau để cải thiện đáng kể độ bền, độ cứng và khả năng chống chịu của thép. Khả năng chịu mài mòn, độ bền mỏi và độ dẻo dai, v.v., đáp ứng các yêu cầu sử dụng khác nhau của các bộ phận cơ khí và dụng cụ khác nhau. Tôi cũng có thể được sử dụng để đáp ứng các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt của một số loại thép đặc biệt như sắt từ và chống ăn mòn.
Khi các bộ phận thép được làm nguội trong môi trường tôi có sự thay đổi về trạng thái vật lý, quá trình làm nguội thường được chia thành ba giai đoạn sau: giai đoạn màng hơi, giai đoạn sôi và giai đoạn đối lưu.
Độ cứng của thép
Độ tôi và độ tôi là hai chỉ tiêu hiệu suất đặc trưng cho khả năng tôi của thép. Chúng cũng là cơ sở quan trọng để lựa chọn và sử dụng vật liệu.
1. Khái niệm về khả năng tôi và độ cứng
Độ tôi là khả năng của thép đạt được độ cứng cao nhất có thể đạt được sau khi tôi và tôi trong điều kiện lý tưởng. Yếu tố chính quyết định độ tôi của thép là hàm lượng cacbon trong thép. Nói chính xác hơn, đó là hàm lượng cacbon hòa tan trong austenit trong quá trình tôi và nung. Hàm lượng cacbon càng cao, độ tôi của thép càng cao. Các nguyên tố hợp kim trong thép ít ảnh hưởng đến độ tôi, nhưng lại có tác động đáng kể đến độ tôi của thép.
Độ tôi là các đặc tính quyết định độ sâu tôi và phân bố độ cứng của thép trong các điều kiện cụ thể. Tức là khả năng đạt được độ sâu của lớp tôi khi thép được tôi. Đây là một đặc tính vốn có của thép. Độ tôi thực chất phản ánh mức độ dễ dàng chuyển đổi austenit thành martensite khi thép được tôi. Nó chủ yếu liên quan đến độ ổn định của austenit quá nguội của thép, hoặc đến tốc độ làm nguội tới hạn của thép.
Cũng cần lưu ý rằng độ tôi của thép phải được phân biệt với độ sâu tôi hiệu quả của các bộ phận thép trong điều kiện tôi cụ thể. Độ tôi của thép là một đặc tính vốn có của bản thân thép. Nó chỉ phụ thuộc vào các yếu tố bên trong của chính nó và không liên quan gì đến các yếu tố bên ngoài. Độ sâu tôi hiệu quả của thép không chỉ phụ thuộc vào độ tôi của thép mà còn phụ thuộc vào vật liệu được sử dụng. Nó liên quan đến các yếu tố bên ngoài như môi trường làm nguội và kích thước phôi. Ví dụ, trong cùng điều kiện austenit hóa, độ tôi của cùng một loại thép là như nhau, nhưng độ sâu tôi hiệu quả của tôi nước lớn hơn độ sâu tôi dầu, và các bộ phận nhỏ nhỏ hơn tôi dầu. Độ sâu tôi hiệu quả của các bộ phận lớn lớn hơn. Điều này không thể nói rằng tôi nước có độ tôi cao hơn tôi dầu. Không thể nói rằng các bộ phận nhỏ có độ tôi cao hơn các bộ phận lớn. Có thể thấy rằng để đánh giá khả năng tôi của thép, cần phải loại trừ ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài như hình dạng, kích thước phôi, môi trường làm nguội, v.v.
Ngoài ra, vì khả năng tôi và khả năng tôi là hai khái niệm khác nhau nên thép có độ cứng cao sau khi tôi không nhất thiết có khả năng tôi cao; và thép có độ cứng thấp cũng có thể có khả năng tôi cao.
2. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tôi luyện
Độ tôi của thép phụ thuộc vào độ ổn định của austenit. Bất kỳ yếu tố nào có thể cải thiện độ ổn định của austenit quá nguội, dịch chuyển đường cong C sang phải, từ đó giảm tốc độ nguội tới hạn đều có thể cải thiện độ tôi của thép cao. Độ ổn định của austenit chủ yếu phụ thuộc vào thành phần hóa học, kích thước hạt và độ đồng đều của thành phần, liên quan đến thành phần hóa học của thép và điều kiện gia nhiệt.
