Chương II: LÍ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÍ THÉP (Phần 1) pps

CÁC TỔ CHỨC ĐẠT ĐƯỢC KHI NUNG NÓNG VÀ LÀM NGUỘI Hãy xét xem khi nung nĩng các thép cĩ thành phần cacbon khác nhau đến các nhiệt đơ khác nhau rồi làm nguội tiếp theo với các tốc độ khác n

Chương II:

LÍ THUYẾT VÀ CƠNG NGHỆ XỬ LÍ THÉP.(10 T)

I CÁC TỔ CHỨC ĐẠT ĐƯỢC KHI NUNG NÓNG VÀ LÀM NGUỘI

Hãy xét xem khi nung nĩng các thép cĩ thành phần cacbon khác nhau đến các nhiệt đơ khác nhau rồi làm nguội tiếp theo với các tốc độ khác nhau sẽ được các tổ chức gì và do đĩ sẽ biết được cơ tính thay đổi như thế nào Đĩ 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 nĩng thép:

Cơng việc đầu tiên của nhiệt luyện là nung nĩng Phụ thuộc vào thành phần cacbon của thép và nhiệt độ nung nĩng, trong thép sẽ cĩ các chuyển biến khác nhau

a) Cơ sở xác định chuyển biến khi nung.

Cơ sở để xác định chuyển biến khi nung nĩng

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 cĩ peclit:

+ Thép cùng tích cĩ tổ chức đơn giản hơn

cả: chỉ cĩ peclit

+ Các thép trước và sau cùng tích cĩ tổ

chức phức tạp hơn: ngồi Peclit ra cịn cĩ thêm

Ferit hoặc Xêmentit thứ hai

Bây giờ nung nĩng các thép này lên nhiệt

độ cao Hãy xem cĩ chuyển biến gì:

- Khi nhiệt độ nung nĩng thấp hơn AC1

( <7270 C) trong mọi thép vẫn chưa cĩ chuyển

- Khi nhiệt độ nung nĩng đạt đến trên AC1 tổ chức Peclit (của cả 3 loại thép) chuyển biến thành austenit theo phản ứng:

[ Fe∝(C) + Fe3 C ] 0,8% C → Feγ (C) 0,8%C

trong khi đĩ Ferit và Xêmentit thứ hai của các thép trước và sau cùng tích chưa chuyển biến

Vậy nếu mới chỉ nung qua nhiệt độ A C1 một chút ta thấy:

+ Thép cùng tích đã chuyển biến hồn tồn : cĩ tổ chức hàn tồn là Austenic

727

600

T (°C)

6 5 4 3

2 10 10 10 10 10

10 1 0.1

Au

P+Au P

III

II I

τ (s )

V 2

V 1

+ 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 Ac1 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

Như thấy rõ từ giản đồ trạng

thái Fe-C, chuyển biến này xảy ra ở

2720 C, song điều này chỉ đúng với

khi nung nóng vô cùng chậm (là

điều kiện để xây dựng giản đồ)

Như thấy từ giản đồ chuyển

biến đẳng nhiệt từ peclit thành

austenit của thép cùng tích (hình

26).; nhiệt độ nung càng cao nhiệt

độ bắt đầu chuyển biến càng cao,

thời gian hoàn thành chuyển biến

càng ngắn

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 nhỏ, muốn vậy phải biết qui luật hình thành hạt auxtenit cũng như sự lớn lên của nó

A c1

Austenit Peclit

d A

t° c 1100 1000

900 800

700

Hình 23 : Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến KT hạt Aus.

K T hạt Aus tạo thành từ TT L.

1

2

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 đĩ 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 cĩ độ phân tán càng cao (tức xêmentit trong nĩ 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 khơng nhỏ đi

- Như vậy, lúc mới tạo thành các hạt austenit là nhỏ và nung nĩng 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, cĩ thể chia ra 2 loại thép: thép

bản chất (di truyền) hạt lớn và thép cĩ

bản chất hạt nhỏ (hình 27)

Theo bản chất hạt lớn là loại cĩ

hạt auxtenit phát triển nhanh và đều

đặn theo nhiệt độ (đường 1), do đĩ khi

nung nĩng dễ tạo thành hạt austenit

lớn, sau nhiệt luyện thép cĩ khuynh

hướng giịn

Thép bản chất hạt nhỏ là loại thoạt tiên

hạt austenit phát triển rất chậm theo nhiệt

độ (đường 2), chỉ khi vượt quá 930 - 950 0 C nĩ mới phát triển nhanh, thậm chí rất nhanh Do đĩ trong điều kiện nung nĩng bình thường (nhiệt độ thường khơng quá

