Công nghệ nhiệt luyện phạm thị minh phương, tạ văn thất

TỔ CHỨC TẾ VI CỦA CÁC HỢP KIM Fe - c1 Sơ lược về thép và gang Người ta quy ước rằng thép là hợp kim của Fe - c có thành phần c < 2,14%, tức là loại khi nung lên nhiệt độ nhất định cao h

PTS PHẠM THỊ MINH PHƯƠNG ٠ PG؛S PTS TẠ VĂN THẤT

■ ٥

• -

ﺀ ٠

ا , ه

I ' ﺎ ﻳ :٠

٠١ : , و

اا

|

'>

' ,.

Г

!;·.■ ■ ٠

؛ ١

ا'■

ا

'

يأ ٠ ٠

'

١

؛ ψ

“ ١ '?·

٦ - Α

؛ا'؛ا-: ٤ ﺀ

-:ل،.

ج ;:

Mã s ố : 7 B 5 i O

ện tử 4Ìao thOn

؛

kĩ thuột đ dựnR ١

xa côn^ n ٩ hiệp h-óa học ٠

١ iệu VCI c ۵ n dến cUc vủt Uệu

٩ ẳn YỚi vcit dếu

اﻻ ١ ا،

٦١ ا

thuờng khOn^ VCI áờỉ sốn ٩

١١ ếu là YỘt dổi t'lidi chíít ct ١ a vàt Uệu (c.hủ

١ ẽn Ici quá trinh íùni tha ١١

>

Công nghệ nhiệt lu

hình ddng và

đổ

؛-ﻻ

tông líim tha

؛ cáu trhc bên trong md k băng C -Ố ch thtt^ đổ

١

؛ Иёи kim loq

ết , t ,؛

kich- th-UỞc của ch

Trong chề' tq.o cơ khi nhiệt lu^ện dóng vai trồ qu-an trọng vi kh-ông những nó tạo cho

ết nhu độ cítng độ bền độ dểo dai khd

luợng c:ủ-a sdn phdm cơ kh

khdc nhau, trong day ch.u.yền sdn tr

؛.

nhUng V

ة

ệt lu^ện có t ١ rể nầm ؛-

ên côn-g nl ١

؟

Ngu

: lo(.i

ha trỉ có th-ểphdn thừnl ١

؛.

xu.ổt cơ khi từ.y thuộc vdo V

gia công cơ nhầm ؛

١١ dnh truơc kh ến

؛

t luyện thuờng t

؛ ؟ Nhiệt luyện sơ bộ : la dqng nh

phai căn Cìi vào trinh độ nhiệt liiyên, vì ràng ch) gia công cơ khi có chinh xác đến đâu nhtíng nếu khdng qu.a nhiệt luyện hoặc chdt luqng nhỉệt luyện khdng ddm bdo thl tuổi thọ của chi tiết cũng giam v۵ miic độ chinh xcíc Cĩỉa mcíy móc không ،,‘ổ^ giữđược theo yêu cầu

ổm khồng những có y ngMa kinh tế rđt lởn (để.ệt luyện, n-ồng cao ch-ốt luợng sdn pl ١

؛ thuột của mỗ

ển kltoa học k

؛1 -

à thuớc do dểddnh gld trinh độ ph-ót tr

ơ nước ta, tùr lâu nhiệt luyện đã dược cip dung trong đời sô'ng thường ngay, ồng cha ta

dao kéo dha dụ.c làm cho thép mểm trỏ thítnh cứng dể cát gọt hay nguợc Iqi

dd biết tồ

dềddng cho qud trinh chếttio cdc chi tiết Ngày nay lùm cho th.ép cUn.g trở thdnh mềm dểo ١

nén công nghiệp của chúng ta dang phát triển không ngùrng \'à việc nghiên cứu nang cao

١ ên ngíiy c.ỉtng trở nẽn cổp thiết, mà\ệt lu ؛

ết bàng phương phdp nh

؛ chdt lượng cho cdc chi t

ngd cán bộ klioa học кт thu، )t trong l.ĩnh vực nùy

ẽn Ici ddo tqo độ

؛

ệc ddu t

؛

v

ا ه

^ trẽn Đ a ا

n ìiN اا ١

ا ل ج أ ٠ ١

ng lò n ١

.

t a i liệ u d í ٠

tí.ung ctíp k ĩ thu-ột cao đảng кт thn(u ٠

u Irọc va nh,iệt ỉ u ١ jện tro n g cúc truờn^ cìạì hpc ٠

؛؟

v ậ t l

kT sư củc ngùnh ện ١ ال

١ u khtio cho кт svC nhiệt D ồ n g th ờ i s á c h ch n g d ù n g ítim tù i liệ u tha.n ٦

٩ u.an đến van đ ề n h ỉệ t lu^ện ch o cUc cd n b Ọ k T th.uột,klnh tế.bt.ỉn d ọc rộ n g r ỗ i k h ó c c.ó liê n

n,g vạt l.iẽu vd x íf u n hiệt dểntTng cuo ch íít lượng củu c h i tiế t - m ộ t

nhiều nâm- tạl trường Dqi học Bdch khoa Hci Nộl chng nh.ư cdc gido trTnh

؟ ện" dd dạ

chUng tOl cỏ chinh 1,1 vd bổ sung thêm Nộl dung c ١١ a

؟ bỉên soqn cuốn sdch nd ,؛.

Balan Kh

ể.n biến ,؟

gồm Irai ph ۵ n chinh: phdn tlríí nhdt trinh bciv ll thuvết cltung về chu gido trinh nà

về công nghệ nhl-ệt ện: phdn thứ hai ; trinh btT

؟ pha trong thép va hợp kim kltl nhỉệt lu

trường Dal ho.c u ٠

؛

ện kltn vU COng ngh.ệ vột ll

؟ hoa Lu :

١ ện ١

؟ mồn Vật liệu học và Nhiệt ltt

Bách khoa Hà Nội

.

Các tác gỉả

PHẦN THỨ N HẤT

CÁC CHUYỂN BIẾN TRONG THÉP KHI NHIỆT LUYỆN

Chương 1

GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 VỊ TRÍ CỦA NHIỆT LUYỆN TRONG DÂY CHUYỂN

sẤn x u ấ t c h u n g

Nhiệt luyện các kim loại và hợp kim là quá trình công nghệ bằng sử lý nhiệt làm thay đổi tổ chức và do đó làm thay đổi tính chất

của chúng

Bất kỳ quá trình công nghệ nhiệt luyện đơn

kim loại tới nhiệt độ xác định, giữ nhiệt tại đó I

một thời gian nhất định rồi sau đó làm nguội với

tốc độ quy định để làm thay đổi tổ chức, do đó

làm thay đổi tính chất của kim loại và hợp kim

theo phương hướng đã chọn trước

Như vậy các yếu tố quan trọng của một quá

٠٠

؛

2

Ịcz

Hinh 1.2, Sơ đổ quá trình nhiệt luyện

a) Đơn giản ; b) Phức tạp.

giữ nh؛ệt và tốc độ !àm nguội Vì vậy các quá trinh nhiệt luyện thường dược biểu díễn trốn

Quá trinh nhiệt luyện có thể là dơn giản (chỉ có một nguyẻn cồng) hay phức tạp (tập hợp của nhiểu nguyên cồng) Nếu quá trỉnh nhiệt luyện chỉ có một nguyên cổng thl sơ đồ

dược nèu trẽn hình I.2b

Dể làm thay dổi mạnh hơn nữa các tinh chất cùa kim loại và hợp kim, người ta còn kết hofp dồng thờ، tác dụng của bíến dạng dẻo và nhiệt luyện (cơ nhíệt luyện) hay tác dụng hóa học và nhiệt luyện (hóa nh،ệt luyện) Trên hlnh 1.3 là sơ dồ tổng quát phãn loạ؛ các dạng nhỉệt luyện

Hình L 3 , Sơ dồ phân íoạ؛ các dạng nhỉệ( luyện.

nhỉệt luyện dặt tạ، các phần xường dức cán, rèn,

ا

ện trên cấc thiết b

؛hay cUng có thế thực h

dập, các phản xường chế tạo dụng 'cụ hay phân x ư ơ g cơ khi

ệt luyện cố thế lầm thay đổ، trong một phạm vi lớn cấc tfnh chất của kim loại

؛Bằng nh

hay hợp kim: độ bền, độ cứng, độ dèo dai, tinh cồng nghệ (rèn, dập, gỉa cồng cắt, tinh chịu

ện tinh, tinh chiu ân mòn Nhỉệt luyện lầm nàng cao độ bền của

các kết cấu, nâng cao độ tin cậy và độ bền lãu của cắc chi tỉết trong quá trinh sửdụng

ệt luyện thương rất lớn, từ các ch، tíết rất nhỏ, các

؛các chi tiết cần dược nh

xuít Nó có thế là giai đoạn chuẩn bị c h o 'một nguyên cồng ưào dó (nhiệt luyện sơ bộ(

tiết những tinh chất ؛

nhưng cũng có thế là nguyên cồng cuối cùng để dảm bảo cho ch

nhiệt luyện với việc sừ dụng nung nóng độc lạp

nhiệt luyện với viộc sử dụng nhiệt cồn lại trong chị tiết từ các quá trình trước

I - chế tạo chi tiết trực tiếp từ phôi cán hay phôi kim loại ;

n - chế tạo chi tiết từ các phôi ; III - chế tạo chí tiết từ vật đúc ;

IV - chế lạo chi tiết lừ bột kim loại.

Hinh 1.4 Sừ dụng nhiệt luyện trong các phương pháp khác nhau

để chế tạo chi tiết, các phôi.