3.Phương pháp đo độ cứng
Có nhiều phương pháp để đo độ cứng của thép, phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là phương pháp đo đường kính tới hạn và phương pháp thử độ cứng cuối.
(1)Phương pháp đo đường kính tới hạn
Sau khi thép được tôi trong môi trường nhất định, đường kính lớn nhất khi lõi đạt được toàn bộ cấu trúc martensite hoặc 50% martensite được gọi là đường kính tới hạn, ký hiệu là Dc. Phương pháp đo đường kính tới hạn là tạo một loạt các thanh tròn có đường kính khác nhau, sau khi tôi, đo đường cong độ cứng U phân bố dọc theo đường kính trên mỗi đoạn mẫu, và tìm thanh có cấu trúc bán martensite ở giữa. Đường kính của thanh tròn đó chính là đường kính tới hạn. Đường kính tới hạn càng lớn thì độ tôi của thép càng cao.
(2) Phương pháp thử nghiệm dập tắt cuối
Phương pháp thử tôi đầu mút sử dụng mẫu thử tôi đầu mút kích thước tiêu chuẩn (Ф25mm x 100mm). Sau khi austenit hóa, nước được phun vào một đầu của mẫu thử bằng thiết bị chuyên dụng để làm nguội. Sau khi làm nguội, độ cứng được đo theo phương trục – từ đầu được làm nguội bằng nước. Phương pháp thử nghiệm cho đường cong quan hệ khoảng cách. Phương pháp thử tôi đầu mút là một trong những phương pháp để xác định khả năng tôi của thép. Ưu điểm của phương pháp này là thao tác đơn giản và phạm vi ứng dụng rộng.
4. Làm nguội ứng suất, biến dạng và nứt
(1) Ứng suất bên trong của phôi trong quá trình tôi
Khi phôi được làm nguội nhanh trong môi trường tôi, vì phôi có kích thước nhất định và hệ số dẫn nhiệt cũng là một giá trị nhất định, nên sẽ xảy ra một gradien nhiệt độ nhất định dọc theo phần bên trong của phôi trong quá trình làm nguội. Nhiệt độ bề mặt thấp, nhiệt độ lõi cao và nhiệt độ bề mặt và lõi cao. Có sự chênh lệch nhiệt độ. Trong quá trình làm nguội phôi, cũng có hai hiện tượng vật lý: một là sự giãn nở vì nhiệt, khi nhiệt độ giảm, chiều dài đường của phôi sẽ co lại; hai là sự chuyển đổi austenit thành martensite khi nhiệt độ giảm đến điểm chuyển đổi martensite, điều này sẽ làm tăng thể tích riêng. Do sự chênh lệch nhiệt độ trong quá trình làm nguội, lượng giãn nở vì nhiệt sẽ khác nhau ở các phần khác nhau dọc theo mặt cắt ngang của phôi và ứng suất bên trong sẽ được tạo ra ở các phần khác nhau của phôi. Do sự chênh lệch nhiệt độ bên trong phôi, cũng có thể có những phần mà nhiệt độ giảm nhanh hơn điểm xảy ra martensite. Biến dạng, thể tích giãn nở, và các bộ phận có nhiệt độ cao vẫn cao hơn điểm nóng chảy và vẫn ở trạng thái austenit. Các bộ phận khác nhau này cũng sẽ tạo ra ứng suất bên trong do sự khác biệt về thay đổi thể tích riêng. Do đó, có thể tạo ra hai loại ứng suất bên trong trong quá trình tôi và làm nguội: một là ứng suất nhiệt; hai là ứng suất mô.
Theo đặc điểm thời gian tồn tại của ứng suất bên trong, nó cũng có thể được chia thành ứng suất tức thời và ứng suất dư. Ứng suất bên trong do phôi tạo ra tại một thời điểm nhất định trong quá trình làm nguội được gọi là ứng suất tức thời; sau khi phôi được làm nguội, ứng suất còn lại bên trong phôi được gọi là ứng suất dư.
Ứng suất nhiệt là ứng suất gây ra bởi sự giãn nở nhiệt không đều (hoặc co lại khi lạnh) do sự chênh lệch nhiệt độ ở các bộ phận khác nhau của phôi khi phôi được nung nóng (hoặc làm nguội).
