Nghiên cứu về giản đồ trạng thái sắt- cácbon

Nghiên cứu về giản đồ trạng thái sắt- cácbon

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU -o0o - BÀI TIỂU LUẬN Môn học : VẬT LIỆU HỌC GVHD: PHẠM HẢI ĐỊNH LỚP: DHHC6 HỌC KỲ: II Tháng 04 năm 2013 NĂM HỌC: 2012–2013 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT – CACBON Trong phần nghiên cứu giản đồ trạng thái sắt - cácbon, khái niệm gang thép, phương pháp nhiệt luyện, hóa - nhiệt luyện, - nhiệt luyện sơ lược thiết bị nhiệt luyện Do cần hiểu chuyển biến nung nóng làm nguội thông qua giản đồ trạng thái Fe - C giản đồ có liên quan, chất tổ chức tạo thành, mối quan hệ tổ chức Cơ sở để nghiên cứu gang - thép tìm hiểu tính chất giản đồ trạng thái Fe - C Để nghiên cứu giản đồ trạng thái Fe - C trước hết phải khảo sát đặc tính nguyên thành phần Hình 1: Giản đồ pha sắt – cacbon Giản đồ pha Theo lý thuyết, giản đồ trạng thái Fe - C phải xây dựng từ 100% Fe đến 100%C song không dùng hợp kim Fe - C với lượng bon nhiều 5% nên ta xây dựng giản đồ đến 6,67% bon tức ứng với hợp chất hóa học Fe3C Trong thực tế, Fe với C tồn dạng hợp chất FeC, Fe2C, Fe3C song xêmentít (Fe3C) ổn định thành phần hóa học nhiệt độ nhỏ nhiệt độ nóng chảy nên dùng Fe3C làm cấu tử Bảng 1: Tọa độ điểm Điểm %C Nhiệt độ Điểm %C Nhiệt độ A 1539 E 2,14 1147 H 0,1 1499 C 4,3 1147 J 0,16 1499 F 6,67 1147 B 0,51 1499 R 0,02 727 N 1392 S 0,8 727 D 6,67 1600 K 6,67 727 G 910 Q 0,006 Hình 2: Tọa độ điểm giản đồ pha Các tổ chức hợp kim Trên giản đồ, đường ABCD đường lỏng Đường AHJECF đường rắn a Tổ chức pha - Hợp kim lỏng (L): dung dịch lỏng cácbon sắt, tồn phía đường lỏng ABCD - Xementit (ký hiệu Xe hay Fe3C): hợp chất hóa học sắt với bon - Fe3C, ứng với đường thẳng đứng DFK Nó cứng giòn, giống gốm dạng nguyên chất Nó tạo thành trực tiếp trường hợp nấu chảy gang trắng Trong thép cacbon, hình thành từ trình làm lạnh austenite ủ Martenxit Tất lượng sắt có chứa cementite Cementite trộn với Ferrite, sản phẩm khác Austenite, để tạo thành cấu trúc phiến mỏng gọi Pearlite Bainite - Xementit thứ (XeI): loại kết tinh từ hợp kim lỏng, tạo thành hợp kim chứa nhiều 4,3% khoảng nhiệt độ (1147 - 1600)0C Do tạo nên từ pha lỏng nhiệt độ cao nên XeI có tổ chức hạt to - Xementit thứ hai (XeII): loại tiết từ dung dịch rắn Auxtenit khoảng nhiệt độ (727 - 1147)0C độ hòa tan cacbon pha giảm từ 2,14% xuống 0,8% XeII có hợp kim với thành phần bon lớn 0,8% Do tạo từ pha rắn nhiệt độ không cao nên XeII có tổ chức hạt nhỏ hơn, tiết từ Auxtenit nên thường dạng lưới bao quanh Auxtenit - Xemetit thứ ba (XeIII): loại tiết từ dung dịch rắn Ferit khoảng nhiệt độ thấp 7270C độ hòa tan giới hạn cácbon Ferit giảm từ 0,02% xuống 0,006% XeIII có hợp kim có thành phần C lớn 0,006% với lượng Do tạo nên từ pha rắn nhiệt độ thấp, khả khuếch tán nguyên tử nên XeIII thường dạng mạng lưới hay hạt nhỏ bên cạnh Ferit Các dạng Xementit không khác chất pha, khác kích thước hạt phân bố điều kiện tạo thành khác - Ferit (ký hiệu F hay α): dung dịch rắn xen kẽ cacbon Fe(α), có mạng lập phương thể tâm nên khả hòa tan cacbon Fe(α) không đáng kể, cấu trúc BCC có lỗ trống nhiều so với cấu trúc FCC, lớn 7270C 0,02% nhỏ nhiệt độ thường 0,006% - Auxtenit (kí hiệu As hay γ): dung dịch rắn xen kẽ cacbon Fe(γ), có mạng lập phương diện tâm nên khả hòa tan cacbon Fe(γ) lớn, lớn nhiệt độ 11470C với 2,14% nhỏ 7270C với 0,8%C Austenite kim loại không từ tính, làm lạnh cấu trúc bị gảy thành hỗn hợp ferrite cementite, trải qua biến đổi nhỏ mạng tinh thể gọi biến đổi Martensite Tỷ lệ hạ nhiệt độ xác định theo quy tắc tam suất loại liệu tính chất học thép Auxtenit dẻo dai nguyên tố khác hòa tan vào làm độ cứng tăng lên độ dẻo độ dai giảm đáng kể mà làm thay đổi động học chuyển biến ảnh hưởng lớn tới nhiệt luyện Martensite: hình thành thép cacbon cách làm lạnh nhanh Austenite, nguyên tử cacbon thời gian khuếch tán khỏi cấu trúc tinh thể với lượng lớn để tạo thành Fe3C Kết Austenite FCC biến đổi thành Ferrite BCC giãn căng bão hòa cacbon b Các tổ chức pha - Peclit (ký hiệu P hay [α+Xe]): Peclit hỗn hợp học tích Ferit Xementit (α + Xe) tạo thành 7270C từ dung dịch rắn Auxtenit chứa 0,8%C Trong Peclit có 88% Ferit 12% Xementit Từ giản đồ trạng thái Fe - C ta thấy trình làm nguội, thành phần cacbon Auxtenit biến đổi đến 7270C có 0,8%C (các hợp kim có lượng cacbon nhỏ 0,8% thành phần Auxtenit biến