Ví dụ 01 / Nứt gãy trong quá trình dập nguội
Phần mặt bích của bu lông nứt thành mạng lưới:
Tìm nguyên nhân từ tổ chức lớp mỏng và hiện tượng hóa cứng bề mặt
Một chiếc bu lông, phần thân trông bình thường, nhưng mép mặt bích sau khi dập nguội lại xuất hiện những vết nứt nhỏ li ti. Khi gặp tình huống này, chỉ hỏi một câu “liệu vật liệu có quá cứng không” thì thường là chưa đủ.
Trọng tâm của lần phân tích này là ở chỗ gần bề mặt vật liệu đồng thời xuất hiện sự bất thường về tổ chức và độ cứng tăng cao. Từ đó chúng tôi đưa ra nhận định: tổ chức dạng lớp cùng với hiện tượng tăng cacbon bề mặt nghi ngờ đã cùng ảnh hưởng đến khả năng biến dạng cục bộ, dẫn đến việc hình thành các vết nứt trong quá trình dập nguội mặt bích.
Dưới đây, chúng ta sẽ làm rõ các phát hiện từ kiểm tra cũng như con đường dẫn đến sự cố này.
I. Bối cảnh vụ việc: Khách hàng ủy thác cho Creation Group phân tích nguyên nhân nứt gãy do dập nguội
Một doanh nghiệp sản xuất bulong ốc vít sử dụng dây thép do nhà cung cấp hiện tại của họ cung ứng để chế tạo bulong. Trong công đoạn dập nguội, họ phát hiện trên phần mặt bích xuất hiện các vết nứt dạng mạng lưới, nên đã ủy thác Creation Group hỗ trợ phân tích.
Khách hàng xác định vật liệu là SCM435, với quy cách dây thép φ13,15 mm. Vật liệu trong trường hợp này không phải do Creation Group cung cấp; Creation Group đảm nhiệm công tác phân tích đối với mẫu gửi kiểm tra; thông tin về khách hàng và nhà cung cấp đều được ẩn danh.
Các căn cứ cho đợt phân tích lần này bao gồm ngoại quan mẫu, ảnh hiển vi cắt ngang và số liệu đo độ cứng Vickers vi mô; tuy nhiên, chúng tôi không thu thập được dây thép nguyên lô, hồ sơ nhiệt luyện đầy đủ cũng như kết quả định lượng hàm lượng cacbon.
Ngoại quan vết nứt tại phần mặt bích
Tại phần mặt bích của mẫu gửi kiểm tra có thể thấy nhiều vết nứt ngắn, một số chỗ đan xen nhau.
II. Phát hiện từ phân tích: Lớp gần bề mặt không chỉ có tổ chức khác biệt mà còn có độ cứng cao hơn
Ảnh hiển vi kim tương cho thấy trên mặt cắt đã kiểm tra, vùng gần bề mặt xuất hiện rõ rệt các khu vực có tổ chức khác biệt; hai vị trí được đánh dấu có chiều rộng lần lượt là 78,56 μm và 105,64 μm, tương đương khoảng 0,08–0,11 mm.
Quan sát ở độ phóng đại cao cho thấy trong khu vực này tồn tại các tổ chức dạng lớp, dạng dải khá rõ ràng, khác với hình thái cacbit bên trong.
Tổ chức lớp gần bề mặt và kết quả đo chiều rộng cục bộ
Hai vị trí được đánh dấu là khu vực có sự khác biệt về tổ chức, chiều rộng đo được tại đây không hoàn toàn tương ứng với độ sâu tăng cacbon đã xác định.
Tổ chức lớp gần bề mặt ở độ phóng đại cao
Ở lớp gần bề mặt có thể nhận thấy rõ nét các đặc trưng tổ chức dạng lớp, dạng dải; tỷ lệ phóng đại gốc và thước đo vẫn được giữ nguyên.
Tổ chức bên trong ở độ phóng đại cao
Khi so sánh với Hình 3 để quan sát hình thái và sự phân bố của cacbit, không nên dùng sự chênh lệch sáng tối để thay thế trực tiếp cho việc đo hàm lượng cacbon.
Độ cứng vi mô cung cấp thêm một bằng chứng khác. Theo thứ tự các điểm đo “từ mép vào phía trong” ghi trong hồ sơ kiểm tra lần này:
Các hạng mục so sánh Hồ sơ kiểm tra
Điểm đo đầu tiên ở lớp gần bề mặt 260,5 HV0.1
Hai điểm đo tiếp theo 248,5 và 240,6 HV0.1
Giá trị trung bình trong khoảng 0,5–1,4 mm khoảng 232,4 HV0.1
Sự chênh lệch giữa điểm đầu tiên ở lớp gần bề mặt và giá trị trung bình nêu trên khoảng 28,1 HV0.1
Sự khác biệt về tổ chức kim tướng và mức tăng độ cứng hỗ trợ lẫn nhau: lớp gần bề mặt không đơn thuần chỉ là “màu sắc ảnh đậm hơn một chút”, mà thực tế thể hiện tổ chức và phản ứng cơ học khác biệt so với phần bên trong.
