Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích chung của đề tài luận án "Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit" là nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến các quá trình chuyển biến khi gia công nhiệt gang cầu ADI có tổ chức nền đa pha. Qua đó, kiểm soát được tỷ phần pha ferit thứ cấp và tính chất cơ học của gang cầu; Xây dựng “của sổ quá trình” nhằm hoàn thiện công nghệ nhiệt luyện cho gang cầu đẳng nhiệt có tổ chức nền đa pha với hiệu quả kinh tế cao.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG ANH TUẤN NÂNG CAO CƠ TÍNH TỔNG HỢP CỦA GANG CẦU BẰNG XỬ LÝ NHIỆT TẠO NỀN FERIT VÀ AUSFERIT Ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 9520309 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội – 2022
Công trình được hoàn thành tại: Trường đại học bách khoa hà nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Nguyễn Hữu Dũng 2. TS. Nguyễn Hồng Hải Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi ……..giờ, ngày………tháng…….năm…….. Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Hoàng Anh Tuấn, Nguyễn Hồng Hải, Nguyễn Hữu Dũng (2020), “Động học chuyến biến ausferit khi tôi đẳng nhiệt gang cầu song pha”, Tạp chí Khoa học - Công nghệ Kim loại, số.90, Tr. 23-28. 2. Hoàng Anh Tuấn, Nguyễn Hữu Dũng, Nguyễn Hồng Hải (2020), “Ảnh hưởng của nhiệt luyện vùng ba pha đến tỉ phần ferit trong gang cầu đẳng nhiệt song pha”, Tạp chí Khoa học - Công nghệ Kim loại. Số 93, Tr 7-13 3. Hoàng Anh Tuấn, Nguyễn Dương Nam, Nguyễn Tiến Dũng, Nguyễn Hữu Dũng, Nguyễn Hồng Hải (2021), “Effect of Austempering Time and Temperature on Microstructure and Phase Fraction of Austempered Ductile Irons”, Journal of Hunan University (Natural Sciences), Vol. 48, No. 2.
MỞ ĐẦU Nâng cao chất lượng sản phẩm đồng nghĩa với nâng cao tuổi thọ của chi tiết máy, luôn luôn là yêu cầu cấp thiết của nền công nghiệp, nhất là công nghiệp Quốc phòng và nhiều các lĩnh vực đặc biệt khác. Gang cầu là loại gang có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại gang khác, trong nhiều trường hợp, gang cầu thay thế được cho thép và một số vật liệu khác. Việc nâng cao chất lượng các sản phẩm bằng gang cầu đã được thế giới đề cập đến từ nửa đầu thế kỷ trước, đến nay đã phát triển rất mạnh mẽ và có nhiều hướng khác nhau. Những hướng phát triển này đã tạo ra những vật liệu mới từ gang cầu có được những tính chất đặc biệt, nổi trội và hơn hẳn gang cầu truyền thống, thậm chí, có cả những tính chất mà cả các vật liệu khác không có được. Trong nhiều thập kỷ gần đây hướng tạo ra vật liệu mới từ gang cầu bằng phương pháp xử lý nhiệt có điều khiển để tạo ra tổ chức mới, nhiều pha theo ý muốn, làm cho sản phẩm có tính chất đặc biệt hơn hẳn vật liệu ban đầu và đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Bằng phương pháp tôi đẳng nhiệt, đã chế tạo được loại gang có thể đạt giới hạn bền kéo đến 1200 MPa nhưng độ giãn dài vẫn đạt 1 đến 5 %. Gang này có tên gang cầu tôi đẳng nhiệt ADI (Austempered Ductile Iron). Gang cầu tôi đẳng nhiệt có chứa tổ chức nền là các ferit hình kim nằm xen kẽ trên nền austenit cacbon cao hay còn gọi là tổ chức ausferit. Trong thực tế, một số chi tiết gang đòi hỏi độ bền vừa phải nhưng độ giãn dài lại cao. Có nhiều giải pháp, một trong các giải pháp là giảm độ bền và tăng độ dãn dài của gang ADI bằng cách tăng hàm lượng pha ferit trước cùng tích trong gang ADI. Từ đó, xuất hiện loại gang mới, gang ADI có tổ chức nền đa pha. Gang cầu tôi đẳng nhiệt có tổ chức nền đa pha thể hiện sự kết hợp rất tốt giũa độ bền và độ dãn dài: độ bền cao, tương đương thép nhiệt luyện, nhưng độ dẻo cũng khá tốt 10 đến 20 %. Đó chính là tiêu chí của luận án Tiến sĩ kỹ thuật “Nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu bằng xử lý nhiệt tạo nền ferit và ausferit”. Tính cấp thiết của đề tài: Nâng cao chất lượng sàn phẩm và tạo ra các vật liêu có tính chất mới nhằm làm giảm giá thành trong sản xuất công nghiệp, đồng thời giảm ngoại tệ để nhập khẩu các sản phẩm cho đất nước luôn là yêu cầu hàng đầu được đặt ra trong kế hoạch đầu tư và sản xuất công nghiệp, đặc biệt là sản xuất Quốc phòng và các ngành yêu cầu khắt khe về tiêu chuẩn sử dụng sản phẩm. Việc nghiên cứu phương pháp gia công nhiệt để chế tạo gang cầu có tổ chức mới đạt cơ tính tổng hợp cao ứng dụng trong công nghiệp luôn được ưu tiên hàng đầu. Mục đích nghiên cứu - Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đến các quá trình chuyển biến khi gia công nhiệt gang cầu ADI có tổ chức nền đa pha. Qua đó, kiểm soát được tỷ phần pha ferit thứ cấp và tính chất cơ học của gang cầu. - Xây dựng “của sổ quá trình” nhằm hoàn thiện công nghệ nhiệt luyện cho gang cầu đẳng nhiệt có tổ chức nền đa pha với hiệu quả kinh tế cao. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu là gang cầu trạng thái đúc có tổ chức 85 % peclit. Gang được hợp kim hoá thấp nhằm dịch chuyển đường cong chữ C về phía rút ngắn thời gian tôi đẳng nhiệt. - Luận văn này chỉ giới hạn trong phạm vi đánh giá cơ tính của vật liệu và tỷ phần pha chịu ảnh hưởng của các yếu tố gia công nhiệt. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Hành vi của nguyên tố cacbon trong quá trình austenit hoá và tôi đẳng nhiệt. 1
