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