3/6/2017

•Chương 5. Các chuyển pha khi nung nóng

và làm nguội

5.2. Chuyển biến khi nung nóng hợp kim Fe-C - sự austenit hóa

1. Cơ sở:

dựa trên giản đồ pha Fe-Fe3C

Nung đến T= A1Thép ct (P): [Fe+Fe3C]0,8%C  Fe(C)0,8%C

Nung trên A3 Thép tct (P+F) Austennit

Nung trên Am Thép sct P+XeII Austennit

5.1. Sơ lược về nhiệt động học và động học của chuyển pha rắn trong vật liệu • Cũng tuân theo qui luật chung của chuyển pha (như lỏng-rắn) • Sự thay đổi năng lượng tự do khi tạo mầm: G= -Gv+Gs+Gđh Gđh – năng lượng đàn hồi do thể tích riêng của mầm và nền khác nhau, trong chuyển pha R-R quan trong (Pha mẹ – ban đầu và pha con- mới tạo thành)hình dạng sản phẩm. • Hệ số khuếch tán ở pha rắn nhỏ hơn nhiều so với pha lỏng nên quá

trình tạo mầm và phát triển mầm xảy ra khó khăn hơn

Nhận xét: - Mọi loại thép sau khi nung lên trên đường GSE (GDP Fe-Fe3C)  một pha duy nhất Austennit

• Các khuyết tâṭ (nút trống, lệch, tạp chất, đường trượt, biên giới

hạt…) có vai trò quan trọng trong việc tạo mầm ký sinh

- Các mác thép khác nhau sẽ nhận được các tổ chức As khác nhau với %C như trong mác thép ban đầu

Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng (tiếp theo)

Chuyển biến ở trạng thái rắn gồm các nhóm sau:

2. Đặc điểm của chuyển biến P  Austenit

Vấn đề quan tâm: nhiệt độ và kích thước hạt Austenit

* Nhiệt độ chuyển biến : phụ thuộc vào tốc độ nung

• Không thay đổi thành phần hóa học, chỉ biến đổi về cấu trúc tinh thể: chuyển biến thù hình, chuyển biến M…(nhờ sự dịch chuyển ngtử với khoảng cách nhỏ hơn hằng số mạng hay tập hợp nguyên tử với khoảng cách cỡ hằng số mạng.

Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt khi nung

 Vn nung càng nhanh thì nhiệt độ chuyển biến càng cao và thời gian chuyển biến càng ngắn

• Không thay đổi cấu trúc, chỉ thay đổi thành phần hóa học: sự tách lớp dd rắn quá bão hòa =1+2 (HK Al-Zn dd rắn có %Zn thay đổi)

Bắt đầu chuyển biến P  

• Thay đổi cả cấu trúc lẫn thành phần hóa học: quá trình tiết

)

V2

V2>V1 T2>T1 2<1

pha (phân hủy dung dịch rắn quá bh) • Chuyển trạng thái trật tự – không trật tự.

i

V1

C 0 ( ộ đ t ệ h N

Kết thúc chuyển biến P  

 thực tế: phải quá nhiệt độ tới hạn từ 20- 300C

720

Thời gian (phút)

Cao hơn : đến hàng trăm độ

1

3/6/2017

Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng (tiếp theo)

5.3. Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt

* Kích thước hạt Austenit:

Đặc điểm cơ chế của chuyển biến P  Austenit

- Tạo mầm (mầm được tạo trên biên giới pha giữa F và Xe)

- Làm đồng đều nhiệt độ trên toàn tiết diện

- Phát triển mầm ( giống quá trình kết tinh)

- Đủ thời gian để hoàn thành các chuyển biến xảy ra khi nung nóng

- Làm đồng đều thành phần hoá học trên toàn bộ Austenit

A

Hạt P ban đầu

A mới hình thành

Chú ý:

Kích thước hạt A phụ thuộc:

- Điều kiện nung nóng T cao hơn (hoặc giữ nhiệt)  hạt lớn lên

- Thép bản chất di truyền hạt lớn và nhỏ

- Thời gian giữ nhiệt không nên quá dài do tạo nên sự phát triển hạt Austenit

5.4. Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit

Thép di truyền hạt lớn: Hạt As phát triến nhanh và đều đặn theo T Sau NLGiòn

1. Giản đồ TTT của thép cùng tích –Sự phân hóa As khi nguội đẳng nhiệt

Nhiệt độ cùng tích

)

)

Peclit Xoocbit

Thép di truyền hạt nhỏ: Hạt As phát triển chậm theo TKhi T> 930-9500CHạt As phát triến nhanh

Peclit

i

Trôxtit

Xoocbit

i

F 0 ( ộ đ t ệ h N

ị

C 0 ( ộ đ t ệ h N

Bainit

Trôtit

i

Austenit quá nguội

Thường nung nóng: ≤ 9000C, giữ nhiệt theo qui địnhhạt nhỏ

Bainit

à v g n ứ c ộ đ g n ă t u ề h C

e X a ủ c n m ỏ h n ộ đ c ứ m

Ms (~ 2200C)

Mactenxit (M) + Austenit () dư

Mf (~ -500C)

Thời gian

6

Thép DT hạt nhỏ : trong tổ chức có yếu tố ngăn cản sự phát triển của hạt

2

3/6/2017

Xác định thành phần tổ chức cuối cùng của các trường hợp sau:

P (7000C): 10-15HRC (180-200HB)