đổi theo hướng tiết Ferit để làm tăng cacbon hợp kim có lượng cacbon lớn 0,8% thành phần Auxtenit biến đổi theo hướng tiết Xementit làm giảm cacbon, trường hợp đưa đến lượng cacbon Auxtenit 0,8% 7270C) Lúc đó, Auxtenit có 0,8% C chuyển biến thành hỗn hợp tích Ferit Xementit: Tùy theo hình dạng Xêmentit hỗn hợp, người ta chia loại peclit peclit peclit hạt (Peclit Xe dạng phiến Peclit hạt Xe dạng hạt) Peclit hỗn hợp học nên có tính chất trung gian Kết hợp tính dẻo, dai α cứng, dòn Xe nên nói chung P có độ cứng, độ bền cao, tính dẻo dai thấp Tuy nhiên tính thay đổi phạm vi rộng phụ thuộc vào độ hạt Xe - Ledeburit (ký hiệu Le [γ+Xe] hay [P+Xe]): Ledeburit hỗn hợp học tinh, kết tính từ pha lỏng có nồng độ 4,3%C 11470C Lúc đầu tạo thành gồm γ Xe (trong khoảng 7270C ÷ 11470C) Khi làm nguội xuống 7270C, γ chuyển biến thành P Lêdeburit hỗn hợp học Peclit Xementit Như cuối Lêdeburit có pha α Xe Xe chiếm tỉ lệ gần 2/3 nên Leđeburit cứng dòn c Vi cấu trúc Bainite: Là vi cấu trúc (không phải pha) hình thành thép nhiệt độ 250-550oC, một sản phẩm phân hủy hình thành austenite làm lạnh qua nhiệt độ giới hạn 1000 K Spheroidite: (α- Ferrite + Fe3C) Nếu hợp kim thép có cấu trúc vi mô pearlitic bainitic làm nóng trái lại, nhiệt độ tích cho khoảng thời gian đủ dài, ví dụ khoảng 700oC từ 18 – 20h, cấu trúc vi mô hình thành Spheroidite Quá trình kết tinh hợp kim Fe-C a Phần phía đường rắn AHJECF - Khu vực có thành phần (0,1 ÷ 0,51) %C: Khi làm nguội đến đường lỏng AB, hợp kim lỏng kết tinh dung dịch rắn δ trước Khi hạ nhiệt độ xuống tới 14990C, hợp kim có pha dung dịch rắn δ chứa 0,1%C dung dịch lỏng chứa 0,51%C nên xảy phản ứng bao tinh tạo dung dịch rắn Austenit chứa 0,16%C - Khu vực có thành phần (0,51 ÷ 4,3) %C: Khi làm nguội hợp kim tới đường lỏng BC kết tinh γ Các hợp kim có thành phần từ (0,51 ÷ 2,14) %C kết thúc kết tinh tạo thành dung dịch rắn γ hợp kim có thành phần từ (2,14÷ 4,3) %C kết thúc kết tinh kết tinh dung dịch lỏng có thành phần ứng với điểm C tạo pha γ có thành phần ứng với điểm E Xe 11470C Hỗn hợp học gọi hỗn hợp học tinh Ledeburit Khi T > 7270C tổ chức Le gồm [γ + Xe] Khi T < 7270C tổ chức Le gồm [P + Xe] b Phần đường rắn AHJECF Tại 7270C γ có thành phần 0,8%C chuyển biến thành P hỗn hợp pha α Xe gọi hỗn hợp học tích Phân loại hợp kim Fe - C theo giản đồ trạng thái Để phân loại hợp kim Fe - C người ta dựa vào hàm lượng cacbon hợp kim a Thép Là hợp kim Fe với C mà hàm lượng C nhỏ 2,14% Do vậy, ta phân làm loại thép - Thép trước tích: Thép có hàm lượng cacbon < 0,8% Tổ chức thép trước tích (P + α) - Thép tích: Thép có thành phần cacbon = 0,8% Tổ chức thép tích hỗn hợp học tích P - Thép sau tích: Là thép có hàm lượng cacbon nằm khoảng (0,8 ÷ 2,14) % Tổ chức thép sau tích P + XeII Lượng XeII tiết dạng mạng lưới bao quanh hạt P nên có tính dòn cao vậy, thực tế người ta dùng thép có hàm lượng cacbon nhỏ 1,3% b Gang Là hợp kim Fe với C mà hàm lượng C lớn 2,14% nhỏ 6,67% Dựa vào hàm lượng cacbon tương tự thép, ta phân làm loại gang sau: - Gang trước tinh loại gang có hàm lượng cacbon < 4,3% Tổ chức gang trước tinh P + XeII + Le Đây loại gang thường sử dụng thực tế - Gang tinh loại gang có hàm lượng cacbon 4,3% Tổ chức gang tinh Le Gang sau tinh: loại gang có hàm lượng cacbon lớn 4,3% Tổ chức gang sau tinh Le + XeI Các loại gang gọi chung gang trắng, cacbon gang trắng tồn dạng Xe Đặc điểm tính thép gang theo giản đồ trạng thái a Thép - Thép trước tích, lượng cacbon nên lượng Xe thép có tính dẻo cao - Thép sau tích tích, hàm lượng cacbon tăng nên tỉ lệ pha Xe tăng làm tăng độ cứng, tính dòn đồng thời làm độ thắt tỉ đối ψ, độ giãn dài tương đối δ giảm xuống Vì lý mà thực tế, người ta không dùng thép có hàm lượng cacbon cao (%C > 1,3%) b Gang Gang sau tích có lượng Xe nhiều gây dòn cứng, khả cắt gọt không sử dụng Thực tế, người ta sử dụng gang trước tích có hàm lượng cacbon nhỏ 3,5% Các nhiệt độ tới hạn hợp kim Fe - C theo giản đồ trạng thái a Nhiệt độ phản ứng tinh (T = 11470C) Với hàm lượng cacbon lớn 2,14% dùng để xác định chế độ nấu luyện hợp kim b Nhiệt độ phản ứng tích (T = 7270C) γ → [F + Xe] (khi làm nguội) [F + Xe] → γ (khi nung) Hàm lượng cacbon lớn 0,02% áp dụng nhiều nhiệt luyện đường A1 Trong thực tế, nhiệt độ chuyển biến nung nóng làm nguội khác với giản đồ Để biểu thị trình nung nóng có chuyển biến pha thực tế người ta gọi