Trả lời trực tiếp: Độ thấm tôi là khả năng thép đạt tổ chức tôi ở chiều sâu, không phải khả năng đạt độ cứng cao. Nó do thành phần hợp kim quyết định, còn kết quả thực tế phụ thuộc tiết diện và môi trường nguội: lõi nguội chậm hơn bề mặt nên có thể không đạt tốc độ nguội tới hạn.
Nội dung thuộc chuyên trang Vật liệu & nhiệt luyện của cokhi.net, cụm Nhiệt luyện — ở góc nguyên lý. Bài không nêu trị số độ cứng, chiều sâu lớp tôi hay tốc độ nguội tới hạn của bất kỳ mác thép nào; các trị số ấy phải tra tiêu chuẩn mác thép và tài liệu của cơ sở nhiệt luyện.
Độ thấm tôi khác độ cứng đạt được ở chỗ nào?
Đây là chỗ hai khái niệm hay bị gộp làm một, và gộp nhầm thì mọi suy luận sau đó đều lệch.
Độ cứng cao nhất mà tổ chức tôi có thể đạt phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng cacbon. Thép ít cacbon thì dù nguội nhanh đến đâu cũng không cứng bằng thép nhiều cacbon — đây là giới hạn của vật liệu, không phải của quy trình.
Độ thấm tôi là chuyện khác hẳn: nó nói về chiều sâu mà tổ chức tôi hình thành được, và nó do các nguyên tố hợp kim quyết định chứ không do cacbon. Hai thép có cùng lượng cacbon nhưng khác thành phần hợp kim sẽ đạt cùng một mức độ cứng ở bề mặt mà rất khác nhau ở lõi.
Hệ quả thực tế: khi lõi chi tiết không đủ cứng, việc cần xét trước hết là mác thép có đủ độ thấm tôi cho tiết diện ấy hay không, chứ không phải nhiệt độ nung có đúng hay không. Nhiệt độ nung là biến của một bài toán khác, đã trình bày ở bài cách tính nhiệt độ tôi theo mác thép; còn trình tự và mục đích của từng nguyên công thì nằm ở bài nguyên lý tôi, ram và thấm cacbon.
Vì sao lõi chi tiết nguội chậm hơn bề mặt?
Vì nhiệt ở lõi không thoát thẳng ra môi trường được. Nó phải dẫn qua bề dày kim loại tới bề mặt trước, rồi từ bề mặt mới truyền vào môi trường nguội. Bề mặt tiếp xúc trực tiếp với môi trường nên nguội nhanh; lõi phải chờ.
Hai yếu tố cộng lại khiến hiệu ứng này nặng dần theo kích thước. Thứ nhất, quãng đường dẫn nhiệt dài ra khi bề dày tăng. Thứ hai, tỷ số giữa thể tích và diện tích bề mặt tăng theo kích thước: chi tiết lớn có nhiều nhiệt phải thải hơn trên mỗi đơn vị diện tích thoát nhiệt. Vì vậy tốc độ nguội ở lõi giảm đi khi tiết diện lớn lên, và tới một cỡ nào đó nó tụt xuống dưới tốc độ nguội tới hạn — tốc độ tối thiểu để austenit không kịp phân hủy thành các tổ chức mềm hơn.
Đây cũng là lý do một quy trình chạy tốt trên mẫu thử lại hỏng trên chi tiết thật: mẫu thử mỏng nên gần như nguội đồng đều, còn chi tiết thật có bề dày thay đổi thì mỗi vùng nguội theo một tốc độ khác nhau. Những chi tiết cần độ cứng chỉ ở một vùng, và cần lõi dai, vì thế thường được xử theo hướng khác hẳn — làm nóng cục bộ thay vì nung toàn khối, như trình bày ở bài tôi cao tần.
Hợp kim làm tăng độ thấm tôi bằng cách nào?
Bằng cách làm chậm quá trình chuyển biến cần khuếch tán. Khi thép nguội từ trạng thái austenit, có một cuộc đua: hoặc nguội đủ nhanh để về tới vùng chuyển biến không khuếch tán, hoặc để austenit kịp phân hủy dọc đường thành các tổ chức mềm hơn. Các nguyên tố hợp kim hòa tan làm nguyên tử cacbon di chuyển khó hơn, nên nhánh phân hủy cần nhiều thời gian hơn.
Kết quả là tốc độ nguội tới hạn nhỏ đi. Với cùng một môi trường nguội và cùng một tiết diện, thép hợp kim vì thế đạt tổ chức tôi ở chiều sâu lớn hơn thép cacbon. Mức tác động của từng nguyên tố không giống nhau và không cộng tuyến tính, nên chiều sâu đạt được phải tra ở tài liệu của mác thép cụ thể chứ không suy ra từ nguyên lý.
