Chuyển biến austenit thành ferit thứ cấp

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.8.2. Chuyển biến austenit thành ferit thứ cấp

Một trong những chuyển biến pha rắn quan trọng nhất trong hợp kim hệ sắt là chuyển biến austenit (, FCC)  ferit (BCC,). Trong sắt kim loại, chuyển biến này xảy ra theo hai phương thức. a) Nếu độ linh động các nguyên tử đủ lớn, liên kết giữa các nguyên tử trong austenit sẽ bị phá vỡ, các nguyên tử sẽ tái cấu trúc để hình thành ferit. Trong trường hợp này, các nguyên tử nhảy qua mặt phân cách sản phẩm/pha mẹ để tái cấu trúc, b) Nếu độ quá nguội đủ lớn, độ linh động của các nguyên tử giảm đi, chuyển biến xảy ra theo cơ chế không chuyển vị. Các nguyên tử chuyển dịch trong phạm vi nguyên tử, đồng thời trượt theo một hướng nhất định để tạo thành mactensit. Cả hai quá trình này đều bị kiểm soát bởi bề mặt phân cách, có nghĩa là, quá trình xảy ra trên biên giới pha sẽ khống chế tốc độ chuyển biến. Tuy nhiên, có sự mâu thuẫn nhỏ ở đây, kiểu tái cấu trúc này đôi khi được gọi là khuếch tán vì sự khuếch tán của các nguyên tử ở phạm vi hẹp lại rất cần thiết cho chuyển biến này [76].

Các nguyên tố hợp kim, dù là nguyên tố thay thế hay nguyên tố xen kẽ, có độ hoà tan rất khác nhau trong các pha, có thể tan trong pha này nhiều hơn tan trong pha kia. Điều đó dẫn đến quá trình chuyển pha sẽ bị khống chế bởi khuếch tán đường dài vì các nguyên tử cần phải khuếch tán đến các biên giới phân pha.

Một trong các cơ chế chuyển biến austenit thành ferit là cơ chế chuyển biến toàn khối. Đặc trưng của cơ chế này chính là chuyển biến được kiểm soát nhờ mặt phân cách. Tại mặt phân cách này, các nguyên tử sẽ nhảy qua biên giới pha khi không có hiện tượng khuếch tán phạm vi rộng (thành phần austenit và ferit giống nhau) và không có quan hệ hướng đặc biệt giữa hai pha austenit và ferit [77, 78]. Hiện tượng chuyển biến trong toàn khối xảy ra khi động lực hoá học đủ lớn để cho phép việc tạo mầm và phát triển mầm xảy ra trong toàn khối. Khi động lực khá nhỏ, việc chuyển pha sẽ bị khống chế bởi khuếch tán đường dài để đảm bảo rằng, ferit được hình thành sẽ phù hợp về mặt năng lượng. Tuy nhiên, nếu độ quá nguội quá lớn, chuyển biến quá nhanh, chuyển biến mactensit sẽ xảy ra và các pha nhiệt độ cao sẽ hình thành.

Do việc tái cấu trúc phạm vi hẹp của các liên kết nguyên tử, tốc độ chuyển biến nói trên thường xảy ra khá nhanh. Do tính linh động của bề mặt phân cách được kiểm soát bởi khuếch tán hoặc do các nguyên tử riêng rẽ dịch chuyển xuyên qua biên giới, cho nên, bề mặt phân pha austenit/ferit có thể vượt qua biên giới hạt austenit kể cả khi xuất hiện sự khác biệt về quan hệ hướng giữa pha mẹ và pha sản phẩm.