đường AC1 làm nguội đường Ar1 c Nhiệt độ đường giới hạn hòa tan Ferit (α ) Auxtenit (γ ) đường A3 Nhiệt độ giới hạn hòa tan thay đổi theo hàm lượng cacbon gọi đường A3 Khu nung vượt qua nhiệt độ AC3 kết thúc trình hòa tan Ferit (α) vào Auxtenit (γ) Đồng thời, làm nguội xuống nhiệt độ nhỏ Ar3 bắt đầu tiết Ferit (α) từ Auxtenit(γ) Như vậy: T0Ar3 < T0A3 < T0Ac3 ý nghĩa: Dùng chọn chế độ nhiệt luyện thép trước tích d Nhiệt độ đường giới hạn hòa tan Xementit (Xe) vào Auxtenit (γ ) đường Acm Nhiệt độ giới hạn hòa tan thay đổi theo hàm lượng cacbon gọi đường Acm Khi nung vượt qua nhiệt độ Accm kết thúc trình hòa tan Xementit (Xe) vào Auxtenit (γ) 10 Có độ cứng không khác nhiều Độ cứng Mram nhỏ độ cứng Mtôi khoảng (1÷2) HRC Kéo theo đó, độ bền giảm xong độ dẻo độ dai Mram lớn Mtôi 6.4.3.2 Giữa Ttôi Tram: Với tổ chức cho thấy tổ chức ram cho giới hạn đàn hồi cao tổ chức ứng suất dư hạt Xe dạng hạt nhỏ Còn T tạo thành γ phân hoá trực tiếp nên tạo Xe Giới hạn đàn hồi thép cao đạt ram khoảng 4000C - Giữa Xtôi Xram: Với Xram có kết hợp σ chảy độ dẻo tốt Xe dạng hạt nên tổ chức có độ dai cao tiêu tính độ dai va đập (ak) cao Còn Xtôi Xe dạng pha dòn nên ảnh hưởng xấu đến tính dẻo Vậy, tổ chức Tram đáp ứng tốt yêu cầu làm việc chi tiết đàn hồi Xram đáp ứng tốt chi tiết chịu tải trọng tĩnh va đập 29 CÁC PHƯƠNG PHÁP NHIỆT LUYỆN Về nguyên tắc, việc lựa chọn phương pháp nhiệt luyện dựa sở giản đồ cân pha hợp kim Do chia thành nhóm hợp kim sau: - Các hợp kim chuyển pha trạng thái rắn - Các hợp kim có độ hoà tan thay đổi trạng thái rắn - Các hợp kim có chuyển biến tích Bất kỳ trình công nghệ nhiệt luyện bao gồm ba giai đoạn sau: nung nóng, giữ đẳng nhiệt làm nguội 10 Ủ thường hóa thép a Ủ thép - Định nghĩa mục đích ủ thép * Định nghĩa: Ủ thép phương pháp nung nóng thép đến nhiệt độ định, giữ nhiệt làm nguội chậm với lò, để đạt tổ chức ổn định theo giản đồ trạng thái với độ cứng thấp độ dẻo cao Tổ chức đạt sau ủ thép P (có thể có thêm F hay XeII tuỳ loại thép trước hay sau tích) * Đặc điểm: - Nhiệt độ ủ không quy định theo quy luật chung mà tuỳ thuộc vào phương pháp ủ - Quá trình làm nguội tiến hành chậm, thường để nguội với lò (với tốc độ khoảng 10 ÷ 50(0C/h)) để γ phân hoá nhiệt độ A1 cho P * Mục đích ủ thép: - Làm giảm độ cứng (làm mềm) thép để dễ tiến hành gia công cắt gọt - Làm tăng độ dẻo dai để tiến hành rập, cán vào kéo thép trạng thái nguội - Làm giảm hay làm ứng suất bên sau nguyên công gia công khí (mài, quấn nguội, cắt gọt )và đúc, hàn - Làm đồng thành phần hoá học toàn tiết diện vật đúc thép bị thiên tích - Làm nhỏ hạt thép nguyên công trước làm hạt lớn - Tạo tổ chức ổn định chuẩn bị cho nhiệt luyện kết thúc - Cầu hoá Xe để có tổ chức hạt khác với Xe dạng Với mục đích đa dạng không phương pháp ủ đạt mục tiêu Thông thường phương pháp ủ đạt vài số tiêu kể 30 - Phân loại Có nhiều phương pháp ủ Theo chuyển biến pha P → γ nung nóng, người ta chia phương pháp ủ thành nhóm: ủ có chuyển biến pha ủ chuyển biến pha * Các phương pháp ủ chuyển biến pha: Các phương pháp ủ chuyển biến pha có nhiệt độ ủ thấp Ac1, không xảy chuyển biến P → γ + Ủ thấp (ủ non): - Đị nh nghĩa: Ủ thấp phương pháp ủ nung nóng thép tới nhiệt độ nhỏ Ac1 để chuyển biến pha xảy - Mục đích đặc: Ủ thấp có tác dụng làm giảm hay khử bỏ ứng suất bên vật đúc hay sản phẩm thép qua gia công khí +) Nếu ủ nhiệt độ thấp (200 ÷ 3000C) có tác dụng làm giảm phần ứng suất bên nhiệt độ cao (450 ÷ 6000C) tác dụng khử bỏ ứng suất bên hoàn toàn +) Do làm nguội nhanh, không đều, chuyển pha đúc, vật đúc tồn ứng suất bên Đối với số vật đúc có yêu cầu đặc biệt không cho phép tồn ứng suất dư độ Để khử bỏ hoàn toàn ứng suất dư, người ta tiến hành nung nóng đến 450 ÷ 6000C, sau làm nguội chậm để tránh tạo lại ứng suất dư Đối với trường hợp yêu cầu không cao, cần giảm ứng suất dư đến mức định, tiến hành bảo quản t0 thường khoảng ÷ 12 tháng, trình gọi hoá già tự nhiên Do nhiệt độ ủ thấp nên phương pháp ủ không làm thay đổi độ cứng kích thước hạt + Ủ kết tinh lại: - Định nghĩa: Ủ kết tinh lại phương pháp ủ nung nóng thép tới nhiệt độ nhỏ Ac1 để chuyển biến pha xảy - Mục đích đặc điểm: Ủ kết tinh lại tiến hành cho thép qua biến dạng nguội bị biến cứng cần khôi phục lại tính dẻo, độ cứng trước gia công khí +) Nhiệt độ ủ kết tinh lại cho thép cacbon từ 600 ÷ 7000C tức thấp nhiệt độ Ac1 Loại ủ làm thay đổi kích thước