Theo sự khác nhau về tổ chức ta gặp ba loại gang trắng sau: - Gang trắng trước cùng tinh với thành phần cacbon ít hơn 4,3%C ơ bên trái điểm C, có tổ chức peclit + xementit thứ hai + lede
Trang 1Tiểu luận 2.2: Quá trình kết tinh của hợp kim Fe - C cân bằng giả ổn định, 3.0% C, 4.3%C, và 5.0% C khi làm nguội đủ nhanh Nêu nhận xét về tổ chức tế vi
và tính chất của các hợp kim đó.
CÁC LOẠI THÉP GANG THEO GIẢN ĐỒ Fe-C
Căn cứ vào tổ chức khác nhau trên giản đồ pha ta có ba loại thép và ba loại gang khác nhau:
Thép tương ứng với giản đồ pha Fe-C là loại hợp kim ngoài Fe với C <2,14%_ ra chỉ chứa lượng không đáng kể các nguyên tố khác được gọi là thép cacbon hay thép thường, gồm ba loại nhỏ sau đây:
+Thép trước cùng tích với lượng cacbon biến đổi từ 0,1 đến 0,7% , tức ứng với bên trái điểm điểm S có tổ chức ferit (sáng) + peclit (tối) mà các tổ chức tế vi được trình bày ở hình 3.22 Phần lớn thép thường dùng nằm trong loại nhỏ này song tập tung hơn cả vào loại ≤ 0,2%C rồi tiếp đến 0,3 – 0,4%C Theo tính toán từ quy tắc đòn bẩy, khi lượng cacbon tăng lên thì trên tổ chức tế vi tỷ lệ phần peclit (màu tối) cũng tăng lên, còn phần ferit (mau sáng) giảm đi Nếu ko chứa cacbon ( hay quá ít, 0,02 – 0,05%) có thể coi là sắt nguyên chất với tổ chức hầu như ferit (hình 3.19a) tức chỉ có các hạt sáng Với 0,1%C phần tối ( peclit tấm) chiếm khoảng 1/8, với 0,4%C là ½ và với 0,6%C là 3/4 , cuối cùng
là 0,8%C thì toàn bộ là màu tối (peclit tấm) Vậy đối với loại thép này lượng cacbon của
nó được tính bằng tỷ lệ phần tối nhân với 0,8%
+ Thép cùng tích với thành phần 0,8%C (có thể xê dịch một chút) tức ứng với điểm S có tổ chức chỉ gôm peclit
Tổ chức tế vi của các thép trước cùng tích (×500):
Trang 2- Thép sau cùng tích với thành phần ≥0,9%C (thường chỉ tới 1,5%C, cá biệt có thể tới 2 – 2,2%) tức ở bên phải điểm S có tổ chức peclit + xementit thứ hai thường ở dưới dạng lưới sáng bao bọc lấy peclit tấm như ở hình 3.23
a 0,1%C
b.0,4%C
c 0,6%C
Trang 3- *** Gang tương ứng với giản đồ pha Fe – C (Fe – Fe3C) là gang trắng, rất ít được sử dụng do quá cứng, giòn, không thể gia công cắt được Theo sự khác nhau về tổ chức ta gặp ba loại gang trắng sau:
- Gang trắng trước cùng tinh với thành phần cacbon ít hơn 4,3%C ơ bên trái điểm C, có tổ chức peclit + xementit thứ hai + ledeburit (hình 3.24a)
-Gang trắng cùng tinh có 4,3%C ứng đúng điểm C hay lân cận, với tổ chức chỉ
là ledeburit (hình 3.21)
- Gang trắng sau cùng tinh với thành phần >4,3%C ở bên phải điểm C, có tổ chức ledeburit + xementit thứ nhất
Tổ chức tế vi của thép sau cùng tích (1,2%C) (×500).