Nhiệt độ cùng tích

)

)

Xe tấm thô

F 0 (

X (6500C): 25-35HRC; Xe nhỏ mịn hơn

Peclit Xoocbit

C 0 (

Tổ chức của a là:

ộ đ

t

ộ đ

i

T (500-6000C): 40-45HRC; Xe nhỏ mịn hơn nữa

Trôxtit

t

i

ệ h N

ệ h N

B ( 250-4500C): 50-55HRC

Bainit

Tổ chức của b là:

Austenit quá nguội

Ms (~ 2200C)

(a)

(b) Mactenxit (M) + Austenit () dư

Mf (~ -500C)

Thời gian

F 0,1%C Xe có công thức chưa hẳn Fe3C

Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit (tiếp theo)

Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit (tiếp theo) Đặc điểm của sự phân hoá As khi làm nguội liên tục

2. Sự phân hoá As khi làm nguội liên tục

Nhiệt độ cùng tích

)

)

* Tổ chức nhận được hoàn toàn phụ thuộc vào véctơ biểu thị tốc độ nguội trên giản đồ TTT

Peclit Xoocbit

V1

Các véctơ vận tốc nguội V1

V2

Trôxtit

i

F 0 ( ộ đ t ệ h N

i

V1  Peclit

Bainit

C 0 ( ộ đ t ệ h N

V2  Xoocbit

Austenit quá nguội

* Với chi tiết có tiết diện lớn, tổ chức sẽ không đồng nhất do ảnh hưởng của tốc độ nguội khác nhau

Ms (~ 2200C)

V3  Trustit + Mactenxit

* Chỉ nhận được tổ chức hoàn toàn Bainit bằng cách làm nguội đẳng nhiệt

V3

V4

Vth

V4  Mactenxit

Mactenxit (M) + Austenit () dư

Mf (~ -500C)

Vth  Mactenxit

Chú ý:

Thời gian

Các điều kiện trên chỉ đúng với thép Cacbon

3

3/6/2017

Nhiệt độ cùng tích

)

Vùng  ổn định

3. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của Au quá nguội (thép khác cùng tích) 5.5. Các chuyển biến xảy ra khi nguội nhanh Austenit: Chuyển biến As Mactenxit - Tôi

(A3, Acm)

)

)

F 0 (

C 0 (

Đặc điểm: Vth: vận tốc nguội tới hạn

Peclit Xoocbit

C 0 (

ộ đ

ộ đ

t

t

ộ đ

i

Trôxtit

A1

i

t

- Xuất hiện thêm nhánh

i

ệ h N

ệ h N

ệ h N

Bainit

Vùng chuyển biến 

Vùng chuyển biến 

phụ, chữ C có xu hướng dịch sang trái  tính ổn định của As quá nguội

Austenit quá nguội Ms (~ 2200C)

giảm

Khi vận tốc nguội: V1 > Vth  chuyển biến thù hình

As Mactenxit

Vth

V1 Mactenxit (M) + Austenit () dư

Mf (~ -500C)

Thời gian

Thời gian

1. Bản chất của Mactenxit

- Là dung dịch rắn quá bão hoà của C trong Fe - Khi làm nguội đẳng nhiệt với độ quá nguội nhỏ (hay nguội chậm liên tục)  sẽ tiết ra ra F (Xe) khi gặp nhánh phụ

- Nồng độ C như trong Austenit

- Kiểu mạng chính phương tâm khối c/a~ 1,001-1,06 - Khi làm nguội đẳng nhiệt với độ quá nguội đủ lớn (hay làm nguội liên tục đủ nhanh) véc tơ nguội không gặp nhánh phụ : As F+Xe ở dạng xoocbit, trôxtit và bainit có %C≠0,8cùng tích giả

4

3/6/2017

- Cacbon sẽ nằm trong các lỗ hổng 8 mặt

3. Cơ tính của Mactenxit • Độ cứng: phụ thuộc vào hàm lượng C

- Mactenxit là có độ cứng cao do mức độ gây xô lệch mạng lớn • Tính giòn: tỷ lệ thuận với độ cứng

2. Các đặc điểm của chuyển biến Mactenxit • Chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục A với tốc độ V > Vth • Chuyển biến không khuyếch tán

Lý do giòn: - do xô lệch mạng không có khả năng BD dẻo - Tồn tại ứng suất bên trong lớn ( ưs nhiệt+tổ chức) Phụ thuộc: - Kim M càng nhỏ mịngiòn càng thấp (khi nung As nhỏ mịn)- ưs bên trong càng nhỏ càng ít giòn • Quá trình chuyển biến xảy ra liên tục, tốc độ phát triển nhanh

• Chỉ xảy ra trong khoảng giữa hai nhiệt độ bắt đầu

 thép hạt nhỏ, đúng nhiệt độ tôi, phương pháp tôi thích hợp

(Ms) và kết thúc (Mf)

19

• Chuyển biến xảy ra không hoàn toàn Độ cứng của thép tôi là độ cứng của Mactenxit ???