- Xác định một phương pháp gia công nhiệt tối ưu và vùng cửa sổ của quá trình chế tạo gang cầu có tổ chức nền đa pha (ferit trước cùng tích và ausferit); góp phần bổ sung thêm cơ sở dữ liệu về chế tạo gang cầu có tổ chức nền đa pha. Các nhiệm vụ nghiên cứu (trình bày chi tiết các nội dung sẽ phải thực hiện) 1. Nghiên cứu lý thuyết - Tổng quan về ưu điểm vượt trội của gang cầu và ứng dụng. - Tổng quan giới thiệu về gang cầu có tổ chức nền đa pha (ferit và ausferit). - Phân tích kết quả nghiên cứu trên thế giới về sản xuất gang cầu có tổ chức nền đa pha xen kẽ (ferit và ausferit). 2. Nghiên cứu thực nghiệm Chế tạo mác gang cầu có thành phần như bảng 1. Bảng 1 Thành phần hóa học của gang cầu cần chế tạo (%) C Si Mn Ni Cu Cr Mg S P Fe 3,6 ÷ 2,6 ÷ 0,2 ÷ ≤ ≤ ≤ ≤ Còn ≤ 1,0 0,03÷0,05 3,8 2,9 0,4 1,0 0,2 0,015 0,015 lại - Gang cầu đúc có tổ chức bao gồm 85 % peclit + 15 % ferit được nhiệt luyện theo qui trình ba bước. Gang được nung đến nhiệt độ cao, giữ nhiệt trong thời gian nhất định để đạt được trạng thái austenit hoá hoàn toàn. Sau đó tôi trong vùng ba pha (α + γ + graphit), giữ nhiệt một khoảng thời gian để một phần austenit chuyển thành ferit trước cùng tích. Cuối cùng, làm nguội nhanh xuống dưới đường A1 và giữ trong khoảng thời gian thích hợp (tôi đẳng nhiệt- austempering). - Nghiên cứu quá trình austenit hoá gang cầu (F+P); kiểm soát tỷ phần ferit thứ cấp tiết ra từ austenit của nền - Kiểm soát tỷ phần của austenit trong ausferit để đạt được các cơ tính theo yêu cầu. - Nghiên cứu vùng cửa sổ của quá trình, ảnh hưởng của chế độ nhiệt và thời gian tới sự hình thành tổ chức của gang cầu có nền đa pha (ferit và ausferit). - Khảo sát, đánh giá cơ tính, tổ chức tế vi của gang cầu sau gia công nhiệt. Các kết quả mới (dự kiến) của luận án - Sự thay đổi hàm lượng cacbon của các pha trong quá trình gia công nhiệt có ảnh hưởng rất lớn đến tỷ phần pha trong tổ chức nền gang, và do đó, ảnh hưởng đến cơ tính của vật liệu. - Chế tạo được loại gang cầu có cơ tính tổng hợp cao: Độ bền từ 600 đến 800 MPa, độ giãn dài từ 10 đến 20 %. - Thiết lập một quy trình gia công nhiệt tốt nhất để đạt được vùng cửa sổ của quá trình chế tạo gang cầu có tổ chức đa nền (ferit và ausferit) từ gang cầu ban đầu có nền ferit+peclit. - Là tài liệu tham khảo cho các kỹ sư công nghệ trong quá trình nghiên cứu chế tạo vật liệu mới. CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU Tổng quan giới thiệu về loại gang tôi đẳng nhiệt cụ thể là : - Gang cầu tôi đẳng nhiệt ADI (Austempered Ductile Iron) là loại gang có độ dẻo cao, được sản xuất bằng quá trình xử lý nhiệt gang cầu truyên thống, để tạo ra cấu trúc nền chủ yếu là các ferit hình kim nằm trên nền austenit giàu cacbon (còn được gọi là tổ chức ausferit). - Gang cầu có tổ chức ferit thứ cấp + ausfetit (Austempered Ductile Iron with Dual Matrix): Gang cầu tôi đẳng nhiệt ferit + austenit, được chế tạo nhờ quá trình nhiệt luyện austenite hóa một phần để tạo thành tổ chức ferit thứ cấp và austenit, sau đó là tôi đẳng 2
nhiệt để austenit chuyển thành tổ chức ausferit (ferit hình kim trên nền austenit cacbon cao). Tổ chức cuối cùng của gang sẽ là ferit thứ cấp + ausferit. Tổ chức này đảm bảo cho gang có cơ tính tổng hợp khá tốt, số liệu cụ thể là: giới hạn chảy cao ( 450 đến 650) MPa, độ bền kéo giới hạn cao ( 630 đến 830) MPa, độ giãn dài tương đối ( 12 đến 18) %, độ bền va đập ( 16 đến 42) J/cm2, tính chống chịu với các môi trường ăn mòn tốt, khả năng đúc và gia công tuyệt vời . - Trong chương này còn đề cập chi tiết sự hình thành graphit cầu trong gang, ảnh hưởng của thành phần hoá học đến tính chất gang cầu,tính chất và ứng dụng của gang cầu và các phương pháp nâng cao cơ tính tổng hợp của gang cầu; Đặc biệt là các phương án nhiệt luyện để đạt được tổ chức cần thiết. Chương này còn giới thiệu đầy đủ về: Quá trình austenit hóa (Tạo mầm, sự lớn lên của mầm austenit và hành vi của cacbon trong quá trình austenit hoá). Chuyển biến austenit thành ferit thứ cấp; Quá trình ausferit (Cơ chế chuyển biến, Độ hạt austenit và graphit). Ảnh hưởng của thành phần hoá học của gang cầu, Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ tôi đẳng nhiệt. Phân tích tính chất và các ứng dụng của gang cầu. Trong chương này còn đi sâu vào phân tích tình hình nghiên cứu gang cầu tôi đẳng nhiệt trên thế giới và trong nước Về gang cầu ADI nền đa pha có thể tổng quát lại như sau: Phần nhiều