hạt giảm độ cứng, áp dụng cho thép khó tránh tạo nên hạt lớn +) Đối với kim loại đa tinh thể, không đồng phương mang hạt nên ứng suất tác dụng độ biến dạng phân bố không đều, phần thép bị biến dạng với mức độ tới hạn sau ủ có kích thước lớn, làm dòn thép Để tránh tượng này, thường dùng phương pháp ủ có chuyển biến pha Các phương pháp ủ có chuyển biến pha: 31 Các phương pháp ủ có chuyển biến pha có nhiệt độ ủ cao Ac1, có xảy chuyển biến P → γ + Ủ hoàn toàn: - Định nghĩa: Ủ hoàn toàn phương pháp ủ gồm nung nóng thép tới trạng thái hoàn toàn γ, tức phải nung cao nhiệt độ Ac3 Accm - Mục đích đặc điểm: +) Làm nhỏ hạt Nếu nung nhiệt độ Ac3 khoảng 20 ÷ 300C ứng với nhiệt độ ủ khoảng 780 ÷ 8600C, hạt γ nhận giữ kích thước bé, sau làm nguội chậm có tổ chức F + P hạt nhỏ Tổ chức có độ dai tốt +) Làm giảm độ cứng tăng độ dẻo, dễ cắt gọt rập nguội Do làm nguội chậm, γ phân hoá tổ chức F + P (tấm) có độ cứng khoảng 160 ÷ 200HB, bảo đảm cắt gọt tốt dẻo, dễ rập nguội Như nhiệt độ ủ hoàn toàn Loại ủ áp dụng cho thép có hàm lượng cacbon lớn 0,3 0C + Ủ không hoàn toàn: - Định nghĩa: Là phương pháp ủ gồm nung nóng thép tới trạng thái chưa hoàn toàn γ, nhiệt độ cao Ac1 thấp Ac3 hay Accm - Mục đích đặc điểm: +) Làm giảm độ cứng đến mức cắt gọt được, chuyển biến pha không hoàn toàn có P → γ F XeII (do làm nguội không làm thay đổi kích thước hạt pha đó) +) Đối với thép trước tích, loại thép có yêu cầu độ dai cao không làm nhỏ hạt F nên không áp dụng dạng ủ Do vậy, ủ không hoàn toàn thường áp dụng chủ yếu cho thép tích sau tích với hàm lượng cacbon > 0,7% +) Đối với thép có hàm lượng cacbon > 0,7% mà chủ yếu thép tích sau tích (thép có độ cứng cao, khó cắt gọt) Nếu tiến hành ủ hoàn toàn thép này, tổ chức nhận P tấm, độ cứng lớn 220HB gây cho việc cắt gọt gặp khó khăn Nếu tiến hành ủ không hoàn toàn, nhiệt độ nung đạt tổ chức γ phần tử XeII chưa tan hết nên làm nguội, phần tử mầm giúp cho tạo nên P hạt Sau ủ không hoàn toàn, thép có tổ chức P hạt với độ cứng thấp (khoảng 200HB) nên đảm bảo cắt gọt tốt Vậy nhiệt độ ủ không hoàn toàn cho thép cacbon lngười T0ủ.k.h.t = T0Ac1 + (20 ÷ 300C) 32 Dạng đặc biệt ủ không hoàn toàn ủ cầu hoá, nhiệt độ nung dao động tuần hoàn A1: nung đến 750 ÷ 7700C lại làm nguội xuống 650 ÷ 6800C, nhiều lần Với cách làm vậy, cầu hoá Xe P mà XeII thường dạng lưới thép sau tích + Ủ khuếch tán: - Định nghĩa: Là phương pháp ủ gồm nung nóng thép đến nhiệt độ cao 1100 ÷ 11500C giữ nhiệt nhiều (khoảng 10 ÷ 15h) - Mục đích đặc điểm: +) Tạo hạt lớn nung lâu nhiệt độ cao, áp dụng cho vật đúc trước gia công áp lực Nếu không qua biến dạng dẻo để làm nhỏ hạt sau phải ủ lại cách ủ hoàn toàn để làm nhỏ hạt +) Làm thành phần thép tượng thiện tích gây Cách ủ áp dụng cho thỏi đúc thép hợp kim cao, thường có tượng không đồng thành phần hoá học + Ủ đẳng nhiệt: - Định nghĩa: phương pháp ủ gồm nung nóng thép tới nhiệt độ ủ (xác định theo ủ hoàn toàn hay không hoàn toàn), giữ nhiệt làm nguội nhanh xuống A1 khoảng 50 ÷ 1000C tuỳ theo yêu cầu tổ chức nhận - Mục đích đặc điểm: +) Việc giữ nhiệt lâu lò nhiệt độ A1 để γ phân hoá thành phần hỗn hợp F + Xe +) Thời gian giữ nhiệt tuỳ thuộc vào tính ổn định γ nguội thép ủ nhiệt độ giữ đẳng nhiệt (thường giữ hàng giờ) +) Giảm độ cứng để thu độ cứng thấp ứng với tổ chức P Khá nhiều thép hợp kim cao, tính ổn định của nguội lớn nên làm nguội chậm lò ủ không đạt độ cứng thấp phải làm cho tốc độ nguội chậm khó khăn nên khống chế tính ổn định  nguội độ nguội b Thường hóa thép 33 - Định nghĩa Thường hoá phương pháp nhiệt luyện gồm nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn γ (cao Ac3 Accm); giữ nhiệt làm nguội không khí tĩnh (thường kéo để nguội sân) để γ phân hoá thành P phân tán hay X với độ cứng tương đối thấp Nhiệt độ thường hoá :T = T0 (Ac3 hay Accm) + (20 ÷ 30)0C - Đặc điểm thường hoá thép - So với ủ thép, thường hoá kinh tế làm nguội lò thường áp dụng - Tốc độ nguội không khí tĩnh lớn tốc độ nguội lò ủ, tốc độ nguội tăng tức độ nguội ∆T lớn hạt thu có kích thước nhỏ so với ủ làm cho tính tăng lên - Tăng suất trình công nghệ - Với thép sau tích phá lưới XeII tạo tổ chức phù hợp trước nhiệt luyện kết thúc - Với thép có hàm lượng cacbon trung bình (%C = 0,35 ÷ 0,5%) thường hoá tạo tổ chức P có độ cứng tương đối cao (24 ÷ 28HRC) nên dùng làm nhiệt luyện kết thúc thay ram với chi tiết không quan trọng c Mục