- Bainit là hỗn hợp của dung dịch rắn  qbh C (0,1%C) và

Xe (công thức chưa hẳn là Fe3C)

• Ms, Mf phụ thuộc vào: - As càng nhiều C và NTHK ( trừ Si,Co, Al)Ms, Mf càng thấp

- Tạo thành khi nguội đằng nhiẹt ở vùng dưới lưng đường

chữ C

• Lượng As dư phụ thuộc vào Mf càng âm  As càng nhiềusau tôi không đạt được độ cứng max - Nguyên nhân khác: VM >VAs khi chuyển biến V tăng phần As chưa chuyển biến chịu sức ép ngày càng tăng đến mức không chuyển biến được

- Có 2 loại Bainit: + B trên: Tạo thành khi giữ ở nhiệt độ cao (vùng sát lưng đường cong chữ C- B trên có cấu trúc dạng lông chim: Cacbit phân bố giữa các tấm Ferit và bên trong tấm. + B dưới: tạo thành khi giữ đẳng nhiệt ở T gần nhiệt độ chuyển biến mactenxit - B dưới: có dạng hình kim giống M ram. Cacbit chủ yếu tiết ra bên trong tấm Ferit - Chuyển biến có vị trí trung gian giữa chuyển biến khuếch tán As P và không khuếch tán As M nên mang đặc điểm của cả 2 chuyển biến

5.6. Chuyển biến của Austenit thành Bainit

5

3/6/2017

2.Các chuyển biến khi ram (thép ct- 0,8%C)

• Giai đoạn I (<2000C):

- T < 800C: chưa xảy ra chuyển biến

- 800C < t < 2000C:

☻M tôi bắt đầu chuyển biến

M= Fe(C)0,8  Feα(C)0,25-0,4 + cácbit ε (Fe2,0-2,4C)

M tôi

M ram

cácbit ε có dạng tấm mịn

☻γ chưa chuyển biến Cuối GĐ1: Mram+ dư Độ cứng Mram < Mtôi 1-2 HRC

• Giai đoạn II (200-2600C):

5.7. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép sau tôi - Ram thép

☻ Cacbon tiếp tục tiết ra từ M

Fe(C)0,25-0.4  Feα(C)0,15-0,2 + cácbit ε

1. Sự không ổn định của Mactenxit và Austenit:

Là các pha không ổn định

☻ As dư chuyển biến  M ram

M  dd rắn  quá bh

Fe(C)0,8  [Fe(C)0,15-0,2 + Fe2,0-2,4(C) ]

 không tồn tại ở T thường

As dư

M ram

 chuyển biến

 Tổ chức cuối giai đoạn II : M ram

Mactenxit: Fe(C)  Fe3C + Fe

độ cứng nhỏ hơn so với M tôi

Austenit: Fe(C)  Fe3C + Fe

Nếu thép (HK cao) sau tôi có nhiều As dư độ cứng chung tăng lênhiện tượng độ cứng thứ 2

6

3/6/2017

• Giai đoạn IV (>4000C):

- Không có chuyển biến mới, có sự sát nhập hạt Xe lớn lên

- 500-6000C nhận được tổ chứ Xoocbit ram có σch và ak cao nhất

 tuỳ thuộc vào từng giai đoạn mà có thể nhận được các tổ chức có cơ tính khác nhau

M ram

M tôi

 tuỳ thuộc vào điều kiện làm việc, yêu cầu cơ tính  chọn nhiệt độ ram thích hợp

• Giai đoạn III ( 260-4000C):

Tổ chức hai pha Cacbit  và M ram đồng thời chuyển biến:

5.8. Các công nghệ xử lý nhiệt cơ bản của vật liệu kim loại

Nhiệt luyện là gì?  là công nghệ nung nóng kim loại, hợp kim đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt và làm nguội với tốc độ thích hợp

Fe(C)0,15-0,2  Fe2,0-2,4(C) 

Fe + Fe3C (dạng hạt) Fe3C (dạng hạt)

Mục đích:  làm biến đổi tổ chức  biến đổi cơ tính của vật liệu

theo hướng mong muốn của con người

 hỗn hợp Feα và Xe nhỏ mịn phân tán  Trôxtit

Đặc điểm của nhiệt luyện:

Đặc điểm của Trôxtit:

- Không làm thay đổi hình hoặc thay đổi không đáng kể dạng kích thước chi tiết

- Chi tiết vẫn ở trạng thái rắn

- Độ cứng giảm đi so với M ram (~45HRC) - Tăng mạnh tính đàn hồi σđh=max - Không còn ứng suất bên trong vật liệu

- Chi tiết sau nhiệt luyện phải được đánh giá qua tổ chức tế vi và cơ tính

7

3/6/2017

Các yếu tố đặc trưng của quá trình xử lý nhiệt

5.8.1. Ủ thép

)

i

gn

to

n

C o t ( ộ đ t ệ h N

Vng

Thời gian ()

Nhiệt độ nung nóng (t0

n)

nhiệt độ cao nhất mà quá trình cần đạt đến

Thời gian giữ nhiệt (gn)

thời gian ngưng ở nhiệt độ nung nóng

Tốc độ nguội (Vng)

tốc độ làm nguội chi tiết sau khi giữ nhiệt

1. Ủ là gì ?  Nung nóng + giữ nhiệt + nguội chậm cùng lò  nhận tổ chức cân bằng ( giống GĐP) độ cứng thấp + độ dẻo cao Vì sao cần ủ? - Làm giảm độ cứng để dễ dàng gia công cơ khí(cắt, bào, tiện…..) - Làm tăng thêm độ dẻo  dễ gia công biến dạng (dập, cán, kéo….) - Khử bỏ ứng suất bên trong sinh ra trong quá trình GC - Làm đồng đều thành phần hóa học trong toàn bộ chi tiết (ủ khuếch tán) - Làm nhỏ hạt

