LÍ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÍ THÉP

Chia sẻ: Vo Han | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:14

Thêm vào BST

Báo xấu

180
lượt xem 35
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hãy xét xem khi nung nóng các thép có thành phần cacbon khác nhau đến các nhiệt đô khác nhau rồi làm nguội tiếp theo với các tốc độ khác nhau sẽ được các tổ chức gì và do đó sẽ biết được cơ tính thay đổi như thế nào. Đó là cơ sở của mọi quá trình nhiệt luyện. Ta lần lượt xét biến đổi tổ chức của từng quá trình một, lấy cơ sở là thép cacbon.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: LÍ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÍ THÉP

29 Chương II: LÍ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÍ THÉP.(10 T) I. CA Ù C Å Ö Ù C AÏ T Ö ÔÏ C TO CH Ñ Ñ KHI U N G O Ù N G Ø N N VA LAØ M THE Ù P Ô Ô Û THUYẾT NHIỆT LUYỆN THÉP LÍ G U O ÄI N (C S ). Hãy xét xem khi nung nóng các thép có thành phần cacbon khác nhau đến các nhiệt đô khác nhau rồi làm nguội tiếp theo với các tốc độ khác nhau sẽ được các tổ chức gì và do đó sẽ biết được cơ tính thay đổi như thế nào. Đó là cơ sở của mọi quá trình nhiệt luyện. Ta lần lượt xét biến đổi tổ chức của từng quá trình một, lấy cơ sở là thép cacbon. 1. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép: Công việc đầu tiên của nhiệt luyện là nung nóng. Phụ thuộc vào thành phần cacbon của thép và nhiệt độ nung nóng, trong thép sẽ có các chuyển biến khác nhau. a) Cơ sở xác định chuyển biến khi nung. Cơ sở để xác định chuyển biến khi nung nóng thép là là giản độ trạng thái Fe-C (phần thép, hình 25). Như thấy rõ từ giản đồ ở nhiệt độ thường trong tổ chức của 3 loại thép đều có peclit: + Thép cùng tích có tổ chức đơn giản hơn cả: chỉ có peclit. + Các thép trước và sau cùng tích có tổ chức phức tạp hơn: ngoài Peclit ra còn có thêm Ferit hoặc Xêmentit thứ hai. Bây giờ nung nóng các thép này lên nhiệt độ cao. Hãy xem có chuyển biến gì: - Khi nhiệt độ nung nóng thấp hơn AC1 (
30 + Thép trước và sau cùng tích có chuyển biến nhưng chưa hoàn toàn : Có tổ chức không hoàn toàn là Austenit, tức có tổ chức tương ứng Austenit + Ferit và Austenit + Xêmentit thứ hai. Đối với hai thép này khi nung nóng từ A c1 lên đến Ac3 và Acm sẽ có quá trình hòa tan Ferit và Xêmentit II còn dư vào Austenit. Vậy khi nung nóng quá đường GSE mọi thép đều có tổ chức giống nhau là dung dịch rắn Austenit song với nồng độ cacbon khác nhau phụ thuộc vào thành phần cacbon của thép. Trong chuyển biến khi nung nóng vừa kể trên thì chuyển biến Peclit thành Ausenit là cơ sở. Ta xét kỹ hơn các đặc điểm của chuyển biến này để rút ra các kết luận cần thiết đối với nhiệt luyện. b) Đặc điểm chuyển biến của peclit thành auxtenit . Chú ý hai vấn đề : nhiệt độ chuyển biến và kích thước hạt Austenit tạo thành. Nhiệt độ chuyển biến. T Như thấy rõ từ giản đồ trạng (C) ° 900 thái Fe-C, chuyển biến này xảy ra V 2 ở 2720 C, song điều này chỉ đúng Au với khi nung nóng vô cùng chậm (là II I điều kiện để xây dựng giản đồ). P Như thấy từ giản đồ chuyển P+Au V 1 I I I biến đẳng nhiệt từ peclit thành 727 austenit của thép cùng tích (hình 26).; nhiệt độ nung càng cao nhiệt độ bắt đầu chuyển biến càng cao, 600 thời gian hoàn thành chuyển biến 10 τ(s ) 2 3 4 6 5 0. 1 1 10 10 10 10 10 càng ngắn. Hình 26: GĐCB đẳng nhiệt của P→Au. Như vậy tốc độ nung nóng càng cao, chuyển biến peclit thành austenit xảy ra ở nhiệt độ càng cao song trong thời gian càng ngắn. Trong thực tế, để đạt được chuyển biến qui định phải nung nóng quá nhiệt độ tới hạn tương ứng, khoảng 20 - 300 C khi nung chậm, hàng trăm độ khi nung nhanh. Kích thước hạt austenit Trong thực tế hạt auxtenit không tồn tại ở nhiệt độ thường song vẫn để ý đến vấn đề này vì các sản phẩm phân hóa từ các hạt nhỏ austenit bao giờ cũng có độ đẽo độ dai hơn cao hơn so với các sản phẩm phân hóa từ các hạt austenit lớn. Vì vậy trong bất cứ trường hợp nào cũng phải đạt được tổ chức austenit hạt