đích áp dụng thường hoá Trên sở phân tích đặc điểm thường hoá, ta thấy sử dụng thường hoá đạt mục đích yêu cầu sau: - Đạt độ cứng thích hợp để gia công cắt gọt với thép cacbon thấp (%C < 0,25%) Đối với thép có hàm lượng cacbon > 0,3% thường tiến hành ủ thép có hàm lượng cacbon thấp cần tiến hành thường hoá Thép có hàm lượng cacbon thấp đem ủ hoàn toàn cho độ cứng thấp (nhỏ 140HV), thép dẻo, phôi khó gẫy, quấn lấy dao, thường hoá cho độ cứng cao (khoảng 140 ÷ 180HB), thích hợp với chế độ gia công cắt gọt Như vậy, để đảm bảo tính gia công cắt gọt, với thép có hàm lượng cacbon < 0,25% phải thường hoá, từ 0,3 ÷ 0,65% cần ủ hoàn toàn thép có hàm lượng > 0,7% cần ủ không hoàn toàn (ủ cầu hoá) - Làm nhỏ Xe để chuẩn bị cho nhiệt luyện kết thúc Khi thường hoá tạo tổ chức P phân tán hay X với Xe có kích thước bé Mặt khác, Xe àng nhỏ biên giới hạt nhiều, γ hoá tạo nhiều mầm γ, nhận hạt γ nhỏ mịn chuyển biến xảy nhanh Yêu cầu cần thiết trường hợp bề mặt - Làm XeII dạng lưới thép sau tích 34 Nhiều trường hợp sau làm nguội chậm sau ủ thép sau tích hay bề mặt thép thấm cacbon, tổ chức xuất XeII dạng lưới liên tục bao quanh P làm thép dòn ảnh hưởng đến độ nhẵn bóng gia công cắt gọt Thường hoá khắc phục trạng thái này, làm nguội nhanh hơn, Xe không kịp tiết dạng liền mà dạng đứt rời Các xa làm thép dòn hơn, bề mặt đạt độ nhẵn bóng cao - Nhiệt độ ủ thường hoá thép theo giản đồ trạng thái d Tôi thép - Định nghĩa Tôi thép phương pháp nhiệt luyện nung thép lên cao nhiệt độ tới hạn (Ac1) để làm xuất tổ chức γ, giữ nhiệt làm nguội nhanh thích hợp để γ chuyển biến thành M hay tổ chức không ổn định khác với độ cứng (như B, T đẳng nhiệt) tính chống mài mòn cao - Đặc điểm - Phải làm nguội môi trường có tốc độ nguội phù hợp (vng > vng.tới hạn) - Tổ chức thu sau tổ chức không ổn định nên phải kết hợp với ram để tạo tổ chức ổn định 35 - Do độ nguội nhanh đặc điểm chuyển biến M tiết sau dễ tồn biến dạng ứng suất dư - Độ cứng sản phẩm sau phụ thuộc vào hàm lượng cacbon thép tốc độ nguội (môi trường hay phương pháp làm nguội) - Mục đích - Nâng cao độ cứng tính chống mài mòn thép kéo dài thời gian làm việc chi tiết chịu mài mòn Độ cứng thép phụ thuộc vào lượng cacbon Thép có lượng cacbon thấp < 0,25% có độ cứng không cao, không đủ chịu mài mòn Vậy, muốn đạt mục đích thép phải có hàm lượng cacbon trung bình cao từ 0,3% cacbon trở lên - Nâng cao độ bền nâng cao sức chịu tải chi tiết máy Nờ tính chất mà người ta tiến hành thép cho chi tiết máy quan trọng (chịu tải nặng, chóng mòn gẫy), chi tiết định khả làm việc lâu dài máy Nguyên công thép đóng vị trí quan trọng đặc biệt nhiệt luyện lý sau: +) Nó định tính thép phù hợp với điều kiện làm việc định tuổi thọ chi tiết máy +) Là nguyên công gia công cuối cùng, chi tiết dạng thành phẩm Các mục đích nêu đạt kết hợp với ram e Tốc độ tới hạn độ thấm - Tốc độ tới hạn - Định nghĩa: Là tốc độ nguội nhỏ cần thiết để  chuyển biến thành M với loại thép khác T1: nhiệt độ tới hạn thép; T0: nhiệt độ cứng với γ nguội ổn định nhất; Tgh: thời gian ổn định γ 36 - Đặc điểm: +) Tốc độ tới hạn thép nhỏ dễ cứng lúc cần dùng môi trường nguội chậm đủ để đạt độ cứng +) Tốc độ tới hạn thép khác khác Nó phụ thuộc vào vị trí đường cong chữ "c" tính ổn định γ nguội Tính ổn định γ nguội lớn, đường cong chữ "c" tính ổn định γ nguội Tính ổn định γ nguội lớn, đường cong chữ "c" dịch sang phải nhiều, tốc độ tới hạn nhỏ - Xác định nhiệt độ Khi thép, phải nung thép nhiệt độ Ac1, nhiên thép có lượng cacbon khác cách xác định nhiệt độ khác Đối với thép trước tích tích (%C < 0,8%): - Nhiệt độ lấy cao Ac3 tức nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn γ Cách gọi hoàn toàn T0tôi = Ac3 + (30 ÷ 50)0C Vậy, khoảng nhiệt độ xác định sau: Như vậy, nhiệt độ thép giống không phụ thuộc vào hàm lượng cacbon - Việc chọn nhiệt độ lý sau: Với thép sau tích tiến hành hoàn toàn thép có hàm lượng cacbon cao (>0,8%) Khi nung Accm tất XeII hòa tan hết vào γ làm cho pha có lượng cacbon cao (bằng lượng cacbon thép) nên làm nguội nhanh M với hàm lượng cacbon cao, thể tích riêng lớn lại nhiều γdư Mặc dù, cách M có độ cứng cao độ cứng chung thép (M + γdư) lại thấp thép không đạt yêu cầu độ cứng Mặt khác, nung thép qua Accm tức nhiệt độ cao làm hạt γ lớn (gây dòn cho thép tôi), oxy hóa thoát cacbon bề mặt Do vậy, thép sau tích cần không hoàn toàn để tổ chức nhận sau gồm