Các chỉ tiêu đánh giá kết quả nhiệt luyện

1. Tổ chức tế vi - cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hoá bền…..

F

Ảnh tổ chức của thép với sự phân tán xêmentit trên nền ferit

Xê

2. Độ cứng

biết giá trị độ cứng ước lượng các chỉ tiêu cơ tính khác: độ dẻo, độ dai, độ bền

3. Độ cong vênh, biến dạng chi tiết

2. Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha T<7270C, không có chuyển biến P As a. Ủ thấp (200-6000C):  làm giảm hoặc khử bỏ ứng suất bên trong chi tiết (sau đúc, gia công cơ) 200-4000C Khử một phần ưs 400-6000C Khử hoàn toàn ứs Đặc điểm: độ cứng không giảm b. Ủ kết tinh lại (600-7000C cho thép C):  Phục hồi tính dẻo cho chi tiết qua BD • Đặc điểm: độ bền cứng giảm, độ dẻo tăng

8

3/6/2017

c. Ủ cầu hóa: mục đích tạo thành P hạt

3. Các phương pháp ủ chuyển biến pha

T0C

a. Ủ hoàn toàn (thép tct):

750-7600C 650-6600C

nhận được tổ chức [Feα + P (tấm)] Tủ = Ac3 + (20-300C)

•Mục đích: - làm nhỏ hạt

- giảm độ cứng, tăng độ dẻo

5' 5' 5'

Thời gian

b. Ủ không hoàn toàn (thép %C > 0,7): nhận được tổ chức [XeII + P hạt]

d. Ủ đẳng nhiệt: áp dụng cho thép hợp kim cao •Mục đích: nhận được P  độ cứng thấp (T ~ A1- 500C)

Tủ = Ac1 + (20-300C) Mục đích: - làm giảm độ cứng để dễ gia công cắt gọt

e. Ủ khuyếch tán: áp dụng cho thép HK cao bị thiên tích khi đúcT0 ủ rất cao 11000-11500C, 10-15 h  sau ủ hạt lớn  ủ hay cán làm nhỏ hạt

5.8.2. Thường hóa thép

Biến đổi tổ chức khi ủ hoàn toàn thép 0,5% C

Ac3

Ac1

1. Thường hóa là gì? Nung nóng (đạt As) + giữ nhiệt + nguội trong không khí tĩnh  nhận tổ chức gần ổn định ( P hay X) độ cứng thấp (cao hơn ủ) 2. Cách lựa chọn nhiệt độ - Thép trước cùng tích: Tth = Ac3 + (30-500C) - Thép sau cùng tích: Tth = Acm + (30-500C) 3. Mục đích - Đạt độ cứng thích hợp cho gia công cắt ( %C ≤ 0.25) - Làm nhỏ hạt Xe trước khi nhiệt luyện kết thúc - Làm mất lưới XeII trong thép sau cùng tích

9

3/6/2017

5.8.3. Tôi thép

4. Tốc độ tôi tới hạn - Là tốc độ nguội nhỏ nhất gây nên chuyển biến As M - Các yếu tố ảnh hưởng • Thành phần nguyên tố hợp kim trong As • Sự đồng nhất của As • Các phần tử rắn chưa hoà tan vào As • Kích thước hạt As trước khi làm nguội

1. Đ/n: Nung nóng + giữ nhiệt + nguội nhanh  nhận tổ chức M không ổn định với độ cứng cao 2. Mục đích Nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn cho chi tiết (%C>0.3≥50HRC ) Nâng cao độ bền và sức chịu tải của chi tiết 3. Cách chọn nhiệt độ tôi Thép tct và ct:

Ttôi = Ac3 + (30-500C) Thép sct: Ttôi = Ac1 + (30-500C) - Thép hợp kim: %HK thấp  dựa theo thép C

%HK cao  tra sổ tay NL

Tại sao ?

5. Độ thấm tôi  là chiều sâu lớp tôi cứng có tổ chức M Các yếu tố ảnh hưởng: - tốc độ nguội tới hạn - tốc độ nguội chi tiết

Thép TCTtôi hoàn toàn? Tổ chức nhận được ? Thép SCTtôi không hoàn toàn? Tổ chức nhận được ?

Vng < Vthct không được tôi Vlõi > Vthtôi thấu * Tốc độ nguội nhanh độ thấm tôi tăng đường phân bố tốc độ nguội nông hơn

10

3/6/2017

A1

6. Các phương pháp tôi thể tích và công dụng

Peclit Xoocbit

ộ đ t ệ i h N

Trôxtit

Bainit

As quá nguội

c. Các môi trường tôi thông dụng: ☻ Nước: - Rẻ, an toàn, dễ kiếm - Làm nguội nhanh ở cả 2 khoảng nhiệt độ -Cứng cao, biến dạng lớn - Nước nóng (>400C) làm giảm mạnh tốc độ nguộinước luôn nguội - Là môi trường tôi của thép C- Không dùng cho chi tiết có hình dạng phức tạp

Ms (~ 2200C)

Mactenxit (M) + As dư

Mf (~ -500C)

Thay đổi thành phần DD để tăng khả năng tôi:

Dung dịch 10% NaCl+Na2CO3+NaOH Làm nguội nhanh ở vùng nhiệt độ cao, nguội chậm hơn ở vùng nhiệt độ thấp