Ví dụ 1: Công nghệ sản xuất ổ bi từ thép OL100Cr2 (tương đương với mác UJX15 của

được peclit hạt) để cải thiện tính gia công cắt gọt và chuẩn bị tổ chức để nhiệt luyện cuối cùng; 3 Gia công sơ bộ (định hình); 4 Nhiệt luyộn kết thúc (tôi và ram thấp); 5.Gia công

cơ kết thúc (đánh bóng); 6 Nhiệt luyện bổ sung (ủ để khử ứng xuất dư sau khi mài bóng);

7 Kiểm tra cuối cùng để lắp ráp các ổ bi

Vi dụ 2: Côrig nghệ sản xuất đường ray.

dọc theo chiều dài chi tiết); 7 Kiểm tra chất lượng

1.2 PHÂN LOẠI CÁC DẠNG NHIỆT LUYỆN THEO NHÓM

Nhóm 1: ủ loại 1 hay là ủ không có chuyển biến pha

ủ không chuyển biến pha là quá trình nhiệt luyện được tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn

nhiệt độ tới hạn, sau đó làm nguội chậm (cùng lò) Dạng nhiệt luyện này không làm thay đổi mạng tinh thể, nhằm khắc phục một phần hoặc hoàn toàn các sai lệch về mạng tinh thể

so vói trạng thái cân bằng do các dạng gia công khác như đúc, rèn, dập hàn, nhiệt luyện gây ra, làm giảm ứng suất bên trong, giảm độ cứng và nâng cao độ dẻo dai của kim loại

Nhóm 2: ủ loại 2 hay là ủ có chuyển biến pha

Đây là quá trinh nhíệt luyện gồm có nung kim loạ؛ lên cao hơn nh؛ệt độ chuyển b؛ến

làm nhỏ hạt tinh thể, dua hợp kim về trạng thái cần bằng

chi tiết dươc làm nguồi ngoàí khổng khi Do tốc dồ nguồi lớn hơn so với ủ nèn dồ hat của péclit nhỏ mịn hơn, do dó cơ tinh của vật' phẩm sau thương hóa bao gỉờ cUng cao hơn so với khi ủ

Nhóm 3: Tôi

Tổi là quá trinh nhiệt luyện gồm nung hợp kim lẽn tớí nhiệt độ có trạng tháỉ pha nhất dinh, giữ nhỉệt rổ؛ làm nguộỉ đủ nhanh dể quá trinh.khuếch tán khổng kịp xảy ra, kết quả là nhận dược tổ chức khồng cần bằng Dầy là dạng nhỉệt luyện rất thồng dụng cho các hợp kim

có chuyển biến thù hlnh khi nung nóng và làm nguộỉ hoặc có sự thay dổi độ hòa tan của các nguyẻn tố ở trạng thái rắn

Nhóm 4: Ram và hóa già

Ram là quấ trinh nhỉệt luyện gồm có nung kim loạỉ dã dược tôi tới nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển biến pha, dưa hợp kim về trạng tháỉ cân bằng, do dó mà tổ chức khồng ổn định khi tồi sẽ dược phần hủy thành tổ chức ổn định hơn Khi nhiệt độ ram càng cao, tổ chức nhận dược cằng thổ Thồng thường quấ trinh phãn hủy dung dịch rắn quá bão hơa ờ nhiệt độ phòng hay nhíệt độ khồng cao của các hợp kim trên cơ sờ các kim loại khổng cổ chuyển biến thù hình dược gọi là hóa già

Nhom 5 ؛ hốa nhiêt luyện

Hổa nhỉệt luyện là phương pháp nhỉệt luyện gồm có việc nung kim loại hay họp kim trong.một mồi trưỢng nào đó cố nguyên tử hoạt của nguyèn tố cần thấmíChUng sẽ tương tác với bề mặt chi tiết và làm thay đổ؛ thành phần hóa học của 1 ^ bề mặt Như vậy hóa nhíệt luyện gồm hai Quá trinh:-

- Tạo lơp thím bề mặt bằng cấch khuếch tán vằo bề mặt chỉ t؛ết một hay nhíều nguyên

tố khắc nhau nhằm làm thay dổi t.hânh phần hda học, do đó lầm thay đổ؛ tổ chứ.c và tinh chất của lớp bể mặt theo mục dích nhất djnh

- Nhiệt luyện tiếp theo (thường hốa, tôi, ram) nhằm cải thiện tổ chức và tinh chất của lớp bề mặt, cUng như toàn ch؛ tỉết

Nhóm 6: Cơ nhiệt luyện

Cơ nhiệt luyện là phương pháp gia cồng kết hợp g؛ữa bỉến dạng dẻo và nhỉệt luyện, kết hợp dược hiệu quả hóa bền gỉữa b؛ến dạng cơ học và nhiệt luyện, làm tăng h؛ệu quả hóa bển

do cả hai phương pháp tạo nên

Nhỉệt luyện nhóm 1 có thể áp dụng vớỉ kim loại hay hợp kim bất kỳ Nhiệt luyện nhốm

có độ hòa tan ờ trạng thái rắn giảm khi nhiệt độ giảm (hlnh I.5a) hay là với các kim loạị và hợp kim có chuyến biến thù hlnh (hình I.5b)

Trong trường hợp dầu

nung ؛tiên (hình !.5a), kh

nóng các hợp kim có thành

ểm F dến

؛phần hóa học từ d

thường (tôi) người ta nhận

dược dung dịch rắn quá bão

hòa

Khi nung nóng tiếp theo

)ram hay hóa già) sg xảy ra

sự phần hủy dung dịch rắn

tách ra ؛

quá bão hòa với sự

pha p

ا اL

١ ٠١ ۴

1.3 PHÂN LOẠI THEO CÁC NGUYÊN CÔNG NHIỆT LUYỆN,

í

Bảng 1.1

Phàn loại các nguyên cOng nhíệt luyện, cơ nhỉệt luyện và hóa nhìệt luyện

ủ không hoàn toàn

Nung thép tổi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn AC| (hay dường PSK) gỉữ nhỉệt và sau đó làm nguội chậm.

Để làm tổt hơn khả năng gia cổng cắt gọt của thép.

ủ cầu hóa xementíl

Nung thép lẽn nhíệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn AC| một chứt ١ giữ ở nhíệl độ này, làm nguộí dến

6 5 0 0 ﺀل (cứ như thế nhíều lần) rồi sau đó làm nguội ngoài khổng khi.

Làm giảm độ ctíng và cải thiện tinh gia công cắt gọt của thép dụng c iỊ.th é p ổ b i

ử đẳng nhiệt Nung thép tới nhiệt độ cao hơn nhiệt độ Ac ١ (hay

Acj ) ١ gỉữ nhíệt, làm nguội tởi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ A) một chUt giữ ة nhiệt độ này dể chuyển biến hoàn loàn rổi làm nguội ở khồng khl.

Để cải thíện tinh gia cổng cắt gọt của thép hợp kim, rứt ngắn thơ، gian ٠ khử ứng suất bên trong.

(tiếp Ηοίηξ 1 Λ )

ủ thấp Nung thép tới nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ kết tỉnh

lại ١ giữ nhiệt rồi làm nguội tiếp theo.

Giảm độ cứng, giảm ứng suất bên trong.

ủ

khuếch tán

Nung thép lới nhiệt độ cao hơn nhiệt độ Ac ١ hay

Ac ،.٠١١ (1050 - 1100 ٠ 'C), giữ lâu ở nhiệt độ này rổi làm nguội cùng với lò tới nhiệt độ quy định.

Để khắc phục sự không đồng đều về thành phần hóa học (thiên tích trong thép hợp kim).

ủ kết tinh lại

Nung thép đã bị biến dạng tới nhiột độ cao hơn nhiệt độ kết linh lại (thấp hơn nhiệt độ tới hạn), giữ nhiệt rồi làm nguội tiếp theo.

Giảm độ cứng, tăng khả năng biến dạng dẻo nguội cùa thép.

Thường hóa

Nung thép lên nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tới hạn Ac ٩

(Ac ٠ „j, giữ nhiệt rồi ỉàm nguội ngoài không khí.

Làm nhỏ hạt, phá vở mạng xêmentil (cácbít) để liếp tục nhiệt luyện tiếp theo.

Tôi trong 1

nriôi trường

Nung thép tới nhiệt độ cao hơn nhiệt đô Ac ١ (đối với thép trước cùng tích, cùng tích) hay là AC| (đối với thép sau cùng tích) giữ nhiệt rổi làm nguôi với tốc độ lốn hơn tốc độ nguội tới hạn.

Nâng cao độ cứng, độ bẻn và khả năng chống mài mòn.

Tôi trong 2

môi trường

Chi tiết được làm nguội trong nước, sau đó chuyển qua dầu hay không khí đé chuyển biến máctenxit xảy ra trong điều kiện nguội chậm.

Nâng cao độ cứng, độ bền, giảm ứng suất bẽn trong.

Tôi phân cấp

Làm nguội nhanh trong vùng chuyển biến peclit bằng cách làm nguội trong muối nóng chảy, giữ một thời gian ngắn ở nhiột độ cao hơn nhiệt độ chuyển biến M،| một chút, giữ một ihờỉ gian sao cho không xảy ra phân hủy γ và sau đó làm nguội ngoài không khí.

Nâng cao độ cứng và độ bển, giảm ứng suất bên trong, ngăn ngừa ứng suất và vết nứt tạo nên khi lôi.

Tôi bộ phận

Tôi các phẩn cùa chi tiết tại những bộ phận cán có

độ cứng, độ bén và lính chống mài mòn cao trong khi đó các phẩn còn lại vẫn giữ được độ đèo dai cao.

Tạo độ cứng cao cho những nơi cần thiết và giữ độ dẻo dai cao cho các phần còn lại.

Tôi sáng

Nung chi tiết trong môi trường khí bảo vệ và làm nguôi trong muối nóng chảy.

Nâng cao độ cứng, độ bền khả năng chống oxi hóa, thoát cacbon

bổ mật, giữ bề mặt sạch đẹp.

Tôi bẻ mặt

Nung nóng bề mặt chi tiết bằng dòng điện tần số' cao hay ngọn lừa đèn xì lớp lõi sau khi được làm nguội vãn không được lôi.

Tạo được độ bẻn, độ cứng và tính chống mài mòn cao ở lớp

bề mặt trong khi đó lõi vản dẻo dai.

(ỉiềp bàng ỉ 1)

Ram thấp

Nung thép đã tôi lên tới 120 - 250 ؛ c giữ nhiệt rổi ٠

làm nguội Ram ở 100 - I20 ؛c được gọi là hóa già ٠

Giảm ứng suất bên trong mà vẫn giữ được độ cứng và tính chống mài mòn cao.

Ram cao

Nung thép đã tổi tói 450 - 650 ٠١ c ١ giữ nhiệt rồi làm nguội Tồi và ram cao được gọi là nhiệt luyện hóa lốt.

Chi tiết không chỉ có độ bền cao mà khả năng chống tải trọng va đập cũng cao (cơ tính lổng hợp cao).

Gia công lạnh

Làm nguội thép đã lôi tới gần nhiột độ Mị، ١ giữ nhiệt rồi nâng chậm tới nhiệt độ trong phòng.

Khử Ỵ dư để ổn định kích thước, nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn.

Thấm c

Nung thép trong môi trường chứa c hoạt tính (ở thể rắn lỏng, khí) trong vùng nhiệt độ chuyển biến hay nhíột độ cao, giữ lâu ở nhiệt độ này, sau đó làm nguội nhanh hay chậm.

Quá bão hòa c ở lớp bề mặt thép Sau khi nhiệt luyện, lớp bề mật giữ được độ cứng, độ bền cao trong khi đó văn dẻo.