31 nhỏ, muốn vậy phải biết qui luật hình thành hạt auxtenit cũng như sự lớn lên của nó. Chuyển biến peclit → austenit cũng theo cơ chế tạo mầm và phát triển mầm như khi kết tinh. Mầm auxtenit được tạo nên trên bề mặt phân chia giữa hai pha ferit và xêmentit của peclit (hình ), bề mặt phân chia giữa chúng rất nhiều nên số mầm tạo thành cũng rất nhiều, do đó hạt auxtenit lúc mới tạo thành rất nhỏ mịn. Cần ghi nhớ rằng chuyển biến peclit - austenit bao giờ cũng làm nhỏ hạt của thép. Hiệu ứng này được chú ý lợi dụng trong khi nhiệt luyện. Hạt auxtenit tạo thành càng nhỏ mịn khi peclit có độ phân tán càng cao (tức xêmentit trong nó càng nhỏ mịn) và tốc độ nung càng lớn. Ở nhiệt độ Ac1, lúc mới tạo thành, hạt austenit rất nhỏ mịn song nếu tiếp tục nâng cao nhiệt độ và giữ nhiệt lâu hạt sẽ lớn lên. Đây là quá trình tự nhiên hạt to biên giới ít đi để năng lượng dự trữ giảm đi. Khi làm nguội, hạt austenit không nhỏ đi. - Như vậy, lúc mới tạo thành các hạt austenit là nhỏ và nung nóng tiếp tục chúng lớn lên, nhưng vấn đề cần quan tâm ở đây là chúng lớn lên như thế nào? nhanh hay chậm? Theo đặc tính phát triển của hạt uxtenit, có thể chia ra 2 loại thép: d A thép bản chất (di truyền) hạt lớn và thép có bản chất hạt nhỏ (hình 27). K T. haï Aus. taï thaøh töø L. t on TT Theo bản chất hạt lớn là loại có hạt auxtenit phát triển nhanh và đều 1 2 đặn theo nhiệt độ (đường 1), do đó khi nung nóng dễ tạo thành hạt austenit lớn, sau nhiệt luyện thép có khuynh hướng giòn. Aust teni Peclt i Thép bản chất hạt nhỏ là loại thoạt tiên A tc ° c1 900 930 1000 700 800 1100 hạt austenit phát triển rất chậm theo Hình 23 : AÛh höôûg cuû nhieäñoä n n a t nung ñeá KT haï Aus. n t nhiệt độ (đường 2), chỉ khi vượt quá 930 - 950 0 C nó mới phát triển nhanh, thậm chí rất nhanh. Do đó trong điều kiện nung nóng bình thường (nhiệt độ thường không quá 9000C, thời gian giữ nhiệt theo qui định) dễ đạt được hạt nhỏ và do đó sau nhiệt luyện thép có độ bền, độ dẻo, độ dai cao. Vì vậy, người ta ưa chuộng thép có bản chất hạt nhỏ hơn, song không phải là thép có bản chất hạt nhỏ là có cơ tính cao hơn hạt lớn. Trong thực tế nếu nung nóng nó quá lâu, ở nhiệt độ cao (ví dụ trên 9500C) vẫn có khả năng cho cơ tính xấu hơn do hạt lớn hơn so với thép có hạt bản chất lớn, song trường hợp này ít gặp. Một câu hỏi đặt ra là: tại sao lại có thép bản chất hạt lớn, hạt nhỏ?
32 Người ta nhận thấy đơn giản rằng, thép bản chất hạt nhỏ là là loại trong tổ chức có những yếu tố ngăn cản sự phát triển của hạt, đó là các “hàng rào” thể hiện bằng các thực tế sau: - Thép được khử ôxy triệt để bằng khử thêm bởi nhôm. Trong tổ chức sau khi kết tinh đã có các phân tử rắn Al 2O3 , AlN nằm ở biên giới hạt như là hàng rào ngăn trở các hạt auxtenit sát nhập vào nhau. Nhiệt độ cao hơn 930 - 9500 C các phần tử rắn này hòa tan đi, tác dụng hàng rào bị biến mất, do đó hạt lớn lên nhanh đột ngột. - Thép hợp kim, đặc biệt có chứa nguyên tố tạo thành cachit mạnh như V, Ti sẽ có cacbit hợp kim. Khi nung nóng một phần cacbit không tan , nằm lại trên biên giới tạo nên “hàng rào” ngăn cản. Thép có titan có thể giữ được hạt (auxtenit) nhỏ ngay cả ở nhiệt độ cao hơn 10000C (trong tời gian không dài). Trong chế tạo cơ khí ưa dùng các loại thép bản chất hạt nhỏ không những vì để đạt được cơ tính cao mà khi rèn, cán có thể tiến hành và kết thúc ở nhiệt độ cao mà không sợ hạt lớn, khi nhiệt luyện không bị quá nhiệt. 2. Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt: Tiếp sau nung nóng là giai đoạn giữ nhiệt, trong giai đoạn này không xảy ra chuyển biến gì mới nhưng rất cần thiết để : - Làm đều nhiệt độ trên toàn tiết diện, để lõi cũng có chuyển biến như bề mặt. - Có thời gian hoàn thành các chuyển biến xảy ra khi nung. - Làm đồng đều thành phần của austenit vì lúc đầu hạt austenit có thành phần không đồng nhất: nơi trước là ferit sẽ ít cacbon, nơi trước là xêmentic sẽ giàu cacbon. Trong giai đoạn này cacbon (và nguyên tố hợp kim) sẽ khuếch và san bằng nồng độ. Thời gian giữ nhiệt cần vừa đủ, dài quá sẽ làm hạt lớn. 3. Các chuyển biến của austenit khi làm nguội chậm: Mục tiêu của nung nóng và giữ nhiệt là để tạo nên các austenit hạt nhỏ. Bây giờ hãy xét xem khi làm nguội austenit sẽ chuyển hóa thành các tổ chức nào với cơ tính ra sau: Điều này quyết định cơ tính của thép khi làm việc hay gia công tiếp theo: mềm, cứng, bền, dẻo, dai là do giai đoạn này quyết định. Phân thành 2 trường hợp lớn để xét: nguội chậm và nguội nhanh. Trước tiên xét trường hợp nguội chậm. Tổ chức tạo thành khi làm nguội cũng phụ thuộc vào các yếu tố: thành phần, cách làm nguội ... Ở đây trước tiên xét cho thép cùng tích có tổ chức hoàn toàn là austenit thành phần C 0.8% và cho hai trường hợp làm nguội đẳng nhiệt và liên tục. a) Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của austenit:
33 Austenit chỉ chuyển biến thành peclit ở nhiệt độ ngay dưới 7270 C khi làm nguội rất chậm, điều này không xảy ra trong thực tế. Hãy làm quen một tc ° Aust t eni dạng làm nguội ít gặp HRC A c1 Peclt 15 700 i trong thực tế nhưng rất tiện cho việc thí Xoocbit toâ 30 i 600 nghiệm và xác định Tr i oâ 40 oxttt i 500 ảnh hưởng độ quá nguội đến chuyển Bainit treâ 45 n 400 Aust t eni biến: đó là phương quaùnguoäi Bainit döôù 55 i 300 pháp làm nguội đẳng Mñ=240 nhiệt. Đó là sự làm 200 nguội nhanh auxtenit Mactenxit +Austenit dö xuống dưới nhiệt độ 65 0 M k= AC1, giữ nhiệt ở đó và 50 đo thời gian bắt đầu và kết thúc chuyển biến. 200 10 τ ( 2 4 5 0 3 10 10 10 10 s) Giản đồ giữ “C” Hình 24: GÑCB ñaúg nhieäcuû Aus. quaù n ta nguoä i. của thép cùng tích (hình 28). Đây là giản đồ rất quan trọng đối với nhiệt luyện, được sử dụng rất nhiều để xác định tổ chức sau khi làm nguội, cần được học thuộc và nắm vững. Các sản phẩm của sự phân hóa đẳng nhiệt austenit quá nguội Từ giản đồ thấy rằng khi làm nguội austenit tức thời xuống dưới 7270C nó chưa chuyển biến ngay mà sau đó một thời gian mới chuyển biến. Austenit tồn tại ở thấp hơn 7270C (khu vực bên trái của đường cong chữ “C” thứ nhất) gọi là auxtenit quá nguội. Khu vực giữa hai đường cong chữ “C” - Austenit chuyển biến (có 3 pha γ , ∝ và xe). Khu vực bên phải đường “C” thứ hai - Các sản phẩm phân hóa đẳng nhiệt của auxtemit quá nguội - hỗn hợp ferit + xêmentit. Khu vực dưới đường M đ(2400C) - Mactenxit và Austenit dư ( sẽ nói tới vùng này ở mục 4). Bây giờ hãy xét xem làm nguội đẳng nhiệt với các độ quá nguội khác nhau austenit sẽ phân hóa thành hỗn hợp ferit-Xêmentit với các đặc điểm như thế nào ? - Khi cho austenit quá nguội phân hóa ở sát A1 (ví dụ ở 7000C ), sau thời gian dài nó mới bắt đầu chuyển biến (sau 100 s) và kết thúc (sau 2000s) chuyển biến. Hỗn hợp ferit + xêmentit tấm tạo thành rất khô (to) với khoảng cách s giữa các tấm xêmentit là khoảng 10-3mm (cỡ micrômét), được gọi là pectit (tấm) với độ cứng thấp, 10-15HRC (180-220 HB). -Khi cho auxtemit quá nguội phân hóa ở nhiệt độ thấp hơn (ví dụ 6500C, ∆ T = 750C), nó sẽ bắt đầu, kết thúc chuyển biến sau thời gian ngắn hơn rõ rệt (sau 3 và 100 s). Hỗn hợp ferit + xêmentit tấm tạo thành sẽ mịn (nhỏ) hơn đến mức không thể