các công trình nghiên cứu về gang cầu ADI nền đa pha đều xuất phát từ gang ban đầu là gang cầu ferit. Gia công nhiệt ở vùng 3 pha để tạo austenit, sau đó tôi đẳng nhiệt để tạo ra tổ chức ausferit. Hoặc là tôi gang cầu để nhận được tổ chức mactenxit, sau dó nung ở vùng ba pha đế tạo ferit thứ cấp và austenit, cuối cùng là tôi đẳng nhiệt. Rất ít công trình sử dụng gang cầu peclit để chế tạo gang cầu ADI nền đa pha. Khi dùng gang cầu peclit, công nghệ gia công nhiệt phức tạp hơn, bao gồm ba giai đoạn: austenite hóa, ủ ở vùng ba pha và tôi đẳng nhiệt. Hàm lượng C trong austenite và sự khuếch tán của nó có ảnh hưởng rất mạnh đến quá trình chuyển biến ausferit. Những vấn đề tồn tại hiện nay như sau: Sự hình thành austenit trong gang cầu ADI nền đa pha trong hai loại gang ban đầu, ferit và ferit + peclit, hoàn toàn khác nhau. Với gang cầu ferit, nguồn C là các hạt graphit, các nguyên tử C phải khuếch tán một quãng đường khá xa. Ban đầu, các hạt austenit hình thành nằm gần hạt graphit. Hàm lượng C trong austenit vùng 3 pha ảnh hưởng đến quá trình chuyển biến ausferit chưa rõ ràng. Cửa sổ quá trình và tốc độ chuyển biến giai đoạn 1 chưa được nghiên cứu kỹ. Rất ít các công trình công bố về điều này cho gang cầu ADI nền đa pha. CHƢƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Gang cầu ban đầu Gang cầu ban đầu có thành phần nguyên tố hợp kim theo % khối lượng: 3,62 C; 2,80 Si; 0,37 Mn; 0,37 Ni; 0,45 Cu; 0,43 Cr; 0,015 S; 0,012 P; 0,06 Mo và 0,04 Mg nấu trong lò cảm ứng trung tần. Biến tính cầu hóa trong gầu Tundish bằng 2% hợp kim trung gian FeSiMg6. Biến tính chống trắng bằng 0,5 % FeSi75. Gang sau biến tính được rót thành mẫu thử tiêu chuẩn hình chữ Y (hình 2.1a). Nhiệt độ rót 1450 đến 1480 oC. Từ phần dưới của mẫu chữ Y, cắt các mẫu kích thước (15x15x10) mm để thí nghiệm cho các chế độ khác nhau, mẫu thử cơ tính theo tiêu chuẩn TCVN 197-1:2014 và mẫu đánh giá giãn nở của gang ADI có chiều dài 100 mm, đường kính 10 mm. 2.2. Đánh giá tổ chức tế vi Khoảng nhiệt độ vùng ba pha được xác định nhờ đường cong giãn nở nhiệt trên thiết bị NETZSC- DIL 402 PC (hình 2.2). Nguyên lý của phương pháp đo là, theo nhiệt độ, tại các 3
điểm chuyển biến pha, kích thước mẫu sẽ có sự thay đổi đột ngột. Từ các điểm đặc biệt trên đường cong giãn nở, xác định các nhiệt độ chuyển biến pha khi nung. Nhiệt độ nung tmax= 1100 oC, tốc độ nâng nhiệt vN = 10 o/phút nhằm xác định quan hệ giữa tỉ số L/L0 với nhiệt độ và thời gian (L: độ gia tăng chiều dài mẫu, Lo: chiều dài ban đầu của mẫu thí nghiệm). Tổ chức kim loại của gang được đánh giá tại Trung tâm kiểm định chất lượng, Viện Công nghệ, Bộ Quốc phòng. Kỹ thuật mài mẫu, đánh bóng và tẩm thực mẫu tiến hành theo tiêu chuẩn, đánh bóng lần cuối cùng bằng bột kim cương 1μm, tẩm thực bằng dung dịch Nital 3%. Tổ chức kim loại đánh giá trên kính hiển vi quang học Axio Obsever D1M (Germany) Hàm lượng cacbon trong austenit sau khi austenit hoá, được xác định như sau. Sau khi đã nung austenit hoá hoàn toàn, gang được tôi trong nước. Toàn bộ austenit sẽ chuyển thành mactenxit. Hàm lượng C trong mactenxit chính là hàm lượng C bão hoà trong austenit và được xác định bẳng ba phương pháp: + EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) + Công thức kinh nghiệm: %C = -0,435 +( 0,335×10-3)T+ (1.61×10-6)T2+ 0.006 × %Mn – 0.11( %Si) -0,07(%Ni) + 0,014(%Cu) – 0,3(%Mo) + Theo giản đồ Thermocal 2.3 Phƣơng pháp tính tỷ phần pha austenit sau phản ứng giai đoạn I a) Theo giản đồ pha - Trong quá trình tôi đẳng nhiệt xảy ra chuyển biến pha như sau: γ → α + γHC - Trong đó: γ- tổ chức austenit trước khi giữ đẳng nhiệt α và γHC - tổ chức ferit và austenit hình thành sau chuyển biến đẳng nhiệt. - Hàm lượng cacbon là không đổi trước và sau chuyển biến, nghĩa là: Ci = V α Cα + V γ Cγ - Trong đó : Ci- hàm lượng cacbon ban đầu trong austenit ( %), Vα- tỷ phần khối lượng ferit được hình thành, Cα- hàm lượng cacbon trong ferit (%), Vγ-tỷ phần khối lượng austenit được hình thành sau phản ứng, Cγ- hàm lượng cacbon trong austenit sau phản ứng (%). b) Xác định tỷ phần pha theo phương pháp kim tương định lượng Dưới tác dụng của dung dịch tẩm thực (dung dịch 8gCrO3 + 40gNaOH +72gH2O), các pha ferit và austenit dưới kính hiển vi sẽ có màu khác nhau, ferit có màu trắng và austenit có màu xám. Phần mềm Multiphase sẽ nhận biết và định lượng tỷ phần các pha trong tổ chức . 2.4 Xác định cơ tính và thành phần hoá học Độ bền kéo và độ dãn dài được xác định trên thiết bị TT-HW-1000 của hãng Torontech, Canada. Độ cứng Brinell được thử trên máy thử độ cứng AT200-DRTM hãng sản xuất ERNST của Thụy Sỹ. Máy có sai số đo là 2%. Mỗi điều kiện thí nghiệm đo 3 mẫu. Mỗi mẫu đo 3 vị trí rồi lấy giá trị trung bình. Độ dai va đập được thử trên máy thử độ dai va đập WPM của Cộng hòa liên bang Đức có giải đo đến 300 J Thành phần các nguyên tố được xác định bằng phương pháp phân tích hóa học trên máy Spectro Lab và quang phổ EDX, ảnh SEM được phân tích trên kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM-7600F của Mỹ. 4
