Xử lý nhiệt làm đổi tính chất của kim loại bằng cách nào?

• Làm nguội nhanh
• Làm nguội chậm

Bạn sẽ học được gì

• Mô tả vì sao tốc độ làm nguội đổi cấu trúc và độ cứng của thép.
• Giải thích thử tôi đầu thanh Jominy đo điều gì.
• Nói được những yếu tố khác và cái giá phải trả khi làm thép cứng hơn.

Cần biết trước

Nên biết độ cứng và độ giòn là gì, xem bài về độ bền, độ cứng và độ dẻo. Bài này lấy thép làm ví dụ.

Xử lý nhiệt đổi điều gì bên trong kim loại?

Nó đổi cấu trúc bên trong qua việc nung và làm nguội có kiểm soát. Giáo trình Jominy end quench của Đại học Cambridge mô tả mẫu thép được chuẩn hóa để loại sự khác biệt cấu trúc do rèn trước đó, rồi được nung tới trạng thái austenite. Từ trạng thái đó, cách làm nguội quyết định thép biến đổi thành cấu trúc nào.

Giáo trình dùng khái niệm độ thấm tôi, là khả năng của thép biến đổi một phần hay hoàn toàn từ austenite thành một tỷ lệ martensite ở độ sâu cho trước dưới bề mặt, khi được làm nguội trong điều kiện cho trước.

Tốc độ làm nguội quyết định cấu trúc và độ cứng ra sao?

Làm nguội càng nhanh thì càng nhiều martensite và thép càng cứng. Thử tôi đầu thanh Jominy là phương pháp tiêu chuẩn để đo độ thấm tôi của thép. Tốc độ làm nguội thay đổi dọc thanh, từ rất nhanh ở đầu bị tôi tới tốc độ tương đương làm nguội trong không khí ở đầu kia.

Tỷ lệ các pha tại mỗi vị trí phụ thuộc tốc độ làm nguội, với nhiều martensite hơn ở nơi nguội nhanh nhất. Ferrite và pearlite hình thành nơi nguội chậm hơn. Độ cứng được đo theo các khoảng cách từ đầu bị tôi: độ cứng cao nơi có nhiều martensite, và độ cứng thấp hơn cho thấy sự chuyển sang bainite hoặc ferrite và pearlite.

• Đầu bị tôi, nguội nhanh nhất
• Đầu xa, nguội chậm
• Độ cứng giảm dần

Điều gì khác ảnh hưởng, và cái giá phải trả là gì?

Thành phần thép cũng quan trọng, và làm cứng hơn có giá. Giáo trình cho biết carbon quyết định độ cứng của martensite. Độ thấm tôi phụ thuộc thành phần hóa học và có thể bị ảnh hưởng bởi điều kiện xử lý trước đó, như nhiệt độ austenite hóa.

Không thể chỉ nhắm tới độ cứng. Giáo trình Jominy end quench lưu ý thép carbon cao dễ biến dạng và nứt khi xử lý nhiệt. Đây là lý do phải xét cả thành phần, kích thước chi tiết và điều kiện xử lý, thay vì chỉ chọn tốc độ nguội nhanh nhất.

Hiểu độ thấm tôi giúp chọn tổ hợp hợp kim và xử lý nhiệt cho chi tiết có kích thước khác nhau, để giảm ứng suất nhiệt và biến dạng. Thép có độ thấm tôi thấp có thể dùng cho chi tiết nhỏ như đục và kéo cắt, hoặc cho chi tiết chỉ tôi bề mặt như bánh răng.

• Ít martensite hơn, độ cứng thấp hơn
• Nhiều martensite hơn, độ cứng cao hơn

Ví dụ trong đời sống

Hãy nghĩ tới một lưỡi đục và một bánh răng. Giáo trình nêu cả hai là chi tiết có thể dùng thép có độ thấm tôi thấp, vì chi tiết nhỏ hoặc chỉ cần tôi bề mặt. Cùng loại thép nhưng nếu làm nguội ở tốc độ khác thì cấu trúc và độ cứng đổi.

Hiểu lầm thường gặp

Xử lý nhiệt chỉ đổi màu kim loại. Nó đổi cấu trúc bên trong, vì thế đổi độ cứng.

Cứng hơn luôn tốt hơn. Độ cứng không cho biết hết nguy cơ biến dạng và nứt trong xử lý nhiệt.

Chỉ cần nung nóng là đủ. Theo giáo trình, tốc độ làm nguội mới quyết định tỷ lệ martensite, ferrite và pearlite.

Câu hỏi thường gặp

Thử Jominy đo điều gì?

Nó đo độ thấm tôi của thép: khả năng cứng lên theo chiều sâu khi tôi.

Vì sao đầu bị tôi cứng hơn?

Vì tốc độ làm nguội nhanh nhất ở đó nên tạo nhiều martensite nhất.

Carbon ảnh hưởng gì?

Giáo trình cho biết carbon quyết định độ cứng của martensite.

Tóm tắt

• Xử lý nhiệt đổi tính chất của thép bằng cách đổi cấu trúc bên trong qua nung và làm nguội.
• Làm nguội nhanh tạo nhiều martensite và độ cứng cao; nguội chậm tạo ferrite và pearlite.
• Thành phần thép, đặc biệt carbon, cũng ảnh hưởng; cần xét nguy cơ biến dạng và nứt khi xử lý nhiệt.