M + XeII + γdư, có độ cứng chung cao khoảng 62 ÷ 65HRC Trong tổ chức này, XeII có độ cứng cao M chút XeII chưa hòa tan hết vào γ nên tồn dạng hạt nhỏ phân bố làm tăng tính chống mài mòn g Các phương pháp - Yêu cầu môi trường làm nguội - Môi trường phải tạo chuyển biến M Muốn vậy, môi trường phải có khả làm nguội thép với tốc độ lớn hay tốc độ tới hạn - Giảm tốc độ chuyển biến để tránh biến dạng ứng suất dư Làm nguội chậm thép khoảng nhiệt độ 6000C 5000C đặc biệt khoảng nhiệt độ chuyển biến 37 M (dưới 3000C), tốc độ nguội chậm tốt chuyển biến gây ứng suất tổ chức lớn Đạt yêu cầu đảm bảo thép không bị nứt cong vênh Điều kiện làm nguội lý tưởng mô tả hình vẽ sau: Để thu tổ chức M tránh tạo ứng suất dư ta cần ý khoảng 550 ÷ 6500C nên làm nguội nhanh khoảng 200 ÷ 3000C cần làm nguội chậm - Ngoài yêu cầu quan trọng bên trên, cần ý yêu cầu khác môi trường như: dễ kiếm, sử dụng an toàn, tương tác hóa học, điện hóa, có độ bám vào bề mặt cao để môi trường tiếp xúc với chi tiết - Các phương pháp thông thường * Tôi môi trường: - Định nghĩa: Là trình mà chi tiết làm nguội môi trường (đường (1)) - Đặc điểm: +) Đơn giản, dễ thao tác +) Không hạn chế tốc độ nguội có chuyển biến M chi tiết dễ bị biến dạng nứt - Phạm vi áp dụng: Do đặc điểm mà môi trường áp dụng cho chi tiết không quan trọng, kết cấu đơn giản * Tôi môi trường: - Định nghĩa: Là trình mà chi tiết làm nguộ môi trường có tốc độ nguội khác Môi trường có tốc độ nguội chậm môi trường (đường (2)) 38 - Đặc điểm: +) Lợi dụng ưu điểm môi trường Lúc đầu nhiệt độ cao, thép làm nguội môi trường có tốc độ nguội mạnh, su gần đến nhiệt độ chuyển biến M thép chuyển sang làm nguội môi trường có tốc độ nguội bé Chuyển biến M xảy môi trường nguội chậm nên giảm bớt ứng suất bên trong, nứt Đây cách thích hợp cho thép cacbon (đặc biệt cho thép cacbon cao) vừa bảo đảm đạt độ cứng, vừa xảy biến dạng, nứt +) Khó xác định thời điểm chuyển chi tiết từ môi trường sang môi trường hai Thời điểm chuyển môi trường tốt thép có nhiệt độ cao Ms khoảng 1000C Nếu chuyển sớm, thép bị nguội môi trường hai có vùng nhỏ dễ không đạt độ cứng yêu cầu, chuyển muộn, chuyển biến M xảy môi trường một, ứng suất bên lớn, gây biến dạng nứt - Phạm vi áp dụng: Do đặc điểm môi trường mà để thực phải đòi hỏi công nhân có tay nghề cao (xác định thời điểm chuyển môi trường), khó khí hóa, thường áp dụng cho sản xuất loại nhỏ đơn * Tôi phân cấp: - Định nghĩa: Là trình sử dụng môi trường làm nguội loại muối nóng chảy nhiệt độ lớn Ms; T0 = Ms + (30÷ 50)0C Thép làm nguội giữ đẳng nhiệt thời gian định để đạt nhiệt độ môi trường muối nóng chảy, sau chuyển sang môi trường không khí làm nguội chậm để tạo chuyển biến M (đường (3)) - Đặc điểm: +) Ứng suất bên thấp trình nguội chia làm cấp nên chyênh lệch nhiệt độ lõi bề mặt thấp, chuyển biến M xảy với tốc độ nguội chậm +) Có thể tiến hành nắn, sửa cong vênh đồ gá đặc biệt làm nguội thép không khí từ nhiệt độ "phân cấp" 39 +) Không áp dụng cho chi tiết có tiết diện lớn môi trường làm nguội có nhiệt độ cao (300 ÷ 500)0C khả làm nguội chậm nên với chi tiết có tiết diện lớn khó đạt đến vng.th +) Môi trường muối nóng chảy dễ bị nổ, gây an toàn độc hại - Phạm vi áp dụng: Các dụng cụ thép hợp kim với tính ổn định γ nguội lớn (vt.h nhỏ) có tiết diện bé * Tôi đẳng nhiệt: - Định nghĩa: trình dùng môi trường muối nóng chảy, giữ chi tiết muối thời gian để γ phân hóa hoàn toàn thành F + Xe có độ cứng tương đối cao độ dai tốt (thường giữ đẳng nhiệt 2500 ÷ 4000C để Bainit) (đường (4)) - Đặc điểm: +) Tổ chức sau B, có độ cứng nhỏ M sau đẳng nhiệt, không cần Ram +) Với thép cacbon hợp kim cao, sau phải tiến hành gia công lạnh nhằm mục đích chuyển biến M hoàn toàn Gia công lạnh phải tiến hành sau để lâu nhiệt độ thường làm ổn định hóa γ, hiệu - Phạm vi áp dụng: Chỉ áp dụng cho thép hợp kim có tính ổn định  nguội lớn với tiết diện nhỏ Do tạo nên tổ chức không tốt nên phạm vi áp dụng đẳng nhiệt bị hạn chế Có thể áp dụng cho số chi tiết dụng cụ có dạng mỏng - Các phương pháp đặc biệt * Tôi phận: - Định nghĩa: Là phương pháp mà có phần chi tiết cứng tức có chuyển biến M - Các cách thực hiện: Có cách phận +) Nung nóng phận: Chỉ nung nóng phần cần cứng đến nhiệt độ tôi, sau làm nguội bình thường môi trường thích hợp, phần nung nóng cứng, phần lại đảm bảo độ dẻo 40 +) Nung nóng toàn bộ, làm nguội phận: Nung nóng toàn chi