Bây giờ hãy lấy một hình trụ đặc làm ví dụ để minh họa quy luật hình thành và biến đổi của ứng suất bên trong trong quá trình làm nguội. Ở đây chỉ thảo luận về ứng suất dọc. Khi bắt đầu làm nguội, do bề mặt nguội nhanh nên nhiệt độ thấp và co lại nhiều, trong khi lõi nguội, nhiệt độ cao và độ co lại nhỏ. Kết quả là bề mặt và bên trong bị hạn chế lẫn nhau, dẫn đến ứng suất kéo trên bề mặt, trong khi lõi chịu áp suất. Khi quá trình làm nguội diễn ra, chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài tăng lên, và ứng suất bên trong cũng tăng theo. Khi ứng suất tăng vượt quá giới hạn chảy ở nhiệt độ này, biến dạng dẻo xảy ra. Vì độ dày của lõi lớn hơn bề mặt, lõi luôn co lại theo trục trước. Do biến dạng dẻo, ứng suất bên trong không còn tăng nữa. Sau khi làm nguội đến một khoảng thời gian nhất định, nhiệt độ bề mặt sẽ giảm dần và độ co lại cũng giảm dần. Lúc này, lõi vẫn đang co lại, do đó ứng suất kéo trên bề mặt và ứng suất nén trên lõi sẽ giảm dần cho đến khi chúng biến mất. Tuy nhiên, khi tiếp tục làm mát, độ ẩm bề mặt ngày càng thấp, lượng co ngót ngày càng ít đi, thậm chí ngừng co ngót. Do nhiệt độ lõi vẫn còn cao, nó sẽ tiếp tục co ngót, cuối cùng hình thành ứng suất nén trên bề mặt phôi, trong khi lõi sẽ chịu ứng suất kéo. Tuy nhiên, do nhiệt độ thấp, biến dạng dẻo khó xảy ra, nên ứng suất này sẽ tăng lên khi làm mát. Nó tiếp tục tăng và cuối cùng tồn tại bên trong phôi dưới dạng ứng suất dư.
Có thể thấy rằng ứng suất nhiệt trong quá trình làm nguội ban đầu làm cho lớp bề mặt bị kéo căng và lõi bị nén, ứng suất dư còn lại là lớp bề mặt bị nén và lõi bị kéo căng.
Tóm lại, ứng suất nhiệt sinh ra trong quá trình làm nguội tôi là do chênh lệch nhiệt độ mặt cắt ngang trong quá trình làm nguội. Tốc độ làm nguội càng lớn và chênh lệch nhiệt độ mặt cắt ngang càng lớn thì ứng suất nhiệt sinh ra càng lớn. Trong cùng điều kiện môi trường làm nguội, nhiệt độ nung nóng phôi càng cao, kích thước phôi càng lớn, độ dẫn nhiệt của thép càng nhỏ, chênh lệch nhiệt độ bên trong phôi càng lớn và ứng suất nhiệt càng lớn. Nếu phôi được làm nguội không đều ở nhiệt độ cao, nó sẽ bị biến dạng. Nếu ứng suất kéo tức thời sinh ra trong quá trình làm nguội phôi lớn hơn độ bền kéo của vật liệu, các vết nứt do tôi sẽ xảy ra.
Ứng suất chuyển pha là ứng suất gây ra bởi thời điểm chuyển pha khác nhau ở các bộ phận khác nhau của phôi trong quá trình xử lý nhiệt, còn được gọi là ứng suất mô.
Trong quá trình tôi và làm nguội nhanh, khi lớp bề mặt được làm nguội đến điểm Ms, quá trình biến đổi martensitic xảy ra và gây ra sự giãn nở thể tích. Tuy nhiên, do sự cản trở của lõi chưa trải qua quá trình biến đổi, lớp bề mặt tạo ra ứng suất nén, trong khi lõi có ứng suất kéo. Khi ứng suất đủ lớn, nó sẽ gây ra biến dạng. Khi lõi được làm nguội đến điểm Ms, nó cũng sẽ trải qua quá trình biến đổi martensitic và giãn nở về thể tích. Tuy nhiên, do các ràng buộc của lớp bề mặt biến đổi có độ dẻo thấp và độ bền cao, ứng suất dư cuối cùng của nó sẽ ở dạng sức căng bề mặt và lõi sẽ chịu áp suất. Có thể thấy rằng sự thay đổi và trạng thái cuối cùng của ứng suất biến đổi pha hoàn toàn ngược lại với ứng suất nhiệt. Hơn nữa, vì ứng suất thay đổi pha xảy ra ở nhiệt độ thấp có độ dẻo thấp, nên biến dạng khó xảy ra vào thời điểm này, do đó ứng suất thay đổi pha dễ gây ra nứt phôi hơn.