Thấm N

Nung thép trong môi trường chứa N hoạt tính ở

nhiệt độ thích hợp giữ I ٥ u ở nhiệt độ này rồi làm nguội nhanh hay chậm.

Quá bão hòa N ở lớp bể mặt thép Nâng cao đô cứng, khả năng chống mài mòn làm tốt khả năng cắt gọt, khả năng chịu mỏi.

Thấm Cvà N

Nung thép trong môi trường chứa c và N hoạt lính ở thể rắn lỏng, khí lới nhiệt độ thích hợp giữ iâu ở nhiệt độ này rồi làm nguội nhanh hay chậm.

Quá bão hòa lớp bề mặt thép đồng thời c và N Nâng cao độ cứng, khả năng chống mài mòn làm tốt khả năng cắt gọt.

Thấm

kim loại

Nung thép trong môi trường liếp xúc vối kim loại lới nhiệt độ cao để quá bão hòa bể mặt thép bằng

Al ١ Cr ١ Si hay các nguyên lố kim loại khác.

Tạo cho thép tính chất cơ lý hóa dặc biệt (bén nóng, bền vững chống ãn mòn, chống òxi hóa .).

Cơ nhiệt luyện

Kết hợp giữa biến dạng dẻo (ở nhiệt độ thấp hoặc cao hơn nhiệt độ kết tinh lại) và nhiệt luyện (tôi và ram)

Tạo cho thép các lính chất tốt hơn nhiều so với trường hợp chĩ biến dạng dẻo hoặc nhiệt luyện.

Chương 2

CÁC SỐ LIỆU CHUNG VỀ THÉP

Thép và gang là các hợp kim trên cơ sờ sắt và cacbon, chứng giữ vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp và dời sống: để chế tạo máy móc, dụng cụ, xây dựng nhà cửa, cầu cống, tàu biển, ô tồ, dường sắt , trong các dụng cụ gia dinh ChUng chỉếm tới 90% tổng khối lư ơ g vật líệu kim loại dược sử dụng bờỉ các tinh chất quý gỉá, da dạng và c-ững' bờí trữ lư ^ g quặng sắt rất phong phú trong vỏ trá؛ dất (5,1% trọng lư ơ g vỏ tráí dất)

Dã từ lãu sắt và hợp kỉm của nó dược con người nghiên cứu sử dụng Với những cồng nghệ t؛èn tiến ngườỉ ta dã tạo ra các loạỉ thép hợp kim da dạng có những tinh chất quỷ gíá Trong dó nhiệt luyện là cổng nghệ cơ sở và qhan trọng cần phải xét dến khi nghiẽn cứu, chế tạo và sử dụng chúng

Giáo trinh cồng nghệ nhiệt luyện là xét chung cho toàn bộ các kim loại, hợp kim và một

số vật lỉệu ph؛ kim nhưng chinh vl sắt thép chíếm khối lươìg lớn và có vị tri rất quan trọng nên

Giản dồ pha hệ Fe - c có vị tri quan trọng trong kim loại học, nó dược xãy dựng từ

những năm cuốỉ thế kỷ 19 - dầu thế kỷ 20؛ nhưng là cơ sờ cho sự ra dơỉ của mồn kim loạí học, là cơ sỏ dể phần tích các chuyến biến pha, các tổ chức của cấc hợp kim phổ biến nhất trong cồng nghíệp ỉà thép và gang Cấc quy luật thay dổi tổ chức và tinh chất của nó cUng là quy luật chung cho nhỉều hợp kim khắc

Hinh 2 Ĩ, Sự phụ thuộc cùa năng tượng tự d F

của mạng tập phương- thể tàm, lạp p.hương diện

tầm và pha lỏng của sắt vào nhiệt độ.

Hìtih 2.2 Sự phụ thuộc của thể tích riêng

của mạng lập phương thể tầm

lập pỉiương diện lầm của sắt vào nh؛ệl độ.

Dặc trưng cơ bản của giản dồ Fe - c là do tinh thù hình của sắt sắt có 2 kỉểu mạng tinh

ký hiệu là y-Fe còn ngoài khoảng đó: dưới 91 l c và từ 1392 1539.C (nhiệt độ chảy) sắt có

sắt được ký hiệu là Ỗ-Fe Đường cong phụ thuộc của năng lượng tự do F vào nhiệt độ của các dạng thù hình của sắt nêu trên hình 2 1

Từ hình 2.2 cho thấy rằng a-Fe và Ô-Fe có cùng kiểu mạng còn y-Fe có kiểu mạng riêng Khi chuyển từ a-Fe sang y-Fe thể tích riêng của sắt giảm xuống vì y-Fe có mật độ mạng lớn hơn (số phối trí của mạng lập phương thể tâm là^s còn của mạng lập phương diện tâm là 12 - mạng lập phương thể tâm có mật độ mạng là 68% còn mạng lập phương diện tâm có mật độ mạng là 74%)

Về mặt chuyển biến thù hình của sắt khi táng nhiệt độ ta đã bỏ qua P-Fe Cuối thế kỷ

19 khi nghiên cứu sắt bằng phương pháp phân tích nhiệt, trên đường làm nguội ở lân cận 768.C người ta phát hiện ra hiệu ứng nhiệt; điều đó cho giả thiết là có chuyển biến thù hình của a-Fe thành P-Fe (hay ngược lại) Nhưng khi nghiên cứu bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen cho thấy rằng a-Fe và p-Fe có cùng kiểu mạng tinh thể là mạng lập phương thể

sang trạng thái không có từ tính, xảy ra trong một khoảng nhiệt độ rất hẹp dưới 768.C , do

đó 768.C được gọi là điểm Curie của a-Fe

'N

1 1

1 1٠G

y / y * X e j i

1 1 iy+Xe٥ +( ĩ Xe) ị <Y+ X e ) +٠'٥r

' p ٠

1

1 ' ' 1 1

1 1 1

ol

1 11

1 1 1 1

1٠١

1 F+P

111

oT.؟

bày giản đồ đến 6١ 67%c١tức là ứng với hợp chất hóa học Fc3C như hình 2.3 Phần giản đồ

chính xác

thường chỉ được dùng khi khảo sát gang xám Loại thứ hai như được trình bày ở hình 2.3 là giản đồ pha hệ Fe - Fe3C chỉ là loại gần ổn định nhưng được sử dụng rộng rãi vì trong thực

tế (dù làm nguội rất chậm) cacbon trong hợp kim ở dạng FcjC chỉ trong những điếu kiện khá đặc biệt (thí dụ có thêm Si cùng với việc nung nóng và giữ nhiệt lâu) Fc3C mói trở nên không ổn định và phân hóa thành sắt và cacbon grafit

Các tọa độ (nhiệt độ và thành phần cacbon) của các điểm trên giản đồ pha trình bày ở bảng 2.1

Bảng 2 J

Điểm Nhiệt độ ‘ ١ c % c Điểm Nhiệt độ "C % c Điểm Nhiệt độ ‘ ٠ c %c

Ferit (kí hiệu là a, F , a-Fe(C)).

Ferit là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong a-Fe, có mạng tinh thể lập phương thể tâm với thông số mạng a là 2,86 A (hình 2.4a) Trong mạng lập phương thể tâm có hai loại

lỗ hổng: lỗ hổng khối 8 mặt (hình 2.4b) và lỗ hổng khối 4 mặt (hình 2.4c)

Lỗ hổng khối 8 mặt nằm giữa các mặt bên và trung tâm các cạnh của các ô cơ bản, kích

mặt của ô cơ bản và có kích thước là 0,29 Id Khả năng hòa tan của cacbon trong a-Fe

không đáng kể: lớn nhất ở 727.C là 0١02% c (điểm P) và nhỏ nhất ờ nhiệt độ thường là٥

0,006% c (điểm Q) nên có thể coi ferit trong hợp kim Fe - c tinh khiết là sắt nguyên chất

F

b)

Hinh 2.4 a) Ô mạng linh thể feril ;

b) Vị trí lỗ hổng khối 8 mặt ; c) Vị trí lỗ hổng khối 4 mặt

Trên giản đồ pha Fe - c ferit nằm trong khu vực GPQ Tổ chức tế vi của ferit giống sắt

khác (đặc biệt là Si, Mn) hòa tan vào nó thỉ độ cứng tãng lên và độ dẻo, độ dai giảm đi đáng kể

- A ustenit (kí hiệu là ỵ, A, Y~Fe (O )

Austenit là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong sắt gama (y-Fe), austenit có mạng lập phương diện tâm (hình 2.5a) thông

số mạng phụ thuộc vào hàm lượng

cabon hòa tan trong nó Trong mạng

lập phương diện tâm cũng có 2 loại lỗ

tại ở nhiệt độ cao hơn 727.C Theo lý

thuyết , cacbon có thể chiếm tất cả các

lỗ hổng trong mạng tinh thể của

austenit nghĩa là austenit có thể hòa

tan được 50% nguyên tử cacbon tương

ứng với 20% trọng lượng Thực tế thì

ngay ở 1147.C thì austenit cũng chỉ hòa tan được khoảng 5% nguyên tử, tương ứng với

2,14% trọng lượng, ở 727.C austenit chỉ hòa tan được 0,83%c.

nhiệt độ thường Austenit rất dẻo và dai, thông thường nó không tồn tại ở nhiệt độ thường, nhưng là tổ chức trung gian không thể thiếu được khi nhiệt luyện

2) Các tổ chức hai pha

Peclit (kí hiệu là p hay [F + XeJ)

727.C từ dung dịch rắn chứa 0,8%c Tùy thuộc vào hình dáng của xêmentit mà ta có peclít

b)

Hình 2.7 Tổ chức tế vi của peclit X 500

a) Dạng tấm) b) Dạng hạt.

tấm (xementit ờ dang tấm) hoặc peclit hạt (xêmentlt ỏ' dạng hạt) Trong pec!؛t có 88% ferit

0 ﻻﻵ \ 2 ٠ ا xeraewVvX.

Pectit là hỗn hợp cơ học nên tínli chít của nó là trung gian, kết hợp gíữa tinh dẻo dai

cao, tinh dẻo dai hơi tliíp Tuy nhiên cơ tinh của peclit có thể thay dổi trong phạm vi khá rộng phụ thuộc vào dgng cua peclit và độ nhỏ mịn cUa xCmentit trong dó

Lêđêburìt (kí hiệii Lê hay [ y Xe ] hay

[ ? ب X e ] )

Lêdêburỉt là hồn hợp cơ học cùng tinh kết tinh

austenit và xêmentit [ y + Xe ] (trong khoảng

1147٧C-727٠C) Khi làm nguội qua 727.C austenit

chuyển biến thành peclit, do vậy ledêburit là hỗn

hợp cha peclit và xementit [P + Xe ] Trên tổ chức

tế vi ta thấy những hạt peclit nhỏ mầu tối nổi dều

ỉêdêburit có hai plia là ferit và xêmentit trong dó

xêmentit nên ledeburit rất cứng và dồn

Hình 2.8 Tổ chức tế vi của lêdèburít

(gang trắng cùng linh) X 5 ٧ t).

