γ+G α+γ +G
1.8.1.3. Hành vi của cacbon trong quá trình austenit hoá
Hàm lượng cao của C trong gang thép sẽ thúc đẩy tốc độ chuyển biến peclit thành austenit vì tăng hàm lượng C làm tăng các phần tử cacbit, chiều dài ranh giới tiếp xúc ferit/xementit tăng lên, khoảng cách giữa các tấm xementit giảm đi, khoảng cách khuếch tán giảm đi, dẫn đến là tốc độ chuyển biến tăng lên [62].
Chuyển biến austenit là chuyển biến bị kiểm soát bởi khuếch tán và cũng là chuyển biến tái cấu trúc. Trong chuyển biến này, khuếch tán của cacbon quyết định động học chuyển biến. Vì cũng được coi là chuyển biến có chuyển vị nên quá trình tạo mầm là bước quyết định trong việc hình thành tổ chức của gang thép [63].
Nghiên cứu quá trình khuếch tán của cacbon trong austenit của hệ hợp kim Fe-C-Ni bằng phương pháp thấm cacbon, tác giả [64] đã chỉ ra rằng, hệ số khuếch tán của C trong austenit có tầm quan trọng đặc biệt trong nhiệt luyện thép và gang. Trong quá trình nung nóng và làm nguội, các hiện tượng chuyển pha và tiết pha xảy ra rất khác nhau. Mối quan hệ giữa hệ số khuếch tán và nhiệt độ được mô tả theo phương trình:
(
Chiều sâu khuếch tán của C trong austenit phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ. Hệ số khuếch tán của C tăng khi nhiệt độ tăng. Sự thay đổi hàm lượng C trong austenit phụ thuộc vào nồng độ C trên bề mặt phân pha và hàm lượng C trong nền kim loại và chiều sâu khuếch tán. Dòng C khuếch tán dọc theo biên hạt thì tỉ lệ với gradient nồng độ [65].
Bảng 1.8. Hệ số khuếch tán của C trong austenit thép Ni [65]
Tác giả
[65] (m2/s) Argen (m2/s) Bhadeshia(m2/s)
Hoạt độ của cacbon và ảnh hưởng của thành phần hoá học đến hoạt độ có ảnh hưởng mạnh đến hệ số khuếch tán D. Lực đẩy giữa các nguyên tử cacbon nằm cạnh nhau cũng có tác dụng lên khả năng khuếch án, do nó làm giảm xác xuất chiếm các vị trí xen kẽ ở những chỗ lân cận đã chứa nguyên tử cacbon trên nền austenit. Trong trường chênh lệch nồng độ, các nguyên tử cacbon có xu hướng chuyển động ngẫu nhiên, bởi vậy có thể thấy một sự khác biệt rất lớn về số lượng các vị trí ở cả hai hướng khuếch tán, đến mức mà, sự khuếch tác các nguyên tử cacbon làm giảm gradient theo gradient nồng độ tăng. Hoạt độ của cacbon phụ thuộc cả vào các nguyên tố thay thế lẫn nồng độ của cacbon [66].
L.C.Darkena đã nghiên cứu về khuếch tán của cacbon trong hợp kim cơ sở sắt [67]. Trong mẫu gồm 2 tấm thép có nồng độ cacbon giống nhau nhưng nồng độ các nguyên tố hợp kim khác nhau. Khi ủ, cacbon sẽ khuếch tán qua bề mặt phân cách và phân bố không đồng đều trong thể tích khuếch tán. Khi tấm A chứa silic còn tấm B là hợp kim sắt cacbon sạch, cacbon sẽ khuếch tán từ tấm A có silic sang tấm B, tuy rằng nồng độ C trong hai tấm bằng nhau (hình 1.23).
Khi hợp kim hóa crôm và mangan thì hướng khuếch tán là ngược lại, cacbon sẽ khuếch tán từ tấm chứa nguyên tố hợp kim sang tấm thép cacbon sạch, ngay cả khi hàm lượng cacbon ban đầu tương đối thấp. Như vậy, trong hệ thống kim loại phức tạp thì sự khuếch tán có thể xảy ra theo hướng ngược lại građient nồng độ.
Dòng khuếch tán của cacbon kể cả hợp kim nhiều cấu tử bất kỳ phụ thuộc vào trường hợp chung là không phải là từ gradient nồng độ vừa là từ građien năng lượng tự do. Năng lượng tự do đối với dung dịch không lý tưởng được chỉ ra là không dễ dàng với hoạt tính nhiệt động học.
Hình 1.23. Sự khuếch tán của cacbon trong hợp kim hàn [67]
Thép và gang không phải là dung dịch lí tưởng nên trong các công thức mô tả các qui luật khuếch tán và nhiệt động học, phải dùng hoạt độ thay thế cho nồng độ. Trong hợp kim hệ Fe-C-Cr-Ni, hoạt độ của C có thể tính theo phương trình [68]:
(
( )
Dùng phần mềm tính toán hệ số khuếch tán của C trong thép bằng công nghệ thấm cacbon thể khí hoá nhiệt, tác giả [69, 70] khẳng định rằng, hệ số khuếch tán của C trong austenit phụ thuộc vào nồng độ C, nhiệt độ và nồng độ các nguyên tố hợp kim theo kiểu thay thế (hình 1.24).