Vấn đề đặt ra là, trong chuyển biến austenit  ferit thứ cấp có xảy ra hiện tượng liền mạng giữa mầm và pha mẹ hay không. Có hai luồng quan điểm. Luồng quan điểm thứ nhất cho rằng, do chưa nghiên cứu kỹ quan hệ hướng cho nên giữa mầm và pha mẹ không có sự liền mạng. Luồng quan điểm thứ hai cho rằng, do năng lượng bề mặt dùng cho tạo mầm và để cho mầm được tạo thành với tốc độ cao, cần phải có sự liền mạng một phần giữa mầm và pha mẹ. Tiếp theo, quá trình phát triển của mầm có thể làm biến đổi hoàn toàn hạt ban đầu và mặt phân cách có thể vượt qua biên giới để đi vào trong hạt bên cạnh. Với hiện tượng này, không quan sát thấy bất kỳ một quan hệ hướng (orientational relationship) thích hợp nào ở giai đoạn cuối của quá trình. Cơ chế gờ mép giải thích cho sự lớn lên của hạt trong chuyển biến [77, 78, 79].

Trong quá trình chuyển pha, khuếch tán của các nguyên tố hợp kim thay thế trong nền sắt tỏ ra rất chậm chạp ngay cả khi nhiệt độ tương đối cao. Có nghĩa là, chuyển biến austenit-ferit với cơ chế khuếch tán trong hợp kim này, rất chậm. Tuy nhiên, chuyển biến austenit  ferit sẽ xảy ra mạnh hơn nếu các nguyên tố hợp kim không làm gián đoạn mặt phân cách austenit/ferit [80].

Về mặt nhiệt động học, chuyển biến không phân huỷ chỉ xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ (To) là nhiệt độ mà tại đó năng lượng tự do hai pha bằng nhau (ferit và austenit). Các tính chất như độ linh động mặt phân cách, tính linh động của các nguyên tử bên trong mặt phân cách và lý thuyết cản trở của chất tan là cơ sở để giải thích cơ chế chuyển biến trong toàn khối [81, 82].

Chuyển biến austenit thành ferit xảy ra theo hai cơ chế, a) tạo mầm và phát triển mầm ferit mới sinh tại các vị trí như: góc và cạnh hạt austenit và b) Tạo mầm và phát triển mầm ferit delta (Fe-) nhiệt độ cao bên trong hạt austenit. Cơ chế b) tỏ ra là cơ chế thích hợp với hợp kim không chứa Ti nghĩa là chứa ít Fe-. Các pha mới sẽ hình thành trong giai đoạn ban đầu của chuyển biến. Hiện tượng thô hạt các pha

tiết ra, tiết pha biên giới và biên giới hạt ferit bị kìm hãm mạnh ở giai đoạn sau của chuyển biến cũng đã được quan sát thấy [83].

Chuyển biến austenit thành ferit được coi bao gồm hai giai đoạn, cụ thể, a) sự sắp xếp lại cấu trúc từ mạng lập phương tâm mặt thành lập phương tâm khối và b) phân bố nguyên tố C từ ferit sang austenit theo cơ chế khuếch tán đường dài. Độ hòa tan của C trong gang thép theo kiểu dung dịch xen kẽ lại phụ thuộc rất mạnh vào cấu trúc tinh thể của pha mẹ, pha sắt. Độ hòa tan của C trong ferit là rất thấp so với độ hòa tan trong austenit. Điều này làm cho các nguyên tử C phải khuếch tán một quãng đường khá dài trong quá trình chuyển biến [84].

Phụ thuộc vào vấn đề là, liệu có phải phần lớn năng lượng tự do của quá trình bị mất mát trên bề mặt phân cách hay do sự khuếch tán của cacbon mà quá trình chuyển biến có thể được coi là quá trình bị kiểm soát do bề mặt phân cách hay bị kiểm soát do quá trình khuếch tán [85]. Trong chuyển biến kiểm soát bởi bề mặt phân cách, quá trình khuếch tán xảy ra vô cùng nhanh. Trong chuyển biến kiểm soát bởi khuếch tán, tốc độ dịch chuyển của bề mặt phân cách cũng được giả thiết là vô cùng nhanh. Tuy nhiên, chẳng có cơ chế nào trong hai cơ chế trên lại có thể mô tả một cách chính xác động học của toàn bộ chuyển biến. Kết quả là, phải dùng một cơ chế hỗn hợp bao hàm cả hai cơ chế trên để giải thích cho cơ chế chuyển biến [85, 86].