Dữ liệu kiểm tra
Dữ liệu gốc từ 15 điểm đo độ cứng Vickers vi mô
Đường cong độ cứng
Đường cong độ cứng Vickers vi mô
Điều kiện thử nghiệm là HV0.1, tổng cộng 15 điểm. Dữ liệu và đường cong cùng minh họa sự biến đổi độ cứng giữa các điểm đo, cần được đọc kết hợp với vị trí từng điểm.
III. Dẫn chứng nguyên nhân thứ nhất: Tại sao lại xuất hiện tổ chức dạng lớp?
Mục đích của việc ủ cầu hóa không chỉ là giảm một giá trị độ cứng, mà còn phải đạt được hình thái và sự phân bố cacbit phù hợp cho quá trình tạo hình nguội tiếp theo.
Đối với tổ chức dạng lớp quan sát được lần này, chúng tôi tập trung xem xét hai con đường hình thành: (1) perlit ban đầu chưa được cầu hóa đầy đủ, hoặc (2) perlit tái hình thành trong quá trình làm nguội sau khi nung nóng.
Lời giải thích chính về xử lý nhiệt đưa ra lần này là do sự phối hợp không phù hợp giữa nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt và quá trình làm nguội, đã thúc đẩy sự tồn tại hoặc tái sinh của perlit dạng lớp.
Nếu nung đến vùng biến đổi một phần austenit, nhiệt độ quá cao hoặc thời gian giữ nhiệt ở mức đó không thích hợp, sẽ làm thay đổi trạng thái hòa tan của cacbit; sau đó, nếu quá trình làm nguội không thuận lợi cho việc hình thành cacbit dạng cầu, thì tổ chức dạng lớp có thể tái hình thành. Bản thân quá trình cầu hóa liên quan đến sự hòa tan của cacbit khi nung và kết tủa trở lại khi làm nguội, vì vậy không thể chỉ xem xét riêng rẽ một thông số giữ nhiệt nào.
Vì vậy, không phải “giữ nhiệt càng lâu thì vật liệu càng mềm”, cũng không phải “đã qua cầu hóa thì nhất định sẽ đạt yêu cầu”. Cuối cùng vẫn phải dựa vào kết quả khảo sát tổ chức.
IV. Dẫn chứng nguyên nhân thứ hai: Có phải khí quyển lò đã làm trầm trọng thêm tình trạng bất thường ở lớp bề mặt?
Tăng hàm lượng cacbon ở lớp bề mặt là một nhận định khác về nguyên nhân chủ yếu trong quy trình được nêu ra lần này.
Nếu khí quyển lò có xu hướng tăng cacbon đối với thép, bề mặt vật liệu có thể bị bão hòa cacbon, từ đó làm thay đổi số lượng cacbit, cũng như các quá trình hòa tan và chuyển biến tại khu vực này, dẫn đến sự khác biệt về tổ chức giữa lớp bề mặt và phần bên trong.
Điều này có thể cộng hưởng với những bất thường trong quá trình cầu hóa: một mặt, tổ chức dạng lớp chưa được loại bỏ triệt để hoặc tái hình thành; mặt khác, sự bão hòa cacbon ở lớp bề mặt càng làm gia tăng ảnh hưởng lên tổ chức cục bộ và độ cứng.
Tuy nhiên, cần lưu ý một điểm khác biệt quan trọng: các kết quả hiển vi kim tương và đo độ cứng hiện có ủng hộ cách giải thích này, nhưng chưa đủ để khẳng định độc lập rằng hàm lượng cacbon thực sự đã tăng lên. Ngay cả với cùng một hàm lượng cacbon, sự thay đổi về hình thái tổ chức, kích thước hạt và sự phân bố cacbit cũng ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu.
Do đó, “tăng cacbon do khí quyển” trong trường hợp này chỉ là phán đoán mang tính nguyên nhân quy trình chủ yếu, chứ chưa phải là một kết luận kiểm tra đã được xác minh định lượng.
V. Vì sao cuối cùng lại xuất hiện hiện tượng nứt mạng lưới trên mặt bích?
Khi tạo hình mặt bích, vật liệu giãn nở ra xung quanh, diện tích bề mặt tăng lên, đồng thời lớp gần bề mặt buộc phải biến dạng cùng với phần bên trong.
Tổ chức dạng lớp cùng với độ cứng cục bộ cao hơn cho thấy khả năng biến dạng của khu vực này khác với phần bên trong. Dưới tác động của ứng suất kéo và cắt cục bộ, nếu khả năng biến dạng của nó không đủ, vết nứt dễ dàng xuất hiện trước tiên.
Khi quá trình tạo hình tiếp tục, các vị trí yếu khác lần lượt khởi phát nứt; các vết nứt lan rộng theo nhiều hướng khác nhau và liên kết cục bộ, từ đó có thể tạo thành dạng mạng lưới.