Thời gian

a. Yêu cầu với môi trường tôi: - Chi tiết sau tôi phải đạt tổ chức M - Chi tiết không bị cong vênh, nứt

b. Đường cong nguội lý tưởng: - Giai đoạn làm nguội nhanh qua vùng 500-6000C (As kém ổn định nhất) - Giai đoạn làm nguội chậm trong vùng chuyển biến M 200-3000C:  để tránh ứng suất nhiệt cho chi tiết

Tôi trong môi trường nước

11

3/6/2017

A1

☻ Tôi trong một môi trường ( véc tơ màu đỏ ) Vng>Vth

Peclit Xoocbit

ộ đ t ệ i h N

Trôxtit

Bainit

As quá nguội

Ms (~ 2200C)

Mactenxit (M) + As dư

Mf (~ -500C)

Tôi trong môi trường Polymer

Thời gian

)

Peclit Xoocbit

Trôxtit

A1

Bainit

i

C 0 ( ộ đ t ệ h N

As quá nguội

Ms (~ 2200C)

M)+ As dư

Mf (~ -500C)

Thời gian

☻Dầu: -Làm nguội chậm ở cả 2 khoảng nhiệt độ trên - Dầu nóng và nguội khả năng tôi giống nhaudùng dầu nóng (60-800C) để tăng tính linh động Chú ý: Dầu thông thường Tcháy=1500Cphải làm nguội - Là môi trường tôi của thép HK và chi tiết có hình dạng phức tạp Hiện nay dầu có thể tôi đến nhiệt độ cao (200-3000C)

☻Tôi trong 2 môi trường - Giai đoạn đầu: nguội nhanh trong môi trường tôi mạnh hơn (nước, dung dịch muối…) - Giai đoạn sau: làm nguội trong môi trường yếu hơn (dầu…)  giảm được mức độ BD chi tiết

☻Các môi trường tôi khác -Môi trường tôi muối nóng chảy: Áp dụng cho thép HK tôi đẳng nhiệt -Môi trường tôi Polyme -Môi trường tôi của lò chân không : Nitơ lỏng

nhược điểm: khó xác định thời điểm chuyển môi trường ????

12

3/6/2017

A1

)

Peclit Xoocbit

Trôxtit

i

Bainit

C 0 ( ộ đ t ệ h N

As quá nguội

2. Các phương pháp ram a. Ram thấp (150-2500C) - tổ chức sau ram: M ram - độ cứng giảm bớt (1-2HRC) so với M tôi (với thép HK cao  độ cứng có thể tăng do As dư chuyển biến ) - dẻo dai cao hơn, ưs giảm

Ms (~ 2200C)

Mf (~ -500C)

 ứng dụng cho các dụng cụ cắt và ct máy chịu mài mòn…… (a) (b) M+As dư

☻Tôi phân cấp (a) - Áp dụng chủ yếu cho thép HK cao - Nhúng vào mt T>Mđ 50-1000Cgiữ nhiệt  nguội trong không khí ☻Tôi đẳng nhiệt (b)  cần độ dai cao hơn, chống biến dạng và không cần ram tôi ra B ☻Tôi tự ram Áp dụng cho các chi tiết cần tôi bộ phận

Thời gian

☻Gia công lạnh  khử bỏ As dư sau tôi ở một số thép HK có điểm Mf quá thấp  làm lạnh : -50÷ (-70)0Cđộ cứng có thể tăng 1-10HRC

b. Ram trung bình (300-4500C): - Áp dụng với thép có 0,55-0,65%C

5.8.5. Ram thép  Nung nóng thép sau tôi đến nhiệt độ xác định (< Ac1) + giữ nhiệt làm nguội ngoài không khí  Là nguyên công bắt buộc sau khi tôi

1. Vì sao cần Ram?

* Đặc điểm của tổ chức nhận được sau tôi:

- tổ chức M tôi có độ cứng cao, rất giòn, kém dẻo dai  dễ

bị nứt gãy

- nhiều chi tiết sau tôi vẫn yêu cầu cần độ đàn hồi, độ dẻo

- tổ chức sau ram: Truxtit ram - độ cứng giảm rõ rệt (40-45HRC) so với M tôi, σ đàn hồi đạt giá trị lớn nhất (σđh= max) - khử bỏ hoàn toàn được ứng suất bên trong - ứng dụng cho các chi tiết làm việc cần độ cứng tương đối cao và độ đàn hồi cao: lò xo, nhíp, khuôn rèn, dập nóng……

cao….. Giảm hoặc khử bỏ hoàn toàn ứng suất bên trong chi tiết sinh ra sau tôi, tránh chi tiết bị giòn

 Điều chỉnh cơ tính cho phù hợp với yêu cầu riêng của từng chi tiết

13

3/6/2017

5.8.6. Các khuyết tật khi nhiệt luyện thép

1. Biến dạng và nứt Nguyên nhân: sinh ra do ưs ( ưs nhiệt + ưs tổ chức) ƯS >σbnứt hỏng, không khắc phục được ƯS >σch cong vênhnắn, sửa Phòng tránh:

- tốc độ nung hợp lý - làm nguội hợp lý, theo đúng các quy tắc: nhúng thẳng đứng,phần dày của chi tiết xuống trước, mỏng sau

- có thể ép các vật mỏng trong khuôn trước khi tôi - tận dụng tôi phân cấp

Khắc phục: biến dạng vừa phải có thể mang nắn nguội

c. Ram cao (500-6500C)