2.5 Chế độ nhiệt luyện Gang cầu nền F+P được austenit hoá hoàn toàn ở vùng nhiệt độ 880oC, 900oC và 930 o C trong các khoảng thời gian khác nhau để xác định thông số nhiệt luyện đảm bảo gang có tổ chức hoàn toàn austenit. Chuyển nhanh mẫu sang thiết bị ủ vùng ba pha, thay đổi nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt vùng ba pha để xác định tỷ phần ferit thứ cấp. Nhiệt độ thay đổi từ 750 oC, 760 oC, 770 o C, 780 oC, 790 oC và 800 oC . Thời gian giữ nhiệt đủ lớn để đảm bảo chuyển biến tiết pha ferit thứ cấp xảy ra đạt trạng thái cân bằng theo gianr đồ pha. Theo tính toán, khoảng thời gian này kéo dài khoảng (1,5 đến 2,0) giờ. Mẫu sau đó được tôi đẳng nhiệt ở nhiệt độ khác nhau 280oC, 320 oC, 360 oC và 400 o C.với thời gian từ (0 đến120) phút Môi trường tôi bể muối chứa 50% KNO3 + 50%NaNO3. 2. 6 Phƣơng pháp nghiên cứu chuyển biến và tỷ phần pha khi tôi đẳng nhiệt a) Nguyên lý Khi thay đổi nhiệt độ nung, vật liệu thay đổi kích thước. Chiều dài L vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ theo công thức: L = Lo + .T Khi tôi đẳng nhiệt, nhiệt độ không đổi, T = 0 nên L = L – Lo = 0, nghĩa là, nếu có thay đổi kích thước của mẫu, thì sự thay đổi đó không phải do ảnh hưởng của nhiệt độ, mà do một nguyên nhân khác. Đó chính là sự chuyển biến pha. Trong quá trình tôi đẳng nhiệt, các phản ứng xảy ra đều kèm theo sự biến đổi thể tích và chiều dài của vật liệu. Áp dụng nguyên lý này để xác định các điểm tới hạn và xác định cửa sổ của quá trình. Sự thay đổi về thể tích V và độ dài l của mẫu. Phản ứng giai đoạn 1: γ → ferit + γHC ; V và L đều tăng; +Giai đoạn hình thành vùng “cửa sổ quá trình”: phản ứng giai đoan I đã kết thúc, tổ chức ferit + γHCổn định, không có phản ứng nào xảy ra mà chỉ có sự xắp xếp lại và ổn định tổ chức. Giá trị V và L không thay đổi; +Phản ứng giai đoạn 1I: γHC → ferit + cácbit-; V và L đều tăng; Luận án đã thiết kế và chế tạo thiết bị đo dãn nở nhiệt, thiết bị có thể nhận biết được sự thay đổi kích thước dài của mẫu, mức chính xác đến 1μm như hình 2.12. Sơ đồ nguyên lý gá lắp mẫu và thiết bị đo cho trên hình 2.14. Môi trường đẳng nhiệt là hỗn hợp 2 muối 50%KNO3+ 50% NaNO3. Tín hiệu giãn nở nhận được qua thiết bị xử lý và được phần mềm ghi lại theo mỗi nhịp thời gian 3 giây. Hình 2.12. Bộ thiết bị đo giãn nở nhiệt trong quá trình tôi đẳng nhiệt a) Đồng hồ so điện tử; b) Tool đọc tín hiệu đo; c) Cáp nối; d) Đấu nối thiết bị vào máy tính; e) ống thạch anh nối giữa đồng hồ so với mẫu tôi đẳng nhiệt 5
b) Xác định tỷ phần chuyển biến pha của phản ứng giai đoạn 1 theo công thức Johnson- Mehl-Avrami. Chuyển biến giai đoạn 1 làm tăng thể tích và độ dài của mẫu, ban đầu mẫu có chiều dài Lo, sau một thời gian, do chuyển biến pha đẳng nhiệt mà mẫu sẽ có chiều dài L. Để hạn chế các yếu tổ làm ảnh hưởng đến kết quả đo độ dãn dài, mẫu cần phải nhúng ngập trong dung dịch muối, ống nối từ đồng hồ chỉ thị đến mẫu (hình 3.9) được làm bằng thạch anh để hạn chế sự biến đổi kích thước của ống nối ảnh hưởng đến kết quả đo. Nhờ thiết bị và phần mềm, sự thay đổi chiều dài của mẫu theo thời gian được ghi lại. Tại mỗi thời điểm t, chiều dài mẫu sẽ tăng thêm một lượng: L  Lo Độ giãn dài tuyệt đối: l  L  Lo , Độ dãn dài tương đối:   Lmax  Lo Giả sử, phản ứng giai đoạn 1 chưa xảy ra, tỷ phần chuyển biến f = 0, khi đó L = Lo. tất nhiên độ dãn dài tương đối  cũng = 0. Khi phản ứng kết thúc, tỷ phần chuyển biến f = 100 % (=1) và chiều dài L đạt giá trị Lmax và  = 1. Rõ ràng, trong quá trình chuyển biến, giá trị tỷ phần chuyển biến f thay đổi trong khoảng (0-1), giá trị của độ dãn dài tương đối  cũng thay đổi trong khoảng (0-1) tương ứng. Như vậy, có thể đồng nhất giá trị độ dãn dài tương đối  như giá trị của tỷ phần f trong công thức Johnson-Mehl-Avrami. Hình 2.14. Thiết bị đo dãn nở của gang ADI 1. Nồi lò; 2. Dây điện trở; 3. Tường lò; 4. Can nhiệt; 5. Bộ cảm biến nhận tín hiệu giãn dài của mẫu; 6. Nắp lò; 7. Tấm định vị gá mẫu; 8. Hỗn hợpchuyển biến pha đẳng9. Mẫu thí phần Theo Johnson-Mehl-Avrami, trong quá trình muối KNO3+ NaNO3; nhiệt, tỷ nghiệm chuyển biến (f) phụ thuộc vào thời gian theo công thức [110]: f = 1- exp (-ktn) Trong đó: f- tỷ phần chuyển biến, (%); t- thời gian chuyển biến, (s); k và n là hằng số thực nghiệm. Biến đổi phương trình: 1  f  e (  kt ) n 1 1  1  1 f    e kt  ln    kt n n kt n 1 f 1 f  e     1   1  ln ln        ln kt n  ln(ln  1 f )  ln k  n ln t   1 f    Nếu coi ln[ln(1/(1-f)] là hàm số phụ thuộc vào thời gian ln(t) thì đây là mối quan hệ bậc nhất có dạng: y = ax + b . 6