Hình 1.24. Hệ số khuếch tán và nồng độ cacbon [69]
Như vậy, sự tăng hàm lượng cacbon sẽ làm tăng tốc độ khuếch tán của nó trong austenit. Điều này do hai nguyên nhân: a) do sự xô lệch rất lớn mạng tinh thể austenit và b) do làm tăng hoạt tính nhiệt động học.
Các nguyên tố hợp kim hóa có ảnh hưởng rất mạnh đến sự ion hóa cacbon. Thí dụ silic, cấu tạo điện tử của các nguyên tử silic và cacbon là đồng dạng. Silic hòa tan trong sắt tương tự với cacbon, khi hoà tan, silic trao các điện tử đến mức 3d là mức điện tử chưa bão hoà của sắt. Trong dung dịch rắn, silic cũng như cacbon tồn tại ở dạng các ion điện tích linh động. Giữa chúng xuất hiện lực đẩy điện tử, kết quả silic đẩy cacbon ra khỏi dung dịch, làm tăng hoạt độ nhiệt động học và thúc đẩy quá trình graphit hóa của hợp kim.
Trước hết, ở mức độ thấp thì ảnh hưởng của niken với vai trò là nguyên tử nhận điện tử mạnh hơn là nguyên tử cho là sắt. Điện tích của ion cacbon giảm đi làm tăng hoạt độ của nó.
Crôm làm giảm độ hoạt tính nhiệt động học của cacbon trong austenit, nghĩa là làm tăng liên kết giữa các nguyên tử cacbon, làm tăng điện tích ion cacbon.
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 [71].
Các nguyên tố hợp kim có độ hoà tan rất khác nhau trong austenit. Silic, nikel và đồng tan nhiều hơn mangan. Silic, đồng và mangan thiên tích ra vùng xung quanh hạt graphit còn Mn lại thiên tích mạnh ở vùng hạt cùng tinh. Bởi vậy, sự khác biệt về thành phần hoá học của các nguyên tố trong austenit và ferit cơ bản là do hiện tượng thiên tích chứ khuếch tán khi nhiệt luyện chỉ là phần rất nhỏ [72].
Thành phần cacbon dùng để austenit hoá trong vùng ba pha, chủ yếu là cacbon từ peclit trong gang ban đầu và sự khuếch tán của cacbon rất hạn chế trong quá trình austenit hoá ở vùng 3 pha [73]. Hàm lượng C trong austenit tăng lên khi nhiệt độ austenit hoá vùng 3 pha tăng lên đối với gang ban đầu là gang cầu ferit [32]. Nguồn cacbon dùng cho austenit hoá chủ yếu là cacbon từ hạt graphit cầu.
Trong gia công nhiệt, các điểm chuyển biến tới hạn (điểm bắt đầu và kết thúc) khi nung nóng và làm nguội rất khác nhau. Bởi vậy, đông học của quá trình cũng khác nhau. Động học chuyển biến là biểu thị mối quan hệ giữa lượng chuyển biến với thời gian hay nhiệt độ. Austenit hóa là giai đoạn đầu để chuẩn bị cho quá trình tôi đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấp, để tạo ra tổ chức ausferit của gang cầu song pha. Tác giả [74] nghiên cứu sự hình thành austenit trong quá nung liên tục thép cacbon thấp và thấy rằng, sự hình thành austenit xảy ra theo hai giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất là sự hòa tan của peclit, tiếp theo là chuyển biến ferit thành austenit. Cả hai chuyển biến đều xảy ra theo cơ chế tạo mầm và phát triển mầm. Nhiệt độ tới
hạn của quá trình tạo thành austenit trong quá trình nung liên tục, tăng lên cùng với tăng tốc độ nung (hình 1.25).
Hình 1.25. Tỷ phần pha của ferit và austenit phụ thuộc vào nhiệt độ theo tốc độ nung [74] Tốc độ phát triển của austenit được kiểm soát bởi khuếch tán thể tích của cacbon hoặc sự khuếch tán biên giới của các nguyên tố hợp kim thay thế. Nếu tốc độ phát triển của austenit bị kiểm soát bởi khuếch tán thể tích của các nguyên tử trong austenit phía trước mặt phân cách, sự khuếch tán của cacbon đóng vai trò quan trọng hơn sự khuếch tán của ác nguyên tố hợp kim thay thế. Khả năng khuếch tán của các nguyên tố hợp kim thay thế trong austenit chậm hơn nhiều so với cacbon và các nguyên tố hợp kim thay thế có lẽ chỉ khuếch tán một quãng ngắn trong quá trình phản ứng. Ở nhiệt độ thấp, khuếch tán biên giới của các nguyên tố hợp kim thay thế sẽ là cơ chế chủ đạo của quá trình [75].