Nói một cách đơn giản: phần bên trong vẫn đang giãn nở ra ngoài, nhưng lớp bề mặt không theo kịp, khiến nhiều vị trí bị kéo đứt lần lượt theo từng giai đoạn.
Con đường dẫn đến hư hỏng được đề xuất lần này: quá trình nhiệt luyện cầu hóa diễn ra không đúng quy trình, dẫn đến sự tồn tại hoặc tái hình thành tổ chức dạng lớp; nghi ngờ khí quyển lò làm tăng hàm lượng cacbon, làm trầm trọng thêm sự chênh lệch tổ chức và độ cứng ở lớp gần bề mặt; trong quá trình dập nguội tạo hình mặt bích, sự không đồng bộ về biến dạng cục bộ đã thúc đẩy nhiều điểm nứt khởi phát cùng lúc.
Đây là cơ chế chính được suy luận dựa trên các tài liệu hiện có. Các mẫu lấy thử hiện được đánh dấu trên phần thân chi tiết, nên chưa thể coi kết quả quan sát trên mặt cắt này hoàn toàn tương đương với việc “đã phát hiện vết nứt trên mặt bích bắt nguồn từ lớp bất thường”.
6. Trọng tâm xử lý: Đồng thời kiểm tra quá trình nhiệt luyện và điều khiển môi trường khí
Vốn đã xác định có yếu tố kép, nên việc xử lý tiếp theo không thể chỉ tập trung vào một giá trị độ cứng duy nhất.
Thứ nhất, kiểm tra quy trình nhiệt luyện thực tế. Đối chiếu với nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt và đường cong làm nguội mà vật liệu đã trải qua để xác định xem tổ chức lớp mỏng có phải do chưa được cầu hóa đầy đủ hay do tái hình thành trong quá trình làm nguội.
Thứ hai, kiểm tra môi trường khí và sự phân bố carbon trên bề mặt. Đối chiếu với hồ sơ điều khiển môi trường khí, đồng thời tiến hành kiểm tra tương ứng hàm lượng carbon, tổ chức và độ cứng từ bề mặt đến bên trong đối với các thanh dây nguyên liệu cùng lô, nhằm xác minh nhận định về hiện tượng tăng carbon bề mặt.
Thứ ba, dùng kết quả tổ chức và kết quả tạo hình để đánh giá hiệu quả của các biện pháp điều chỉnh. Không chỉ xem xét tổng thể độ cứng sau điều chỉnh có giảm hay không, mà còn cần quan sát xem tổ chức lớp mỏng gần bề mặt có giảm đi không, trạng thái giữa bề mặt và bên trong có đồng đều hơn không, cũng như đánh giá kết quả thử nghiệm dập nguội đối với các sản phẩm cùng loại.
Tài liệu hiện tại chưa bao gồm kết quả kiểm tra lại sau khi khắc phục và hồ sơ sản xuất hàng loạt, vì vậy không thể coi các hướng xử lý nêu trên là những biện pháp đã được chứng thực thành công.
7. Kết luận vụ việc
Cơ chế phá hủy chủ yếu được xác định trong trường hợp này là: tổ chức lớp mỏng gần bề mặt kết hợp với hiện tượng cục bộ bị cứng hóa đã làm giảm khả năng phối hợp biến dạng, từ đó dẫn đến nứt dạng mạng lưới trong quá trình mở rộng khi dập nguội mặt bích.
Về nguồn gốc phát sinh bất thường, trọng tâm đặt vào sự kết hợp giữa quá trình nhiệt luyện cầu hóa không đúng cách và khả năng tăng carbon do môi trường khí trong lò. Trong đó, quá trình cụ thể hình thành lại perlit và hiện tượng tăng carbon cần được xác minh thêm thông qua việc đối chiếu chặt chẽ giữa tài liệu liên quan đến dây nguyên liệu ban đầu, quy trình nhiệt luyện và hồ sơ môi trường khí.
Vụ việc này cho thấy, khi đánh giá vật liệu dập nguội, không thể chỉ đơn thuần hỏi “độ cứng trung bình là bao nhiêu”, mà còn phải chú ý đến: bề mặt có tổ chức gì, khác biệt so với phần bên trong ra sao, và liệu có thể cùng nhau đáp ứng yêu cầu biến dạng của sản phẩm hay không.
Creation Group hỗ trợ khách hàng tiến hành phân tích phá hủy bằng cách liên kết hình thái vết nứt, dữ liệu tổ chức và tính năng, từ đó đưa ra những nhận định nguyên nhân có cơ sở và có thể kiểm chứng, giúp cho các cải tiến tiếp theo có mục tiêu rõ ràng.
Nhìn thấy vết nứt chỉ là điểm khởi đầu, còn việc giải thích vì sao vết nứt xảy ra mới chính là giá trị của phân tích phá hủy.
Creation Group · Lớp học kỹ sư dập nguội
Làm rõ các vấn đề về vật liệu