34 phân biệt chúng được trên kính hiển vi quang học. Tổ chức này được gọi là xoocbit với độ cứng cao hơn, 25-35 HRC. - Khi cho auxtemit quá nguội phân hóa ở nhiệt độ thấp hơn nữa, ứng với đỉnh lồi của chữ “C” (lúc auxtemit quá nguội kém ổn định nhất) khoảng 500-600 0C nó sẽ chuyển biến rất nhanh (sau 0,8 và 8s). Hỗn hợp ferit + xêmentit tấm tạo thành sẽ còn mịn (nhỏ) hơn nữa (tất nhiên càng không thể phân biệt chúng trên kính hiển vi quang học). Tổ chức này được gọi là trôxtit với độ cứng cao hơn, khoảng 40 HRC. Khi cho austemit quá nhiệt phân hóa ở nhiệt độ thấp hơn nữa, ứng với đoạn dưới của “C” - 450 - 2500C, thời gian chuyển biến có kéo dài ra, cơ chế chuyển biến có thay đổi chút ít, tạo nên tổ chức bainit. Về cơ bản có thể coi bainit là hỗn hợp ferit + xêmentit, trong đó xêmentit ở dạng tấm nhỏ mịn hơn cả trong trôxtit, song có các điểm hơi khác nhau : (nhiều khi có thể bỏ qua). + Ferit hơi quá bão hòa cacbon một chút (0,1 so với giới hạn 0,006 - 0,02%). + Xêmentit (Cacbua sắt) có công thức chưa hẳn là Fe3C, song rất cần là FexC trong đó x = 2,4 ÷ 3. + Ngoài hai pha đó còn có một lượng nhỏ austemit (như thấy rõ về sau các đặc điểm này hơi giống với chuyển biến mactenxit, nên còn gọi chuyển biến bainit là chuyển biến trung gian - trung gian giữa chuyển biến peclit và chuyển biến mactenxit). Vậy về cơ bản có thể coi peclit (tấm) xoocbit, trôxtit, bainit có bản chất giống nhau là hỗn hợp cơ học của ferit và xêmentit tấm, song trong đó xêmentit tấm càng nhỏ mịn hơn, độ cứng tăng lên. Có thể giải thích điều đó như sau : Khi tăng độ quá nguội của chuyển biến, số mầm kết tinh tăng lên, do đó xêmentit nhỏ mịn đi. Mặc dù lượng xêmentit không thay đổi (cùng có 0,8%C) khi kích thước xêmentit nhỏ mịn đi tức là số phần tử pha tc ° Aust t eni HRC A c1 rắn này tăng lên sẽ làm Peclt 15 700 i tăng sự cảm trượt của V1 Xoocbit toâ 30 i 600 ferit, do đó nâng cao độ V 2 Tr i oâ 40 oxttt i cứng, độ bền. 500 Như vậy khi làm V3 nguội đẳng nhiệt Bainit treâ 45 n 400 austemit, tổ chức nào Bainit döôù 55 i 300 tạo thành là ứng với V4 nhiệt độ giữ đẳng nhiệt 200 đó nằm ở đoạn nào của Mactenxit +Austenit dö V5 V6 65 đường cong chữ “C”. 0 + Khi ở đoạn trên sát A1 ta được peclit 200 τ(s) 2 4 5 0 3 10 10 10 10 10 Hình 25: SP phaâ hoaù a Aus. khi laø nguoälieâ tuï . n cuû m i nc
35 + Khi ở đoạn lồi ta được trôxtit + Khi ở giữa hai đoạn trên ta ta được xoocbit. + Khi ở đoạn dưới ta được bainit. Sau khi làm nguội đẳng nhiệt tổ chức nhận được là đồng nhất trên tiết diện. b. Sự phân hóa của austenit khi làm nguội liên tục: Trong thực tế thường dùng cách làm nguội liên tục. Có thể lợi dụng giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt kể trên để xác định tổ chức tạo thành khi làm nguội với tốc độ khác nhau. Đặc điểm của sự phân hóa auxtenit khi làm nguội liên tục là : 1. Với các tốc độ nguội khác nhau, austenit bị qúa nguội đến các nhiệt độ khác nhau (tính tới điểm gặp đường cong chữ “C”) và phân hóa thành các tổ chức khác nhau. Làm nguội chậm cùng lò biểu thị bằng vectơ V1 (trên hình 29 ), cắt đường cong chữ “C” ở sát A1 : austenit phân hóa ở nhiệt độ cao, ta được peclit tấm. Làm nguội trong gió biểu thị bằng vectơ V3 cắt dượng cong chữ “C” ở phần lồi: auxtenit phân hóa thành trôxtit. Làm nguội trong đầu biểu thị bằng vectơ V 4 chỉ cắt phần lồi của đường cong chữ “C” thứ nhất, do đó austenit quá nguội chỉ chuyển biến một phần thành trôxtit và phần còn lại sẽ chuyển thành mactenxit, cuối