tiết lên đến nhiệt độ tôi, làm nguội môi trường thích hợp phần cần cứng - Phạm vi áp dụng: Thường áp dụng để chi tiết lưỡi cưa, đục hay đầu mút xupáp động * Cơ nhiệt luyện: - Định nghĩa: Là trình hóa bền cho phép nhờ kết hợp trình học (biến dạng dẻo) với trình nhiệt luyện (tôi) thép - Bản chất: +) Cơ nhiệt luyện trình tiến hành chế hóa bền biến dạng dẻo γ trình công nghệ Sau nhiệt luyện, thép ram thấp 100 ÷ 2000C Tổ chức nhận Mram +) Do biến dạng dẻo, hạt γ trở nên nhỏ hơn, tạo nên nhiều block, mật độ lệch cao tổ chức M nhỏ, mịn nên có kết hợp cao độ bền, độ dẻo độ dai mà chưa có phương pháp hóa bền có - Phân loại: Tùy thuộc vào nhiệt độ biến dạng γ cao hay thấp nhiệt độ kết tinh, người ta chia - nhiệt luyện nhiệt độ cao nhiệt độ thấp +) Cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao Trong nhiệt luyện nhiệt độ cao, người ta biến dạng thép nhiệt độ cao Ac3 kết tinh lại γ không kịp tiến hành Cơ nhiệt luyện nhiệt độ cao có đặc điểm: phạm vi áp dụng rộng rãi cho loại thép kể thép cacbon, dễ tiến hành (vì nhiệt độ cao Ac3 γ dẻo ổn định); có độ dẻo, độ dai cao song độ bền thấp nhiệt luyện nhiệt độ cao thường thực xưởng cán nóng thép thành bán thành phẩm +) Cơ nhiệt luyện nhiệt độ thấp 41 Trong nhiệt luyện nhiệt độ thấp, người ta biến dạng thép nhiệt độ γ nguội có tính ổn định tương đối cao (400 ÷ 6000C) nhiệt độ phải cao Ms thấp nhiệt độ kết tinh lại cần phải tránh γ chuyển biến thành T B Cơ nhiệt luyện nhiệt độ thấp có đặc điểm áp dụng cho thép hợp kim thép có tính ổn định γ nguội cao, khó tiến hành công nghệ phức tạp, độ bền đạt cao độ dẻo, dai không cao Nếu sau - nhiệt luyện lại tiến hành biến dạng nguội Mram làm tăng độ bền - Phạm vi áp dụng: Hiện nay, nhiệt luyện áp dụng xưởng cán thép nhà máy luyện kim để sản xuất bán thành phẩm (thép tấm, thép hình) 11 Ram thép a Định nghĩa: Ram phương pháp nhiệt luyện nung thép thành tổ chức M lên đến nhiệt độ thấp Ac1 giữ nhiệt thời gian làm nguội theo yêu cầu để M  dư phân hóa thành tổ chức thích hợp phù hợp với điều kiện làm việc quy định b Mục đích: Sau thép đạt độ cứng cao, độ dẻo độ dai thấp tồn nhiều ứng suất bên Với trạng thái vậy, có tính chống mài mòn tốt thép dễ bị phá hủy dòn Vì vậy, sau đạt tổ chức M, phải tiến hành nung lại để giảm bớt độ cứng, tăng độ dẻo, độ dai, giảm hay khử bỏ ứng suất bên trong, làm tính thép phù hợp với điều kiện làm việc chi tiết hay dụng cụ Chú ý: Nhiệt độ ram không > Ac1 lúc xuất γ phụ thuộc vào tốc độ nguội Yếu tố định tổ chức định tính thép ram nhiệt độ, thời gian giữ nhiệt ram Do vậy, với mục đích làm giảm ứng suất dư, biến tổ chức M + γ dư sau thành tổ chức khác có độ dẻo độ dai cao độ cứng độ bền phù hợp ram coi nguyên công nhiệt luyện cuối cùng, áp dụng cho thép c Các phương pháp ram Đối với thép cacbon thép hợp kim thấp, theo nhiệt độ ram tổ chức tạo thành người ta chia thành loại ram: ram thấp, ram trung bình ram cao - Ram thấp - Định nghĩa :là phương pháp nung thép khoảng 150 ÷ 2500C để tổ chức đạt Mram - Mục đích: làm giảm ứng suất dư M, tiết phần cacbon khỏi M làm độ cứng giảm (1 ÷ 3HRC) - Phạm vi áp dụng: Các sản phẩm chịu ram thấp sau chi tiết dụng cụ cần độ cứng tính chống mài mòn cao: dao cắt kim loại, khuôn rập nguội, dụng cụ đo, vòng bi 42 - Ram trung bình - Định nghĩa: Là phương pháp nung thép khoảng 300 - 4500C để tổ chức thu Tram - Mục đích: Làm giảm gần toàn ứng suất dư, tiết cacbon khỏi M nhiên độ cứng thép cao, giới hạn đàn hồi đạt giá trị cao nhất, độ dẻo, độ dai tăng lên - Phạm vi áp dụng: Các sản phảm cần ram trung bình sau thường chi tiết yêu cầu có tính đàn hồi cao lò xo, nhíp, dụng cụ cần độ dai cao khuôn rập nóng, khuôn rèn - Ram cao - Định nghĩa: Là phương pháp nung thép khoảng 500 - 6500C để tổ chức thu Xram - Mục đích: Độ cứng thép giảm mạnh, ứng suất bên bị triệt tiêu, độ bền giảm đi, độ dẻo, độ dai tăng lên mạnh - Phạm vi áp dụng: Tôi ram cao gọi nhiệt luyện hóa tốt nên thường áp dụng để chế tạo chi tiết có yêu cầu tính tổng hợp cao, nhiệt luyện hóa tốt thường áp dụng cho chi tiết chịu va đập trục khuỷu, trục truyền lực, truyền, xupáp nạp, bánh Thép dùng để nhiệt luyện hóa tốt thường có hàm lượng cacbon khoảng 0,3 ÷ 0,5% 12 Tài liệu tham khảo [1] Donald R.Askeland, Pradeep P.Fulay, D.K.Bhattacharya, Essentials of Materials Science and Engineering, Second Edition, 2010, Canada [2] William D.Callister, David G.Rethwisch, Essentials of Materials Science and Engineering, 8th Edition, 2010, United States [3] Nghiêm Hùng, Vật liệu học, Bách Khoa, Hà nội, 1999 [4] Giáo trình vật liệu học, ĐH SPKT TP.HCM 43 [...]