Với: y = ln{ln[1/(1-f)]}. a = n , x = ln(t), b = ln(k) Trên đường cong dãn nở của gang ở mối nhiệt độ, dễ dàng xác định được sự biến đổi của f theo thời gian t. Từ đó xác định mối quan hệ giữa ln[ln(1/(1-f))] và ln(t). Vẽ đồ thị của quan hệ ln[ln(1/(1-f))] và ln(t). Từ đồ thị xác định hệ số góc của đường thẳng, đó chính là hệ số n. Đồ thị nói trên cắt trục oy tại điểm có giá trị b = ln(k). Từ ln(k) ta dễ dàng xác định được hệ số k. Rõ ràng, các hệ số n và k đều là hàm số của nhiệt độ. Bằng excel xử lí mối quan hệ: n = f(T) và k = f(T). Kết quả, tại mỗi nhiệt độ, sẽ thu được một phương trình mô tả mức độ chuyển biến của giai đoạn I. Từ phương trình thực nghiệm này, dễ dàng tính được tỷ phần chuyển biến pha và xác định thông số hợp lý cho quá trình tôi đẳng nhiệt. CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1.Thành phần, tổ chức của gang cầu ở trạng thái đúc Trên cơ sở phân tích về độ bền, độ dai va đập, và đặc biệt là tính thấm tôi, gang cầu song pha cần phải chứa một số nguyên tố hợp kim, như Ni, Cr, Cu,… Gang thí nghiệm nấu theo qui trình ở chương 2. Bằng phương pháp phân tích quang phổ phát xạ xác định thành phần hóa học của gang cầu như sau: Bảng 3.1 Thành phần của gang cầu nghiên cứu. %C %Si %Mn %Ni %Cu %Cr %Mo %Mg %Al %S %P Fe Còn 3,62 2,80 0,37 0,37 0,45 0,043 0,06 0,04 0,017 0,015 0,012 lại Tổ chức graphít cầu phân bố đều trên nền kim loại, mức độ cầu hóa graphít > 90%, đường kính hạt graphit cỡ 40 m, khoảng cách các hạt graphit trung bình 187 m. Tổ chức nền kim loại 80 % peclit và 20 % ferit, không xuất hiện cacbit ở tinh giới hạt tinh thể. Với thành phần và tổ chức tế vi của mác gang cầu nghiên cứu, đã xác định được các chỉ tiêu cơ tính như sau: ζ0,2 = 520 Mpa, ζb= 690 Mpa, E = 65 Gpa, δ = 3,5 %, HB= 270. Hình 3.1. Tổ chức của gang ở trạng thái đúc 3.2. Xác định vùng nhiệt độ tới hạn 3.2.1. Xác định vùng nhiệt độ tới hạn bằng giản đồ pha Giản đồ pha của gang cầu nghiên cứu: Giản đồ pha của gang cầu nghiên cứu được xây dựng nhờ phần mềm Thermocal. Với thành phần các nguyên tố của mác gang đã cho, giản đồ pha được xây dựng và cho kết quả thể hiện trên hình 3.2. 7
Hình 3.2 Giản đồ pha theo thermocalc của gang cầu nghiên cứu Giản đồ pha (hình 3.2) được xây dựng trong điều kiện làm nguội vô cùng chậm và được khống chế trong các điều kiện lý tưởng. Trong thực tế, tốc độ nguội không phải là vô cùng chậm và có nhiều yếu tố ảnh hưởng khác đến quá trình đông đặc và kết tinh của gang. Dựa vào giản đồ thermocalc (hình 3.2), Vùng nhiệt độ tới hạn ứng với tổ chức ++graphit được xác định là từ 690 oC đến 790 oC. Dựa theo giản đồ pha được xây dựng bởi V. Kilicli and M. Erdogan [4] (hình 1.4). Với thành phần là 3,5 %C thì sự sai khác về thành phần so với mác gang nghiên cứu là 3,62 %C thì chênh lệch không nhiều. Cũng theo giản đồ pha, nhận thấy khoảng nhiệt độ vùng tới hạn của mác gang với thành phần cacbon là 3,62 % là từ  740 đến gần 820 oC. Tại vùng nhiệt độ đó gang sẽ có tổ chức ( +  + graphit). Hình 1.4. Giản đồ pha của các mác gang cầu 3.2.2. Xác định vùng nhiệt độ tới hạn bằng phƣơng pháp đo giãn nở nhiệt Dùng phương pháp đo độ giãn nở nhiệt của mẫu gang nghiên cứu để xác định nhiệt độ vùng ba pha (hình 3.3). Đường cong giãn nở nhiệt trên còn cho phép giải thích công nghệ ủ mềm gang (ủ ferit hóa nhiệt độ thấp) ở khoảng nhiệt độ dưới Ac1 thông dụng. Khi chế tạo gang cầu ferit, nếu tổ chức ở trạng thái đúc không đạt 100 % ferit, cần phải ủ ferit hóa ở nhiệt độ dưới nhiệt độ Ac1. Như vậy, kết hợp đường cong giãn nở nhiệt và giản đồ pha (hình 3.2; 1.4 và 3.3) cho phép chọn nhiệt độ austenit hóa hoàn toàn là trên 800 oC và nhiệt độ autenit hóa một phần (++graphit) là từ 750 đến 800 oC cho gang khi nhiệt luyện. 8
Hình 3.3 Giản đồ minh họa độ giãn nở nhiệt của gang 3.3. Quá trình austenite hóa và hàm lƣợng cacbon trong austenit 3.3.1 Nhiệt độ và thời gian austenite hóa Chuyển biến austenite hóa phụ thuộc và mấy yếu tố sau đây: - Tổ chức ban đầu, Các nguyên tố hợp kim, Quá trình austenit hóa vật đúc gang cầu còn phụ thuộc vào chiều dày thành vật đúc, hình dạng, phân bố và kích thước graphit, tổ chức và sự thiên tích các nguyên tố trong nền kim loại ở trạng thái đúc. Kết hợp từ phần tổng quan, dựa theo giản đồ pha hình 3.2 và 1.4, lựa chọn nhiệt độ austenite hóa cho gang nằm trong khoảng 870 oC; 900 oC và 930 oC. 3.3.2.Xác định hàm lƣợng cacbon trong austenit Mẫu gang cầu được austenite hóa ở các nhiệt độ và thời gian 2 giờ, sau đó tôi trong nước. Xác định hàm lượng C trong mactenxit bằng phương pháp EDX theo điểm. Hàm lượng C trong mactenxit cũng chính là hàm lượng C trong austenite ở nhiệt độ cao. Kết quả phân tích thành phần nguyên tố C (tại một điểm) trong mactenxit ở các nhiệt độ austenite hóa 900 oC được thể hiện trong hình 3.5. Hình 3.4 .Kết quả phân tích EDX của mẫu austenit hoá ở 870 oC/2 h Hàm lượng C trong austenite ở các nhiệt độ nung 870 oC, 900 oC và 930 oC theo thời gian nung, cho trên bảng 3.5 . 9
