Cấu trúc gang cầu ADI nền đa pha bao gồm Ferit thứ cấp, ausferit và có thể có một ít macstenxit và austenit dư, tùy thuộc vào chế độ nhiệt luyện. Tổ chức ausferit thường xuất hiện trên biên giới các hạt cùng tinh và tôn tại ở dạng lưới liên tục hoặc độc lập. Nhiệt độ ủ vùng ba pha càng cao, nhiệt độ tôi đẳng nhiệt càng cao, tính liên tục càng cao và kích thước các kim ferit càng mịn. Tính liên tục của cấu trúc ausferit trên biên giới hạt có tầm quan trọng đặc biệt, quyết định đến độ bền của vật liệu. Tính liên tục của ausferit tăng, hình thái phá hủy thay đổi từ kiểu phá hủy dẻo sang phá hủy dòn.
Trên hình 3.49, sau khi austenit hóa hoàn toàn tại 900 oC/2 h, gang được ủ ferit hóa ở nhiệt độ 760; 770; 780 và 790 oC trong 2 giờ và có tỷ phần ferit thứ cấp đạt 73,7 %; 61,3 %, 40,6 % và 15,3 %, tương ứng. Sau đó tôi đẳng nhiệt ở 360 oC trong khoảng thời gian khác nhau. Độ bền của gang giảm dần khi thời gian tôi đẳng nhiệt tăng đến khoảng 90 phút và tăng dần từ (90 đến 120) phút, sau đó ổn định.
Trong đa số các mẫu gang, độ bền kéo bắt đầu tăng sau khi tôi đẳng nhiệt khoảng 90 phút. Thời điểm đó, quá trình bắt đầu bước vào vùng cửa sổ. Tại cùng nhiệt độ austenit hóa
900 oC giới hạn bền kéo của gang đạt giá trị (609, 655, 689 và 760) MPa, tương ứng ở nhiệt độ vùng ba pha 760, 770, 780 và 790 oC, tôi đẳng nhiệt 360 oC (hình 3.49).
Với nhiệt độ austenit hóa 900 oC/2 h ủ trong vùng 3 pha tại các nhiệt độ 760 – 770 - 780 -790 oC trong 2 giờ, tôi đẳng nhiệt 360 oC trong 90 phút và 120 phút có độ bền tương ứng là 609 - 638 ; 655 - 682 ; 689 - 712 ; 760 - 767 Mpa và tỷ phần ferit lần lượt là 73,7 ; 61,3 ; 40,6 ; 15,3 %.
Hình 3.51. Độ dai va đập của gang cầu ADI nền đa pha phụ thuộc nhiệt độ austenit hóa và thời gian tôi đẳng nhiệt
Hình 3.53. Độ dai va đập của gang cầu ADI nền đa pha phụ thuộc nhiệt độ ủ vùng ba pha và thời gian tôi đẳng nhiệt
Ban đầu, độ dai va đập tăng dần theo thời gian tôi đẳng nhiệt đến khoảng 90 phút, sau đó giảm dần. Giảm độ dai va đập liên quan nhiều đến việc tiết pha thứ cấp trong quá trình nhiệt luyện.
Giảm nhiệt độ austenit hóa, tỷ phần austenit dư cũng giảm theo nhưng lại làm giảm hàm lượng C trong austenit và làm tăng độ dai va đập. Trong austenit hàm lượng C thấp sẽ làm tăng động lực của quá trình của phản ứng giai đoạn I, làm giảm thời gian tôi đẳng nhiệt cần thiết để nhận được austenit cacbon cao, cấu trúc vật liệu trở nên đồng đều hơn.
Hình 3.55. Độ giãn dài phụ thuộc nhiệt độ austenit hóa và thời gian tôi đẳng nhiệt
Tốc độ hình thành ferit hình kim sẽ tăng lên khi nhiệt độ austenit hóa giảm. Mặt khác, phản ứng tạo thành ferti hình kim càng nhanh, càng có nhiều C được giải phóng ra, austenit dư càng ổn định. Pha austenit dư này càng khó có khả năng chuyển thành mactensit khi mẫu được làm nguội xuống nhiệt độ phòng.
Mặt khác khi kéo dài thời gian giữ đẳng nhiệt do lượng mactensit giảm dần và lượng austenit và ferit hình kim tăng cho tới khi đạt được tổ chức ausferit nên cho cơ tính tổng hợp cao nhất trong gang cầu ADI.
Trong cùng điều kiện nhiệt độ austenit hóa, nhiệt độ và thời gian tôi đẳng nhiệt, tỷ phần ferit thay đổi theo nhiệt độ vùng 3 pha. Tỷ phần ferit càng lớn thì độ giãn dài của gang càng cao.
Hình 3.57. Độ giãn dài phụ thuộc nhiệt độ ủ vùng ba pha và thời gian tôi đẳng nhiệt
Tổ chức của gang được tổ hợp từ nhiều pha nên tồn tại một tỉ lệ pha hợp lý để cơ tính tổng hợp đạt cực đại (độ bền vừa phải, độ giãn dài và độ dai va đập cực đại) là giai đoạn đầu của vùng cửa sổ. Căn cứ vào kết quả thử nghiệm trong luận án (hình 3.49, 3.53, 3.57) cho thấy giá trị đó tại vùng austenit hóa 900 oC giữ nhiệt 2 giờ ủ vùng ba pha 770 oC giữ nhiệt 2 h và tôi đẳng nhiệt tại 360 oC thời gian 90 phút là 61,3 % ferit thứ cấp. Khi đó giới hạn bền kéo đạt 655MPa, độ giãn dài đạt 16,4 % và độ dai va đập đạt 35,5 J/cm2
Trong các mẫu có tỷ phần ausferit cao, các hạt ferit xung quanh hạt cầu lại được bao bọc hoàn toàn bởi lưới ausferit (hình 3.34). Trong một cấu trúc như vậy, nếu tính liên tục của lưới ausferit tăng lên (lưới càng đậm đặc), khả năng biến dạng của ferit độ bền thấp sẽ bị hạn chế và tính dẻo của gang sẽ giảm theo.
Hình 3.34. Tính liên tục của lưới ausferit. Austinit hóa 900 oC/2 h; ủ vùng ba pha 770 oC/2 h; tôi đẳng nhiệt 360 oC/2 h.
Tính chất cơ học của gang cầu ADI nền đa pha cũng phụ thuộc rất mạnh vào cấu trúc tấm ferit hình kim trong tổ chức ausferit. Kết quả xác định kích thước kim ferit cho trên bảng 3.14
Bảng 3.14. Chiều dày kim ferit phụ thuộc nhiệt độ đẳng nhiệt.
Nhiệt độ tôi đẳng nhiệt, oC
320 360 400
Chiều dày kim
ferit, m 1,0 1,2 1,5
Hình 3.60. Ảnh hiển vi điện tử quét SEM gang cầu ADI nền đa pha. Austenit hóa 900 oC/2 h; ủ vùng ba pha 770 oC/2 h; tôi đẳng nhiệt 320 oC/2 h