giản đồ pha sắt carbon (fe - Fe3C

ã là tổ chức không ổn định khi làm nguội nhanh xuống dưới đường chuyển biến cùng tích A1 - 727°C ỉ d - Ferrit dung dịch rắn của C trong Fe mạng lập phương thể tâm BCC ã có cấu trúc tương

Giản đồ pha sắt carbon (fe - Fe3C)

Hiểu theo nghĩa đơn giản, thép là hợp kim của sắt (Fe) và Cacbon (C) Giản dồ pha

Fe-C là một loại giản đồ phức hợp mà trong đó thép là một thành phần trong giản đồ này, nhưng ở đây ta chỉ quan tâm tới hàm lượng Fe3C không qúa 7%, với hàm lượng Fe3C lớn hơn giá trị này sẽ không có ý nghĩa sử dụng

Giản đồ pha sắt cacbon

Các pha trong giản đồ pha Fe-Fe 3 C

ỉ a - Ferrit (F) - dung dịch rắn của C trong Fe mạng BCC

ã là trạng thái ổn định ở nhiệt độ phòng

ã hàm lượng C hoà tan tối đa khoảng 0,022%

ã nhiệt độ chuyển biến thành g (Fe mạng lập phương tâm mặt-FCC) tại nhiệt độ 912°C

ỉ g - Austenit dung dịch rắn của C trong Fe mạng lập phương diện tâm (BCC)

ã hàm lượng C hòa tan tối đa trong Fe là 2,14%

ã nhiệt độ chuyển biến sang Ferrit d mạng lập phương thể tâm là 1395°C

ã là tổ chức không ổn định khi làm nguội nhanh xuống dưới đường chuyển biến cùng tích A1 - 727°C

ỉ d - Ferrit dung dịch rắn của C trong Fe mạng lập phương thể tâm (BCC)

ã có cấu trúc tương tự vơí a - Ferrit

ã là tổ chức ổn định ở trên nhiệt độ 1394°C

ã nóng chảy ở nhiệt độ 1538°C

ỉ Fe3C (Cacbit hay Xêmentít(Xê))

ã Đây là hợp chất liên kim giả ổn, nó tồn tại ở dạng hợp chất ở nhiệt độ phòng, nhưng chúng bị phân huỷ thành a-Fe và C-graphit (rất chem , trong vòng một vài năm) khi giữ chúng ở nhiệt độ 650-700°C

ỉ dung dịch Fe - C ở trạng thái lỏng

Một vài nhận xét về hệ Fe-Fe 3 C

C chiếm một lượng nhỏ như tạp chất xen kẽ trong sắt ở dạng các pha a, b, d trong sắt Lượng hoà tan cacbon tối đa trong pha a BCC là 0,022% ở 727°C, do mạng lập phương tâm khối có kích thước lỗ hổng (vị trí xen kẽ) nhỏ hơn so với mạng lập phương tâm mặt

Lượng C hoà tan trong Austenite (mạng lập phương tâm mặt) là 2,14% ở 1147°C do mạng này có kích thước lỗ hổng (vị trí xen kẽ) lớn hơn so với mạng lập phương tâm khối

Cơ tính: Xêmentít có tính cứng dòn, khi có mặt trong thép sẽ làm tăng bền cho thép

Cơ tính còn phụ thuộc độ hạt hay cấu trúc vi mô cũng như tương quan giữa F và Xê

Từ tính: a Ferrit có từ tính ở nhiệt độ dưới 768°C (còn gọi là nhiệt độ Curie), Austenite hoàn toàn không có từ tính

Phân loại: dựa vào các đặc điểm trên ta phân ra làm ba loại hợp kim như sau:

ã Sắt non: chứa hàm lượng C dưới 0,008% trong pha a-Ferrite ở nhiệt độ phòng

ã Thép: chứa hàm lượng C từ 0,008% - 2,14% (thường <1%) tổ chức gồm

a-ferrite và Xê ở nhiệt độ thường

ã Gang: chứa hàm lượng C từ 2,14 - 6,17% (thường < 4, 5% C)