2.1.3 CÁC DƯỜNC VÀ ĐIỂM TỚI HẠN

Cdc díểm chuyển biến ở trạng thái rắn của hợp kim Fe - c dược gọi là các điểm tới hạn

Đườiì^ PSK tương ứng với 727.C gọi là dường cùng tícli ở đương cUng tích có sự cãn bằng

giữa peclit và austenit tức là khi nhiệt độ cao hơn dường cUng tích thi peclit chuyển thành

Dưồng giớỉ hạn A| ứng với trương hợp cãn'bằng nghĩa là khi nung nóng và làm nguộỉ vổ cUng chậm

hợp kim nằm bên trái điểm s (%c < 0,83) gọ'i là thép trưởc cùng tích, chUng cd tổ chức là peclit + ferit Cắc hợp kim nằm bèn phải điểm S'(%c > 0,83) gọi lằ thép sau cUng tích Tổ

chức tế ví của thép sau cUng tích là peclit và xốmentỉt,.Hợp kim cd thành phần trUng vớỉ

dỉểm s là thép cUng tích và có tổ chức peclit.

giá tr! khác nliau Để phần biệt điểm giới hạn khi nung nóng và làm nguội ngườỉ ta thêm các ch! số, thi dụ Aci là díểm tới hạn Aj khi nung nóng và AT| lầ dỉểm tới hạn A| khỉlàm nguội

- A١: (768.C) là điểrn (tức nhiệt độ) chuyển biến từ của ferit Cao hơn 768.C ferit mất tính sắt từ, thấp hơn 768.C ferit có tính sắt từ.

- A3: (727- 911.C, ứng với đưòng GS trên giản đồ pha) là điểm (tức nhiệt độ) chuyển biến : bắt đầu tiết ra ferit từ austenit khi làm nguội và kết thúc hòa tan ferit vào austenit

kí hiệu tương ứng là Acj và Ar3

- A4: (1392-1499.C) là điểm (tức nhiệt độ) bắt đầu chuyển biến austenit thành ô - Fe

chuyển biến: bắt đầu tiết ra xêmentit thứ hai từ austenit khi làm nguội, kết thúc hòa tan

xementịt vào austenit khi nung nóng Điểm tới hạn A،.„, trong trường hợp nung nóng và làín

nguội cũng được kí hiệu tương ứng là Ac،.„, và Ar،„,

Để dễ xổt, ta phần làm hai phần: phần trèn của giản dồ pha Fe - c ứng với sự kết tinh từ

thái rắn (t٠< l l٠7٥C)

Khi xét quá trinh kết tinh tù trạng thấỉ lỏng, ta thấy có 3 khu vực rO rệt ứng với 3 thầnh phần cacbon khấc nhau

Khu vực có thành phần 0,1 đến 0 ,5 1 % c (có phản ứng bao tinh)

Tất cả cấc hợp kim có thành phần 0,1 dến 0 ,5 1%C khỉ kết tinh sẽ xảy ra phản ứng bao tinh:

Ỗh + Lb -> Ỵj

Lúc dẩu, khi lầm nguội dến dường lổng AB dung dịch lóng sẽ kết tinh ra dung dlch rắn

s trưởc Khi nhiệt độ xuống tới 1499.C (ứng vởi dương HB) hợp kim cổ hai pha là dung dlch

tinh tạo ra dung dlch rắn austenit chứa 0,16%C:

ﺎﻫ

ه

7->

ا

0,5

ا

+0,1

ة

Cắc hợp kim cố thằnh phần 0,'1-0,16%c sau phàn ứng bao tinh cồn thừa pha s và khỉ lầm nguội tiếp, pha nầy tỉếp tục chuyến bíến thằnh pha y Cắc hợp kim cố thầnh phần 0,16-0,51%C sau phẳn-ứng bao tinh cồn thừa pha lồng L và khỉ làm nguộí tỉếp, pha nằy tiếp tục kết tinh ra y

Khu vực hợp kim có thành phần 0,51 đến 4,3% c (kết tinh ra dung dlch rắn austenit)

Khỉ làm nguộỉ hợp kim tới dương lỏng BC nó sẽ kết tinh ra dung dịch rắn austenit Lầm nguội tỉếp tục, austenit có thành phẩn thay dổi theo đường JE Hợp kim lỏng còn lại có thầnh phần thay dổi theo dường BC

Khu vực hợp kim có thành phần 0,5! đến 2١14%c kết thúc sự kết tinh bằng sự tạo thành dung dĩch rắn austenit.

ứng vớí d؛ểm E và xêmentit:

L c T e + Xcp.

Sau khi kết tinh xong, hợp kim này có tổ chUc !à austenít + lêdèburỉt

Khu vực hợp kim có thành phần 4 ,3 % c - 6,67% c (kết tinh ra xẻmentit thứ nhất).

Khi hợp kim có thành phần 4,3% c - 6,67%c dược làm nguộỉ tới dường lỏng DC sẽ kết tinh ra xêmentit trước, xêmentit này dược gọi là xêmentĩt thứ nhất Làm nguội tiếp tục pha lỏng còn lại có thành phẩn thay dổi theo dường DC Khi nguội tới 1147.C , pha lỏng còn lại

Lc - 4 Ye + Xcp

Sau khi kết tinh xong, hợp kim này có tổ chức là lêdêburỉt + xêmentit thứ nhất

2) Phần dưới của gỉản dồ (chuyển bỉến pha ở trạng tháỉ rắn)

Phẩn dưới của giản dồ ứng với những chuyển biến ờ trạng tháí rắn Có ba chuyển-biến dáng chú ý sau dầy xuất phát từ austenit

Sự tiết ra fe r it từ aastenit

Các hợp kim có thành phần cacbon nhO hơn 0,8% khi làm nguội từ 911.C tớỉ 727.C, austenit của nó sẽ tíết ra ferit là pha ít cacbon, do vậy austenit còn lại gíàu cacbon hơn thành phần thay dổi theo dương GS Tại 727.C tổ chức của hợp kim sẽ gồm hai pha là ferit

Sự tìết ra xêm entit thứ hai từ austenit

Cấc hợp kim cố thành phần cacbon lớn hơn 0,8% khỉ lầm nguộí từ 1147.C tơi 727.C, austenit của nó bị giẳm hàm lượng cacbon theo dường ES, do vậy sẽ tiết ra xẽmentit mà ta gọi là xémentit thứ hai Cuối cù.ng ồ 727.C austenit có hằm lưctng cacbon ỉà 0,8% (ứng vơỉ điểmS)

Như vậy khỉ lầm nguội tơí 727.C trong tổ chức cùa tất cả mọi hợp kim Fe - c dểu cơ chứa austenit vơi 0,8%c.

C huyln bìến cung ttch؛ austenìt chuyền thành peclìt

Tại 727.C austenít cơ thầnh phần 0,8%c sẽ chuyển biến thằnh pecllt là hỗn hợp cUa hai

pha ferit và xèmentit:

2.1.5 TỔ CHỨC TẾ VI CỦA CÁC HỢP KIM Fe - c

1) Sơ lược về thép và gang

Người ta quy ước rằng thép là hợp kim của Fe - c có thành phần c < 2,14%, tức là loại

khi nung lên nhiệt độ nhất định (cao hơn đường GSE) có thể đạt được tổ chức hoàn toàn là austenit

Theo tổ chức tế vi và hàm lượng cacbon ta có ba loại thép;

- Thép trước cùng tích, có thành phẩn cacbon nhỏ hơn 0,8% với tổ chức là ferit và peclit: F + [F + Xe ] hay F + p

- Thép cùng tích, có thành phần cacbon là 0,8% với tổ chức là peclit [F + Xe ] hay p

- Thép sau cùng tích, có thành phần cacbon lớn hơn 0,8% với tổ chức là peclit và xêmentit thứ hai [F + Xe ] + Xe„ hay p + Xe

Theo tổ chức tế vi và hàm lượng cacbon ta có ba loại gang:

- Gang trắng trước cùng tinh, có thành phần cacbon nhỏ hơn 4,3% với tổ chức là peclit + xêmentit thứ hai + lêđêburit: p + Xe„ + Le

- Gang trắng cùng tinh, có thành phần cacbon là 4,3% với tổ chức là lêđêburit: Le hay [P + Xe ] ở t٥ < 727٠C)và [y + Xe ] ở t٥ > 727.C

- Gang trắng sau cùng tinh, có thành phần cacbon lớn hơn 4,3% với tổ chức là lêđêburit + xêmentit thứ nhất: Le + Xe

hạt màu tối là peclit Thép

càng nhiều cacbon, lượng

gang trắng cùng tinh, còn trên hình 2.11 là

tổ chức tế vi của gang trắng trước và sau

2.2 THÉP CÁC BON VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CHÚNG

Thép là hợp kim của sắt (Fe) với cacbon (C) khi hàm lượng c không vượt quá 2,14% Trcng thực tế, do điều kiện nấu luyện mà ngoài hai nguyên tố chính là Fe và c trong thép còr có các nguyên tố khác, đó là các nguyên tố thường có trong mọi loại thép với một lượìg giới hạn mà ta gọi là các tạp chất thường có như Mn, Si, p, s, các tạp chất ẩn như H,

N, o và các tạp chất ngẫu nhiên như Cr١ Ni, Cu١ Mo, Mn, Co, V, Ti Các nguyên tố kể trên vối lượng nhỏ hơn giới hạn quy định ảnh hưỏíng không đáng kể đến tổ chức và tính chất của thép.

Thành phần hóa học của thép thông thường, ngoài Fe ra được giói hạn như sau:

c < 2.14%; Mn < 0,5 - 0,8%; Si < 0,3 - 0.6%; p < 0,05 - 0,06%; s < 0,05 - 0,06%.