Tổ chức tế vi của gang trắng (×500)
Trang 4Các điểm tới hạn của thép
Từ giản đồ pha Fe – C, trong khu vực của thép có rất nhiều đường ứng với các chuyển biến pha khác nhau Để đơn giản hóa việc gọi tên các chuyển biến pha này người ta ký hiệu (đánh số) các đường tương ứng bằng chữ A ( từ tiếng Pháp arret
có nghĩa dừng, vì khi có chuyển biến pha nhiệt độ biến đổi chậm lại đôi khi dừng hẳn) với các thứ tự 0, 1, 2, 3, 4, và cm, chúng được gọi là các điểm (hay nhiệt độ) tới hạn Các điểm thường dùng nhất gồm:
A1 – đường PSK (727°C) ứng với chuyển biến austenit thành peclit và ngược lại,
có trong mọi loại thép
a.Trước cùng tinh
b.Sau cùng tnh
Trang 5A3 – đường GS (911-727°C) ứng với bắt đầu tiết ra ferit khỏi austenit khi làm nguội hay kết thúc hòa tan ferit vào austenit khi nung nóng, chỉ có tong thép sau cùng tích
Acm – đường ES (1147-727°C) ứng với bắt đầu tiết ra xementit khỏi austenit khi làm nguội hay kết thúc hòa tan xementit vào austenit khi nung nóng, chỉ có trong thép sau cùng tích
Các điểm tới hạn khác là A0 ( 210°C) – điểm Curi của xementit, A2 (768°C)- điểm Curi của ferit, A4 – đường JN ( 1499-139°C)
Có thể dễ dàng xác định (gần đúng) giá tị của A3 và Acm của các thép có thành phần cacbon khác nhau theo giản đồ pha Fe-C bằng cách gióng hay tính toán với quy ước các đường tương ứng GS và ES là thẳng Tuy nhiên các điểm tới hạn tìm được này chỉ đúng với trạng thái cân bằng ( nung nóng hay làm nguội vô cùng chậm), không phù hợp với các trường hợp nung nóng, làm nguội thông thường và nhanh
Cũng giống như các hiện tượng quá nguội (khi kết tinh), quá nung ( khi nấu chảy) các điểm tới hạn này cũng thấp xuống hoặc cao lên khi làm nguội hoặc nung nóng; tốc độ càng cao sự cách biệt này càng lớn
Để phân biệt cùng một điểm tới hạn cho 2 trương hợp: nung nóng và làm nguội, người ta thêm chữ c ( chauffage) khi nung nóng, thêm chữ r (refroidissement) khi làm nguội Với cùng 1 thép bao giờ cũng có: Ac1> A1> Ar1; Ac3>A3> Ar3,… trong đó A tính theo giản đồ pha còn Ac cao hơn và phụ thuộc vào tốc độ nung, Ar thấp hơn và phụ thuộc vào tốc độ nguội, tốc độ càng cao sự sai khác càng mạnh
Phần dưới của giản đồ Phần dưới của giản đồ ứng với những chuyển biến ở trạng thái rắn Có 3 pha chuyển biến đáng chú ý sau đây xuất phát từ ostenit
Sự tiết ra xementit thứ hai từ ostenit
Các hợp kim có thành phần cacbon lớn hơn 0,8% khi làm nguội từ 1147°C đến 727°C, ostenit của nó bị giảm thành phần cacbon theo đường ES, do vậy, sẽ tiết ra xementit mà ta gọi là xementit thứ hai Cuối cùng ở 727°C, ostenit có thành phần cacbon 0,8% ứng với điểm S
Trang 6Các hợp kim có thành phần cacbon nhỏ hơn 0,8% khi làm nguội từ 911 - 727°C, ostenit của nó sẽ tiết ra ferit là pha ít cacbon, do vậy ostenit còn lại giàu cacbon theo đường GS Cuối cùng ở 727°C hợp kim gồm 2 pha là ferit ứng với điểm P ( 0,002%C) và ostenit ứng với điểm S ( 0,8%C)
Như vậy khi làm nguội tới 727°C trong tồ chức của mọi hợp kim Fe-C đều chứa ostenit với 0,8%C (ứng với điểm S)