Chuyển biến cùng tinh và cùng tích trên giản đồ Fe - Fe 3 C

Cùng tinh: (4, 3% C, ở nhiệt độ 1147°C)

Lỏng ôg + Fe3C

Cùng tích: 0,76%C, 727oC

g (0,76%C) ôa (0,022%C) + Fe3C Chuyển biến cùng tinh và cùng tích rất quan trọng trong qúa trình nhiệt luyện thép

Qúa trình phát triển tổ chức tế vi bên trong hợp kim sắt cacbon

Tổ chức tế vi có liên quan đến thành phần C (hàm lượng C) ngoài ra là chế độ nhiệt luyện cụ thể, trong giản đồ sắt cacbon bên trên người ta nghiên cứu ở trạng thái nguội rất chậm và thu được tổ chức cân băng Dưới đây là hình mô tả chuyển biến cùng tích của thép: (xem hình trang sau)

Thép cùng tích chứa hàm lượng C vào khoảng 0,76% khi nguội chậm thu đươc tổ chức

là Péclít dạng tấm hay lớp chồng lên nhau gồm hai pha là F và Xê

Các lớp Péclít (P) tạo ra là kết qủa của việc kết hợp, đổi chỗ các pha F và Xê theo cơ chế khuếch tán nguyên tử trong đó có sự tái phân bố lại C trong nền F giữa một bên là

F 0,022% C và một bên là Xê 6,7%C

Cơ tính của P là sự kết hợp giữa độ cứng và dòn của Xê và tính mềm, dẻo của F

Cấu trúc của thép cùng tích

ở hình dưới đây những vùng sáng là F còn những chỗ đen là Xê (dạng tấm)

Tiếp theo ta xem xét tổ chức của thép trước cùng tích

Như ta biết tổ chức của thép Trước cùng tích chứa lượng C từ 0,022 % - 0,76 % nằm ở trước điểm cùng tích Các hợp kim trước cùng tích (đường Greek)

g ôa + b đ a + Fe3C

Tổ chức của thép trước cùng tích

Tổ chức của thép trước cùng tích gồm có F cùng tích (F được tiết ra ở phía trên đường

A1) và P gồm F cùng tích và Xêmêtít

Tổ chức của thép sau cùng tích (vùng nằm bên phải đường cùng tích trên giản đồ)

Chứa hàm lượng C từ 0,76-2,14%

g đ g + Fe3Cđ a + Fe3C

Sau đây là tổ chức tế vi của thép sau cùng tích như chúng ta thấy là gồm Xêmentít trước cùng tích (Xê được tạo ra ở trên nhiệt độ chuyển biến cùng tích) và Péclít cấu thành bởi F và Xê

Có một câu hỏi được đặt ra là làm sao có thể tính được lượng F và Xê trước cùng tích và lượng Péclít?

Câu trả lời đó chính là việc sử dụng quy tắc tay đòn, cụ thể là qua điểm cùng tích (0,7%C) kẻ một đường thẳng cắt đường viền biên (0,022%C) a - (a + Fe3C) áp dụng cho thép trước cùng tích và cắt viền biên (6,7%C) (a+Fe3C)-Fe3C

Tỷ phần pha F được xác định bằng cắch áp dụng quy tắc tay đòn đi qua toàn bộ vùng a + Fe3C

Ví dụ: xác định thành phần của thép sau cùng tích tại điểm C1

Dựa trên hình ta có tỷ phần pha Péclít bằng

Wp = X/(V+ X) = (6,7 - C1)/ (6,7- 0,76)

Tỷ phần của WFe3C = V/(V+ X) = (C1-0,76)/(6,7-0,76)

Nghiên cứu về chuyển biến pha Fe-C

(Xem Callister Ch 10)

động học qúa trình chuyển pha

Qúa trình chuyển pha có kèm theo thay đổi tổ chức bên trong có thể chia ra làm ba loại sau:

ỉ Quá trình khuếch tán không làm thay đổi pha và tổ chức hiện thời (VD: qúa trình nóng chảy, đông đặc của kim loại nguyên chất, chuyển biến thù hình hay qúa trình kết tinh lại, …)

