3.2.1 Các chuyển biến xẩy ra khi nhiệt luyện
3.2.1.1 Chuyển biến xảy ra khi nung
* Chuyển biến peclit thành auxtenit xảy ra khi nung nóng thép quá AC1
tại đó, auxtenit có năng lượng tự do nhỏ nhất.
3.2.1.2 Chuyển biến của auxtenit ra khi nguội
a. Chuyển biến khi làm nguội chậm thép xuống thấp hơn Ar1
Ô P
b. Chuyển biến của auxtenit khi làm nguội đẳng nhiệt
Làm nguội chậm đẳng nhiệt
(Hình 3.2) là làm nguội nhanh đến một nhiệt độ nhất định rồi giữ nhiệt ở đó một thời gian dài.
Chuyển biến đẳng nhiệt là chuyển biến tổ chức của auxtenit trong thời gian giữ đẳng nhiệt.
Sở dĩ chọn điều kiện nguội
đẳng nhiệt vì dễ xác định khi nghiên cứu. Thực hiện làm nguội đẳng nhiệt bằng cách nhúng nhanh các mẫu nhỏ và mỏng đã auxtenit hoá vào các môi trường (thường là chất lỏng) có nhiệt độ được giữ không đổi, rồi tiến hành xác định mức độ chuyển biến theo thời gian bằng các phương pháp khác nhau.
+ Dạng giản đồ.
- Đường cong thứ nhất: bắt đầu chuyển biến của auxtenit. - Đường cong thứ hai: kết thúc chuyển biến của auxtenit.
- Mđ: Bắt đầu chuyển biến mactenxit
- Mk: Kết thúc chuyển biến mactenxit
+ Các sản phẩm của sự phân hoá đẳng nhiệt của auxtenit quá nguội * Thép cùng tích(C = 0,8%).
Hình 3.3 trình bày giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của auxtenit quá nguội cho thép cùng tích(C = 0,8%). Các sản phẩm của sự phân hoá ở các nhiệt độ khác nhau được ghi ở cột bên phải có kèm theo độ cứng của chúng.
- Nếu auxtenit quá nguội phân hoá ở nhiệt độ
Như thấy rõ từ giản đồ, ở nhiệt độ lớn hơn 7270C, auxtenit ở trạng thái hoàn toàn ổn định. Khi làm nguội xuống dưới 7270C, auxtenit trở lên mất ổn định và sẽ bị phân hoá thành hỗn hợp của ferit và xêmentit. Auxtenit tồn tại trong một thời gian nào đó ở dưới 7270C, gọi là auxtenit quá nguội. Khoảng cách từ trục tung đến đường cong “ C ’’ thứ nhất sẽ biểu thị khoảng thời gian tồn tại của auxtenit quá nguội ở nhiệt độ khác nhau hay là tính ổn định của
Hình 3.2 Sơ đồ làm nguội đẳng nhiệt
t
auxtenit quá nguội. Như thấy rõ từ giản đồ chữ “ C ’’ auxtenit kém ổn định nhất ở khoảng (500 ÷ 600)0C, lúc đó thời gian tồn tại của auxtenit chưa đầy 1
giây.
Các chuyển biến của auxtenit quá nguội trong khoảng nhiệt độ từ Ar1
đến (500 ÷ 600)oC được gọi là chuyển biến peclit, còn dưới (500 ÷ 600)0C
được gọi là chuyển biến trung gian.
Hình 3.3 Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của auxtenit quá nguội cho thép cùng tích C =0,8%
+ Chuyển biến peclit(727÷ 500)0C
Chuyển biến peclit xảy ra với sự tạo thành hỗn hợp ferit + xêmentit ở dạng tấm, ở trong khoảng nhiệt độ(A1 ÷ 500) 0C (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Nếu auxtenit quá nguội phân hoá ở nhiệt độ sát A1 tức là ứng với độ quá nguội bé (ΔT < 500C) sẽ được hỗn hợp ferit + xêmentit và được gọi là peclit, trong đó xêmentit ở dạng tấm có kích thước lớn. Kích thước của xêmentit được
S
Hình 3.4 Sơ đồ tổ chức của peclit tấm (S
- khoảng cách giữa các tấm của tổ chức
peclit)
t1
t2
xác định bằng khoảng cách s giữa các tấm (Hình 3.4). Khoảng cách giữa các tấm của chúng là (5 ÷ 7).10 - 4mm. Độ cứng của peclit khoảng (180 ÷
220)HB;
- Nếu auxtenit quá nguội phân hoá ở nhiệt độ thấp hơn với(ΔT=50 ÷ 100)0C cũng được hỗn hợp ferit + xêmentit trong đó xêmentit ở dạng tấm có
kích thước bé, s khoảng(3÷4).10 - 4 mm, tổ chức này được gọi là xoocbit, độ cứng khoảng(250 ÷ 300) HB;
- Nếu auxtenit quá nguội phân hoá ở nhiệt độ thấp hơn nữa khoảng
(500÷600)0C, ứng với nhiệt độ khi auxtenit kém ổn định nhất, tức là phần lồi của đường cong “ C ’’cũng được hỗn hợp ferit + xêmentit trong đó xêmentit ở dạng tấm có kích thước bé, s khoảng(1÷2).10-4 mm, tổ chức này được gọi là trôxtit, độ cứng khoảng 400HB;
Vậy peclit, xoocbit, trôxtit, đều là hỗn hợp của ferit + xêmentit, nhưng với độ nhỏ mịn của xêmentit khác nhau, độ cứng, độ bền của chúng khác nhau. Xêmentit càng nhỏ mịn độ cứng và độ bền càng cao.