****Chuyển biến cùng tích: ostent thành peclit.
Tại 727°C ostenit có thành phần 0,8%C sẽ chuyển biến thành peclit là hỗn hợp của hai pha ferit va xementit
Như đã nói ở trên, chuyển biến này có ở trong mọi hợp kim
Fe-C
Phần trên của giản đồ
Phần trên của giản đồ trạng thái Fe-C ứng với sự kết tinh từ
trạng thái lỏng thấy có 3 khu vực rõ rệt ứng với 3 khoảng
thành phần cacbon khác nhau
Khu vực có thành phần 0,1- 0,51%C (có phản ứng bao tinh)
Tất cả hợp kim có thành phần cacbon 0,1-0,51%C khi kết
tinh sẽ xảy a phản ứng bao tinh
Lúc đầu khi làm nguội đến dường lỏng AB, hợp kim lỏng sẽ
kết tinh ra dung dịch rắn trước Khi nhiệt độ hạ xuống tới
1499°C (ứng với đường HB), hợp kim có 2 pha là dd rắn
chứa 0,1%C va dd rắn ostenit chứa 0,16%C:
Trang 7Các hợp kim có 0,1-0,16%C sau phản ứng bao tinh còn thừa pha denta và khi làm nguội tiếp, pha này tiếp tục chuyển biến thành pha gamma
Các hợp kim có 0,16-0,51%C sau phản ứng bao tinh còn thừa pha lỏng L, và sau khi làm nguội tiếp theo pha lỏng tiếp tục chuyển biến thành pha gamma Như vậy, cuối cùng hợp kim 0,1-0,51%C khi làm nguội dưới đưởng NJE chỉ có tổ chức 1 pha ostenit
Khu vực có thành phần 0,51-2,14%C kết thúc kết tinh bằng sự tạo thành dd rắn ostenit
Hợp kim thành phần 2,14-4,3%C: khi làm nguội hợp kim tới đường long BC nó sẽ kết tinh ra ostenit Làm nguội tiếp tục, ostenit có thành phần thay đổi theo đường
JE, hợp kim lỏng còn lại thay đổi theo đường BC
Kku vực có thành phần 0,51-2,14%C kết thúc kết tinh bằng sự tạo thành dd rắn ostenit
Hợp kim có thành phần 0,51-2,14%C kết thúc kết tinh bằng sự tạo thành dd rắn ostenit
Hợp kim có thành phần 2,14-4,3%C, kết thúc kết tinh bằng sự kết tinh củ dd lỏng
có thành phần ứng với điểm C ra 2 pha: ostenit có thành phần ứng với điểm E và xementit ở 1147°C
Hỗn hợp cùng tinhledebuit
Sau khi kết tinh xong hợp kim này có tổ chức ostenit+ ledeburit
Khu vực có thành phần 4,3-6,67%C ( kết tinh ra xementit thứ nhất)
Trang 8Phần hợp kim 4,3-6,67%C: khi hợp kim được làm nguội tới đường lỏng DC nó kết tinh xementit và gọi là xementit thứ nhất Khi làm nguội tiếp tục sẽ phản ứng tạo nên cùng tinh ledeburit xảy ra ở 1147°C sau khi kết tinh trong hợp kim này có tổ chức xementit thứ nhất + ledebuit
Tóm lại: khi kết tinh tư pha lỏng, trong hợp kim Fe-C có xảy ra các quá trình sau kết tinh ra denta (<0,51%C) và phản ứng cùng tinh ( 2,14-6,67%C)
Một vài nhận xét về hệ Fe-Fe3C
C chiếm 1 lượng nhỏ như tạp chất xen kẽ trong sắt ở dạng pha a, b, g trong sắt Lượng sắt hòa tan cacbon tối đa trong pha a-BCC là 0,022% ở 727°C, do mạng lập phương tâm khối có kích thước hổng ( vị trí xen kẽ) nhỏ hơn so với mạng lập phương tâm mặt
Lượng C hòa tan trong ausrenite ( mạng lập phương tâm mặt) là 2,14% ở 1147°C
do mạng này có kích thước lỗ hổng (vị trí xen kẽ) lớn hơn so với mạng lập phương tâm khối
Cơ tính: Xementit có tính cứng dòn, khi có mặt trong thép sẽ làm tăng độ bền cho thép Cơ tính còn phụ thuộc độ hạt hay cấu trúc vi mô cũng như tương quan giữa F
và Xê
Từ tính: Ferrit có tư tính ở nhiệt độ dưới 768°C ( còn gọi là nhiệt độ Curie),
Austenite hoàn toàn không có từ tính
Phân loại: dựa vào các đặc điểm trên ta phân ra làm 3 loại hợp kim như sau:
- Sắt non: chứa hàm lượng C dưới 0,008% trong pha a-Ferrite ở nhiệt độ phòng
- Thép: chứa hàm lượng C từ 0,0008%-2,14% (thường <1%) tổ chức gồm a-Ferrite và Xê ở nhiệt độ thường
- Gang: chứa hàm lượng C từ 2,14-6,17% (thường < 4,5%C)