cùng có tổ chức trôxtit + mactenxit. Làm nguội trong nước biểu thị bằng vectơ V5 không cắt đường cong chữ “C”, tức austenit không bị chuyển biến thành mactenxit. Như vậy, khi làm nguội liên tục tạo thành tổ chức nào là hoàn toàn tùy thuộc vào vị trí của vectơ biểu thị tốc độ nguội trên đường cong chữ C. 2. Tổ chức đạt được thường làkhông đồng nhất trên toàn tiết diện, nhất là trong trường hợp tiết diện lớn. Do ở ngoài bao giờ cung bị nguội nhanh hơn ở trong lõi nên bao giờ cũng có tổ chức với độ cứng cao hơn. 3. Khi làm nguội liên tục không đạt được tổ chức hoàn toàn là bainit (có thể thấy dễ dàng về mặt hình học trên giản đồ chữ “C”), trong một số trường hợp có thể đạt được tổ chức này cùng với trôxtit, mactenxit. 4. Những điều trên chỉ đúng với thép cacbon. Với thép hợp kimvị trí của đường cong sẽ dịch sang phải nên có thể các đặc điểm trên không còn phù hợp hoàn toàn như : + Tốc độ nguội cần thiết để đạt được các tổ chức khác nhau bị giảm đi. Ví dụ khi làm nguôi cùng lò cũng có thể đạt đạt được xoocbit, trôxtit, khi làm nguội 1 số loại thép hợp kim trong không khí cũng có thể đạt tổ chức mactenxit. + Sự không đồng nhất về tổ chức trên tiết diện sẽ giảm đi. c. Chuyển biến khi làm nguội của thép khác cùng tích: Ở trên đã xét các chuyển biến khi làm nguội chậm của thép cùng tích. Bây giờ ta xét cho thép trước và sau cùng tích, chúng có tổ chức phức tạp hơn. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của thép khác cùng tích cũng có dạng hình chữ “C” như của thép cùng tích nhưng có thêm một nhánh phụ ở phía trên bên trái của
36 đường cong chữ “C” thứ nhất (hình 30) nó biểu thị sự tiết ra ferit và xêmentit thứ hai trươc khi ra hỗn hợp ferit + xêmentit, và một đường ngang AC3 hay Accm. Đối với các thép khác cùng tích, ta chú ý tới mấy đặc điểm khác biệt sau đây: 1. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của thép khác cùng tích có vị trí của đường cong chữ “C” lệch sang trái, càng xa cùng tích, sự lệch này càng mạnh. Nói khác đi các thép khác cùng tích có tính ổn định của austenit quá nguội kém hơn thép cùng tích. Điều đó giải thích bằng sự khó đạt được austenit đồng nhất khi nung nóng. 2. Khi làm nguội tc ° 3 cm đẳng nhiệt với độ làm A ust t eni Aus +Ferit Hoaë Xeâ c2 nguội nhỏ hay làm A c1 nguội chậm liên tục austenit quá nguội đầu tiên tiết ra ferit (đối với thép trước cùng tích) và xêmentit thứ hai (đối với thép sau cùng tích) khi vtơ nguội gặp nhánh phụ, sau đó mới phân hóa ra hỗn hợp ferit + xêmentit. Trong trường hợp này tổ chức sau khi làm nguội là : 0 + P + F đối với thép Hình 26: GÑCB ñaúg nhieäcuû theù khaù cuøg tích. τ(s) n tap cn trước cùng tích. + P + XeII đối với thép sau cùng tích. 3. Khi làm nguội đẳng nhiệt với độ quá nguội lớn hay làm nguội nhanh liên tục, vectơ biểu diễn sự nguội của chúng không gặp nhánh phụ do đó austenit quá nguội phân hóa ngay ra hỗn hợp ferit + xêmentit dưới dạng các tổ chức xoobit, trôxtit, bainit (khi làm nguội đẳng nhiệt). Đương nhiên các tổ chức này không có thành phần đúng 0,8%C như trong thép cùng tích (vì austenit của thép khác cùng tích có thành phần khác 0,8%C) và chúng được gọi là cùng tích gia. 4. Chuyển biến của austenit khi làm nguội nhanh - chuyển biến mactexit (khi tôi) Nếu làm nguội nhanh austenit với tốc độ thích hợp sao cho vectơ biểu diễn sự nguội của nó không cắt đường cong chữ “C”, thì nó không kịp chuyển biến thành hỗn hợp ferit - xêmtit, mà chỉ có sự chuyển biến thù hình (chuyển mạng tinh thể) của sắt từ Feγ sang Fe∝ xảy ra ở nhiệt độ thấp (từ 220 - 2500 trở xuống). Đó là thực chất của chuyển biến khi làm nguội nhanh austenit → mactenxit.