9000C, thời gian giữ nhiệt theo qui định) dễ đạt được hạt nhỏ và do đĩ sau nhiệt luyện thép cĩ độ bền, độ dẻo, độ dai cao Vì vậy, người ta ưa chuộng thép cĩ bản chất hạt nhỏ hơn, song khơng phải là thép cĩ bản chất hạt nhỏ là cĩ cơ tính cao hơn hạt lớn Trong thực tế nếu nung nĩng nĩ quá lâu, ở nhiệt độ cao (ví dụ trên 9500C) vẫn cĩ khả năng cho cơ tính xấu hơn do hạt lớn hơn so với thép cĩ hạt bản chất lớn, song trường hợp này ít gặp

Một câu hỏi đặt ra là: tại sao lại cĩ thép bản chất hạt lớn, hạt nhỏ?

Người ta nhận thấy đơn giản rằng, thép bản chất hạt nhỏ là là loại trong tổ chức cĩ những yếu tố ngăn cản sự phát triển của hạt, đĩ 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 Al2O3 , 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:

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

M k =-50

M đ =240

HRC Austenit

65

55 45 40 30 15

Mactenxit + Austenit dư

Bainit trên Bainit dưới Troxtit t ôi

5 4

3 2

Hình 24: GĐCB đẳng nhiệt của Aus quá nguội.

0 t°c

-200

200 300 400 500 600

10 10

10 10

10 0

A c1

Austenit

quá nguội

Peclit

τ(s)

700

Xoocbit tôi

Hãy làm quen một

dạng làm nguội ít gặp

trong thực tế nhưng rất

tiện cho việc thí

nghiệm và xác định ảnh

hưởng độ quá nguội

đến chuyển biến: đĩ là

phương pháp làm nguội

đẳng nhiệt Đĩ là sự

làm nguội nhanh

auxtenit xuống dưới

nhiệt độ AC1, giữ nhiệt

ở đĩ và đo thời gian bắt

đầu và kết thúc chuyển

biến

Giản đồ giữ “C”

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 hĩa đẳng nhiệt austenit quá nguội

Từ giản đồ thấy rằng khi làm nguội austenit tức thời xuống dưới 7270C nĩ chưa chuyển biến ngay mà sau đĩ 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 (cĩ 3 pha γ , ∝ và xe) Khu vực bên phải đường “C” thứ hai - Các sản phẩm phân hĩa đẳng nhiệt của auxtemit quá nguội - hỗn hợp ferit + xêmentit Khu vực dưới đường Mđ(2400C) - Mactenxit và Austenit dư ( sẽ nĩi 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 hĩa thành hỗn hợp ferit-Xêmentit với các đặc điểm như thế nào ?

- Khi cho austenit quá nguội phân hĩa ở sát A1 (ví dụ ở 7000C ), sau thời gian dài

nĩ mới bắt đầu chuyển biến (sau 100 s) và kết thúc (sau 2000s) chuyển biến Hỗn hợp ferit + xêmentit tấm tạo thành rất khơ (to) với khoảng cách s giữa các tấm xêmentit là khoảng 10-3mm (cỡ micrơmét), được gọi là pectit (tấm) với độ cứng thấp, 10-15HRC (180-220 HB)

-Khi cho auxtemit quá nguội phân hĩa ở nhiệt độ thấp hơn (ví dụ 6500C, ∆T =

750C), nĩ 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 khơng thể 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

HRC Austenit

65

55 45 40 30 15

Mactenxit + Austenit dư

Bainit trên Bainit dưới

Xoocbit tôi Troxtit t ôi

5 4

3 2

0 t°c

-200

200 300 400 500 600

10 10

10 10

10 0

A c1

Peclit

τ(s)

700

V 1

V 2

V 3

V 4

V 5

V 6

Hình 25: SP phân hoá của Aus khi làm nguội liên tục.

- Khi cho auxtemit quá nguội phân hĩa ở nhiệt độ thấp hơn nữa, ứng với đỉnh lồi của chữ “C” (lúc auxtemit quá nguội kém ổn định nhất) khoảng 500-6000C nĩ sẽ chuyển biến rất nhanh (sau 0,8 và 8s) Hỗn hợp ferit + xêmentit tấm tạo thành sẽ cịn mịn (nhỏ) hơn nữa (tất nhiên càng khơng thể phân biệt chúng trên kính hiển vi quang học) Tổ chức này được gọi là trơxtit với độ cứng cao hơn, khoảng 40 HRC