... công này được gọi là ram Mục đích của việc làm trên là đưa tổ chức sau khi tôi về tổ chức ổn định hơn a Tính không ổn định của M và γ dư Theo giản đồ trạng thái Fe - C, từ nhiệt độ thường đến 7270C tổ chức ổn định của thép là hỗn hợp α + Xe (gọi chung là P), như vậy M và γ dư là hai pha không ổn định và có xu hướng trở về trạng thái tổ chức ổn định kể trên 25 M là dung dịch rắn quá bão hoà của cacbon trong... cao hơn đồng thời vẫn có đủ độ dẻo, độ dai nên được dùng nhiều hơn - Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt γ quá nguội của thép trước cùng tích và sau cùng tích b Chuyển biến γ → P khi làm nguội liên tục Trong thực tế, nhiệt luyện hay dùng cách làm nguội liên tục, tức là nhiệt độ luôn luôn giảm theo thời gian So với loại giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt, phần trên của đường cong chữ "C" của loại giản đồ làm... đến trạng thái nóng chảy hay chảy bộ phận Trong mọi quá trình nhiệt luyện kim loại luôn luôn ở trạng thái rắn, hình dạng và kích thước của sản phẩm hầu như không thay đổi hoặc thay đổi rất ít b Các đặc điểm của nhiệt luyện - Trong quá trình nhiệt luyện thì sản phẩm không thay đổi về hình dáng và kích thước mà chỉ thay đổi về tổ chức và cơ tính của vật liệu - Các thông số công nghệ được xác định nhờ giản. .. chi tiết chịu tải trọng tĩnh và va đập 29 CÁC PHƯƠNG PHÁP NHIỆT LUYỆN Về nguyên tắc, việc lựa chọn phương pháp nhiệt luyện nào đều có thể dựa trên cơ sở giản đồ cân bằng pha của hợp kim Do đó có thể chia thành các nhóm hợp kim cơ bản sau: - Các hợp kim không có chuyển pha ở trạng thái rắn - Các hợp kim có độ hoà tan thay đổi ở trạng thái rắn - Các hợp kim có chuyển biến cùng tích Bất kỳ một quá trình... thép đã được nung tới trạng thái γ (lớn hơn nhiệt độ Ac1) và để đơn giản chỉ xét cho thép cùng tích Về phương thức làm nguội được phân ra 2 trường hợp: làm nguội đẳng nhiệt và làm nguội liên tục a Các chuyển biến xảy ra khi làm nguội đẳng nhiệt Auxtenit - Mô tả thí nghiệm: Làm thí nghiệm với thép cùng tích (0,8%C) Làm hàng loạt mẫu có hình dáng và kích thước như nhau Nung đến trạng thái hoàn toàn γ, giữ... trình tạo mầm ở trạng thái rắn là khó khăn và chậm hơn do biến thiên năng lượng cao hơn BC: giai đoạn chuyển biến xảy ra nhanh do lượng mầm tạo ra nhiều và khả năng lớn lên mạnh do ∆Gđàn hồi chưa quá lớn CD: giai đoạn chuyển biến chậm lại do ∆Gđàn hồi lớn 13 b Nhiệt độ chuyển biến Peclit thành Auxtenit - Đường cong động học chuyển biến khi nung nóng thép cùng tích Từ giản đồ trạng thái Fe-C thấy rằng... rất dòn và ảnh hưởng đến độ nhẵn bóng khi gia công cắt gọt Thường hoá có thể khắc phục được trạng thái này, do làm nguội nhanh hơn, Xe không kịp tiết ra ở dạng liền nhau mà ở dạng đứt rời Các xa nhau làm thép ít dòn hơn, bề mặt đạt được độ nhẵn bóng cao hơn - Nhiệt độ ủ và thường hoá thép theo giản đồ trạng thái d Tôi thép - Định nghĩa Tôi thép là phương pháp nhiệt luyện nung thép lên cao quá nhiệt... phát triển, thực hiện quá trình chuyển biến P → γ Tốc độ phát triển của mầm γ về 2 phía Xe và F là khác nhau Nhận thấy ∆Cγ/F vγ/Xe vỡ vậy F bị hoà tan hết trước sau đó Xe mới bị hoà tan hết vào γ Quá trình trên có thể mô tả bằng hình vẽ bên dưới: c Độ hạt của γ và biểu diễn độ hạt trên giản đồ trạng thái Khi nung nóng đến nhiệt độ AC1 trong thép xảy ra chuyển biến P → γ Chuyển... Ủ thép - Định nghĩa và mục đích của ủ thép * Định nghĩa: Ủ thép là phương pháp nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt rồi làm nguội chậm cùng với lò, để đạt được tổ chức ổn định theo giản đồ trạng thái với độ cứng thấp nhất và độ dẻo cao Tổ chức đạt được sau khi ủ thép là P (có thể có thêm F hay XeII tuỳ loại thép trước hay sau cùng tích) * Đặc điểm: - Nhiệt độ ủ không quy định theo quy luật... niệm: Khi tiến hành làm nguội thật nhanh γ xuống nhiệt độ thấp Cacbon không kịp khuếch tán nên toàn bộ cacbon trong γ giữ lại trong mạng của Ferit (γ0,8% → α0,8%) gọi là chuyển biến Mactenxit Theo giản đồ trạng thái, %C trong α lớn nhất là 0,02% nên khi %C trong α là 0,8% sẽ tạo ra tổ chức quá bão hoà cacbon trong α do vậy tạo ra tổ chức không cân bằng của α gọi là tổ chức Mactenxit (M) 21 - Tốc độ nguội