- tổ chức sau ram: Xoocbit ram - độ cứng giảm mạnh (15-25HRC) , độ dẻo độ dai tăng mạnh - ứng dụng cho các CTM chịu va đập: trục, bánh răng……

2. Oxy hoá và thoát C - Hiện tượng tạo vảy ôxyt và mất C ở bề mặt chi tiết Nguyên nhân: - do có sự xuất hiện của các thành phần dễ gây OXH Fe và C như: hơi nước, oxy, CO2làm xấu, hỏng bm chi tiết - Thoát Cgiảm độ cứng Phòng tránh: Nung trong môi trường không có tác dụng OXH và thoát C  nung trong môi trường có khí bảo vệ: chế từ hơi đốt thiên nhiênCO/CO2; H2/H2O ( thành phần đối lập OXH và hoàn nguyên)  khí quyển trung tính : N2, Ar2 đắt  nung trong môi trường chân không ( 10-2-10-4 mmHg)  sử dụng than hoa….. - Khắc phục: thoát C  thấm lại C cho chi tiết

14

3/6/2017

5.8.7. HÓA BỀN BỀ MẶT

1.Tôi bề mặt Nguyên lý chung: Nung nóng BM nhanh đếnT0 tôi  lõi vẫn nguộinguội nhanh tiếp theoBM được tôi, lõi vẫn mềm

a. Tôi cảm ứng Nguyên lý:

3. Độ cứng không đạt Cao hơn hay thấp hơn mong muốn Nguyên nhân: -Cao: ủ và thường hóa thép HK do Vng lớn  khó gia công Khắc phục: làm lại với Vng nhỏ hơn - Thấp: xảy ra khi tôi: T0 không đúng, Thời gian giữ nhiệt không đủ, Vng không đúng Khắc phục: làm lại nhưng BD tăng Vật dẫn có dòng điện đi qua tạo ra từ trường biến

thiên chi tiết được đặt trong từ trường đó sẽ xuất hiện

dòng điện cảm ứng trên bề mặt, có cùng tần số nung

nóng nhanh bề mặt chi tiết đến T0 tôi 4. Tính giòn cao Nguyên nhân: nung quá caohạt lớn Khắc phục  đem thường hóa rồi nhiệt luyện lại với nhiệt độ nung thấp hơn

Đặc điểm

6. Tầm quan trọng của kiểm nhiệt trong nhiệt luyện

☻Nhiệt độ có vai trò quan trọng  quyết định

chất lượng đạt được

- Mật độ dòng điện xoay chiều phân bố không đều trên tiết diện chi tiết

☻Đo nhiệt độ Dưới 400-5000C: Dựng nhiệt kế thủy ngân • Dưới 16000C Dựng cặp nhiệt + đồng hồ chỉ

thị

- Mật độ dòng điện phân bố cao từ ngoài bề mặt vào trong bên trong chi tiết với chiều sâu Δ được xác định theo công thức: Δ = 5030 (ρ/μ.f)1/2 cm

Trong đó:

• 1100-13000C Cặp Platin-Platin Rodi • 800-10000C Cặp Cromel-Alumen • Trên 10000C hỏa quang kế • Kinh nghiệm ước lượng bằng mắt

ρ − đιệν trở sυấτ (Ω.cm); μ− Độ từ thẩm (gaus/ơcstεt) ; f- tần số dòng

- Dùng dòng điện có tần số hàng nghìn đến hàng chục vạn Hz chiều sâu nung mỏng

15

3/6/2017

• Đặc điểm của thép tôi cảm ứng - Thép tôi cảm ứng: %C 0.35-0.55 , thép C hay HK thấp ( độ thấm tôi thấp)

- Tốc độ nung nhanh nhiệt độ chuyển biến cao ( hơn 100-200 0C) - Thời gian chuyển biến ngắn , hạt As nhỏ mịntôi M nhỏ mịn - Trước khi tôi BM : NL hóa tốt

(a) Sơ đồ nung cảm ứng (b) Tôi khi nung toàn bộ bề mặt (c) Tôi - nung liên tục

Tôi cảm ứng (…..)

Tổ chức và cơ tính của thép:

Tổ chức:

- Lõi: tổ chức X ram (25-30HRC) - Bề mặt: M kim nhỏ mịn (50-58HRC); chịu ưs dư nén (800MPa)  nâng có giới hạn mỏi

Vòng cảm ứng : - Bộ phận gây ra dòng cảm ứng Hình dạng phù hợp với BM chi tiết, khoảng cách với chi tiết nhỏ ( giảm tổn hao): 1.5-5mm - Vật liệu bằng ống đồng, rỗng

- Bề mặt có độ cứng cao chịu mài mòn tốt :

Cơ tính:

- Lõi có độ dai va đập và độ dẻo cao

- Bề mặt có khả năng chống mỏi tốt

các chi tiết thường sử dụng tôi cảm ứng: trục, bánh răng…..

• Các phương pháp tôi 1. Nung nóng rồi làm nguội toàn bề mặt chi tiết 2. Nung nóng và làm nguội từng phần riêng biệt 3. Nung nóng và làm nguội liên tiếp

16

3/6/2017

Các giai đoạn trong quá trình

Tôi cảm ứng (…..)