Bảng 3.5. Hàm lượng c trong austenit Thời gian, Hàm lượng %C tại nhiệt độ o phút 870 C 900 oC 930 oC 0 0,60 0,61 0,64 30 0,68 0,78 0,98 45 0,73 0,85 1,05 90 0,81 0,93 1,05 105 0,85 0,93 1,05 120 0,85 0,93 1,05 Xác định hàm lượng C trong austenite theo các phương pháp khác nhau: Hàm lượng cacbon hòa tan trong austenit được xác định theo ba phương pháp: Công thức kinh nghiệm, tính theo giản đồ thermocalc và bằng EDX có sự sai khác không đáng kể. Bảng 3.7 Hàm lượng C trong austenite tính theo 3 phương pháp Nhiệt độ o 870 C 900 oC 930 oC Công thức 0,84 0,90 0,97 Hàm lương Giản đồ 0,75 0,82 0,91 cacbon trong  thermocalc Phân tích EDS 0,85 0,93 1,05 điểm Giả thiết, khi austenit hóa, các nguyên tử C khuếch tán từ hạt graphit sang tấm ferit bên cạnh, nâng hàm lượng C lên trạng thái bão hòa và khuếch tán tuân theo định luật FickII. Nghiệm của phương trình FickII: ( ) ( ) (3.1) √ trong đó: Co là nồng độ ban đầu của C (%); Cm là nồng độ C trên biên (%); x là khoảng cách khuếch tán (m), D là hệ số khuếch tán của C phụ thuộc nhiệt độ (m2/s), t là thời gian khuếch tán (s). Hệ số khuếch tán D của C trong sắt  phụ thuộc nhiệt độ theo công thức [64]: ( ) (cm2/s) (3.2) Khi khuếch tán đã ổn định, chiều dài khuếch tán sẽ đạt giá trị: √ . (3.3) o Thay giá trị nhiệt độ thí nghiệm là 900 C vào công thức (3.2), tính được hệ số khuếch tán D. Thay giá trị của hệ số khuếch tán D và thời gian giữ nhiệt là 2 giờ (= 7200 s) vào công thức (3.3), tính được chiều dài khuếch tán ở 900 oC là 262 m. Giá trị này vượt xa khoảng cách giữa hai hạt graphit (187m) của công trình này. Điều này chứng tỏ, thời gian austenit hóa 2 giờ (7200 s) đã quá đủ để đảm bảo cho các nguyên tử C khuếch tán suốt chiều dài giữa hai hạt graphit. Khi austenit hóa ở 900 oC, sau khoảng 100 phút, nồng độ C trong mẫu đã đạt trạng thái bão hòa (0,93%). 10
Bảng 3.6 Khoảng cách khuếch tán tính theo công thức (3.2) và (3.3). T (oC) Hệ số khuếch tán Thời gian khuếch Khoảng cách D, m2/s tán, s khuếch tán, 10 -6 m 870 7,17E-13 7200 221 900 7,26E-13 7200 262 930 7,35E-13 7200 307 3.4. Sự hình thành ferit thứ cấp Làm nguội gang từ nhiệt độ austenite hóa hoàn toàn (trên 870 oC) xuống nhiệt độ vùng 3 pha và giữ nhiệt, sẽ xảy ra phản ứng chuyển pha austenit  ferit thứ cấp. Luận án dùng phương pháp xác định trực tiếp tỷ phần pha ferit thứ cấp, đã nghiên cứu tổ chức và thành phần pha của gang ở các chế độ như sau: Ba nhiệt độ austenite hóa: 870 oC; 900 oC và 930 oC Mỗi nhiệt độ austenite hóa tiến hành xác định tổ chức và thành phần pha ở các nhiệt độ vùng 3 pha: 750 oC; 760 oC; 770 oC; 780 oC, 790 oC và 800 oC trong khoảng thời gian khác nhau. Ma trận thí nghiệm và kết quả được thể hiện trên bảng 3.8. Bảng 3.8 Tỷ phần ferit và mactenxit theo nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt vùng 3 pha Nhiệt độ Thời gian Nhiệt độ vùng Thời gian, Tỷ phần pha, % o austenit austenit hóa, 3 pha, C Phút Ferit Mactensit hóa, oC phút 760 74,6 25,4 770 65,2 34,8 870 120 120 780 45,2 54,8 790 17,3 82,7 30 98,4 1,6 750 90 100 0 120 100 0 30 58,6 41,4 760 90 66,2 33,8 120 73,7 26,3 30 48,5 51,5 770 90 55,2 44,8 120 61,3 38,7 900 120 30 30,6 69,4 780 90 35,5 64,5 120 40,6 59,4 30 11,3 88,7 790 90 13,4 86,6 120 15,3 84,7 30 0 100 800 90 0 100 120 0 100 760 59,0 41,0 770 47,7 52,3 930 120 780 120 25,9 74,1 790 12,3 87,7 11
3.5. Chuyển biến đẳng nhiệt (chuyển biến ausferit) 3.5.1 Xác định chế độ tôi đẳng nhiệt a) Nhiệt độ tôi đẳng nhiệt. Nhiệt độ đẳng nhiệt phải thấp hơn nhiệt độ A1 nhưng cao hơn nhiệt độ chuyển biến mactenxit. Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactenxit được tính theo công thức kinh nghiệm như sau: Ms = 561- 474.C- 33Mn- 17.Cu- 17.Ni - 20.Cr- 8.W + 30.Al, (oC) Mẫu khi austenit hóa ở 870 oC, 900 oC và 930 oC trong thời gian đủ để bão hòa C trong austenite như trên hình 4.9 sẽ có %C tương ứng (0,85 ; 0,93 và 1,05) %. Tính được giá trị Ms tương ứng: 131,6 oC, 93,68 oC và 36,8 oC. Trên cơ sở phân tích lý thuyết và các số liệu ở phần tổng quan, chọn nhiệt độ tôi đẳng nhiệt là: 280 oC, 320 oC, 360 oC và 400 oC. b) Thời gian tôi đẳng nhiệt Qua nghiên cứu tổng quan và cơ sở lý thuyết, đã chọn thời gian tôi đẳng nhiệt như sau: (30; 60; 90; 120; 150; 180) phút và tới thời gian bắt đầu xảy ra phản ứng giai đoạn II. 3.5.2 Sự hình thành tổ chức ausferit trong gang cầu ADI nền đa pha Gang cầu được austenite hóa ở 900 oC trong 2 giờ. Sau khi ủ giữ nhiệt ở vùng ba pha ở các nhiệt độ 760 oC; 770 oC; 780 oC và 790 oC với thời gian 2 giờ, gang được chuyển sang tôi đẳng nhiệt ở vùng nhiệt độ và thời gian như đã xác định ở phần trên. Tổ chức chỉ bao gồm ferit trước cùng tích và ausferit. Kết thúc giai đoạn I, tức là kết thúc phản ứng: γ → αb + γHC, khi đó, austenit giàu cacbon rất ổn định. Tiếp tục kéo dài thời gian tôi đẳng nhiệt, không có phản ứng nào xảy ra mà chỉ có sự sắp xếp và ổn định tổ chức. Khoảng thời gian này gọi là cửa sổ quá trình. Tỷ phần pha của gang phụ thuộc theo chế độ luyện trong vùng 3 pha và thời gian đẳng nhiệt được minh họa trên hình 3.20. Chế độ nhiệt luyện như sau: austenite hóa ở 900 o C trong 2 giờ; chuyển sang ủ ở các nhiệt độ khác nhau trong vùng hai pha trong thời gian 2 giờ; sau đó tôi đẳng nhiệt ở 360 oC trong 30 – 60 – 90 - 120 phút Hình 3.20. Tỷ phần pha và nhiệt độ vùng ba pha. Austenít hóa 900 oC/2 h; ủ ở vùng ba pha trong 2h; tôi đẳng nhiệt 360 oC, a - 30 phút, b – 60 phút, c – 90 phút, d – 120 phút 12