Mangan và silic đi vào thành phần của thép do các nguồn sau:

- Lẫn vào trong quạng sắt, do đó đi vào thành phần của gang rồi vào thép

- Khi luyện thép người ta dùng ferô mangan và ferô silic để khử ôxy, do vậy mà một phần các nguyên tố này đi vào thép

Mangan và silic là hai nguyên tố tạp chất có lợi, chúng nâng cao cơ tính của thép,do đó không đặt vấn để loại bỏ chúng trong quá trình nấu luyện

Phốt pho và lưu huỳnh cũng đi vào thành phần của gang và thép do sự tồn tại của chúng trong quặng sắt và nhiên liệu Đối với thép, cả hai nguyên tô' này đều là tạp chất có hại, do vậy trong quá trình nấu luyện phải tìm cách khử bỏ chúng

Ngoài ra, công nghiệp luyện kim sử dụng ngày càng nhiều sắt thép vụn (phế liệu), trong

đó có nhiều loại thép hợp kim, nên trong nhiêu thép cacbon thông thường vẫn có thể có một lượng nhỏ các nguyên tố hợp kim như Cr, Cu, Ni, w , Mo, Ti , chúng được coi là những tạp chất ngẫu nhiên

Trong thép cacbon thông thường cũng có hòa tan các khí nitơ, hyđrô, oxy với lượng chứa rất ít nên được gọi là tạp chất ẩn Nói chung , chúng là tạp chất có hại

2.2.2 CÁC CÁCH PHÂN LOẠI THÉP CACBON

Có nhiẻu cách để phân loại thép, nhưng thường gặp các cách sau:

1) Phân loạỉ theo chất lượng

Theo chất lượng luyện kim, tức là theo mức độ đồng nhất của thành phần hóa học, tổ

chức và tính chất của thép, đặc biệt là mức độ chứa các tạp chất có hại như p, s, người ta

phân ra các loại thép sau:

- Thép chất lượng đặc biệt cao chứa không quá 0,015%s và 0,025%p

Chất lượng của thép do phương pháp nấu luyện quyết định Phương pháp Martin (phương pháp lò bằng) có thể luyện được thép chất lượng tốt và chất lượng cạo Phương pháp L-D (thổi oxy từ đỉnh) luyện được thép có chất lượng thưòng và chất lượng tốt Phương pháp lò điện (thường là hồ quang) luyện được thép chất lượng cao, có khả nãng khử

p, Stốt

2) Phân íoạỉ the« phương pháp khử oxy

.3) Phàn loạỉ theo cOng dụng

- Thép cán nóng thòng dụng, loại này chủ yếu dùng trong xãy dựng và làm các chi tiết khổng quan trọng Nói chung loại thép này không cần qua nhiệt luyện

- Thép kết cấu, loại này thường dùng dể làm các ch؛ tiết mấy, thường phải qua nhíệt luyển

- Thép dụng cụ, chủ yếu dể làm các dụng cụ cắt gọt, biến dạng, do lường Loại này thường bắt buộc phải qua nhiệt luyện

2.2.3 Sơ LƯỢC VỂ MỘT SỐ MÁC THÉP CACBON THỔNG DỤNG VÀ CẤC ĐẶC TÍNH CỦA CHÚNG

1) Nhóm thép cán nóng thOng dụng (thép cacbon chất tượng thường)

Hiện nay chúng vân chíếm tới 80% khốỉ lượng thép dùng trong thực tế, thường dược cung cấp ờ trạng tháí cán nóng (tấm, thanh, ống, dầy, thép hlnh .) dế làm các kết cấu xày dựng như nhà, xương, cầu, cống, cốt thép bẽ tồng ., cũng cơ thể làm các chi tiết máy khớng quan trọng

Theo TCVN 1765-75 nhơm thép này dược kí hiệu bằng chữ CT (C là cacbon, T ỉà thép) với con số tiếp theo dể chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu (kG/mm2) Nhơm thép này lại chia lầm

3 phàn nhóm

- Phàn nhOm A: chỉ quy định về co tinh mả khơng quy dinh về thầnh pliần hóa học Ví dụ: CT31, CT33, CT34 (nếu là thép sơi thi thêm ch s, nếu là thép nửa lắng thl thèm chữ n

ơ dằng sau, ví dụ CT33s, CT34n .)

- Phàn nhơm B: chỉ quy định về thầnh phần hơa học mà khổng quydlnh vể co tfnh Thép

- Phan nhơm C: dưọc quy định về câ co tinh vằ thành phần hơa học Co tinh gỉống phan

dụ: CCT31s có co tinh tưong tự CTSls và thành phần tưong tự BCTSls

2) Nhóm thép kết cấu

Day là nhóm thép cacbon chất lượng tốt, lượng chứa p, s thấp hon Cụ thể s < 0,04%;

3') Nhổm thép dụng cu

Dây là nhóm ٤hép có thành phẩn c cao (0١70 ة % c) ١ thưộc loại ihép chất lượng tố t١ dược quy định chặt chẽ về thành phần hóa học, nhû't là lu٠ợng chứa s và p, được díing dể làm các dụng cụ với năng suất thấp và trung binh Theo TCVN 1822-76, nhóm tliép này dược kí hiệu bằng chữ CD (c : cacbon, D: dụng cụ) với coh số chi lượng cacbon truiìg binh theo phần

v ạ n V íd ụ : CD70٠ C D llO

4) Nhóm thép cacbon' có cớng dụng ríêng

Một số thép cacbon chuyên dùng gồm có:

Thép dường ray ذ dây thép các loại ؛ thép lá dể dặp nguội sâu ؛ thép dễ cắt ذ thép ổ lăn

5) Các dặc tinh của thép cacbon

Thép cacbon dược dùng rỌng rãi trong cOng nghiệp và dơi sống do hai ưu điểm cơ bảnsau:

- Rẻ tiền ١d ễ nấu luyện và khơng phả؛ dùng các nguyên tố hợp kim dắt tiển, dễ luyện

- Có cơ tinh nhất định (độ cứng cùa thép c sau khi tôi khồng thua kém so với thép hợp kim có lượng c tương tự), tinh công nghệ tốt (dỗ dúc, hàn rèn, d ậ p ١ kéo sợi, gia cồng cắt

g ọ t )

Tuy nhiên thép cacbon cũng có nhiều nliược diểm ١ trong dó p h ả؛ kể dến độ thấm tồi thấp do dó hiệu quả do hóa bền bằng nhiệt luyện khổng cao khả năng chiu nhiệt độ cao kém ؛ trong khi dó thép hợp kim ngoài cơ tinh sau khi nhiệt luyện cao còn có một số tinh chất dặc bíệt như chống ăn mòn, chiu nhiệt độ cao có tinh chất từ và diện dặc biệt

2.3 THÉP HỢP KIM VÀ CÁC DẶC TÍNH CỦA CHÚNG

2.3 1 THÀNH PHẦN HỎA HỌC VÀ DẶC DIỂM c ủ a THEp HỢP k i m

Thép hợp kim là các loạỉ thép mà ngoài sắt, cacbon và các nguyẽn tố tạp chất ra, người

ta còn cố ý dưa vào các nguyên tố dặc biệt với một lượng nhất định dể làm thay dổí tổ chức

và tinh chất của thép theo yèu cầu sử dụng, Các nguyèn tố hợp kim thường gặp là Cr, Nỉ,

Mn, Sí, w , V, Mo, Tỉ, Nb, Zr, Cu, B, N, với quy'định là khi: Mn < 0,8 - 1,0%؛ Si < 0,5 - 0.8%؛ Cr < 0,2 - 0,8%؛ Ni < 0,2 - 0,6%؛ w < 0,1 - 0,6%؛ Mo < 0,05 - 0,2%؛ Ti, ٧ , Nb, Zr,

Cu 0,1 ة %; B 0,002 ة % sẽ là tạp chất.

Ví dụ: thép chứa 0,8%Mn vẫn chỉ dược coi là thép cacbon (tức là Mn chỉ là tạp c h ít), chỉ khi Mn > 1% mới dược coi là thép hợp kim Trong khi dó chỉ cân có > 0,1 %Ti (hoặc

٧ ,Cu,Zr, ) hoặc > 0,002% B cUng dã dược coi là thép hợp kim

Trong thép hợp kim, lượng chú٠a các nguyên tố có hại như p, s và các khi оку, hydrO, nitơ là rất thấp so với thép cacbon So với thép cacbon, thép hợp' kim' có những dặc tinh sau:

- Vc cơ tinh: thép hợp kim nói chuíig có độ bền cao hơn hẳn so với thép cacbon, nhất !à

sau kh؛ nhiệt luyện (toi và ram) do độ thấm toi của thép hợp kim dược cải thiện rất nhiều;

tới quan hệ này dể xác dinh cơ linh cho thích hợp

CUng vơi sir tăng mức độ hợp kim hóa, tinh cOng nghệ cíia thép lại xấu di

- Vé tinh chiu nhiệt: thép cacbon có độ cứng cao sau khi toi, nhung kliOng giữ dược khi

tố hợp kim cản trơ khả năng khuếch tán của cacbon làm mactenxit phần hóa và cacbit kết tụ

ở nhiệt độ cao hơn, do dó thép hợp kim có tinh cứng nóng và tinh bền nOng cao hơn

- Về các tinh chíít vật lý và hóa học đậc hiệt: thép cacbon bị gỉ tron؟ khOng khi, bị án

khOng gí, thép có tín.h giãn nở, tínli dàn hồi, thép có từ tinh cao, thép khOng cO từ tinh Như vậy thép hợp kim là vật liệu khOng thể thiếu dược trong các ngành cOng nghiệp cUng như trong dời sống hàng ngày Nó thường dược dUng làm các chi tiết quan trọng nhất trong các diều kiện làm việc nặng

2.3.2 TÁC DỤNG CỦA NGUYÊN T ố HỢP KIM (NTHK)

1) Sự hòa tan của nguyên tố hợp kim vào sát

Một số nguyên tố hợp

khi hòa tan vầo Fe sẽ mở

rộng vùng tồn tại của y-Fe và

hạ thíp nhiệt độ chuyển biến

tại ngay ờ nhiệt độ thường;

khi nung nóng hay làm n^uội hợp kim này kliOng có chuyển biến pha Các hợp kim như vậy

dOng kin lại (liình 2.12b) mà khOiìg có khả năng tạo nẻn dung d؛ch rắn hòa tan vơ hạn và tồn tại ngay ở nhiệt độ thường

như: Cr, w Ti Mo, V, Nb, Si lại

thu hẹp vùng ổn định của y-Fe và

nâng cao nhiệt độ chuyển biến pha

ferit) có thể tồn tại từ nhiệt độ

thường đến sát đường đặc, khi nung

nóng hay làm nguội hợp kim này

không có chuyển biến pha Các hợp

kim như vậy được gọi là hợp kim

ferit Các nguyên tố bao gồm Al, Sn,

Zr tuy có khả năng hòa tan nhiều

nhưng đến thành phần hợp kim nhất định lại đóng kín lại (hình 2 12b) và không có khả năng tạo dung dịch rắn hòa tan vô hạn

tăng hàm lượng nguyên tố mở rộng vùng y, nhiệt độ tới hạn Аз giảm đi (riêng đối với c, N,

Cu thì đến giới hạn nhất định lại tăng lên) Vì vậy các nguyên tố hợp kim làm thay đổi nhiệt

độ nhiệt luyện thép

Một số giản đổ trạng thái sắt - nguyên tố hợp kim

Để thấy rõ tác dụng của nguyên tố hợp kim vơi sắt, ta hãy xét các giản đồ pha của sắt với các nguyên tố hợp kim phổ biến nhất là Cr, Ni Mn, Si

Giản đồ pha Fe - Mn (hình 2.14)

Mangan có bốn dạng thù hình tồn tại ò các khoảng nhiệt độ khác nhau: а dưới 72T.C;

1135.C -í" 1245.C y.Mn có mạng lập phương diện tâm với thông số mạng gần giống với

Mn đủ lớn thép sẽ có tổ chức thuần austenit ở nhiệt độ thường

Giản đồ pha Fe · Ni (hình 2.15)

Ni có mạng lập phương diện tâm với thông số mạng gần vói thông số mạng của y-Fe nên chúng hòa tan vô hạn vào nhau Niken làm giảm nhiệt độ tới hạn A3 Các nhiệt độ chuyển biến khi nùng nóng và khi làm nguội khác nhau rất nhiều và thực tế là giản đồ эЬа không dùng được cho cả trường hợp nung nóng và làm nguội Ví dụ với hợp kim ciứa 20%Ni khi làm nguội đến 300 -r 400.C vẫn có tổ chức là у còn khi nung nóng cũng lến khoảng nhiệt độ đó lại có tổ chức là pha a Các hợp kim Fe - Ni giầu niken trong tổ chức có

Hììih 2,14 Giản đổ pha Fe - Mn.