ỉ Qúa trình khuếch tán gây nên thay đổi thành phần pha hoặc số pha hiện thời (VD: chuyển biến cùng tích)

ỉ Chuyển pha nhưng không kèm theo qúa trình khuếch tán tạo ra các tổ chức giả

ổn dựa trên cơ chế tái xáo trộn và có sự tái kết tinh xảy ra giữa các nguyên tử trong mạng VD: Chuyển biến Máctensit sẽ được xem xét ở phần sau

Qúa trình chuyển pha ở trạng thái rắn không xảy ra một cách ngay tức khắc Qúa trình chuyển pha dựa trên sự khuếch tán xảy ra tương đối chậm và tổ chức thu được sau chuyển biến phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ làm nguội hay nung nóng

Chúng ta phải đặc biệt quan tâm đén sự phụ thuộc của thơì gian hoặc yếu tố động học tới quá trình chuyển pha

Động học qúa trình chuyển pha

Hầu hết các qúa trình chuyển pha có kèm theo thay đổi thành phần đều là qúa trình tái sắp xếp lại các nguyên tử bằng con đường khuếch tán

Một qúa trình chuyển pha thường bao gồm:

ỉ Tạo mầm (tạo nhân) của pha mới - đây là mầm mống đầu tiên hình thành lên pha mới sau này thường là các hạt nhỏ ổn định Các hạt này ban đầu thường hình thành ở vùng biên hạt hay ở các chỗ sai lệch

ỉ Phát triển mầm: mầm sau khi được hình thành sẽ lớn lên làm cho pha cũ bị tiêu tóp lại Phần đã chuyển biến được biểu thị thông qua phương trình Avrami:

y = - e

-Qúa nung và qúa nguội

ỉ ở phần giao cắt các đường biên giới giữa các pha trên giản đồ pha nhiệt

độ-thành phần các chuyển biến pha có xu hướng xác lập trạng thái ổn

định cân bằng

ỉ Nhưng để thu được tổ chức cân bằng thì phải mất nhiều thời gian trong khi đó các chuyển biến bị làm chậm lại

ỉ Trong khi làm nguội xảy ra chuyển biến xảy ra ở nhiệt độ nằm dưới dự

đoán của giản đồ pha thì khi ấy gọi là qúa nguội

ỉ Trong khi nung nóng xảy ra chuyển biến xảy ra ở nhiệt độ nằm trên dự

đoán của giản đồ pha thì khi ấy gọi là qúa nhiệt

ỉ Mức độ qúa nhiệt và qúa nguội tỷ lệ thuận với tốc độ nung và tốc độ làm nguội

ỉ Bằng cách thay đổi nhiệt độ một cách đột ngột ta có thể thu được các tổ chức giả ổn Tổ chức bên trong chịu ảnh hưởng lớn của tốc độ làm nguội

ỉ Dưới đây chúng ta sẽ đi xem xét kỹ ảnh hưởng của yếu tố thơì gian đến qúa trình chuyển biến mà lấy giản đồ Sắt cácbon làm Ví dụ : phản ứng cùng tích

Đường cong chữ S lặp đi lặp lại tuần tự theo thời gian và theo sự tăng của nhiệt

độ, nếu tốc độ nguội càng lớn thì số lượng mầm tạo ra càng nhiều mà hoàn toàn không phụ thuộc vào qúa trình khuếch tán (chỉ xảy ra nhanh ở nhiệt độ cao)

Chúng ta cùng xem xét chuyển biến cùng tích

g (0,76%C)

ò

a (0,022%C) + Fe3C

Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt (giản đồ TTT)

(nhiệt độ, thời gian và % chuyển biến)

Giản đồ TTT

Độ dày của lớp F và Xê trong tổ chức P được mô tả trong hình xấp xỉ 8.1 Chiều dày tuyệt đối của lớp này phụ thuộc vào nhiệt độ chuyển biến Nhiệt độ chuyển biển càng cao lớp Péclít thu được càng dày

ỉ Họ các đường cong chữ S được dùng để xây dựng lên giản đồ TTT tại nhiệt độ ủ khác nhau

