γ bh → α+γ HC
1.8.3.2. hạt austenit và graphit
Kích thước hạt austenit được kiểm soát bằng cấu trúc trước khi nhiệt luyện, nhiệt độ và thời gian austenit hoá. Nhiệt độ austenit hoá càng cao, thời gian càng dài, hạt austenit càng thô. Hạt austenit ảnh hưởng đến động học chuyển biến ausferit và ảnh hưởng đến quá trình tạo mầm của pha tiết ra. Biên giới hạt austenit chính là nơi đủ năng lượng cho sự tạo mầm dị pha của ferit, xementit và kim ferit. Do đó, mật độ biên giới hạt trong đơn vị thể tích càng lớn (hạt austenit càng mịn) tốc độ tạo mầm càng tăng và tốc độ chuyển biến của quá trình cũng tăng.
Tính ổn định của austenit khi chuyển biến đẳng nhiệt phụ thuộc rất nhiều vào lượng hoà tan của C trong nó. Sự bão hoà C vào trong austenit khi austenit hoá ở nhiệt độ cao có ý nghĩa rất lớn đối với vấn đề này. Ở đây, có hai yếu tố quyết định tới độ bão hoà C là kích thước graphit và điều kiện austenit hoá (nhiệt độ và thời gian). Tuy nhiên, các yếu tố này lại có ảnh hưởng rất lớn đến sự hình thành vùng cửa sổ khi tôi đẳng nhiệt.
Lượng graphit cầu càng nhiều, austenit càng mịn, thiên tích càng ít thì các phản ứng đầu vùng cửa sổ xảy ra càng sớm, đường kết thúc gần như không thay đổi, do đó vùng cửa sổ càng rộng. Điều đó làm thuận lợi cho việc sản xuất gang cầu ausferit. Mặt khác, tổ chức ausferit càng mịn và cơ tính càng cao [90].
Tăng nhiệt độ austenit hoá, đường bắt đầu vùng cửa sổ dịch chuyển sang phải và đỉnh vùng ausferit dịch xuống thấp [59].
Tăng nhiệt độ austenit hoá, nồng độ cacbon trong austenit tăng, đồng thời làm giảm nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactensit Ms. Giảm nhiệt độ austenit hoá lại làm tăng tốc độ phản ứng giai đoạn I, các kim ferit trở nên mịn hơn và phân bố đồng đều hơn, tỷ phần thể tích của austenit dư sẽ giảm đi. Giảm nhiệt độ austenit hoá, kích thước hạt austenit giảm đi, biến giới hạt tăng lên. Do các mầm ferit hình thành trên biên giới hạt austenit, nên tăng biên giới hạt đồng nghĩa với thúc đẩy quá trình hình thành mầm kim ferit và làm các kim ferit trở nên mịn hơn, tốc độ chuyển biến của phản ứng ausferit cũng nhanh hơn. Tôi đẳng nhiệt ở nhiệt độ 250 oC đối với gang cầu cacbon đương lượng thấp, tổ chức sẽ thu được bao gồm các kim mactensit nằm xen lẫn ferit hình kim [91].
Tác giả [92] nghiên cứu cơ chế khuếch tán của C trong chuyển biến giai đoạn I và có một số kết luận như sau. Khi nhiệt độ austenit hoá cao khoảng 1000 oC, đường kính hạt austenit cỡ 28 µm. Ở nhiệt độ austenit hoá thấp, khoảng cách giữa các tấm ferit cạnh nhau rất nhỏ, nhỏ hơn 2 µm. Trong trường hợp nhiệt độ cao, cacbon thải ra từ các kim ferit đang phát triển sẽ phải khuếch tán một khoảng cách dài hơn đối với tất cả các nền austenit đã bão hoà cacbon. Do hai quá trình cạnh tranh lẫn nhau: tạo mầm, phát triển mầm ferit và quá trình làm giàu cacbon trong austenit mà không có đủ thời gian để cho austenit có đủ nồng độ cacbon trở nên ổn định.
Giả thiết rằng, hệ số khuếch tán D được thể hiện qua công thức:
Trong đó: R – hằng số khí (R = 8,31 J/molK) T – Nhiệt độ (K)
Khoảng cách khuếch tán sau khoảng thời gian (t) sẽ là: √
Nếu nhiệt độ tôi đẳng nhiệt là 360 oC, thời gian tôi là 180 phút. Khi đó x = 0,73 µm. Như vậy, các hạt austenit có đường kính < 1,5 µm về lí thuyết sẽ có hàm lượng C cân bằng. Ngược lại, tâm hạt austenit kích thước lớn sẽ chứa ít C hơn và rất có thể là không ổn định. Một số hạt đẳng trục trong mẫu austenit nhiệt độ cao, có đường kính gấp 20 lần khoảng cách khuếch tán vừa tính toán trên. Vùng này, nếu tiếp tục làm nguội xuống nhiệt độ phòng sẽ chuyển biến thành mactensit. Sự thiên tích của Mn ở vùng biên hạt cũng có thể làm chậm sự khuếch tán của C và cản trở cacbon đạt được nồng độ cân bằng trong austenit.
Như vậy, austenit hoá nhiệt độ cao sẽ nâng cao hàm lượng C trong austenit. Hàm lượng C cao trong austenit sẽ làm giảm năng lượng tự do kiểm soát quá trình chuyển biến, cấu trúc cuối cùng sẽ là hạt austenit thô hơn, có nhiều hạt austenit dạng khối hơn. Hạt austenit càng thô, chứa càng ít cacbon và nó càng kém ổn định, dễ dàng chuyển thành mactensit khi nguội tiếp tục. Điều này là ảnh hưởng xấu đến độ dai va đập của gang [92].
Hình 1.28. Sơ đồ ước tính thời gian khuếch tán C của các tấm ferit bainit [93]
Trên hình 1.28 chỉ ra sự khuếch tán cacbon của các tấm ferit bainít Trong đó: Wα là độ dày tấm ferit bainit 1 (µm)
Wγ khoảng cách khuếch tán cacbon từ tấm ferit bainit 1 (µm) x là nồng độ cacbon trong hợp kim
xγα là nồng độ cacbon cân bằng trong austenit XTo là nồng độ cacbon cân bằng tại nhiệt độ To Z là khoảng cách khuếch tán cacbon
Trên thực tế, độ dày của màng Austenit được giữ lại. Độ dày trung bình của các màng Austenit được giữ lại mỏng khoảng 0,01 đến 0,02 µm nằm giữa các tấm
ferit bainit, mỏng hơn rất nhiều so với độ dày trung bình của lớp màng ferit bainitic (∼0,2 µm) [93]
Tất cả các kim ferit đều không nằm trên biên giới hạt austenit ban đầu. Quan hệ hướng giữa kim ferit và austenit có góc lệch khoảng 30 đến 60 oC. Khi chuyển biến, hai hạt austenit sẽ có song tinh với nhau và chúng cùng chung nhau mặt
{111}. Mỗi hạt austenit sẽ chia thành nhiều cụm, trong mỗi cụm, các kim ferit có trục lệch nhau khoảng 54 đến 60 oC. Các kim ferit nằm cạnh nhau cũng không song song với nhau mà trục của chúng lệch nhau một góc 5,7 o. Khoảng cách và góc lệch giữa các kim ferit được coi là yếu tố cơ bản của gang cầu tôi đẳng nhiệt [93, 94].