٠٠

10 20 30 40 50 60 7٠ ٠

Gidn đổ pha Fe - Cr (hình 2.16)

Cr có mạng lập phương thể tãm với thồng số mạng gẩn vớ؛ thồng số mạng của Ơ-Fe , là

chuyển biến thù hính A4 và A3 nhưng làm A4 gỉảm nhanh hơn؛ cuối cùng hai dỉểm này gặp nhau rồi dóng kin vUng γ ở 13%Cr Với tỷ lệ nguyên tử Fe : Cr = 1 tạo nèn pha tương ứng với cồng thức FcCr gọi là pha σ (xichma) - khổng ổn định

Q 10 100 00 50 70 50 50 40 30 0ة

.ACr (trọng ١ ưọng)

Hinh 2,16 Giản đổ pha Fe - Cr Hìnìi 2,17, G؛ản đỗ pha Fe - Si.

Gidn đồ pha Fe - Si (hình 2.17)

Si có mạng kim cương, là nguyên tố mở rộng khu vực a song chi hòa tan có hạn Ví dụ

vùng Ỵ khi có 2%Si

Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến giản đồ pha Fe ~ c

Trong thép hợp kim không thể thiếu cacbon, do vậy có thể coi thép hợp kim đơn giản nhất (loại một nguyên tố hợp kim) là hợp kim ba cấu tử: sắt ~ cacbon - nguyên tố hợp kim

đã cho Các nguyên tố hợp kim mở rộng vùng tồn tại của y-Fe sẽ mở rộng phạm vi tổn tại của austenit do đó sẽ làm giảm các nhiệt độ tôi, ủ của thép; còn các nguyên tố hợp kim thu hẹp vùng tồn tại của y-Fe sẽ thu hẹp phạm vi tồn tại của austenit do đó sẽ làm tăng các nhiệt độ tôi, ủ của thép

Khi các nguyên tố hợp kim hòa tan vào y-Fe sẽ làm mạng tinh thể bị xô lệch, do vậy làm giảm khả năng hòa tan của austenit, tức là làm giới hạn hòa tan của cacbon trong austenit giảm đi, đường SE dịch chuyển sang trái (hình 2.18) Trên hình 2.18 trình bày ảnh

trường hợp, giới hạn hòa tan của cacbon trong austenit đều giảm đi, tương ứng với đường

SE dịch chuyển sang trái

Hình 2.18 Ảnh hướng cúa Mn(a) và

Cr (b) đến phạm vi tồn tại của ausienil ircn giản đồ pha Fe - c.

Do giói hạn hòa tan của cacbon trong austenit của thép hợp kim thấp hơn so với trong thép cacbon nên trong thép hợp kim có thể gặp các trường hợp sau:

chứa lượng cacbon thấp hơn 0,8%

' Do điểm E dịch chuyển về bên trái nên

kim vẫn có tổ chức lêđêburit, chúng là tổ chức

Trong thực tế thường gặp các thép được hợp

kim hóa bằng một lượng không nhiều Mn, Ni

Ti (các nguyên tố mở rộng vùng a) ơ trạng

thái cân bằng các thép này gồm hai pha là ferit

và cacbit nhưng ferit của các thép này có cơ tính

cao hơn hẳn cơ tính của ferit của thép cacbon, vì

rằng các nguyên tố hợp kim hòa tan vào sắt ở

chúng Mức độ xô lệch càng tăng khi nồng độ

bền, độ cứng của thép tăng lên, còn độ dẻo, độ

dai giảm Hình 2.20 cho thấy ảnh hưởng của các

Ninh 2.19 Ành hưởng của NTHK

lới điểm cùng tích A| (a) và lượng chứa cacbon trong cùng lích (b).

Ta thấy rằng Mn

và Si là hai nguyên tố làm tăng rất mạnh độ cứng cũng như độ bền, nhưng đồng thời chúng cũng làm giảm mạnh độ dẻo, độ dai của ferit.Vì vậy trong thực tế, với thép hợp

lượng Mn, Si cũng chỉ được dùng trong giới hạn từ 1 đến 2% Còn Cr, Ni có mức độ hóa bển vừa phải và

6 Yo

không làm giảm mạnh độ dẻo dai nên thường được dùng trong nhiều thép hợp kim Riêng

Ni không những không làm giảm độ dẻo dai mà còn cải thiện tính chất này 'nên nó là nguyên tố hợp kim rất tốt cho các thép hợp kim.Tuy nhiên cần chú ý là Ni là nguyên tố đắt hiếm nên phải hạn chế khi sử dụng

tố tạo cacbit và các nguyên tố khống tạo cacbit (các nguyên tố graphit hóa)

Các nguyên tố hợp kim t ạ cacbit !à Ti, ٧١ w , Mo, Cr, Mn Cacblt bền vững nhất là cacbit Ti và cacbit kém bển vững nhất là cacbit Mn C acbit sắt (FcjC - xèm entit) kém bền vững hơn so với cacbit của các nguyên tố hợp kim đó nhưng bền vững hơn so vớỉ cacblt Mn.

Khi hàm lượng của các nguyên tố hợp kim khổng lớn chúng sẽ hòa tan vằo xẽm entit hay ferit Khi hòa tan vào xẻmentit chUng sẽ tạo thành xêmentit hợp kỉm với cồng thức chung 'là (Fe,M e)3C trong dó Me là nguyén tố hợp kim ٧ dụ: nếu xêm entit hOa tan Mn sẽ ؛tạo ra (Fe,M n)3C hay hòa tan Cr sẽ tạo ra (Fe,Cr)3C

Khi hàm lượng các nguyên tố hợp kim đủ lớn trong thép chUng sẽ tạo ra các cacbít dơn giản như Cr7C3١ Mo2C١ W2C ٧ ١ C١ TiC và các cacbit phức tạp như Fe2W2C١ Fc2M0 2C .Trong thành phần của thép, hàm lượng nguyên tố hợp k ؛m thương khổng lớn vì thế thường gặp các pha cacblt là xêm entit hợp kim hay là hỗn hợp của các loạỉ cacbỉt dặc biệt.Tất cả các cacbit dều rất cứng (HRC = 70 - 75) và bền vững ồ nhiệt độ cao (Cr?C3 ờ 1700٥C١T ÌC Ờ 3200٥C )

Các nguyên tố khOng tạo cacbit là Si, Al, Cu, Ni, Co Trong thép các nguyên tố này nằm trong dung dịch rắn (trong ferit hay austenit) Các nguyẻn tố này khồng những khồng tạo cacbit mà còn làm giảm độ bền vững của các loại cacbit khác Ảnh hương dặc biệt của các nguyẻn tố hợp kim này là làm giảm sự bền vững của xêmentít, tao d ؛ếu kíện dế xêmentit phãn hủy thành Ferit và cacbon tự do (tức là tạo khả năng dể graphit hóa) Chinh

vì vậy mà chUng thường dược gọi là các nguyên tố graphit hóa Anh hương mạnh nhất tới sự graphit hóa là Si và yếu nhất là Co

2.3.3 PHÂN LOẠI THÉP HỢP KIM

Cố thể có các phương pháp phần loạỉ thép hợp kim chủ yếu sau:

1) Phàn loại theo tổ chức tê' vỉ

Thương' phần loạỉ thép hợp kim theo tổ chức ờ trạng thái cần bằng v à-sau khi thương hơa

- Phàn loạ؛ theo tổ chức ơ trạng thắi cần 'bằng:

+ Thép trước cùng tích, vơi tổ chức là ferit và peclit

+ Thdp cUng tích, vớỉ tổ chức ỉà peclít

+ Thdp sau cUng tích vơi tổ chức ngoằi peclít còn cơ cacbít thứ hai

+ Thép lẽdèbur؛t, vơi tố chức cơ cUng tinh lédốburit

+ Thép austenít vơi tổ chức thuần nhất austenit (do dược hợp kim hơa vơỉ l ư ơ g lơn nguyèn tố mờ rộng vUng y)

+ Thép ferit với tổ chức thuần ferit (do dược hợp kim hóa với lượng lớn nguyồn tố

mở rộng vUng a )

Ngoài ra còn có loại thép nửa ferit hay nửa austenit là loại chuyển biến y - Fe ^ a - Fe xảy ra không hoàn toàn.

c)

Hinh 2.21 Đường cong chữ "C" của các loại thép.

Fe

Hình 2.22 Giản đổ pha Fe - NTHK khi

tạo tổ chức nửa austenit và nừa feril.

