ROCKWELL HARDNESS IS THE MEGAPIXELS OF KNIFE STEEL SPECS

Độ cứng và Megapixel

Vào giữa những năm 2000 với máy ảnh kỹ thuật số và gần đây hơn với máy ảnh điện thoại thông minh, chúng ta thấy  đã có những trận chiến megapixel. Số lượng megapixel chỉ đơn giản là số pixel được chụp bằng máy ảnh. Từ máy ảnh 0,3 megapixel, hình ảnh khá mờ và nhảy lên tới 2 hoặc 3 megapixel đã tạo ra sự khác biệt lớn. Tuy nhiên, khi so sánh 5 đến 7 megapixel, thì chất lượng hình ảnh được quyết đinh bởi ống kính và cảm biến hơn là chỉ đơn giản là số megapixel. Mặc dù vậy, megapixel đã trở thành một thứ để tiếp thị dễ dàng bởi vì nó là một con số đơn giản để trình bày cho công chúng. Tương tự như nó, thang độ cứng Rockwell cũng là 1 con số để marketing bởi các nhà sản xuất dao. Nó thường bị hiểu lầm bởi người mua, và thậm chí cả các knifemakers. Trong bài viết đề cập đến một số lý do đơn giản tại sao độ cứng không quan trọng bằng các yếu tố khác để dự đoán hầu hết các tính chất của thép. 

Giới thiệu về độ cứng Rockwell

Độ cứng Rockwell là một thử nghiệm đơn giản để kiểm tra độ bền tương đối của vật liệu. Nó hoạt động bằng cách tác động lên bề mặt thép bằng 1 đầu kim cương với tải trọng cố định và đo khoảng cách mà đầu kim cương tác động vào. Nó thường được sử dụng bởi các knifemakers, đơn vị nhiêt luyện và các công ty sản xuất dao. Thông thường giá trị độ cứng hoặc phạm vi độ cứng được đưa ra cùng với một con dao, tức là 58-60 Rc hoặc 59 Rc. Độ cứng tương quan với sức bền, cho chúng ta biết khả năng chống biến dạng vĩnh viễn của vật liệu. 

Với lưỡi dao, khả năng chống biến dạng này chính là việc chống lại lưỡi bị cong vênh khi sử dụng. Độ cứng cao tương quan với chống mài mòn cao và độ dẻo dai thấp. Tuy nhiên, độ cứng không đại diện cho tất cả.

Độ dẻo dai( toughness).

Độ cứng / đồ bền cao hơn làm giảm độ dẻo dai của thép. Độ dẻo dai là khả năng chống gãy hoặc sứt mẻ. Tuy nhiên, có nhiều yếu tố kiểm soát độ bền của thép hơn là độ cứng. Trong một ví dụ chính, số lượng và kích thước của các carbide có trong thép kiểm soát rất nhiều độ bền của thép, vì các carbide là các hạt giòn cứng dẫn đến nứt gãy. Do đó, độ cứng không thể được sử dụng như là một đại diện cho độ dẻo dai. Ở một số loại thép, độ cứng 62hrc nhưng vẫn dẻo dai hơn ở 58hrc.

Chú thích: độ cứng cao làm giảm độ bền của thép.

Ngay cả khi chúng ta chỉ tập trung vào một loại thép, các phương pháp xử lý nhiệt khác nhau có thể dẫn đến các mức độ dẻo dai khác nhau ở cùng độ cứng. Nếu thép được tôi ở nhiệt đô quá cao, độ dẻo dai có thể giảm đi rất nhiều. Trong thử nghiệm độ bền của CruForgeV, độ dẻo dai giảm khá mạnh ngay cả khi sử dụng nhiệt độ được khuyên dùng bởi nhà sản xuất, từ 18,98J ở 815° C austenitize xuống dưới 2.7J ở 843 ° C.

Chú thích: longitudinal: bền dọc. transverse: bền ngang

Độ dẻo dai giảm theo chiều tăng của nhiệt đô tôi trong khi đó độ cứng không thay đổi nhiều( 1/2hrc). Thậm chí độ cứng còn giảm khi tăng nhiệt độ tôi lên 1550 độ F ( 843 độ C).

Chống mài mòn( wear resistance).

Độ cứng cao hơn làm tăng khả năng chống mòn. Tuy nhiên, cũng giống như độ dẻo dai, các carbide tác động rất nhiều vào tính chất này. Độ cứng cao của carbide dẫn đến cải thiện khả năng chống mòn ngay cả khi thép  ở độ cứng thấp . Độ chống mài mòn tương quan với khả năng giữ cạnh( edge retention) của lưỡi dao. Do đó, độ cứng không nên được sử dụng như là đại diện cho khả năng chống mài mòn.