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến kích thước của ứng suất chuyển pha. Tốc độ nguội của thép trong phạm vi nhiệt độ chuyển pha martensite càng nhanh, kích thước của miếng thép càng lớn, độ dẫn nhiệt của thép càng kém, thể tích riêng của martensite càng lớn, ứng suất chuyển pha càng lớn. Nó càng lớn. Ngoài ra, ứng suất chuyển pha còn liên quan đến thành phần của thép và khả năng tôi của thép. Ví dụ, thép hợp kim cao cacbon làm tăng thể tích riêng của martensite do hàm lượng cacbon cao, điều này sẽ làm tăng ứng suất chuyển pha của thép. Tuy nhiên, khi hàm lượng cacbon tăng, điểm Ms giảm và có một lượng lớn austenit giữ lại sau khi tôi. Độ giãn nở thể tích của nó giảm và ứng suất dư thấp.
(2) Biến dạng của phôi trong quá trình tôi
Trong quá trình làm nguội, có hai loại biến dạng chính ở phôi: một là sự thay đổi hình dạng hình học của phôi, biểu hiện bằng sự thay đổi về kích thước và hình dạng, thường được gọi là biến dạng cong vênh, do ứng suất làm nguội gây ra; loại còn lại là biến dạng thể tích, biểu hiện bằng sự giãn nở hoặc co lại theo tỷ lệ của thể tích phôi, do sự thay đổi thể tích riêng trong quá trình thay đổi pha.
Biến dạng cong vênh cũng bao gồm biến dạng hình dạng và biến dạng xoắn. Biến dạng xoắn chủ yếu là do phôi được đặt không đúng cách trong lò nung trong quá trình gia nhiệt, hoặc không được xử lý tạo hình sau khi hiệu chỉnh biến dạng trước khi tôi, hoặc do phôi nguội không đều ở các bộ phận khác nhau. Biến dạng này có thể được phân tích và giải quyết trong các trường hợp cụ thể. Phần sau đây chủ yếu thảo luận về biến dạng thể tích và biến dạng hình dạng.
1) Nguyên nhân gây biến dạng dập tắt và các quy luật biến đổi của nó
Biến dạng thể tích do biến đổi cấu trúc gây ra. Trạng thái cấu trúc của phôi trước khi tôi thường là perlit, tức là cấu trúc hỗn hợp của ferit và xêmentit, và sau khi tôi là cấu trúc martensit. Thể tích riêng khác nhau của các mô này sẽ gây ra sự thay đổi thể tích trước và sau khi tôi, dẫn đến biến dạng. Tuy nhiên, biến dạng này chỉ làm phôi giãn nở và co lại theo tỷ lệ, nên không làm thay đổi hình dạng của phôi.
Ngoài ra, sau khi xử lý nhiệt, martensite trong cấu trúc càng nhiều, hoặc hàm lượng cacbon trong martensite càng cao thì độ giãn nở thể tích càng lớn, và lượng austenite dư càng lớn thì độ giãn nở thể tích càng thấp. Do đó, sự thay đổi thể tích có thể được kiểm soát bằng cách kiểm soát hàm lượng tương đối của martensite và martensite dư trong quá trình xử lý nhiệt. Nếu được kiểm soát đúng cách, thể tích sẽ không giãn nở hay co lại.
Biến dạng hình dạng do ứng suất nhiệt Biến dạng do ứng suất nhiệt xảy ra ở vùng nhiệt độ cao, nơi giới hạn chảy của các bộ phận thép thấp, độ dẻo cao, bề mặt nguội nhanh và chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài phôi là lớn nhất. Lúc này, ứng suất nhiệt tức thời là ứng suất kéo bề mặt và ứng suất nén lõi. Vì nhiệt độ lõi cao tại thời điểm này, giới hạn chảy thấp hơn nhiều so với bề mặt, do đó biểu hiện dưới tác động của ứng suất nén đa hướng, tức là khối lập phương có hướng hình cầu. Đa dạng. Kết quả là khối lớn hơn co lại, trong khi khối nhỏ hơn giãn ra. Ví dụ, một hình trụ dài ngắn lại theo chiều dài và giãn ra theo chiều đường kính.