37 Tốc độ làm nguội nhỏ nhất để gây ra chuyển biến này là tốc độ ứng với vectơ tiếp xúc với đường cong chữ “C” thứ nhất (V 5 –Hình 29) ở phần lồi, được gọi là tốc độ tới hạn (VTH). Vậy khi làm nguội nhanh (liên tục) austenit (với tốc độ bằng hay vượt quá tốc độ tới hạn) sẽ nhận được mactenxit. Đây là tổ chức đặc trưng của quá trình làm nguội nhanh và liên tục (tôi). Trước tiên hãy xét bản chất của mactenxit. a) Bản chất của mactenxit : Mactenxit là dung dịch rắn xen kẽ quá bão hòa cacbon ở trong Fe∝ với nồng độ cacbon bằng nồng độ cacbon ở trong austenit, có kiểu mạng chính phương thể tâm và có độ cứng cao. Có thể giải thích lần lượt các đặc tính trên của mactenxit như sau: - Do làm nguội nhanh cacbon trong Feγ (austenit) không kịp tiết ra (để tạo thành xêmentit), khi đạt đến nhiệt độ tương đối thấp chỉ có quá trình chuyển mạng tinh thể của Feγ (diện tâm) sang Fe∝ (thể tâm). (austenit) Feγ (C) → Fe∝ (C) (mactenxit). Vì thế cacbon trong 2 pha này là bằng nhau. - Với nồng độ cacbon cao như vậy trong Feγ sẽ là quá bão hòa ở trong Fe∝ , vì độ hòa tan cacbon trong dạng thù hình này rất thấp (0,006 - 0,02% so với trên dưới 0,8%). - Nguyên tử cacbon hòa tan trong Fe∝ bằng cách xen kẽ vào các lổ hổng của mạng này. Qua nghiên cứu thấy rằng các nguyên tử cacbon sẽ nằm ở trong các lổ hổng 8 mặt tức là ở giữa các mặt bên hay ở giữa các cạnh của khối cơ sở . Lổ hổng này không đối xứng nên quả cầu cacbon lọt vào làm giãn các nguyên tử Fe ra xa không đều, kéo dài một cạnh ra mạnh nhất nên làm cho mạng từ lập phương thể tâm c (của Fe∝) chuyển sang chính phương thể tâm. Tỷ số được gọi là độ chính phương a của mactenxit, có giá trị trong khoảng 1,001 - 1,06. - Nguyên tử cacbon chui vào lổ hổng của Fe∝ làm cho mạng tinh thể của sắt bị xô lệch, khó biến dạng dẽo và do đó có độ cứng cao nhất (cao hơn cả bainit, trôxit ... gồm 2 pha Fe + Xe trong đó Fe dẻo biến dạng được). b) Các đặc điểm của chuyển biến mactenxit. Khác với chuyển biến của peclit, chuyển biến mactenxit có những đặc điểm sau đây: 1. Chỉ xảy ra khi làm nguội liên tục và nhanh austenit với tốc độ lớn hơn hay bằng tốc độ tôi tới hạn vt.h . Chuyển biến mactenxit không xảy ra khi làm nguội đẳng nhiệt. 2. Chuyển biến không khuếch tán : cacbon hầu như giữ nguyên vị trí , còn nguyên tử Fe chuyển dời vị trí để tạo ra kiểu mạng mới là chính phương thể tâm, nhưng sự chuyển dời không lớn quá một thông số mạng. Giữa mạng của austenit và
38 mactenxit có mối quan hệ định hướng xác định: các mặt và phương dầy đặc nhất của chúng song song với nhau. 3. Là quá trình tạo ra không ngừng các tinh thể mới với tốc độ phát triển rất lớn, tới hàng nghìn m/s. Tinh thể mactenxit có dạng hình kim đầu nhọn làm thành với nhau các góc 600, 120 0. 4. Chỉ xảy ra trong khoảng giữa 2 nhiệt độ (điểm) bắt đầu Mđ và kết thúc MK . Nngoài khoảng đó austenit quá nguội không chuyển biến thành mactenxit. Vị trí của hai điểm này không phụ thuộc vào tốc độ nguội mà chỉ phụ thuộc vào thành phần cacbon và nguyên tố hợp kim của austenit (chứ không phải của thép* ) Nói chung austenit càng nhiều cacbon và nguyên tố hợp kim (trừ Si, Co và Al), các điểm này càng thấp. Một số thép chứa cabon và nguyên tố hợp kim cao có 2 điểm này khá thấp. 5. Chuyển biến xảy ra không hoàn tòan. Thực nghiệm cho thấy rằng khi làm nguội cần gần đến điểm Mk . lượng mactenxit tạo thành càng nhiều song không bao giờ đạt được tỷ lệ 100% mactenxit , mà vẫn còn lại một lượng nhất định pha ban đầu là austenit không chuyển biến được gọi là austenit dư. Đường cong trên hình 31 biểu diễn lượng mactenxit tạo thành khi làm nguội. Từ đó thấy rõ rằng khi điểm MK < nhiệt độ thường (200C) - điều thường xảy ra vì điểm MK của các thép đều ở nhiệt độ âm - bằng cách làm nguội thông thường không thể được lượng mactenxit tối đa. Nếu điểm Mk thấp Hình 31: Đường cong Aus. dư. hơn 200 C quá nhiều, khi làm nguội thông thường (chỉ đến 20 0C) vẫn còn quá nhiều Austenit dư, làm độ cứng sau khi tôi không đạt được giá trị cao nhất. Nguyên nhân tồn tại austenit dư cùng với mactenxit là do sự khác nhau về thể tích riêng của 2 pha này: vm > vγ , vì thế khi chuyển biến austenit → mactenxit thể tích tăng lên, do vậy phần austenit chưa chuyển biến bị sức ép ngày càng tăng lên đến mức không thể chuyển biến hết được. Lượng austenit dư trong thép tôi phụ thuộc vào các yếu tố sau: + Vị trí của điểm Mk điểm Mk càng thấp dưới 200 C lượng austenit dư càng nhiêu. Đây là yếu tố quan trọng nhất. Các yếu tố làm giảm điểm Mk như tăng lượng nguyên tố hợp kim trong austenit, cũng đều làm tăng lượng austenit dư của thép tôi. * Hai khái niệm này không đồng nhất. Trong trường hợp ở trạng thái nung nóng thép có nhiều pha (ví dụ austenit và cacbit), thì cacbon và nguyên tố hợp kim phân bố vào cả trong hai pha này do đó nồng độ của chúng trong các pha là khác với trong thép.