Phăn loại theo tổ chức ở trạng thái thường hóa

Theo tổ chức tạo thành sau khi làm nguội trong không khí tĩnh (thường hóa) các mẫu nhỏ (đưòng kính 25mm) có thể chia làm ba loại thép cơ bản sau:

+ Thép peclit là loại thép hợp kim thấp nên tính ổn định của austenit chưa lớn lắm, do vậy khi nguội trong không khí tĩnh austenit sẽ phân hóa thành peclit

+ Thép mactenxit là loại thép hợp kim trung bình và cao, có tính ổn định của austenit quá nguội lớn đến mức làm nguội trong không khí tĩnh cũng nhận được tổ chức mactenxit

+ Thép austenit là loại thép hợp kim cao (với Mn, Ni), sau khi làm nguội ngoài không khí vẫn giữ được tổ chức austenit

2) P h ản loạỉ theo tén nguyên tỏ họp kỉm

Cách phân loại này dựa vào tên nguyên to' hợp kim chinh của thép Vi' dụ thép có chứa

Cr dược gọi là thép crOm؛ thép có chứa c٢ ١ Mn dược gọi là thép crOm - mangan

3) P h ản ا0؟أ theo tổng lượng các nguyén tố hợp kỉm

+ Thép hợp kim thấp là loại có tổng lượng các nguyên tố hợp kim nhỏ hơn 2,5%

+ Thép hợp kim tiu n g binh là loại có tổng lượng các nguyên tố hợp kim từ 2 ١5% dến 1 0%

+ Thép hợp kim cao là loại có tổng lượng các nguyẽn tố hợp kim cao hơn 10%

4) P h â n loạỉ theo cOng dụng

Dây là cách phân loại chủ yếu Theo cOng dụng cụ thể, có thể phân chia thép hợp kim

ra làm ba nlìóm

kết cấu kim loại Yêu cầu chủ yếu dốỉ vớ؛ nhóm thép này là chiu dược tải trọng lớn do dó cần độ bền cao, tinh dẻo, dai tốt Nhóm thép này thương có lượng cacbon thấp và trung binh

và là loại thép hợp kim thấp

khuOn dập, dụng cụ do Yêu cầu chủ yê'u dối với nhOm thép này là độ cứng và tinh chống mài mòn cao NhOm này thường có hàm lượng cacbon cao

+ T h ép hợp kim đ ặ c h iệ t là nhóm thép có tinh chất vật lý và hóa học dặc biệt, ví dụ có tinh chống ăn mòn cao, làm víệc ở nhiệt độ cao, có tinh dẫn nở vl nhiệt dặc bỉệt ٥ ặc điểm của nhóm thép này là có tổng lượng các nguyên tố hợp kim rất cao với lượng cacbon hoặc là rất thấp, hoặc là rất cao

Nhơ cách phần loại như vậy có thể biết dược cách sử dụng thép vào các mục dích khác nhau

Chương 3

CHUYỂN BIẾN PHA TRONG THÉP KHI NUNG NÓNG

Bất kỳ nguyên công nhiệt luyện nào cũng gồm có các bước cơ bản là nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội mà nung nóng là bước đầu tiên Nung nóng có thể thực hiện bằng các phươn g pháp :

1 N ung nóng bằng nguồn nhiệt ngoài như nung nóng trong môi trưòng khí, nung nóng trong kim loại nóng chảy hay muối nóng chảy

2 N ung nóng bằng nguồn nhiệt sinh ra ngay trong bản thân kim loại: nung nóng tiếp xúc, n u n g nóng bằng dòng điện tần số cao

Đặc trưng quan trọng của giai đoạn nung nóng là nhiệt độ nung và tốc độ nung Khi nung nóng bằng nguồn nhiệt ngoài cần phân biệt tốc độ nung thực tế và tốc độ nuhg cho phép

- T ốc độ nung thực tế là tốc độ nung mà các thiết bị có thể đạt được, nó phụ thuộc vào môi trường nung (không khí, kim loại nóng chảy, muối nóng chảy), chế độ nung, cách xếp chi tiết tro n g khoảng không làm việc của lò, trọng lượng mẻ nung

- T ốc độ nung cho phép phụ thuộc vào kết cấu và năng suất của thiết bị nung (lò nung, khả nàng truyền nhiệt, nhiệt độ ban đầu, khoảng không gian làm việc, khối lượng mẻ nung, cách sắp xếp chi tiết trong lò ), đồng thời cũng phụ thuộc vào thành phần hóa học của thép, phương pháp chế tạo chi tiết (đúc, biến dạng) ứng suất dư, pha, hình dáng, trọng lượng của chi tiế t được nung

Mỗi vật liệu khi được nung nóng đều có những điểm đặc trưng riêng Như trên đã trình bày thép là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất và khi xét các chuyển biến xảy ra trong thép khi nhiệt luyện: nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội ta luôn thấy nét chung nhất của các chuyển biến ứng với các vật liệu nói chung Vì vậy giáo trình này trình bày trưồmg hợp điển hình nhất là các chuyển biến xảy ra khi nhiệt luyện thép các bon

Từ giản đổ pha Fe - c ta biết rằng khi nung thép đến nhiệt độ cao hơn đường GSE sẽ có chuyển biến cíia F + p -» y (với thép trước cùng tích), p y (với thép cùng tích), p+ Xe.i

Y (thép sau \cùng tích), để đơn giản ta xét với thép cùng tích, tức là chuyển biến cùa peclit thành a u s è e n it

3.1 CHUYỂN BIẾN PECLIT THÀNH AƯSTENIT KHI NUNG

Khi nung nóng thép cùng tích đến nhiệt độ trên AC| peclit sẽ chuyển thành austenit Chuyển biến peclit thành austenit là chuyển biến khuếch tán vì tổ chức ban đầu là hỗn hợp

của hai pha có thành phần cacbon rất khác nhau chuyển thành dung dịch rắn có thành phán tương đối đồng nhất Như vậy khi chuyển biến phải có sự khuếch tán của cacbon từ vùng có nồng độ cao (xêm entit) sang vùng có nồng độ thấp (ferit) Quá trình khuếch tán này đòi hỏi phải có thời gian nên chuyển biến xảy ra trong một khoảng thời gian nhất định.

Chuyển biến peclit thành austenit tương tự quá trình kết tinh, tức là gồm các giai đoạn sinh mầm và phát triển mầm Tốc độ của quá trình chuyển biến phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng tự do của trạng thái ban đầu (P) và trạng thái cuối (A) cũng như khả năng khuếch tán của cacbon

Xét sự thay đổi năng lượng tự do của peclit

và austenit theo nhiệt độ trình bày ở hình 3.1

thấy rằng: nhiệt độ càng cao so với A| thì sự

chênh lệch năng lượng giữa peclit và austenit

càng lớn, do đó chuyển biến xảy ra càng nhanh

٠

Mặt khác khi nhiệt độ càng cao, khả năng

khuếch tán của cacbon càng nhanh Qua phân

tích ta thấy rằng khi tăng nhiệt độ (tăng độ quá

nung AT = T„ ٠ A |) cả hai yếu tố: chênh lệch

năng lượng tự do (AF) và khuếch tán (D) đều có

tác dụng làm tăng tốc độ chuyển biến

Chúng ta biết rằng sau khi chuyển biến

peclit thành austenit ugay cả đối với thép cùng

tích (tổ chức hoàn toàn là peclit) vẫn còn lại một

lượng xêm entit chưa hòa tan, vì thế tiếp sau giai đoạn chuyển biến peclit thành autenit là giai đoạn hòa tan xêm entit (cacbit) và làm đồng đều hóa thành phần austenit

Hình 3.1 Sụ thay đổi nẫng lượng tự do của

peclit và au.stenit theo nhiột độ.

3.1.1 sự TẠO THÀNH AUSTENIT (C ơ CHẾ CHUYỂN BIẾN)

Chuyển biến peclit thành autenit tương tự quá trình kết tinh; nó gồm hai giai đoạn: sinh mầm và lớn lên của mầm

1) Sự sinh mẩm

Lý thuyết về sự kết tinh cho

thấy rằng có hai hình thức sinh

mầm: mầm tự sinh và mầm được tạo

trên nển có sẵn (mầm ký sinh)

Các mầm austenit được tạo

thành ở bề mặt ranh giới giữa ferit

và xêm entit (hình 3.2) Số lượng

mầm phụ thuộc vào tổng sô' bề mặt

ranh giới giữa íerit-xêm entit, tức là

phụ thuộc vào độ nhỏ mịn của hạt

peclit ban đầu Peclit càng nhỏ mịn,

tổng số bể m ặt ranh giói giữa ferit -

xêm entit càng nhiểu dẫn tới số

lượng mầm austenit được tạo thành

càng nhiều

AasiBnH

f Ferit Xêmentít Austenit

Hình 3.2 Sự tạo thành các mầm austenit

a) Peclit tấm ', b) Peclit hạt.

Ngoài ra số lượng mầm

austenit được tạo thành còn

phụ thuộc vào nhiệt độ nung

Nhiệt độ nung càng cao, số

lượng mầm austenit được tạo

thành càng nhiều Bằng thực

nghiêm Blanter cho thấy rằng

khi tăng độ quá nung từ I7٥

lên 77٥ tốc độ sinh mầm tăng

26 lần

Mầm austenit hình thành

đồng thời tiếp xúc với cả ferit

và xêm entit Nồng độ cacbon

ranh giới A /F và A/Xe khác

nhau rõ rệt Nồng độ cacbon ở các mặt ranh giới A/F và A/Xe phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt

độ càng cao, sự khác nhau về nồng độ cacbon ở mặt ranh giới càng lớn

2) Sự lớn lên của m ầm

Sau khí tạo thành, mầm austenit tiếp tục phát triển Thành phần của austenit lúc mới

tạ o th àn h chưa đồng rihất, tức là trong nó còn có sự chênh lệch về nồng độ N hững

m ầm a u ste n it mới được tạo thành tiếp xúc với cả ferit và xêm entit N ồng độ cacbon ờ

các m ặt tiếp xúc có thể xác định nhờ giản đồ pha Fe-C (hình 3.3b) Từ hình 3.3b ta thấy rằng nồng độ cacbon ở các mặt tiếp xúc khác nhau rõ rệt: nồng độ cacbon ở các mặt ranh giới A /F và A/Xe phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ càng cao sự khác nhau vể nồng độ cacbon ở các mặt ranh giới càng lớn Ví dụ, ở nhiệt độ "t" nồng độ cacbon ờ các mặt ranh

giới là c٨,p và C a / x ; à nhiệt độ "t|" cao hơn "t", nồng độ cacbon ờ các mặt ranh giới có giá trị tương ứng là

C A /F C|A/Xe■

Khi phát triển, ranh giới hạt austenit di chuyển cả về phía ferit và xêmentit Do có sự chênh lệch về nồng

độ eacbon cao nên ranh giới austenit

di chuyển về phía ferit nhanh hơn

Do vậy khi hạt austenit đã chiếm hết diện tích trước đây là ferit thì vẫn còn lại một lượng xementit

Tốc độ lớn lên của hạt austenit phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ nung, tổ chức ban đầu

Hinh 3.4 Sự phụ thuộc của lốc độ phát triển hạt

austenit vào tổ chức ban đầu và nhiệt độ.