Có ba mô hình mô tả sự dịch chuyển của bề mặt phân cách, đó là, 1) mô hình bề mặt phân cách nhọn, bề mặt phân cách hữu hạn và mô hình bề mặt phân cách khuếch tán. Mô hình mặt phân cách nhọn là mô hình đơn giản nhất và được sử dụng rộng rãi để mô tả cơ chế chuyển biến kiểm soát bởi khuếch tán. Ở đây, tốc độ dịch chuyển của mặt phân cách được tính toán thông qua các bước nhảy riêng rẽ của các nguyên tử vượt qua mặt phân cách, hoặc là nhờ dòng vật chất vượt qua mặt phân cách và đi vào hai pha. Các mặt phân cách với chiều rộng hữu hạn sẽ gây ra một trường nồng độ bên trong mặt phân cách. Các pha hòa tan ở trong mặt phân cách và sau đó, chúng di chuyển dọc theo bề mặt phân cách là nguyên nhân gây ra lực hút giữa các chất tan. [87].

Mô hình 1.26 dùng để nghiên cứu quá trình khuếch tán của cacbon khi austenit hóa với giả thiết rằng, vật lẫn graphit được sắp xếp đểu đặn trong hợp kim. Hạt austenit đang phát triển từ biên giới A/Xe, xuyên qua một lớp khuếch tán có chiều dày dr.

Bằng cách tính toán ba dòng vật chất trong quá trình khuếch tán [88]

Số lượng lượng cacbon dQ1 (cm3) đi qua lớp austenit r (cm) vào vòng ferit có chiều dày dr (cm).

Số lượng cacbon dQ2 (cm3) được khuếch tán từ vật lẫn graphit

Số lượng cacbon dQ3 (cm3) khuếch tán từ vật lẫn graphit nằm lại trong austenit.

Hình 1.26. Sơ đồ quá trình austenit hóa của gang cầu [88].

Cân bằng vật chất của cả ba quá trình để tính toán thời gian khuếch tán.ta có:

dQ2 = dQ1 + dQ3 (1.6)

Rõ ràng: dQ1 = (c - c1) 4 r2dr (1.7)

Trong đó: c1 là hàm lượng cacbon trong ferit (%); c- là hàm lượng cacbon chỗ tiếp giáp austenit/ferit (%).

Số lượng cacbon được khuếch tán từ vật lẫn graphit nếu bỏ qua sự thay đổi bán kính của nó, có thể tính theo công thức sau:

dQ D cH c

4r 2d

r r0

CH - Là hàm lượng cacbon chỗ tiếp giáp với graphit (%)

Không phải tất cả cacbon khuếch tán từ vật lẫn graphit mà đi vào ferit là thường nó nằm lại trong austenit.

Số lượng cacbon nằm lại austenit là:

cH  c  p  dQ3  2   a dV a dVp   (1.8) Tỷ số:   1 và dVrất nhỏ so với dV, dV = 4 r2dr p  a cuối cùng rút gọn được: dQ3 cH  c 2 dV Cuối cùng nhận được: 2 0  

dQ3

 cH  c 2

Thay vào bân bằng: dQ2 = dQ1 + dQ3 (c - c ) 4 r2dr + cH c 4 r2dr = D cH c 4r 2d  0  1 2

r r

0

Và biến đổi, sẽ thu được thời gian khuếch tán :

c c  2 c 1 1  r 4 2    H 2 cH   c 1  D 12  2  r0  0  (1.9)

Để đơn giản hoá, dùng ký hiệu:

2(c c )

1 r 4 2 

N (c) H  , F (x)   r0 

c c  2c 12 r 2 

H 1  0 

Khi đó phương trình (7) chuyển thành :

F (x).N 1(c).D1 . (phút) (1.10) Hàm số N(c) thay đổi đáng kể cùng với nhiệt độ còn F(x) rõ ràng không phụ thuộc nhiệt độ và r và ro là giá trị không đổi.

Thời gian khuếch tán của cacbon để austenit hóa phụ thuộc bán kính hạt graphit và hạt ferit ban đầu, phụ thuộc hệ số khuếch tán và sự chênh lệch nồng độ C trên các mặt biên giới.