Để so sánh các mác thép mà không lệ thuộc hình dạng chi tiết, ngành nhiệt luyện dùng phép thử độ thấm tôi bằng cách làm nguội một đầu thanh mẫu: một đầu thanh được phun nước, các vị trí dọc theo thanh ứng với các tốc độ nguội giảm dần, và đo độ cứng theo chiều dài sẽ cho một đường cong đặc trưng cho mác thép. Cách làm này chuyển câu hỏi "sâu bao nhiêu" thành câu hỏi "ứng với tốc độ nguội nào" — dạng dữ liệu dùng được cho mọi chi tiết. Điều kiện thử và trị số đọc phải theo tiêu chuẩn thử đang áp dụng, bài này không nêu.
Hiệu ứng tiết diện đọc ra sao trên chi tiết thật?
| Tình huống | Chuyện xảy ra ở lõi | Việc cần xét |
|---|---|---|
| Tiết diện nhỏ, thép cacbon | Lõi vẫn kịp đạt tốc độ nguội tới hạn | Nhóm này ít khi lộ vấn đề độ thấm tôi |
| Tiết diện lớn, thép cacbon | Lõi nguội chậm hơn tốc độ tới hạn ⇒ tổ chức hỗn hợp, độ cứng tụt dần vào trong | Xét đổi sang mác có độ thấm tôi cao hơn |
| Tiết diện lớn, thép hợp kim | Tốc độ tới hạn nhỏ hơn nên lõi vẫn đạt tổ chức tôi | Chú ý ứng suất và biến dạng khi lõi cũng chuyển pha |
| Chi tiết có bề dày thay đổi | Mỗi vùng nguội theo một tốc độ khác nhau | Chỗ chuyển tiếp bề dày là nơi ứng suất tập trung |
Bảng nêu quan hệ tiết diện – hành xử của lõi – việc cần xét; bảng không nêu trị số đường kính giới hạn, chiều sâu lớp tôi hay độ cứng, vì các trị số ấy gắn với mác thép và môi trường nguội cụ thể. Ảnh hưởng của việc chọn mác thép và chế độ nhiệt luyện lên một nhóm chi tiết chịu tải điển hình được trình bày ở bài vật liệu và nhiệt luyện bánh răng.
Vì sao ép một thép thấm tôi thấp đạt chiều sâu lại dễ nứt?
Vì cách duy nhất để bù độ thấm tôi thiếu là nguội mạnh hơn, mà nguội mạnh hơn thì chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và lõi lớn hơn. Chênh lệch ấy sinh ứng suất nhiệt, và ứng suất nhiệt cộng thêm với ứng suất do chuyển pha — vì tổ chức tôi chiếm thể tích lớn hơn tổ chức ban đầu, nên vùng chuyển pha sau bị vùng đã chuyển pha trước kìm lại.
Nhìn ngược lại thì thấy vai trò thật của độ thấm tôi cao: nó cho phép dùng môi trường nguội êm hơn mà vẫn đạt chiều sâu cần thiết, và chính điều đó mới là cách giảm nứt cùng biến dạng. Nói cách khác, độ thấm tôi cao không phải là "tôi mạnh hơn" mà là "được phép tôi nhẹ hơn".
Phần ứng suất còn lại sau nhiệt luyện thì phải xử bằng nguyên công riêng, thuộc nhóm nguội chậm đã trình bày ở bài ủ, thường hóa và khử ứng suất. Việc bố trí thứ tự các bước và chuẩn bị chi tiết trước khi đưa vào lò cũng quyết định mức biến dạng — hai bài liên quan là lò nhiệt luyện phân loại và nguyên lý và chi tiết đồ gá nào cần nhiệt luyện.
Câu hỏi thường gặp
Tăng nhiệt độ nung có làm lõi cứng hơn không? Không giải quyết được vấn đề. Nhiệt độ nung quyết định việc austenit hóa có đủ và đều hay không, còn chiều sâu đạt tổ chức tôi thì do tốc độ nguội tại từng vị trí so với tốc độ nguội tới hạn của mác thép quyết định. Nung quá cao chỉ làm hạt lớn lên và làm chi tiết dễ nứt hơn.
Vì sao mẫu thử đạt mà chi tiết thật không đạt? Vì mẫu thử thường mỏng và tiết diện đều nên gần như nguội đồng đều, còn chi tiết thật có bề dày thay đổi. Cùng một mẻ, cùng một môi trường nguội, nhưng tốc độ nguội tại lõi vùng dày có thể thấp hơn hẳn tốc độ tại mẫu.
Thép có độ thấm tôi cao thì luôn tốt hơn phải không? Không phải luôn. Độ thấm tôi cao nghĩa là lõi cũng chuyển pha, nên chi tiết mất phần lõi dai mà nhiều kết cấu cần. Ngoài ra nó gắn với thép hợp kim, kéo theo yêu cầu khác về gia công và về chế độ ram. Đây là lựa chọn theo yêu cầu của chi tiết, không phải một thang bậc cao thấp.