39 + Lượng cabon trong mactenxit càng nhiều thể tích riêng của nó càng lớn (do sự c tăng của ) nên lượng austenit dư càng nhiều. a c) Cơ tính của mactenxit. Mactenxit là tổ chức quan trọng nhất được tạo thành khi tôi thép, quyết định cơ tính của thép tôi. Cơ tính nổi bật của nó là cứng và giòn. Độ cứng Độ cứng cao của mactenxit là do cacbon làm xô lệch mạng tinh thể của sắt nên nó chỉ phụ thuộc vào nồng độ cabon qua bão hòa trong nó: cabon càng nhiều, xô lệch c mạng càng mạnh (tỷ số càng lớn) độ cứng càng cao (hình 32). a Ở đây còn phân biệt độ cứng của pha và độ cứng của thép tôi. Độ cứng của thép tôi là độ cứng tổng hợp của hỗn hợp mactenxit + austenit. Với thép cabon thấp và trung bình do điểm Mk cao, thể tích riêng của mactenxit chưa lớn, lượng auxtenit dư còn ít nên độ cứng của thép tôi là (trùng với) độ cứng của mactenxit. Trong khi đó với thép cacbon cao do điểm Mk < 200C VM lớn , có nhiều austenit dư nên độ cứng của thép tôi thấp hơn độ cứng của mactenxit, sự chênh lệch này càng lớn khi lượng cabon của thép càng cao và khi đó tổ chức của thép tôi là mactenxit + austenit dư (hình 31). Tính giòn 70 H R C Nếu độ cứng cao là điều mong muốn thì tính giòn là điều không mong muốn, nó 60 hạn chế ứng dụng của mactenxit. 50 Tính giòn của mactenxit là do nó không có khả năng biến dạng dẻo vì mạng bị xô 40 lệch và do có tồn tại ứng suất bên trong. Tuy nhiên tính giòn của mactenxit có thể biến 30 0. 6 0. 2 0. 8 1. 0 1. 1. % C 2 0. 4 4 động trong phạm vi khá rộng phụ thuộc vào các yếu tố sau đây : Độ Hình 32: cứng của Mactenxit. Độ cứng mactenxit càng cao tính giòn càng lớn, do đó thép có cacbon càng cao, nguy cơ giòn càng mạnh. Kim mactenxit càng nhỏ tính giòn càng thấp, muốn đạt được điều này hạt austenit khi nung nóng phải nhỏ. Ưng xuất bên trong càng nhỏ tính giòn càng thấp. Do vậy để vừa bảo đảm được hai tính chất đối lập nhau là độ cứng cao và tính giòn thấp ở các thép kết cấu và dụng cụ người ta phải dùng các thép bản chất hạt
40 nhỏ, khống chế đúng nhiệt độ tôi và dùng các phương pháp tôi thích hợp để giảm ứng suất bên trong như tôi phân cấp, đằng nhiệt và ram ngay tiếp theo. 5. Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi (khi ram): Sau khi tôi đạt được mactenxit và một lượng nhất định austenit dư, thép có độ cứng cao, tính giòn lớn với ứng suất bên trong, tổ chức không ổn định do đó chưa phù hợp vói điều kiện làm việc, phải có thêm sau đó một nguyên công điều chỉnh nung nóng lại gọi là ram. Tính không ổn định của mactenxit và austenit : Theo giản đồ trạng thái Fe-C, từ nhiệt độ thường đến 7270C, tổ chức ổn định của thép là hỗn hợp ferit + xêmentit (peclit). Do vậy hai pha mactenxit và austenit đều là các pha không ổn định có khuynh hướng chuyển biến thành hỗn hợp này. Mactenxit không ổn định là do quá bảo hòa cacbon, lượng cacbon thừa sẽ tiết ra ở dạng xêmentit và phần còn lại hết cacbon trở thành ferit : Feα (qúa bão hoà C)→ Feα (C)+ Fe3C Còn austenit, nó không tồn tại ổn định dưới 727oC, nó cũng có khuynh hướng chuyển biến thành hỗn hợp ferit + xêmentit. Feγ (C) → Feα (C )+ Fe3C Cần chú ý : Mactenxit và austenit có khuynh hướng biến thành hỗn hợp ferit + xêmentit, song ở nhiệt độ thường chuyển biến này rất chậm đến mức khó nhận thấy, vì thế trong thực tế ta phải nung nóng để thúc đẩy quá trình chuyển biến. Hai pha Mactenxit và austenit dư không trực tiếp tạo thành hỗn hợp ferit + xêmentit mà phải qua tổ chức trung gian là mactenxit ram theo sơ đồ sau : Mactenxit Mactenxit ram → (ferit + xêmenit). Auxtenit Các chuyển biến xảy ra khi ram: Theo sự tăng của nhiệt độ nung nóng, thép đã tôi với tổ chức mactenxit – austenit có các chuyển biến sau : Giai đoạn I (