Biến dạng hình dạng do ứng suất mô Biến dạng do ứng suất mô cũng xảy ra tại thời điểm ban đầu khi ứng suất mô đạt cực đại. Lúc này, chênh lệch nhiệt độ mặt cắt ngang lớn, nhiệt độ lõi cao hơn, vẫn ở trạng thái austenit, tính dẻo tốt và giới hạn chảy thấp. Ứng suất mô tức thời là ứng suất nén bề mặt và ứng suất kéo lõi. Do đó, biến dạng biểu hiện dưới dạng sự kéo dài của lõi dưới tác động của ứng suất kéo đa hướng. Kết quả là dưới tác động của ứng suất mô, cạnh lớn hơn của phôi bị kéo dài, trong khi cạnh nhỏ hơn bị rút ngắn. Ví dụ, biến dạng do ứng suất mô trong một hình trụ dài là sự kéo dài về chiều dài và giảm đường kính.
Bảng 5.3 thể hiện các quy tắc biến dạng nguội của nhiều bộ phận thép điển hình.
2) Các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng dập tắt
Các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng nguội chủ yếu là thành phần hóa học của thép, cấu trúc ban đầu, hình dạng của các bộ phận và quá trình xử lý nhiệt.
3) Làm nguội vết nứt
Vết nứt trên chi tiết chủ yếu xảy ra ở giai đoạn cuối của quá trình tôi và làm nguội, tức là sau khi quá trình chuyển hóa martensitic cơ bản hoàn tất hoặc sau khi làm nguội hoàn toàn, ứng suất kéo trong chi tiết vượt quá cường độ chịu gãy của thép sẽ dẫn đến phá hủy giòn. Vết nứt thường vuông góc với hướng biến dạng kéo cực đại, do đó các dạng vết nứt khác nhau trên chi tiết chủ yếu phụ thuộc vào trạng thái phân bố ứng suất.
Các loại vết nứt tôi phổ biến: Vết nứt dọc (trục) chủ yếu hình thành khi ứng suất kéo tiếp tuyến vượt quá giới hạn chịu kéo của vật liệu; vết nứt ngang hình thành khi ứng suất kéo dọc lớn hình thành trên bề mặt bên trong của chi tiết vượt quá giới hạn chịu kéo của vật liệu. Vết nứt; vết nứt mạng hình thành dưới tác động của ứng suất kéo hai chiều trên bề mặt; vết nứt bong tróc xảy ra ở lớp vật liệu rất mỏng, có thể xảy ra khi ứng suất thay đổi đột ngột và ứng suất kéo quá mức tác động theo hướng xuyên tâm. Các loại vết nứt
Các vết nứt dọc còn được gọi là vết nứt trục. Các vết nứt xuất hiện ở ứng suất kéo cực đại gần bề mặt chi tiết và có độ sâu nhất định về phía tâm. Hướng của các vết nứt thường song song với trục, nhưng hướng cũng có thể thay đổi khi có sự tập trung ứng suất trong chi tiết hoặc khi có khuyết tật kết cấu bên trong.
Sau khi phôi được tôi hoàn toàn, các vết nứt dọc dễ xuất hiện. Điều này liên quan đến ứng suất kéo tiếp tuyến lớn trên bề mặt phôi được tôi. Khi hàm lượng cacbon trong thép tăng, xu hướng hình thành các vết nứt dọc cũng tăng. Thép cacbon thấp có thể tích riêng mactenxit nhỏ và ứng suất nhiệt lớn. Bề mặt thép có ứng suất nén dư lớn, do đó khó tôi. Khi hàm lượng cacbon tăng, ứng suất nén bề mặt giảm và ứng suất kết cấu tăng. Đồng thời, ứng suất kéo cực đại dịch chuyển về phía lớp bề mặt. Do đó, thép cacbon cao dễ bị nứt dọc khi bị nung nóng quá mức.
Kích thước của các bộ phận ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước và sự phân bố ứng suất dư, và xu hướng nứt tôi của nó cũng khác nhau. Các vết nứt dọc cũng dễ hình thành do tôi trong phạm vi kích thước mặt cắt ngang nguy hiểm. Ngoài ra, sự tắc nghẽn của nguyên liệu thép thường gây ra các vết nứt dọc. Vì hầu hết các bộ phận thép được chế tạo bằng cách cán, các tạp chất không phải vàng, cacbua, v.v. trong thép được phân bố dọc theo hướng biến dạng, khiến thép trở nên dị hướng. Ví dụ, nếu thép dụng cụ có cấu trúc dạng dải, thì cường độ gãy ngang của nó sau khi tôi nhỏ hơn từ 30% đến 50% so với cường độ gãy dọc. Nếu có các yếu tố như tạp chất không phải vàng trong thép gây ra sự tập trung ứng suất, ngay cả khi ứng suất tiếp tuyến lớn hơn ứng suất dọc, các vết nứt dọc vẫn dễ hình thành trong điều kiện ứng suất thấp. Vì lý do này, việc kiểm soát chặt chẽ mức độ tạp chất không phải kim loại và đường trong thép là một yếu tố quan trọng để ngăn ngừa các vết nứt tôi.