ỉ Giản đồ TTT chỉ đúng cho chuyển biến dẳng nhiệt (T = const) tổ chức thu được sau khi cho nguội nhanh để không xảy ra chuyển biến sau đó

cứ giữ ở nhiệt độ này

ỉ ở nhiệt độ thấp hơn thì chuyển biến xảy ra sớm hơn (bị chi phối bởi qúa trình tạo mầm) và qúa trình phát triển mầm (bị chi phối bởi khuếch tán)

bị chậm đi

ỉ ở nhiệt độ thấp xảy ra qúa trình khuếch tán chậm kết qủa là thu được tổ chức Péclít nhỏ mịn vơí các lớp Péclít kém dày hơn hay nói một cách khác là hạt Peclit nhận được sẽ nhỏ mịn

ỉ ở nhiệt độ cao qúa trình khuếch tán xảy ra nhanh hơn và kéo theo đó là

sự lớn lên nhanh chóng của các hạt Péclít và kết qủa là sẽ thu được lớp Péclít có cấu trúc dày hơn hay nói cách khác là hạt Péclít nhận được sẽ thô hơn

ỉ Hay là ở các thành phần hợp chất khác cùng tich, chẳng hạn pha trên cùng tich (proeutectoid), trong đó Ferrit và Xêmêtít cùng tồn tại trong Péclít Bên cạnh đường cong biểu diễn chuyển biến trên cùng tich phải

v ở biên giới của các hạt Bainite tốc độ chuyển biến bị chi phối bởi qúa trình lớn lên của các hạt bên trong tổ chức(cơ chế khuếch tán là chính) mạnh hơn là qúa trình tạo mầm, khi qúa trình khuếch tán bị chậm lại ở nhiệt độ thấp thì tổ chức thu được lúc này sẽ rất mịn như các ảnh hiển vi

tổ chức thu được dưới đây

v Chuyển biến Péclít và chuyển biến Bainite là quá trình cạnh tranh, không thể chuyển hoá lẫn nhau trừ khi nung lại chúng lên để đưa chúng trở lại về tổ chức Austenite sau đó làm nguội xuống

Cầu hóa

v Bằng cách ủ tổ chức Péclít hay Bainite ở nhiệt độ cao nhưng dưới đường

A1 (ở khoảng 700°C) trong vòng 24 h sẽ thu được tổ chức mới mà trong

đó Xêmêtít có dạng cầu nằm phân tán trên nền Ferrit qúa trình trên còn gọi là qúa trình ủ cầu hoá

v Thành phần hay tỉ lượng tương đối của Xêmêtít và Ferrit hoàn toàn không có sự thay đổi gì duy chỉ có hình dạng cuối cùng của Xêmêtít bị thay đổi

v Qúa trình chuyển biến này xảy ra ở nhiệt độ cao theo cơ chế khuếch tán

C

v Động lực cho chuyển biến này là - sự giảm tổng chiều dài (diện tích) biên pha giữa Ferrit và Xêmêtít

Tổ chức Martensite

ã Tổ chức Martensite được hình thành khi là nguội nhanh Austenite xuống nhiệt

độ phòng, qúa trình này còn gọi là tôi

ã Quá trình hình thành Martensite xảy ra gần như ngay lập tức khi thoả mãn yếu

tố nhiệt độ Chuyển biến Austenie - Martensite không kèm theo qúa trình khuếch tán, không cần kích thích nhiệt nên được gọi là chuyển biến đoạn nhiệt (athermal)

ã Mỗi một nguyên tử có một sự xáo trộn nhỏ (cỡ nguyên tử) trong cách sắp xếp và khoảng cách tương đối giữa chúng khi chuyển từ austenite kiểu mạng lập phương thể tâm sang martensite chính phương thể tâm (như lập phương tâm khối nhưng 1 trục đơn vị dài hơn 2 trục kia) gây ra sự co kéo theo các phương

ã Martensite là tổ chức không cân bằng tồn tại không hạn định ở nhiệt độ thường, nhưng nó sẽ chuyển trở lại về trạng thái cân bằng nếu ta đem ủ hay đem giữ ở nhiệt độ cao

