- Oxyt đất hiếm tạo tâm mầm cho pha austenit( γFe)
a, bề mặt mẫu trước nhiệt luyện
3.2. Quá trình mòn của gang trắng 13% crôm khi làm việc trong môi trường trượt có tả
trường trượt có tải
Khi hai bề mặt của vật mài mòn trượt lên nhau, tạo ra ma sát bề mặt và ứng suất tiếp xúc. Trong điều kiện chịu tải trọng lớn sẽ gây ra biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi.
Gang trắng crôm với độ cứng cao là vật liệu được sử dụng trong những trường hợp yêu cầu mức độ chịu mài mòn cao. Tính chống mài mòn của hợp kim gang trắng crôm cao chủ yếu là do sự hiện diện của cácbit sơ cấp cứng hoặc các cácbit cùng tinh trong tổ chức tế vi. Những cácbit này đóng một vai trò quan trọng trong hành vi phá hủy gang trắng crôm.
Cácbit thứ cấp
b, bề mặt mẫu sau nhiệt luyện
Hình 3.3: Hình thái tổ chức hệ hợp kim nghiên cứu trước và sau nhiệt luyện
Hình 3.4: Hình ảnh hiển vi điện tử chụp bề mặt mòn của gang 13% crôm (mẫu 11) a: mẫu đúc b: mẫu sau nhiệt luyện
Gang trắng hợp kim có thành phần crôm 13%, tổ chức đúc bao gồm chủ yếu là austenite và các cacbit M7C3, ở trạng thái đúc gang crôm có độ cứng thấp, sự chênh lệch độ cứng giữa nền và các hạt cácbit cứng cao, khi bị mài mòn có tải trọng vật liệu thường bị mòn nhanh và dễ dàng phá hủy bề mặt mẫu do pha nền dễ bị phồng rộp, biến dạng. Hình 3.4 là hình ảnh hiển vi điện tử chụp bề mặt mòn có tải trọng của mẫu 11 trước và sau nhiệt luyện. Ở hình 3.4(a) là hình ảnh hiển vi chụp bề mặt mẫu đúc với các vết xước sâu, rộng như vậy sự phá hủy bề bề mặt mẫu lớn. Hình 3.4(b) chụp bề mặt mẫu sau nhiệt luyện tương ứng, các vết xước nông và nhạt hơn, mức độ phá hủy bề mặt mẫu giảm đi rất nhiều so với mẫu trước nhiệt luyện. Điều đó chứng tỏ rằng ở trạng thái đúc khi nền là austenit, mẫu có độ bền thấp, do sự chênh lệch độ cứng giữa nền và cacbit, mối liên kết giữa nền và cácbit yếu. Ngoài ra khả năng biến dạng dẻo xảy ra trên bề mặt nền cao làm tăng sự phát triển của các vết nứt dẫn đến sự phá hủy nhanh. Trong quá trình mài mòn có tải trọng lặp lại nhiều lần, biến dạng dẻo xảy ra trên diện rộng, pha nền dễ dàng bị xô lệch, biến dạng, nền không giữ được pha cứng, dẫn đến bong tróc. Khi nền có độ bền cao hơn, ứng suất truyền giữa các phần tử cácbit sẽ giảm do nền phân tán một phần ứng suất đó, pha nền chịu được tải và giữ được các hạt cácbit không bị xô lệch và bong tróc, quá trình biến dạng xảy ra chậm hơn và như vậy quá trình phá hủy bề mặt cũng sẽ chậm hơn. Mặt khác sự tập trung ứng suất tại biên giới giữa một hạt cứng trên một nền dẻo dai có thể dẫn tới việc tạo nên vết nứt dưới tải trọng cao [39]. Gang trắng crôm cao tồn tại các phần tử cácbit cùng tinh hình que trên nền austenit cùng với sự tồn tại nhiều khuyết tật là vật liệu mà ở đó các vết nứt có thể phát triển một cách thuận lợi [40].
Mactexit là pha có độ cứng cao. Khi nền là Mactenxit, sự chênh lệch độ cứng giữa pha cacbit và nền sẽ nhỏ hơn so với nền là austenit. Đó là lý do tại sao muốn tăng tính chống mài mòn cho gang nhiệt luyện là điều bắt buộc.