Hình 3.21 chỉ ra rằng, khi nung ở vùng nhiệt độ tới hạn nhiệt độ càng cao thì tỷ phần ferit càng thấp dần. Tỷ phần ferit tại các thời gian khác nhau khi tôi đẳng nhiệt của cùng một nhiệt độ vùng ba pha có sự sai lệch không đáng kể Hình 3.21. Thay đổi tỷ phần pha khi tôi đẳng nhiệt. Nhiệt độ austenit hóa 900 oC/2 giờ. Nhiệt độ vùng 3 pha: a-760 oC; b-770 oC; c-780 oC và c-790 oC, thời gian 2 giờ. Tôi đẳng nhiệt 360 oC với thời gian khác nhau. 3.5.4 Xác định cửa sổ quá trình “Cửa sổ của quá trình” là miền thời gian và nhiệt độ chuyển biến đẳng nhiệt để tạo ra gang cầu ADI có tổ chức chủ yếu là ausferit là tổ chức có cơ tính tổng hợp cao nhất. Cửa sổ quá trình chính là khoảng thời gian kể từ khi kết thúc giai đoạn phản ứng giai đoạn I cho đến khi bắt đầu phản ứng của giai đoạn II. Nếu kéo dài thời gian giữ đẳng nhiệt vượt quá vùng cửa sổ, thì xảy ra phản ứng giai đoạn II không mong muốn đó là γHC → ferit + cacbit-ε (được gọi là tổ chức bainit). “Cửa sổ của quá trình ” thông thường được xác định bằng phương pháp đo giãn nở trong môi trường giữ đẳng nhiệt. Hình 2.13. Mối quan hệ giữa độ giãn dài và thời gian giữ đẳng nhiệt, xử lý nhiệt 870 oC/2 h-770 oC/2 h-280 oC 13
Bảng 3.10. Thời gian kết thúc giai đoạn I và bắt đầu giai đoạn II khi thay đổi nhiệt độ austenit hoá Nhiệt độ Nhiệt độ đẳng nhiệt, oC Vùng cửa sổ austenit hóa, oC 280 320 360 400 Kết thúc giai đoạn I, phút. 117,3 98,0 112,4 124,7 930 Bắt đầu giai đoạn II, phút. 359,7 389,5 393,6 345,3 Kết thúc giai đoạn I, phút. 107,3 92,1 106,3 119,4 900 Bắt đầu giai đoạn II, phút. 349,3 377,4 383,1 335,1 Kết thúc giai đoạn I, phút. 103,3 87,3 101,3 114,0 870 Bắt đầu giai đoạn II, phút. 338,3 369,2 375,0 327,3 Từ bảng 3.10 cho thấy tăng nhiệt độ austenit hóa từ 870 oC, 900 oC, 930 oC, sẽ làm dịch chuyển thời gian kết thúc giai đoạn I sang phải (a1  b1 c1) có nghĩa là thời gian kết thúc giai đoạn I sẽ tăng, bởi vì %C trong austenit tăng, làm tăng độ thấm tôi cho gang cầu ausferit. Tương tự thời gian bắt đầu giai đoạn II cũng dịch sang phải (a2  b2 c2). Từ kết quả trong bảng 3.10 đã xác định được vùng “cửa sổ” của quá trình chế tạo gang cầu ausferit ở nhiệt độ và thời gian giữ đẳng như hình 3.33. Qua hình 3.33 ta nhận thấy : - Vùng “cửa sổ” hình thành tổ chức ausferit xảy ra trong khoảng rộng, điều đó cho phép xây dựng phương án công nghệ chế tạo gang cầu ausferit khá thuận lợi. - Khi nhiệt độ tôi đẳng nhiệt thấp hoặc cao, vùng “cửa sổ” bị thu hẹp lại. Nếu nhiệt độ tôi đẳng nhiệt xuống quá thấp thì sẽ tạo thành mactensit, còn quá cao thì vùng cửa sổ sẽ bị đóng lại. - Theo phương pháp đã nêu, có thể xác định vùng “cửa sổ” chế tạo gang cầu ausferit cho tất cả các chế độ austenit hóa khác nhau. Trong chương này luận án còn đế cập nghiên cứu động học chuyển biến ở giai đoạn I, năng lượng hoạt hóa của chuyển biến ausferit. Hình 3.33. Vùng “cửa sổ” quá trình trong gang cầu ADI nền đa pha. Đường cong a1 là thời điểm kết thúc giai đoạn I; a2 thời điểm bắt đầu phản ứng giai đoạn II của nhiệt độ austenit hóa 870 oC. Đường b1-kết thúc phản ứng giai đoạn I; b2- bắt đầu giai đoạn II của nhiệt độ austenit hóa 900 oC. Đường c1-kết thúc phản ứng giai đoạn I; c2- bắt đầu giai đoạn II của nhiệt độ austenit hóa 930 oC 14
3.5.4. Động học chuyển biến ở giai đoạn I Chuyển biến ở giai đoạn 1 làm tăng kích thước của mẫu. Giả thiết, ban đầu mẫu có chiều dài L0. Sau một thời gian, do chuyển biến đẳng nhiệt và tiết pha , mẫu sẽ có chiều dài L. Thông qua thiết bị đo, xác định được sự thay đổi kích thước (chiều dài) của mẫu theo thời gian. Tại mỗi thời điểm t, chiều dài mẫu sẽ tăng thêm một lượng: L = L - L0 và độ giãn dài tương đối : L  Lo  (3.4) Lmax  Lo Tỷ phần chuyển biến (f) trong phương trình Johnson-Mehl-Avrami được định nghĩa là lượng pha AF đã chuyển biến (%) so với tổng lượng austenit ban đầu. Rõ ràng là có mối liên quan giữa độ giãn dài  và tỷ phần chuyển biến f. Ban đầu, phản ứng giai đoạn 1 chưa xảy ra, tỷ phần chuyển biến f bằng không và tất nhiên hệ số giãn dài  trong công thức (3.4) cũng bằng 0 vì lúc đó L = Lo. Khi phản ứng kết thúc, tỷ phần chuyển biến f đạt 100 %, chiều