 Giai đoạn phân hoá Thuận lợi  Giai đoạn hấp phụ - Năng suất cao  Giai đoạn khuyếch tán - Chất lượng tôt

- Dễ dạng cơ khí hoá, tự động hoá

Khó khăn

- Khó thực hiện với các chi tiết hình dáng phức tạp

2. Hoá - nhiệt luyện

Hoá - nhiệt luyện (tiếp theo)

Các yếu tố ảnh hưởng

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Ảnh hưởng của thời gian

T=const

=const

x m ấ h t p ớ

 Là quá trình bão hoà nguyên tố hoá học vào bề mặt thép nhờ khuyếch tán ở trạng thái nguyên tử từ môi trường bên ngoài nhờ nhiệt độ

-Nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn và độ bền mỏi cho chi tiết Mục đích:

i

n á t h c ế u h k ố s ệ H

l y à d u ề h C

Thời gian ()

Nhiệt độ (T)

- Nâng cao tính chống ăn mòn cho vật liệu

Lớp thấm

Mẫu thấm Nitơ lên thép SKD61

x = k.1/2

D= Do.e-(Q/kT)

Lớp nền

* Nâng cao T thấm  hiệu quả, nhưng phải tránh lớn hạt

Do- hằng số kt (cm2/s) Q- hoạt năng kt (cal/mol) R- hằng số khí (cal/mol.độ)

17

3/6/2017

Một số thiết bị trong quá trình thấm C

a. Thấm C

 Bão hoà C lên bề mặt thép C thấp (0,1-0,25%C) + tôi và ram thấp 

Mục đích:

- làm cho bề mặt có độ cứng cao chống mài mòn, chịu mỏi tốt (HRC ~ 60-64)

- lõi vẫn đảm bảo độ dẻo dai (HRC ~ 30-40)

Yêu cầu đối với lớp thấm:

Nhiệt độ thấm

- Trên AC3 hoàn toàn As ( 900-9500C - Bề mặt: ~ 0,8-1,0%C, tổ chức sau nhiệt luyện là M ram và cacbit nhỏ mịn phân tán

- Thép C thường thấm ở T ≈ 9000C - Thép HK ( có yếu tố giữ nhỏ hạt) T ≈920-9500C - Lõi: tổ chức hạt nhỏ, thành phần C như thép ban đầu nên vẫn đảm bảo độ dẻo độ dai…

Thời gian thấm

Bề mặt - Phụ thuộc vào chiều sâu lớp thấm: thường (0.1- 0.15)d d- đường kính chi tiết; thường từ 0.5-1.8mm - Phụ thuộc và tốc độ thấm : V lỏng > V khí > V rắn

Lõi VD:

Độ cứng HRC

thể rắn : 0,1mm chiều sâu/1h nung giữ thể khí: 0,2mm chiều sâu/1h nung giữ

18

3/6/2017

Chất thấm :  Thể rắn: 80-95% than gỗ + Na2CO3, hoặc Ba CO3 (xúc tác)

Phản ứng: 2C + O2  2CO ( khi thiếu ôxy)

Tác dụng của xúc tác:

Ba CO3  BaO + CO2

2CO  CO2+ Cngtử Cngtử  khuyếch tán vào b/m thép (nồng độ tăng dần)

Nhiệt luyện sau thấm:  nhất thiết phải Tôi + Ram thấp Tôi trực tiếp :  Tôi 2 lần : Lần 1: cho lõi Lần 2: T> A1 Nhược điểm : BD lớn ( do nung nhiều lần)  ít dùng Ram thấp : 180-2000C ; = 1-1,5 h

CO2 + Cthan  2CO 2CO  CO2 + Cnguyên tử  b/m thép

Nhược điểm : +Bụi

+ %C : 1,2-1,3

 Thể khí: Thành phần: CO 95-97%; CH4 3-5 % ( khí đốt thiên nhiên)

CH4  2H2+ Cnguyên tử

Ưu điểm: + %C : 0,8- 1,0 + dễ cơ khí hoá và điều chỉnh (dùng dầu hoả, khí gas)

So sánh:

tôi bề mặt thấm C

 Thể lỏng ( ít dùng)

b/m 56-60HRC lõi 15-20 HRC

60-62 HRC 30-40 HRC

19

3/6/2017

Công dụng của thấm C:

Tổ chức lớp thấm thấm: từ ngoài vào: (ε + γ’), γ’, (γ’ + α), α + lõi thép (xoocbit ram);

- Thấm cacbon cho cơ tính và công dụng như tôi bề mặt song ở mức độ cao hơn → bảo đảm tính chống mài mòn và chịu tải tốt hơn. - Cũng tạo nên lớp Ư.s nén dư, làm tăng giới hạn mỏi. - Áp dụng cho ct làm việc trong điều kiện nặng hơn. - Áp dụng cho ct hình dạng phức tạp lớp thấm đều.

b.Thấm Ni tơ:

2. Đặc điểm lớp thấm N:  Nitrit với độ cứng rất cao, nhỏ mịn (phân tán): 65-70

HRC

1. Đ/n: bão hoà Nitơ vào bề mặt thép nâng cao độ

cứng , tính chống mài mòn ( mạnh hơn C), tạo ra ứng suất dư nén, chống rỉ tốt.