 L6 là một loại thép hợp kim thấp với các carbide sắt( Fe3C) tương đối mềm (Cementite). A2 và D2 ​​chứa carbide crôm cứng hơn nhưng D2 với 15% carbide có khả năng chống mài mòn cao hơn so với A2 có khoảng 10% carbide. 10V và 9V có lượng carbide tương tự như D2 nhưng có carbide vanadi cứng hơn nhiều để chống mài mòn tốt hơn. Cementite( Fe3C) có độ cứng 1000 trên thang độ cứng Vickers, crôm carbide 1500 Hv và vanadi cacbua 2800 Hv .

Chú thích: Lượng thép bị mất khi bắn cát/mài mòn  bề mặt mẫu thép thử ( 10/9v. l6, A2, D2) ở các độ cứng khác nhau. 

Dễ dàng thấy thép  hợp kim đơn giản như L6 bị mòn nhiều nhất, với cùng lượng hợp kim ( d2,10/9v) nhưng với với hợp kim vannadi (9/10v) cứng hơn hợp kim crom (d2.a2) nên bị ăn mòn ít nhất.

Đặc biệt ở 10v/9v dù độ cứng tăng mạnh nhưng lượng bị ăn mòn giảm k đáng kể. (10-20 milimet khối)

Kiểm tra độ bền kéo và nén

Độ cứng tương quan chặt chẽ với độ bền. Một bài kiểm tra độ bền hoàn chỉnh hơn được gọi là kiểm tra độ bền kéo trong đó một thanh thép được kéo cho đến khi nó bị đứt gãy. Một thử nghiệm nén là tương tự nhưng thường sử dụng một xi lanh và thép được nén cho đến khi nó vỡ. Hai bài test trên cho kết quả tương đối giống nhau, ngoại trừ các vật liệu dòn.

• Elastic deformation: trạng thái dẻo, khi ấn lưỡi dao vào thanh đồng, lưỡi dao biến dạng nhưng ngay sau đó sẽ trở về trạng thái cũ.
• Plastic deformation: trang thái mà ấn lưỡi dao vào thanh đồng đến khi lưỡi dao bị uốn cong
• Necking: trạng thái mà khi ấn lưỡi dao đến khi bị mẻ.
• Yield point: điểm mà lưỡi dao bắt đầu bị uốn cong k quay lại trạng thái ban đầu.
• Ultimate strength: Điểm mà lưỡi dao bắt đầu vỡ mẻ khi chiu lực. 

Điều này rất quan trọng vì chúng ta cần hiểu bài kiểm tra độ cứng đang cho chúng ta thấy điều gì. Độ cứng của thép thường tương quan chặt chẽ với yield point và ultimate strength. Tuy nhiên, có một số trường hợp nhất định mà yield point và ultimate strength không liên quan tới nhau. Một số loại thép rất dễ bị uốn cong( yield point thấp) nhưng để bẻ gãy nó thì cần rất nhiều lưc ( ultimate strength cao), trong trường hợp này độ cứng không thể biểu thị cho độ bền.

Austenite dư.

Khi nhiệt luyện thép, thép được nung nóng đến nhiệt độ nhất định ( critical point) nơi tạo ra pha được gọi là austenite, sau đó làm nguội thép nhanh chóng để tạo thành pha cứng gọi là martensite. Trong một số trường hợp, vẫn còn tồn lại 1 lượng austenite dư. Austenit dư mềm hơn nhiều so với martensite. Nhiệt độ austenit hóa cao hơn thường có nghĩa là độ cứng cao hơn vì có nhiều carbide được hòa tan và nhiều carbon hơn trong dung dịch để tăng cường martensite. Tuy nhiên, nhiệt độ austenit hóa cao hơn cũng có nghĩa là nhiều carbon và hợp kim hơn trong dung dịch giúp ổn định austenite dư nhiều hơn. Do đó, tại một thời điểm nhất định, độ cứng không còn tăng khi nhiệt độ austenit hóa cao hơn mà giảm do austenite bị giữ lại quá mức, như trong ví dụ này với Uddeholm Caldie [7]:

Chú thích: bảng trên cho thấy khi nhiệt độ tôi tăng lên ( từ 1000 độ C đến 1060 độ C) lượng austenite dư tăng lên cao ( từ 18 lên 29%) dẫn đến độ cứng giảm ( từ 64hrc ở 1000 độ C xuống còn 63.6 hrc ở 1060 độ C).