Khi cho austemit quá nhiệt phân hĩa ở nhiệt độ thấp hơn nữa, ứng với đoạn dưới của “C” - 450 - 2500C, thời gian chuyển biến cĩ kéo dài ra, cơ chế chuyển biến cĩ thay đổi chút ít, tạo nên tổ chức bainit Về cơ bản cĩ thể coi bainit là hỗn hợp ferit + xêmentit, trong đĩ xêmentit ở dạng tấm nhỏ mịn hơn cả trong trơxtit, song cĩ các điểm hơi khác nhau : (nhiều khi cĩ thể bỏ qua)

+ Ferit hơi quá bão hịa cacbon một chút (0,1 so với giới hạn 0,006 - 0,02%)

+ Xêmentit (Cacbua sắt) cĩ cơng thức chưa hẳn là Fe3C, song rất cần là FexC trong

đĩ x = 2,4 ÷ 3

+ Ngồi hai pha đĩ cịn cĩ một lượng nhỏ austemit (như thấy rõ về sau các đặc điểm này hơi giống với chuyển biến mactenxit, nên cịn gọi chuyển biến bainit là chuyển biến trung gian - trung gian giữa chuyển biến peclit và chuyển biến mactenxit)

Vậy về cơ bản cĩ thể coi peclit (tấm) xoocbit, trơxtit, bainit cĩ bản chất giống nhau

là hỗn hợp cơ học của ferit và xêmentit tấm, song trong đĩ xêmentit tấm càng nhỏ mịn hơn, độ cứng tăng lên

Cĩ thể giải thích điều đĩ như sau :

Khi tăng độ quá nguội của chuyển biến, số mầm kết tinh tăng lên, do đĩ xêmentit nhỏ mịn đi Mặc dù lượng xêmentit khơng thay đổi (cùng cĩ 0,8%C) khi kích thước xêmentit nhỏ mịn đi tức

là số phần tử pha rắn này

tăng lên sẽ làm tăng sự

cảm trượt của ferit, do đĩ

nâng cao độ cứng, độ

bền

Như vậy khi làm

nguội đẳng nhiệt

austemit, tổ chức nào tạo

thành là ứng với nhiệt

độ giữ đẳng nhiệt đĩ nằm

ở đoạn nào của đường

cong chữ “C”

+ Khi ở đoạn trên

sát A1 ta được peclit

+ Khi ở đoạn lồi ta

được trơxtit

+ 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 V4 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 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:

Hình 26: GĐCB đẳng nhiệt của thép khác cùng tích.

0

t°c

A c1

τ(s)

Aus + Ferit Hoặc Xê 2

1 Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của thép khác cùng tích cĩ vị trí của đường cong chữ “C” lệch sang trái, càng xa cùng tích, sự lệch này càng mạnh Nĩi khác đi các thép khác cùng tích cĩ tính ổn định của austenit quá nguội kém hơn thép cùng tích Điều đĩ giải thích bằng sự khĩ đạt được austenit đồng nhất khi nung nĩng

2 Khi làm nguội

đẳng nhiệt với độ làm

nguội nhỏ hay làm 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 đĩ

mới phân hĩa ra hỗn hợp

ferit + xêmentit Trong

trường hợp này tổ chức

sau khi làm nguội là :

+ P + F đối với thép

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 khơng gặp nhánh phụ do đĩ austenit quá nguội phân hĩa ngay ra hỗn hợp ferit + xêmentit dưới dạng các tổ chức xoobit, trơxtit, bainit (khi làm nguội đẳng nhiệt) Đương nhiên các tổ chức này khơng cĩ thành phần đúng 0,8%C như trong thép cùng tích (vì austenit của thép khác cùng tích cĩ 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 tơi)

Nếu làm nguội nhanh austenit với tốc độ thích hợp sao cho vectơ biểu diễn sự nguội của nĩ khơng cắt đường cong chữ “C”, thì nĩ khơng kịp chuyển biến thành hỗn hợp ferit - xêmtit, mà chỉ cĩ 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) Đĩ là thực chất của chuyển biến khi làm nguội nhanh austenit → mactenxit

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 (V5 –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 (của Fe∝) chuyển sang chính phương thể tâm Tỷ số c

a được gọi là độ chính phương 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 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 200C) 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

+ Lượng cabon trong mactenxit càng nhiều thể tích riêng của nó càng lớn (do sự tăng của c

a ) nên lượng austenit dư càng nhiều

* Hai khái ni m n y không ng nh t Trong tr ng h p tr ng thái nung nóng thép có nhi u pha (ví d austenit v cacbit), thì ệ à đồ ấ ườ ợ ở ạ ề ụ à

cacbon v nguyên t h p kim phân b v o c trong hai pha n y do ó n ng c a chúng trong các pha l khác v i trong thép à ố ợ ố à ả à đ ồ độ ủ à ớ