thành phần hỏa học Khi tẫng nhiệt độ nung từ 730.C đến 840.C, tốc độ phát tr ؛ển tầng lên khoảng 82 lần Sự phụ thuộc của tổc độ phát triển hạt austenít vào nhiệt độ và mức độ nhỏ

m ؛n của tổ chức ban dầu dược trinh bày ờ hình 3.4

3) C ảc y ế ũ 'tố ận h hưởng dến tốc độ tạo th à n h a u s te n ít

+ T ổ chứ c h a n d ầ u : Đối với một loạí thép nhất

định, tổ chức nhỏ mịn sẽ lầm tấng số lượng bề mặt

ranh gíới giữa ferit và xêm entit tức là làm tăng những

chỗ cố thể tạo thầnh mầm, như vậy sẽ làm tãng tốc độ

tr n g thếp, tốc độ chuyển biến pecllt thhnh austenlt

cững tẫng vl khỉ tãng hàm lượng cacbon, số l ư ơ g các

phần tử cacbít cQng tâng D số lượng các phần tử

cacblt tâng, nến tổng chiều dài ranh giới ferit-

Xêmemtit cUng tăng, mặt khác quãng dương khuếch

tán lại gỉảm Hai yếu tố trên dều cố tắc dụng làm tẫng

tốc độ chuyển biến Ành hường cUa hầm lượng cacbcn

đển tơ'c độ chuyển bỉến dược trinh bầy ở hình 3.5

Từ hình 3.5 c h thấy khi tẫng hàm lượng cacbon

thi thời ^ ia n chuyển biến sẽ giảm di khoảng 50% Ví dụ ở 740.C khi hầm lượng cacbon là 0,46% thl τ٥5 = 7 phUt, khi hầm lượng cacbon là 0,85%, τ 0 5 = 3 ph-út 40 gỉãy và khi hàm lượng Cacbon lầ 1,35% , τ٠ 5 = 1 phUt 40 giãy

chuyổn biến peclit thằnh austenlt Cắc nguyẽn tố khộng tạo cacbit (kể cả Mn) sẽ lầm nhanh quầ trinh chuyến biến Hầu hết các nguyôn tổ hợp kim tạo cacbít dều lầm tẵng điếm tới hạn, tức là lầm giảm độ quá nhỉệt ΔΤ khi nung, nên cUng lầm chậm chuyển biến Dắng chU ý là ảnh hương của Cr Khi hầm lượng Cr lầ 2 - 6% sẽ lầm chậm chuyến bié'n vì tạo thành cacbit

t ư ơ g dối ổn djnh (Fe,Cr)jC và (Cr,Fe)7Cj Những cacbit này khi nung khơ hòa tan hơn xémentit Tiếp tục tâng hàm lượng Cr dến 11% lại lầm nhanh chuyển biến do tạo thầnh cacbít (Cr,F٠)2jC، chứa ít cacbon hơn hai loại cacbit trôn và СггзС، dê hơa tan hơn (MjC) hay M7C3 n٥n làm nhanh chuyổn biến peclít thhnh austenit

Ngoằi ra càc'nguyén tố hơp kim cơn lầm chậm sự khuếch tắn của cacbon trong thổp mà tốc độ phắt trỉổn của cắc mắ.rn austenlt lại phụ thuộc chU yếu vầo t٥c độ khuếch tắn cùa cacbon

3.1.2 SỰ HỎA TA N C A C B IT

Sau khi tạo thằnh, hạt austenit sS phất triển Sự phất triển hạt austenit thực hiện bàng cắch mơ rộng biên.giơỉ hạt cả vể phía ferit và xémentỉ.t Do tốc độ di chuyển VỂ phfa ferit nhanh hơn nốn ngay sau khi chuyển biến, xong vẵn cơn lại m ột lượng xèm entit chưa hơa tan ngay cà trong thép cUng tích

Để những xêm entit (cacbit) nằy hòa tan hết vào ausíenit cần phải tăng nhiệt độ hay kéo dài thời gian giữ ở nhiệt độ đã cho Việc hòa tan xêm entit (cacbit) vào austenit sẽ làm cho hàm lượng cacbon và nguyên tố hợp kim trọng austenit táng lên.Vấn đề hòa tan cacbit trong thép hợp kim lại càng quan trọng.

١2.0)

Z ửúngDỈnĩí Lương chứa

trong thép

؟0UJ

u.

Hình 3.Ố Sơ đổ phân bô' các nguyôn tố hợp kim

trong ferit và cacbìt.

a) Các nguyên tố hợp kim tạo ca c b ỉt;

b) Các ngụyên tố hợp kim không tạo cacbit.

Sự phân bố các nguyên tố hợp kim giữa các

pha ferit và cacbit là rất khác nhau như trình ^

bày trên sơ đồ ở hình 3.6 Các nguyên tố tạo ٠٠

cacbit như vonfram m ôlipđen.vanađi chủ yếu

nằm trong pha cacbit, hàm lượng của chúng

trong ferit rất nhỏ (hình 3.6a) Ngược lại những

nguyên tố không tạo cacbit và những nguyên tố

tạo cacbit yếu hơn như crôm , mangan thì chủ

yếu tập trung trong ferit, còn trong cacbit rất ít

(hình 3.6b) Vì vậy để tận dụng được các

nguyên tố; hợp kim có trong thép sau khi

austenit hình thành phải tạo điều kiện để cacbit

hợp kim hòa tan vào austenit

3.1.3 SỰĐỒNG ĐỀU HÓA AUSTENIT

Do đặc điểm của chuyển biến là từ hỗn hợp hai pha có nồng độ cacbon rất khác nhau chuyển thành một pha có thành phần cacbon tương đối đổng nhất nên sau khi hình thành austenit có thành phần chưa đồng nhất Mặt khác do sự phân bố của các nguyên tố hợp kim giữa ferit và cacbit rất khác nhau nên sau khi cacbit hòa tan cần có thời gian để san bằng thành phần hóa học của austenit

Đối với thép cacbon ta thấy nồng độ cacbon trong austenit nằm trong một phạm vi khá rộng, giới hạn bởi các đường GS và SE trên giảh

đ Ồ p h a P e - C (hình 3.7) Từ hình 3.7 thấy rằng ٠

nếu nhiệt độ nung là "t|" hàm lượng cacbon nhỏ ả؛

nhất trong austenit ứng với điểm "a" và lớn nhất ?

ứng VỚI điểm "b" ở nhiệt độ tj > t| các nồng độ * ؛٠

tương ứng vói điểm "c" và "d" Từ đó cho thấy

nếu nhiệt độ nung càng cao, do sự chuyển biến

xảy ra càng nhanh nên sự không đổng nhất

thành phần trong austenit càng lớn

Để cho austenit có thành phần đồng nhất

phải có đủ thời gian cho cacbon và các nguyên

tố hợp kim khuếch tán từ vùng có nồng độ cao

sang vùng có nồng độ thấp Khi nhiệt độ tăng,

do tốc độ khuếch tán tăng nên quá trình đồng

đều thành phần của austenit xảy ra nhanh hơn

Hình 3.7 Thành phần cacbon trong austenit

khi nung đến các nhiệt độ khác nhau.

hơn AC| trên bề m ặt

ranh giới ferit và

xêm entit xuất hiện

mầm austenit là quá

trình hòa tan xêmentit

(hay cacbit với thép hợp kim) Khi xêm entit hòa tan hết, ta nhận được tổ chức một pha austenit nhưng có thành phần chưa đồng nhất Để đồng đểu hóa thành phần phải tãng nhiệt

độ hay kéo dài thời gian giữ ở nhiệt độ đã cho ( ở nhiệt độ > ACị).

3.2 ĐỘNG HỌC CHUYỂN BIẼN

Động học chuyển biến nghiên cứu mối quan hệ giữa lượng chuyển biến vối thời gian chuyển biến Có thể nghiên cứu động học chuyển biến trong trường hợp nung liên tục và nung đẳng nhiệt

3.2.1 ĐỘNG HỌC CHUYỂN BIẾN k h i n u n g ĐẲNG NHIỆT

Để có thể nghiên cứu trong điểu kiện đẳng nhiệt, người ta dùng mẫu có kích thước nhỏ nung trong môi trường có khả năng nung nóng nhanh như muối hay chì nóng chảy hoặc cho dòng điện trực tiếp qua mẫu nghiên cứu Do quá trình nung nóng rất nhanh nên m ột cách gần đúng có thể coi là trong thời gian nung nóng, chuyển biến chưa xảy ra

Mối liên quan giữa lượng chuyển biến và thời gian chuyển biến được biểu diễn bằng phương trình Johnson - M ehl Khi viết phương trình này, ta dựa vào các giả thiết sau:

- Tốc độ sinh mầm (v) và tốc độ phát triển mầm (G) không thay đổi theo thời gian

- V iệc tạo mầm có tính ngẫu nhiên Trong chuyển biến p -> Y do vị trí tạo mầm rất nhiều và phân tán nên có thể coi như sự tạo mầm xảy ra trong toàn bộ thể tích

- Sản phẩm tạo thành có dạng hình cầu

Khi những điều kiện trên được thoả mãn, ta có thể dùng phương trình Johnson - Mehl

để vẽ đường cong động học của chuyển biến

Phương trình Johnson - Mehl có dạng

X ٠ thời gian chuyển biến

Như đã giả thiết Nv và G là hằng số nên f(t) chỉ phụ thuộc vào T Biểu diễn phương trình Johnson - Mehl trong tọa độ f(x) - X nhận được đường cong động học của chuyển biến

Hinh 3.9 Đường cong động học

của chuyển biến.

٠ OA - giai đoạn chưa chuyển biến ٠ gọi là

giai đoạn chuẩn bị;

chuyển biến với tốc độ tăng dần;

chuyển biến với tốc độ lớn nhất và

hầu như không đổi;

- CD - chuyển biến với lốc độ giảm dẩn;

- A D - điểm bắt đầu và kôì thúc chuyển biến.

Đường cong động học của chuyển biến có thể xây dựng bằng thực nghiệm Để xác định đường cong động học thường dùng các

phương pháp phân tích nhiệt, phương pháp kim

tương, phương pháp đo độ cứng và các phương

pháp vật lý khác

ở mỗi nhiệt độ có thể vẽ được fnột đường cong

động học Các đường cong động học có hình dạng

giống nhau nhưng khi tăng nhiệt độ thì đường cong

chuyển về bên trái, tức là chuyển biến càng nhanh

Các đưòng cong động học ở những nhiệt độ khác

nhau được trình bày trên hình 3.10

Để thuận tiện trong sử dụng, có thể dùng các

đường cong động học trình bày ở hình 3.10 để vẽ

đồ thị chuyển biến đẳng nhiệt peclit thành austenit

Trên đồ thị này các trục tọa độ là nhiệt độ “ thời

gian (hình 3 1 1) Đường 1 là các điểm bắt đầu

«p >4

.٤

؛

3

؛ I

\

\ N