Tuy nhiên trong quá trình chịu tải, vật liệu còn đòi hỏi có những điểm nhỏ có độ cứng thấp hơn để thoát ứng suất, tránh nứt vỡ. Nếu trong tổ chức chỉ toàn là pha cứng thì quá trình nứt vỡ cũng sẽ sớm xảy ra. Vì vậy lượng nhỏ austenit dư trong tổ chức cũng là điều cần thiết. Khả năng chống mài mòn còn phụ thuộc vào độ bền liên kết của pha cứng (pha cácbit) và độ bền liên kết của pha mềm (pha nền). Có nhiều ý kiến xung quanh vai trò của austenit dư trong việc làm chậm quá trình phá hủy, trong đó nổi trội hai luồng ý kiến trái chiều nhau về ảnh hưởng của austenit dư trong quá trình mòn có va đập như sau: một luồng ý kiến cho rằng austenit dư là một nhân tố có lợi vì austenit có tính dẻo và có tính dai, là điểm tích thoát ứng suất. Ngoài ra, khi bề mặt cácbit tích tụ năng lượng cao có thể gây ra và phát triển các vết nứt, năng lượng truyền sang nền, một phần năng lượng đó được tiêu thụ do quá trình chuyển biến từ austenit sang mactenxit, làm giảm năng lượng có thể gây nên quá trình nứt vỡ. Một số nhà khoa học còn cho rằng austenit dư làm giảm sự lan truyền của vết nứt. Luồng ý kiến khác lại cho rằng austenit làm giảm độ cứng của gang và tồn tại ứng suất gây ra bởi quá trình chuyển biến austenit thành mactenxit trong quá trình làm việc (khi chuyển từ austenit sang mactenxit, thể tích tăng từ 5-6%). Trong một bằng sáng chế Hoa Kỳ (4.043.842), đã quy định rằng gang trắng crôm làm việc trong điều kiện chịu tác động va đập lặp đi lặp lại, lượng austenite dư cần thấp hơn 3%; nguyên nhân là, một lượng thích hợp austenite dư có tác dụng chống lại sự nứt vỡ của vật liệu. Ở Nhật lượng austenit dư được khuyến cáo chỉ nên còn khoảng 1% [50].
Hình 3.5 là hình ảnh hiển vi quang học bề mặt, nơi các cácbit bị mòn, bong tróc. Khi chịu tác động mài mòn có tải trọng, do độ cứng cao, khả năng truyền tải trọng kém, các hạt cácbit là nơi tập trung các ứng suất, vì vậy với các cacbit có độ bền thấp, quá trình phá hủy do bong tróc sẽ diễn ra nhanh, đặc biệt là các cácbit thô. Các cácbit bị phá vỡ sẽ làm mất tính ổn định của toàn bộ hợp kim.
Hình 3.6: Bề mặt mòn của các mẫu gang crôm nghiên cứu với tổ chức cácbit mịn dần (Hình ảnh hiển vi quang học, X500, mài trên cùng một chế độ)
Hình 3.5: Hiển vi quang học chụp bề mặt các cácbit mòn của gang trắng 13% crôm
Hình 3.6 chỉ ra bề mặt mòn của các mẫu khi chịu tác động mài mòn. Các ảnh được xếp theo thứ tự cácbit từ kích thước lớn, thô đến mịn dần. Các phần màu tối là các cácbit cùng tinh trên nền màu sáng. Các đường xước tồn tại cả ở nền và ở các pha cácbit.
Trong trường hợp hạt cácbit nhỏ, ít liên tục, lực cắt qua từng hạt cacbit giảm đi, khả năng tập trung ứng suất giảm, tính chống mài mòn của vật liệu dưới điều kiện trượt tăng [6].
Các mẫu gang trên hình 3.6 được xử lý cùng chế độ nhiệt luyện, cùng một độ cứng sau nhiệt luyện (khoảng 60 -61HRC), được kiểm tra trên cùng một chế độ mòn. Các mẫu với tổ chức khác nhau cho hình ảnh các vết xước khác nhau. Trên bề mặt của các mẫu có tổ chức thô nhất, các vết xước dày và sâu, mẫu ứng với tổ chức nhỏ mịn hơn thì các vết xước dần ít đi và mờ dần. Từ các kết quả phân tích nhận thấy rằng hình thái tổ chức nền rất quan trọng trong việc quyết định cơ tính của gang trắng crôm và qua tổ chức có thể đánh giá cơ tính của gang trắng crôm. Với một tổ chức nhỏ mịn, cácbit phân bố đồng đều trên một nền cứng thì quá trình mòn sẽ khó khăn hơn và nhờ thế cơ tính của vật liệu khi chịu mài mòn, va đập có tải trọng cao được cải thiện hơn.