41 gọi là mactenxit ram. Có thể trình bày chuyển biến trong giai đoạn này dưới dạng sơ đồ sau : ( Feα ( C)0,25 – 0,4% + Fe2-2,4C) Feα(C )0,8 Mactenxit (tôi) mactenxit ram (auxtenit dư) Feγ ( C)0,8 Feγ ( C)0,8 (auxtenit dư) (không chuyển biến). Cuối giai đoạn này thép tôi có tổ chức mactenxit ram và auxtenit dư. Giai đoạn II : (200 – 260 O C ) Trong giai đoạn này có sự tiết ra cacbon khỏi mactenxit, hàm lượng cacbon trong dung dịch rắn chỉ còn 0,15-0,20%, song nét đặc biệt là có chuyển biến mới : Auxtenit dư thành mactenxit ram : ( Feα ( C)0,15 – 0,2% + Fe2-2,4C) (auxtenit dư) Feγ ( C)0,8 (Mactenxit ram). Cuối giai đoạn này thép tôi có tổ chức mactenxit gồm cacbit và mactenxit nghèo cacbon (0,15 – 0,20%). Mactenxit ram là tổ chức cứng không kém gì (nếu có thì chút ít) mactenxit (tôi) song ít giòn hơn do giảm được ứng suất bên trong (do cacbon tiết bớt ra khỏi dung dịch rắn, giảm xô lệnh mạng). Đối với các thép tôi bình thường, khi ram đến đây độ cứng vẫn giữ nguyên hoặc chỉ giảm đi chút ít (khoảng 1-2 HRC). Song ở một số thép sau khi tôi có lượng austenit dư lớn, khi ra đến đây độ cứng lại có thể tăng lên (thêm 2-3 HRC) do hiệu ứng tăng độ cứng do chuyển biến austenit dư thành mactenxit ram mạnh hơn hiệu ứng giảm độ cứng do cacbon tiết ra khỏi dung dịch rắn. Hiện tượng này gọi là độ cứng thứ hai. Giai đoạn III (260 400 oC) Kết thúc giai đoạn II thép có tổ chức mactenxit ram gồm hai pha: mactenxit nghèo cabon (0,15 – 0,20%) và cacbit ( (Fe2-2,4C), đến giai đoạn này cả hai pha đều chuyển biến. Tất cả cacbon quá bảo hòa được tiết hết ra khỏi mactenxit ở dưới dạng cacbit, độ chính phương không còn (c/a = 1), mactenxit nghèo cacbon trở thành ferit . Cacbon (ở dạng tấm mỏng biến thành Fe3C có dạng hạt. Sơ đồ chuyển biến trong giai đoạn này như sau : Feα (C) 0,15 – 0,2 Fe + Fe3C Fe2- 2,4C Fe3C
42 Cuối giai đoạn này thép tôi có tổ chức là hỗn hợp ferit + xêmentit dạng hạt rất nhỏ mịn và phân tán, được gọi là trôxtit ram. Do cacbon tiết hết ra khỏi mactenxit nên đến giai đoạn này : +Độ cứng giảm đi rõ rệt song vẫn còn tương đối cao. +Mất hoàn toàn ứng suất bên trong, tăng mạnh tính đàn hồi. Vậy trôxtit là tổ chức khá cứng và có giới hạn đàn hồi cao. Giai đoạn IV (> 4000C) Khi nung nóng đến > 400oC thép đã tôi không có chuyển biến pha gì mới, chỉ có quá trình kết tụ (sáp nhập lớp trên) của các phần tử xêmentit ở dạng hạt. Ở 500 – 650 oC được hỗn hợp ferit + xêmentit hạt phân biệt được dưới kính hiển vi quang học, gọi là peclit hạt . Do xêmentit kết tụ nên khi nung nóng đến giai đoạn này, độ cứng của thép tôi giảm đi mạnh, thép trở nên mềm, dễ gia công cắt. Khi nung thép đã tôi lên quá AC1 sẽ xuất hiện austenit ổn định, mà tùy thuộcvào tốc độ làm nguội tiếp theo nó sẽ phân hóa thành các tổ chức khác nhau như đã khảo sát ở mục 4. Các giới hạn nhiệt độ kể trên cho từng giai đoạn là ứng với thép cacbon. Đối với thép hợp kim, các giới hạn nhiệt độ đều cao hơn. Sau khi đã khảo sát các chuyển biến pha khi nung nóng và làm nguội, ta xét bản chất, cách tiến hành và công dụng của các phương pháp nhiệt luyện.