ã Martensite có thể cùng tồn tại cùng các pha khác hoặc tổ chức khác như ta thấy

ở trong giản đồ

ã Vì Martensite không phải là tổ chức cân bằng nên nó không xuất hiện trong giản đồ Fe-C

Chuyển biến Martensite thực chất là sự định hướng lại một cách đột ngột trong sắp xếp nguyên tử C và Fe trong mạng từ dung dịch rắn Austenite (lập phương tâm mặt) sang dung dịch rắn Martensite (chính phương thể tâm)

Chuyển biến Austenite - Martensite là chuyển biến không kèm theo khuếch tán và xảy

ra rất nhanh Lượng Martensite được tạo thành chỉ phụ thuộc vào yếu tố nhiệt độ

Con đường thời gian - nhiệt độ - cấu trúc tế vi

Đặc tính cơ của hợp kim Fe - C

Xêmêtít cứng và dòn hơn so vơí Ferrit, tăng tỷ phần Xêmêtít đồng nghĩa vơí độ cứng tăng lên nhưng độ dẻo của vật liệu lại kém đi

Độ bền và độ cứng của các tổ chức khác nhau có quan hệ nghịch với kích thước hạt trong tổ chức tế vi, hạt càng nhỏ mịn thì độ dẻo dai càng tăng nhưng độ cứng lại giảm vì do hạt nhỏ dẫn tới xuất hiện nhiều biên hạt là nơi cản lệch rất hiệu quả do đó đây là yếu tố gây hoá bền mạnh

Cơ tính của Bainite, Péclít và tổ chức cầu hoá

Căn cứ vào quan sát tổ chức ta có thể dự đoán được các nhận xét dưới đây:

ỉ Tổ chức sau ủ cầu hoá là mềm nhất

ỉ Péclít hạt nhỏ mịn cứng và bền hơn Péclít hạt thô

ỉ Bainite cứng hơn và bền hơn so vơí Péclít

Cơ tính của Martensite

Là tổ chức rất thường gặp trong tổ chức của các mác thép hợp kim

ỉ Martensite là tổ chức cứng nhất, bền nhất và dòn nhất Độ bền của Martensite không có quan hệ vơí cấu trúc bên trong, mà xa hơn là nó có quan hệ với sự xen kẽ của nguyên tử C trong mạng làm cản trở chuyển

động của các lệch (xem háo bền dung dịch rắn, chương 7) và làm giảm

số hệ trượt trong dung dịch rắn khiến cho độ cứng tăng lên rất mạnh

Ram Martensite

Do Martensite qúa dòn nên cần phải ram để điều chỉnh cơ tính cho phù hợp vơí yêu cầu

sử dụng Việc này được thực hiện bằng cách nung lên vùng nhiệt độ từ 250°C - 650°C giữ nhiệt (Ram) trong khoảng thời gian nhất định sản phẩm thu được sau đó chính là Martensite ram có hạt cực kỳ nhỏ mịn gồm các hạt Xêmêtít phân tán đều trên nền Ferrit

ỉ Martensite ram kém cứng và kém bền hơn so vơí Martensite ban đầu nhưng độ dẻo thì được cải thiện đáng kể do Ferit là pha có độ dẻo cao

ỉ Cơ tính phụ thuộc vào kích thước hạt Xêmentít: số lượng ít, hạt lớn thì diện tích biên giới hạt giảm, hạt to thì biên giơí hạt nhỏ hơn nên mềm và dẻo hơn, hạt dạng cầu có biên giới hạt cao nhất nên dẻo và dai hơn

ỉ Thời gian ram càng lâu và/hoặc nhiệt độ ram cao hạt sẽ thô hơn vì lúc đó qúa trình khuếch tán của C xảy ra mạnh, hạt sẽ to hơn và vật liệu thu được sẽ vật liệu dẻo hơn và độ cứng thấp hơn

Tổng kết về chuyển biến Austenite

Martensite Pha lập phương chính tâm

Ram martensite (a + Fe 3 C) Ram

Nguội chậm Nguội trung bình

Nguội nhanh