Chất thấm và các quá trình xảy ra: sử dụng khí NH3

sau thấm N không phải nhiệt luyện  Thời gian thấm lâu; T=5200C, = 24 h = 0,25-0,3 mm • Chỉ đạt được lớp thấm mỏng (0,05-0,5mm); • Sau thấm không tôi mà nguội chậm đến 2000C; • Lớp thấm giữ được độ cứng cao đến 500 0C; • Thép chuyên dùng thấm N (Cr,Mo, Al)- 38CrMoAlA Công dụng: chi tiết cần độ cứng và tính chịu mài mòn rất cao, làm việc ở nhiệt độ cao: 500 -

6000C

2NH3  3H2 + 2Nng.tử Nng.tử + Fe  Fe(N) Nng.tử + Fe  ()Fe2-3N,(’)Fe4N

Nhiệt độ thấm:

480-6500C.

20

3/6/2017

Bỏ lớp trắng bằng cách thay đổi phương pháp thấm

c. Thấm C-N:

1. Định nghĩa:  bão hoà đồng thời C-N vào

b/m thép  nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn

2. Mục đích :

giống thấm C &N , tốt hơn thấm C

3. Đặc điểm:

Lớp thấm Nitơ trên thép SKD11, với lưu lượng khí thấm 60 (l/h) – 1 giai đoạn thấy xuất hiện lớp trắng (5μm). chịu mài mòn cao nhưng giòn  không mong muốn

Tthấm  8500C  chủ yếu thấm C Tthấm  5600C  chủ yếu thấm N

21

3/6/2017

Xét HK 4% Cu

-Ở trạng thái cân bằng, tổ chức :

DD rắn α - (0,5%Cu)+ CuAl2II (≈7%)

Độ cứng và σb thấp (≈200MPa)

 Nung nóng T>5200C ( quá đường giới hạn hòa tan)  CuAl2II hòa tan hoàn toàn vào α Tôi  DD rắn quá bão hòa 4%Cu (T thường)

Độ cứng và σb tăng lên một chút (≈250-300 MPa)

dẻo  sửa, nắn

5 Thấm C-N thể khí: So với thấm C thể khí có ưu điểm hơn hẳn: • dùng chung thiết bị với thấm C thể khí ( thêm vào 5-10% NH3) • tổ chức lớp thấm Các bit-Nitrit ( 60-65HRC ), tính chống mài mòn tăng ( 50-100%) • lớp thấm mỏng hơn thấm C   ngắn hơn • không tạo muội (NH3)  tăng tốc độ thấm ( thấm ở 840-860 0C  9300C thấm ) • Sau thấm : Tôi (trực tiếp )+ ram

87

Hiện tượng đặc biệt ( khác thép): Sau tôi 5-7 ngày, độ bền và cứng tăng (max σb = 400MPa) ➔ Hóa già tự nhiên

5.8.8. HK nhôm biến dạng hóa bền bằng hóa già (AlCu4) - Là nhóm HK quan trọng nhất, có cơ tính cao, không thua kém thép C

Cơ chế hóa bền khi tôi+hóa già

Tác giả : Gunier và Preston đưa ra cơ chế và chứng minh bằng phương pháp nhiễu xạ X

Cơ chế hóa bền hóa bền :  Cu hòa tan đáng kể vào Al và thay đổi theo nhiệt độ: - Max 5.65% ở 5480C - Min 0.5% ở T0 thường Vượt quá giới hạn hòa tan, Cu thừa  tiết ra dạng CuAl2II

• DD rắn sau tôi không ổn định  trở về trạng thái cân bằng  tiết ra Cu  tập trung lại dạng CuAl2

- Ở nhiệt độ thường  xảy ra chậm T0 cao hơn  xảy ra nhanh hơn

33

86

88

22

3/6/2017

(a) HK Al-4%Cu: làm nguội chậm sau nung từ T 5500C khoảng cách pha hóa bền lớn

(b) HK Al-4%Cu: làm nguội nhanh từ T 5500C(tôi) hóa già khoảng cách pha hóa bền nhỏ và xít chặt

89

91

Các giai đoạn: Giai đoạn I: Xuất hiện vùng GP (lượng Cu tập trung >4%), kích thước rất nhỏ ( hình đĩa , r ≈5nm)  độ cứng cao  độ bền, cứng tăng Giai đoạn II: - Các nguyên tử Cu trong vùng GP tiếp tục tập trung - Vùng GP tiếp tục lớn lên và đạt mức 1Cu-2Al pha θ” ( r ≈10nm, khoảng cách các pha 20nm) pha θ’ - Độ bền đạt giá trị cao nhất ứng với pha θ” -Độ bền giảm khi tạo nên pha θ’ - Ở nhiệt độ thường: quá trình kết thúc sau 5-7 ngày, pha θ” và duy trì mãi mãi Giai đoạn III: - Nung ở nhiệt độ cao hơn ( T= 50-1000C), pha θ’ θ : đúng cấu trúc CuAl2), kích thước lớn hơn  độ bền giảm nhanh ( đến mức nhỏ nhất )

Tóm lại :

- Chuẩn bị tiết ra ở dạng phân tán khi hóa già pha hóa bền

 Pha CuAl2 có vai trò quan trọng trong hóa bền HK nhôm: - Hòa tan vào dd rắn khi nung nóng ➔tạo dd rắn quá bão hòa khi tôi

a.Dung dịch rắn  quá bh b. Pha ” c. Pha 

90

92

Có 2 phương pháp hóa già : - Hóa già tự nhiên: để ở nhiệt độ phòng 5-7 ngày - Hòa già nhân tạo : nung ở T 100-2000C , vài chục giờ ( tùy thuộc vào T cụ thể) đạt độ bền max ( quá dài  độ bền giảm)

23