dài L cũng đạt giá trị Lmax và  = 1. Như vậy, có thể đồng nhất giá trị độ giãn dài tương đối  như giá trị của tỷ phần chuyển biến f trong công thức Johnson-Mehl-Avrami nói trên. Phương trình Johnson-Mehl-Avrami đã được sử dụng để mô tả tiến trình chuyển biến đẳng nhiệt [97]: ( ); (3.5) Trong đó, f là tỷ phần của sản phẩm chuyển biến (%); t là thời gian phản ứng (giây); k và n là hằng số thực nghiệm cần xác định dưới điều kiện chuyển biến. Biến đổi phương trình thành: 1  f  e (  kt n ) 1 1  1  1 f    e kt  ln    kt n n n 1 f 1 f  e kt     1    1  ln ln    ln kt n    ln ln    ln k  n ln t   1  f    1  f  Nếu coi ln[ln(1/(1-f)] là hàm số phụ thuộc vào thời gian ln(t) thì đây là mối quan hệ bậc nhất có dạng: y = ax + b Với : y = ln{ln[1/(1-f)]}; a = n; x = ln(t); b = ln(k) Tại mỗi nhiệt độ, ta dễ dàng xác định được sự biến đổi của f theo thời gian t, vẽ đồ thị quan hệ ln{ln[1/(1-f)]} và ln(t). Từ đồ thị này xác định hệ số góc của đường thẳng, đó chính là hệ số n. Đồ thị cắt trục Oy tại điểm có giá trị ln(k), từ đó xác định được hệ số k. Thay các giá trị n và k vào phương trình (3.5), sẽ nhận được phương trình Johnson-Mehl- Avrami cho mỗi nhiệt độ tôi đẳng nhiệt. Rõ ràng, các hệ số n và k đều là hàm số của nhiệt độ. Bằng phần mềm xác định được mối quan hệ n = f(T) và k = f(T). Kết quả, tại mỗi nhiệt độ sẽ nhận được một phương trình mô tả tỷ phần chuyển biến của giai đoạn I. Từ phương trình thực nghiêm này, dễ dàng tính được các thông số hợp lý, hay còn gọi là cửa sổ quá trình. Tại một nhiệt độ và thời gian nhất định, dễ dàng tìm được tỷ phần chuyển biến f, có nghĩa là, biết được đã có bao nhiêu phần trăm chuyển biến giai đoạn I đã xảy ra. Từ số liệu của các đường cong giãn nở của mỗi nhiệt độ đẳng nhiệt, xác định được , tức là tỷ phần chuyển biến f tương ứng với từng thời gian t. Vẽ đồ thị quan hệ ln(ln[1/(1- f)]) và ln(t) của chuyển biến ở giai đoạn I. Một thí dụ về mối quan hệ giữa ln[ln(1/(1-f))] của mẫu tôi đẳng nhiệt ở nhiệt độ 360 oC được cho trên hình 3.35 15
Hình 3.35. Quan hệ giữa tỷ phần pha ausferite và thời gian Quan hệ đó là quan hệ bậc nhất có dạng: y = 1,0035x - 2,7731. Từ đồ thị này, xác định hệ số góc (giá trị của n) và điểm giao giữa đường thẳng với trục oy (giá trị của lnk). Với nhiệt độ tôi đẳng nhiệt 360 oC, các hệ số xác định được là: k = 0,0625 và n = 1,0035. Phương trình mô tả tỷ phần chuyển biến theo Johnson-Mehl-Avrami là: ( ) Bằng cách làm tương tự, phương trình mô tả tỷ phần chuyển biến ausferit của gang ADI nền đa pha tại các nhiệt độ tôi đẳng nhiệt có các thông số n và k cho trong bảng 3.11. Bảng 3.11. Hệ số thực nghiệm k và n tại mỗi mốc nhiệt độ tôi đẳng nhiệt Nhiệt độ, oC 280 320 360 400 k 0,0502 0,0612 0,0625 0,857 n 1,0505 1,0335 1,0035 0,9625 Bảng 3.12. Phương trình Johnson-Mehl-Avrami ở các nhiệt độ tôi đẳng nhiệt 280, 320, 360 và 400 oC; cùng chế độ austenit hoá ở 900 oC trong 2 giờ; giữ ở vùng ba pha 770 oC trong 2 giờ T Phƣơng trình Johnson-Mehl- (oC) Avrami 280 f = 1- exp(-0,0502. ) 320 f = 1- exp(-0,0612. ) 360 f = 1- exp(-0,0625. ) 400 f = 1- exp(-0,0857. ) `Trong công nghệ sản xuất gang cầu ADI nền đa pha, công đoạn tôi đẳng nhiệt sẽ kết thúc tại thời gian vừa kết thúc phản ứng giai đoạn I là có hiệu quả kinh tế. Các phương trình trong bảng 3.12 cho biết cách xác định khoảng thời gian kết thúc giai phản ứng giai đoạn I. 3.6. Tổ chức tế vi của gang cầu ADI nền đa pha 3.6.1. Ảnh hƣởng của nhiệt độ austenit hóa Tăng nhiệt độ austenit hóa sẽ làm cho hàm lượng C trong austenit tăng lên, độ hạt cũng tăng do quá trình thô hóa. Hàm lượng C cao trong austenit sẽ làm giảm tốc độ phản ứng giai đoạn I (austenit  kim ferit + austenit cacbon cao). Điều này cùng nghĩa với động lực của quá trình chuyển biến giai đoạn I sẽ giảm đi, số lượng mầm ferit sẽ giảm đi, do đó, cấu trúc hạt sẽ thô hơn. 16
Hình 3.39. Tổ chức của gang cầu austenit hóa ở 870, 900, 930 oC trong 2 giờ; ủ trong vùng ba pha nhiệt độ 770 oC trong 2 giờ. Tôi đẳng nhiệt 360 oC trong 2 giờ 3.6.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ ủ vùng ba pha Nhiệt độ vùng ba pha sẽ quyết định tỷ phần các pha xuất hiện trong nền gang cầu ADI nền đa pha, trước hết là tỷ phần Ferit thứ cấp. Tỷ phần pha Ferit thứ cấp trong gang ADI nền đa pha chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ ủ vùng ba pha. Ở các mẫu gang có tỷ phần Ferit thứ cấp thấp, các hạt ferit xung quanh hạt graphit lại được bao bọc bởi ausferit dạng lưới liên tục hơn và mịn hơn. Hình 3.19. Tổ chức của gang cầu, austenit hóa ở 900 oC/2 giờ, nhiệt độ ủ vùng ba pha 760 đến 790oC/2 giờ, tôi đẳng nhiệt 360 oC/2 giờ 3.6.3. Ảnh hƣởng của nhiệt độ tôi đẳng nhiệt Nhiệt độ tôi đẳng nhiệt càng cao các ferit hình kim tiết ra càng lớn, thô to hơn. Còn ở nhiệt độ thấp các kim ferit nhỏ mịn hơn, dầy đặc hơn (hình 3.40). 17