Nếu austenite dư quá nhiều và độ cứng giảm đi đôi chút so với yêu cầu, Các knifemakers có thể giảm nhiệt độ ram để duy trì độ cứng. Tuy nhiên, việc này k làm thay đổi lượng austenite còn dư trong thép dẫn đến việc ứng suất cũng bị thay đổi theo.

Chú thích: Với cùng độ cứng nhưng  lượng autenite dư khác nhau ( tăng dần) dẫn đến  ứng suất cũng giảm theo ( làm giảm độ bền ).

Một ví dụ khác về mối liên hệ giữa ứng suất và austenite dư ở thép 52100

Chú thích: ở cùng độ cứng nhưng với chế độ nhiệt luyện khác nhau cho ra  2 mẫu thử 

52100-ht1 với 26 % austenite dư và 52100-ht2 với 9.2% austenite dư  dẫn đến ứng suất khác nhau. Với lượng austenite dư 26% khiến ứng suất giảm mạnh từ 310ksi ( 9.2%) xuống còn 240ksi.

Ram thép

Một trường hợp khác mà yield stress(ứng suất gây biến dạng) và ultimate tress( ứng suất gãy)  có thể không tương quan hoàn hảo nhiệt độ ram của thép. Với thép không ram, ứng suất biến dạng thấp tương quan với ứng suất gãy và độ cứng . Với nhiệt độ ram thấp, ứng suất gãy giảm nhưng ứng suất biến dạng lại được tăng cường. Khi nhiệt độ ram càng tăng dẫn đến ứng suất biến dạng càng tăng do càng ram thì càng khiến thép mềm hơn.

Sự gia tăng ứng suất này được thấy khi nhiệt độ ram khoảng 250 ° C (482 ° F). Trong phạm vi nhiệt độ ram thấp này, độ cứng và ứng suất gãy giảm nhưng ứng suất biến dạng tăng, như đã thấy ở đây với thép 4350 [11]

Từ bảng trên cho thấy, knifemaker có thể ram ở nhiệt độ thấp để tăng độ bền nhưng tính chất có thể đã có sự khác biêt. Ram ở nhiệt độ thấp (200 độ C) có thể làm tăng độ cứng và ứng suất gãy( khó làm gãy) nhưng lại làm giảm ứng suất biến dạng ( dễ bị cong vênh). Do đó khả năng chống biến dạng lưỡi có thể không tăng nhưng độ cứng có thể tăng lên.

Sức bền và hình dáng lưỡi dao

Bất kể tháp được xử lí nhiệt luyện thế nào vẫn có sự cân bằng với thiết kế lưỡi dao. Lưỡi dao mỏng hơn cần độ bền cao hơn để tránh biến dạng. Là một knifemaker, cần phải kiểm tra lưỡi dao để đảm bảo rằng thép, chế độ nhiệt luyện đáp ứng hình dáng, độ dày lưỡi, lĩnh vực sử dụng của con dao. Cũng như người mua dao phải biết mình sử dụng với mục đích gì để chọn dao phù hợp.

Cũng như khi mài dao, tùy thuộc vào lĩnh vực sử dụng mà chọn góc mài khác nhau. 

Cuối cùng, bất kể lưỡi dao được mài như thế nào, loại thép gì thì người sử dụng cũng phải hiểu về nó để có thể sử dụng một cách hợp lí nhất.

Kết luận

Độ cứng là thước đo cho độ bền của thép, nhưng không phải là thước đo hoàn hảo. Ứng suất biến dạng cao hơn có nghĩa là khả năng chống biến dạng cạnh tốt hơn nhưng độ cứng của rockwell không phải lúc nào cũng đo chính xác ứng suất biến dạng. Loại bỏ austenite dư làm tăng ứng suất biến dạng của thép ngay cả khi độ cứng là như nhau. Có thể giảm austenite dư bằng cách đảm bảo nhiệt độ austenitizing( nhiệt độ tôi) không quá cao, hoặc sử dụng cryo( nito lỏng, đá khô) hoặc ram ở nhiệt độ cao. Knifemakers cần cẩn thận khi chọn nhiệt độ ram thấp ( 200 độ C) khi cố gắng tăng độ bền vì độ cứng cao hơn có thể không có nghĩa là ứng suất biến dạng cao . Mặc dù độ cứng cao hơn tương quan với độ dẻo dai thấp hơn và khả năng chống mài mòn tốt hơn, các yếu tố khác như khối lượng carbide, kích thước và loại thường quan trọng hơn độ cứng. Knifemakers, người mua và người dùng đều cần hiểu rõ về hình dáng, độ dày lưỡi và lĩnh vực sử dụng để đảm bảo hiệu quả nhất.