Đặc điểm phân bố ứng suất bên trong của vết nứt ngang và vết nứt hình cung là: bề mặt chịu ứng suất nén. Sau khi rời khỏi bề mặt một khoảng cách nhất định, ứng suất nén chuyển thành ứng suất kéo lớn. Vết nứt xuất hiện ở vùng ứng suất kéo, và sau đó khi ứng suất bên trong lan ra bề mặt chi tiết, nếu ứng suất này bị phân bố lại hoặc độ giòn của thép tiếp tục tăng.
Các vết nứt ngang thường xuất hiện ở các chi tiết trục lớn, chẳng hạn như con lăn, rôto tua-bin hoặc các chi tiết trục khác. Đặc điểm của các vết nứt là chúng vuông góc với phương trục và vỡ từ trong ra ngoài. Chúng thường hình thành trước khi được tôi cứng và do ứng suất nhiệt gây ra. Các chi tiết rèn lớn thường có các khuyết tật về kim loại như lỗ rỗng, tạp chất, vết nứt rèn và đốm trắng. Những khuyết tật này đóng vai trò là điểm khởi đầu của sự gãy và vỡ dưới tác động của ứng suất kéo dọc trục. Các vết nứt hồ quang do ứng suất nhiệt gây ra và thường phân bố theo hình vòng cung tại các chi tiết có hình dạng thay đổi. Các vết nứt này chủ yếu xuất hiện bên trong phôi hoặc gần các cạnh sắc, rãnh và lỗ, và phân bố theo hình vòng cung. Khi các chi tiết thép cacbon cao có đường kính hoặc độ dày từ 80 đến 100 mm trở lên không được tôi cứng, bề mặt sẽ xuất hiện ứng suất nén và phần giữa sẽ xuất hiện ứng suất kéo. Ứng suất, ứng suất kéo cực đại xuất hiện ở vùng chuyển tiếp từ lớp đã tôi cứng sang lớp chưa tôi cứng, và các vết nứt hồ quang xuất hiện ở các vùng này. Ngoài ra, tốc độ nguội tại các cạnh và góc sắc nhọn rất nhanh và tất cả đều được tôi. Khi chuyển sang các chi tiết mềm, tức là vùng chưa tôi cứng, vùng ứng suất kéo tối đa xuất hiện ở đây, do đó dễ xảy ra nứt hồ quang. Tốc độ nguội gần lỗ chốt, rãnh hoặc lỗ tâm của phôi chậm, lớp tôi cứng tương ứng mỏng, và ứng suất kéo gần vùng chuyển tiếp đã tôi cứng dễ gây ra nứt hồ quang.
Vết nứt dạng lưới, còn được gọi là vết nứt bề mặt, là vết nứt bề mặt. Độ sâu của vết nứt nông, thường khoảng 0,01~1,5mm. Đặc điểm chính của loại vết nứt này là hướng vết nứt tùy ý không liên quan đến hình dạng của chi tiết. Nhiều vết nứt liên kết với nhau tạo thành một mạng lưới và phân bố rộng rãi. Khi độ sâu vết nứt lớn hơn, chẳng hạn như hơn 1mm, đặc điểm mạng lưới sẽ biến mất và trở thành các vết nứt định hướng ngẫu nhiên hoặc phân bố theo chiều dọc. Vết nứt dạng lưới liên quan đến trạng thái ứng suất kéo hai chiều trên bề mặt.
