750 C/120 phút – Tỷ phần α= 100%
3.6.4.Ảnh hƣởng của thời gian tôi đẳng nhiệt
Trong các mẫu thí nghiệm, ở giai đoạn đẳng nhiệt ban đầu, khi chuyển biến giai đoạn I mới xảy ra, tỷ phần pha austenit đã chuyển biến còn khá nhỏ, lượng austenit cacbon thấp rất dễ dàng chuyển thành mactensit ngay cả khi nguội ở nhiệt độ phòng. Tổ chức nền của gang bao gồm mactensit và ausferit. Tổ chức ausferit thường nằm trên biên giới các hạt cùng tinh, dưới dạng mạng lưới liên tục hoặc cụm biệt lập.
Kéo dài thời gian tôi đẳng nhiệt, phản ứng giai đoạn I dần dần đi vào giai đoạn ổn định, hàm lượng cacbon trong austenit cao dần, tỷ phần pha mactenit giảm dần. mactensit sẽ biến mất khỏi tổ chức kim loại khi thời gian đẳng nhiệt khoảng 1,5 đến 2 giờ, nghĩa là quá trình bắt đầu bước vào vùng cửa sổ (hình 3.41).
AfGr Gr M a) b) F F Gr M Af Af Gr c) d)
Hình 3.41. Tổ chức gang cầu ADI nền đa pha. Austenít hóa 900 oC/ 2h; ủ nhiệt độ 770 oC/ 2h; Tôi
đẳng nhiệt 360 oC: a) 30 phút, b) 60 phút, c) 90 phút, d) 120 phút
(Ảnh hiển vi quang học của gang cầu đã qua tẩm thực bằng 8g CrO3 + 40 g NaOH + 72 ml H2O)
Trong phản ứng giai đoạn I, kim ferit được tiết ra từ austenit bão hòa cacbon. Do hàm lượng C trong ferit rất nhỏ (0,02 %) nên các nguyên tử C phải khuếch tán bớt từ kim ferit sang phần austenit bên cạnh, làm tăng hàm lượng C trong austenit. Giả sử, quá trình khuếch tán C tuân theo định luật Fick II. 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 đến tất cả các hạt austenit đã bão hoà cacbon. Giả sử hạt austenit là hình cầu và mầm ferit bắt đầu hình thành ở biên giới hạt austenit, thì các nguyên tử C phải khuếch tán một khoảng cách bằng một nửa đường kính hạt austenit để làm đồng đều hàm lượng C trong hạt austenit. Hai quá trình: phát triển mầm kim ferit và quá trình làm giàu cacbon trong austenit xảy ra đồng thời cho nên thời gian để austenit hóa hoàn toàn sẽ kéo dài.
Giả thiết rằng, hệ số khuếch tán D được tính theo công thức [104]:
D = Do. exp (– ∆G/RTA) Với nhiệt độ tôi đẳng nhiệt 360 J/
(mol·K); hàm lượng C trong austenit C C:
o
C = 633 K; Hằng số khí R = 8,314 = 1,05%, tính được hệ số khuếch tán của D = 4,1.10-15 m2/s.
Từ nghiệm của phương trình Fick II, khoảng cách khuếch tán sau khoảng thời gian t đủ để nồng độ chất khuếch tán trở nên đồng đều, sẽ là: √ .
Nếu nhiệt độ tôi đẳng nhiệt là 360 oC = 633 K, thời gian tôi là 2 giờ = 7200 s. Khi đó tính toán được: x = 10,87.10-6 m ≈ 11 µm.
F
AfGr Gr
Hình 3.42.Tổ chức gang ADI song pha, austenit hóa 930 oC/2 giờ; nung vùng 3 pha 770 oC/2 giờ, tôi đẳng nhiệt 360 oC/60 phút
(Ảnh hiển vi quang học của gang cầu đã qua tẩm thực bằng 8g CrO3 + 40 g NaOH + 72 ml H2O)
Như vậy, các hạt austenit có đường kính < 22 µm về lí thuyết sẽ có hàm lượng C cân bằng trong toàn bộ thể tích hạt. Các hạt có đường kính lớn hơn 22 µm, tâm hạt austenit 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 2 đến 3 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. Nhiệt độ austenit hóa cao và thời gian kéo dài đều làm thô hạt austenit. Hạt austenit thô dễ dàng trở thành pha mactensit trong cấu trúc gang cầu ADI nền đa pha.