Các chi tiết thép cacbon cao hoặc thép cacbon hóa có lớp khử cacbon trên bề mặt dễ hình thành các vết nứt dạng mạng trong quá trình tôi. Điều này là do lớp bề mặt có hàm lượng cacbon thấp hơn và thể tích riêng nhỏ hơn lớp martensite bên trong. Trong quá trình tôi, lớp bề mặt của cacbua chịu ứng suất kéo. Các chi tiết có lớp khử phốt pho chưa được loại bỏ hoàn toàn trong quá trình gia công cơ học cũng sẽ hình thành các vết nứt dạng mạng trong quá trình tôi bề mặt bằng ngọn lửa hoặc tần số cao. Để tránh các vết nứt như vậy, cần kiểm soát chặt chẽ chất lượng bề mặt của các chi tiết và cần ngăn ngừa hàn oxy hóa trong quá trình xử lý nhiệt. Ngoài ra, sau khi sử dụng khuôn rèn trong một thời gian nhất định, các vết nứt mỏi nhiệt xuất hiện ở các dải hoặc mạng trong khoang và các vết nứt trong quá trình mài của các chi tiết đã được tôi đều thuộc dạng này.
Các vết nứt bong tróc xảy ra ở một vùng rất hẹp của lớp bề mặt. Ứng suất nén tác động theo hướng trục và tiếp tuyến, còn ứng suất kéo xảy ra theo hướng xuyên tâm. Các vết nứt song song với bề mặt chi tiết. Sự bong tróc của lớp đã tôi sau khi làm nguội các chi tiết tôi bề mặt và thấm cacbon thuộc về các vết nứt như vậy. Sự xuất hiện của nó liên quan đến cấu trúc không đồng đều trong lớp đã tôi. Ví dụ, sau khi làm nguội thép hợp kim thấm cacbon ở một tốc độ nhất định, cấu trúc trong lớp thấm cacbon là: lớp ngoài là perlit cực mịn + cacbua, và lớp dưới là martensite + austenite còn sót lại, lớp trong là perlit mịn hoặc cấu trúc perlit cực mịn. Do thể tích riêng của lớp dưới martensite là lớn nhất, nên kết quả của sự giãn nở thể tích là ứng suất nén tác động lên lớp bề mặt theo hướng trục và tiếp tuyến, ứng suất kéo xảy ra theo hướng xuyên tâm, và đột biến ứng suất xảy ra ở bên trong, chuyển sang trạng thái ứng suất nén, và các vết nứt bong tróc xảy ra ở các vùng cực mỏng, nơi ứng suất chuyển đổi đột ngột. Nhìn chung, các vết nứt ẩn bên trong song song với bề mặt, và trong trường hợp nghiêm trọng có thể gây bong tróc bề mặt. Nếu tốc độ làm nguội của các chi tiết thấm cacbon được tăng tốc hoặc giảm, có thể tạo ra cấu trúc martensite đồng nhất hoặc cấu trúc perlit siêu mịn trong lớp thấm cacbon, giúp ngăn ngừa sự xuất hiện của các vết nứt như vậy. Ngoài ra, trong quá trình tôi bề mặt bằng lửa hoặc tần số cao, bề mặt thường bị quá nhiệt và sự không đồng nhất về cấu trúc dọc theo lớp tôi cứng có thể dễ dàng hình thành các vết nứt bề mặt như vậy.
Các vết nứt vi mô khác với bốn loại vết nứt đã đề cập ở trên ở chỗ chúng được gây ra bởi ứng suất vi mô. Các vết nứt liên hạt xuất hiện sau khi tôi, gia nhiệt và mài thép dụng cụ cacbon cao hoặc phôi thấm cacbon, cũng như các vết nứt do không kịp thời ram các chi tiết đã tôi, đều liên quan đến sự tồn tại và sự giãn nở sau đó của các vết nứt vi mô trong thép.
Các vết nứt nhỏ phải được kiểm tra dưới kính hiển vi. Chúng thường xuất hiện tại ranh giới hạt austenite ban đầu hoặc tại điểm nối của các lớp martensite. Một số vết nứt xuyên qua các lớp martensite. Nghiên cứu cho thấy các vết nứt nhỏ phổ biến hơn ở martensite song tinh dạng vảy. Lý do là martensite dạng vảy va chạm với nhau khi phát triển ở tốc độ cao và tạo ra ứng suất lớn. Tuy nhiên, bản thân martensite song tinh lại giòn và không thể tạo ra Biến dạng dẻo làm giảm ứng suất, do đó dễ gây ra các vết nứt nhỏ. Các hạt austenite thô và dễ bị các vết nứt nhỏ hơn. Sự hiện diện của các vết nứt nhỏ trong thép sẽ làm giảm đáng kể độ bền và độ dẻo của các chi tiết được tôi, dẫn đến hư hỏng sớm (gãy) các chi tiết.
Để tránh các vết nứt nhỏ trong các chi tiết thép cacbon cao, có thể áp dụng các biện pháp như hạ thấp nhiệt độ gia nhiệt tôi, tạo cấu trúc martensite mịn và giảm hàm lượng cacbon trong martensite. Ngoài ra, ram kịp thời sau khi tôi là một phương pháp hiệu quả để giảm ứng suất bên trong. Các thử nghiệm đã chứng minh rằng sau khi ram đủ nhiệt độ trên 200°C, các cacbua kết tủa tại các vết nứt có tác dụng "hàn" các vết nứt, giúp giảm đáng kể nguy cơ xuất hiện các vết nứt nhỏ.
Trên đây là thảo luận về nguyên nhân và phương pháp phòng ngừa nứt dựa trên mô hình phân bố vết nứt. Trong sản xuất thực tế, sự phân bố vết nứt thay đổi do các yếu tố như chất lượng thép, hình dạng chi tiết và công nghệ gia công nóng và nguội. Đôi khi vết nứt đã tồn tại trước khi xử lý nhiệt và tiếp tục mở rộng trong quá trình làm nguội; đôi khi nhiều dạng vết nứt có thể xuất hiện cùng một lúc trên cùng một chi tiết. Trong trường hợp này, dựa trên đặc điểm hình thái của vết nứt, phân tích vĩ mô bề mặt gãy, kiểm tra kim loại học, và khi cần thiết, phân tích hóa học và các phương pháp khác, cần tiến hành phân tích toàn diện từ chất lượng vật liệu, cấu trúc tổ chức đến nguyên nhân gây ra ứng suất xử lý nhiệt để tìm ra nguyên nhân chính và sau đó xác định các biện pháp phòng ngừa hiệu quả.
Phân tích vết nứt gãy là một phương pháp quan trọng để phân tích nguyên nhân gây ra vết nứt. Bất kỳ vết nứt nào cũng có điểm khởi đầu. Các vết nứt làm nguội thường bắt đầu từ điểm hội tụ của các vết nứt xuyên tâm.
Nếu vết nứt xuất phát từ bề mặt chi tiết, điều đó có nghĩa là vết nứt là do ứng suất kéo quá mức trên bề mặt. Nếu không có khuyết tật cấu trúc như tạp chất trên bề mặt, nhưng có các yếu tố tập trung ứng suất như vết dao sắc, vảy oxit, góc nhọn của chi tiết thép hoặc các chi tiết đột biến cấu trúc, thì vết nứt có thể xảy ra.
Nếu nguồn gốc vết nứt nằm bên trong chi tiết, nguyên nhân có thể là do khuyết tật vật liệu hoặc ứng suất kéo dư bên trong quá mức. Bề mặt gãy của quá trình tôi thông thường là sứ xám mịn. Nếu bề mặt gãy có màu xám đậm và thô ráp, nguyên nhân có thể là do quá nhiệt hoặc mô ban đầu quá dày.
Nhìn chung, phần thủy tinh của vết nứt tôi không được có màu oxy hóa, và không được có hiện tượng khử cacbon xung quanh vết nứt. Nếu có hiện tượng khử cacbon xung quanh vết nứt hoặc màu oxy hóa trên phần vết nứt, điều đó cho thấy chi tiết đã có vết nứt trước khi tôi, và các vết nứt ban đầu sẽ mở rộng dưới tác động của ứng suất xử lý nhiệt. Nếu thấy cacbua và tạp chất tách rời gần các vết nứt của chi tiết, điều đó có nghĩa là các vết nứt liên quan đến sự phân tách nghiêm trọng của cacbua trong nguyên liệu thô hoặc sự hiện diện của tạp chất. Nếu vết nứt chỉ xuất hiện ở các góc nhọn hoặc các bộ phận đột biến hình dạng của chi tiết mà không có hiện tượng trên, điều đó có nghĩa là vết nứt là do thiết kế kết cấu chi tiết không hợp lý hoặc các biện pháp phòng ngừa nứt không phù hợp, hoặc ứng suất xử lý nhiệt quá mức.
Ngoài ra, các vết nứt trong quá trình xử lý nhiệt hóa học và làm nguội bề mặt thường xuất hiện gần lớp cứng. Cải thiện cấu trúc của lớp cứng và giảm ứng suất xử lý nhiệt là những cách quan trọng để tránh các vết nứt bề mặt.
Thời gian đăng: 22-05-2024