+ Chuyển biến trung gian(500 –Mđ). Ở dưới 5000C auxtenit quá nguội phân hoá thành hỗn hợp cơ học của ferit và xêmemtit và gọi là bainit với cơ chế khác và với đặc điểm riêng. Chuyển biến này gọi là chuyển biến trung gian, tương ứng với đoạn dưới của đường cong “ C ’’. Xêmentit trong (S < 10
- 4 mm);
Người ta phân ra hai loại bainit:
Bainit trên tạo thành do auxtenit quá nguội phân hoá ở nhiệt độ cao (500 ÷ 350) 0C, bainit trên có dạng ngòi bút màu tối, độ cứng khoảng 450HB.
Bainit dưới tạo thành do auxtenit quá nguội phân hoá ở nhiệt độ (350 ÷ 250)0C, bainit dưới có dạng hình kim với góc nhọn nhỏ, độ cứng khoảng
550HB.
* Thép khác cùng tích (trước và sau cùng tích) hình 3.5
Các loại thép trước và sau cùng tích cũng có dạng giản đồ phân hoá đẳng nhiệt auxtenit quá nguội như thép cùng tích, nhưng có thêm nhánh phụ trên đường cong chữ “ C ’’, bên trái chỉ rõ thời gian bắt đầu tiết ra khỏi
auxtenit các pha thừa: ferit (cho thép trước cùng tích ở dưới A3) và xêmentitII
(cho thép sau cùng tích ở dưới ACm) như biểu thị ở hình 3.5. Cần chú ý là sự tiết ra của các pha dư đó trong các thép khác cùng tích chỉ xảy ra ở các độ quá nguội bé.
Ở độ quá nguội lớn (thường tương ứng với khi hình thành xoocbit trở đi), auxtenit sẽ chuyển biến ngay thành hỗn hợp(ferit + xêmentit) mà không có chuyển biến tiết ra pha dư trước đó, do đó lượng cacbon ở trong hỗn hợp sẽ khác thành phần cùng tích(0,8%C). Hỗn hợp ferit + xêmentit như vậy được gọi là cùng tích giả.
c. Chuyển biến của auxtenit khi làm nguội nhanh(Chuyển biến
Mactenxit)
Khi nung nóng để đạt tổ chức auxtenit rồi sau đó làm nguội nhanh thích hợp thì auxtenit không kịp phân hoá thành hỗn hợp ferit + xêmentit, mà auxtenit bị quá nguội xuống đến nhiệt độ Mđvà chuyển biến thành mactenxit. Tốc độ nguội nhanh để có chuyển biến này phải lớn hơn hay bằng giá trị vt
+ Bản chất của mactexit Hình 3.6 Tổ chức tế vi của Mactenit
Mactexit là dung dịch rắn xen kẽ quá bão hoà của cacbon ở trong Feα với nồng độ cacbon bằng nồng độ cacbon của auxtenit, có kiểu mạng chính phương thể tâm và có độ cứng cao. + Cơ tính của mactenxit (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Độ cứng của mactenxit: mactenxit là dung dịch rắn quá bão hoà của
cacbon trong Feαdo vậy độ cứng của mactenxit chỉ phụ thuộc vào hàm lượng
Hình 3.5 Giản đồ phân hoá đẳng nhiệt auxtenit quá nguội của thép trước cùng tích (a) và sau cùng tích (b)
cacbon trong nó: cacbon càng cao, độ chính phương của mactenxit càng lớn, mạng tinh thể càng xô lệch, độ cứng càng cao.
- Tính giòn của mactenxit: nhược điểm của mactenxit là tính giòn cao,
đặc điểm này có liên quan đến độ cứng và sự tồn tại ứng suất dư trong nó. Tuy nhiên tính giòn của mactenxit được giao động trong phạm vi khá rộng.
d. Chuyển biến xảy ra khi ram
Để phân tích các pha tạo thành trong quá trình ramcó thể dùng phương
pháp phân tích tổ chức bằng tia rơngen hay phương pháp đo giãn nở. Đo giãn nở là phương pháp thường dùng để xác định chuyển biến khi ram, nó dựa trên sự khác nhau về thể tích riêng của peclit, mactenxit và austenit. Có thể phân tích chuyển biến khi ram làm bốn giai đoạn
* Giai đoạn 1(< 2000C)
Khi nung ở nhiệt độ(80 ÷ 200) 0C mẫu thép giảm chiều dài, chứng tỏ mactenxit chuyển biến. Trong khoảng nhiệt độ này, một phần cacbon trong mactenxit được tiết ra dưới dạng cacbit với kiểu mạng lục giác có thành phần hóa học gần giống Fe3C và ở dạng tấm mỏng, mactenxit còn lại trở lên nghèo cacbon khoảng (0,25 ÷ 0,4)% ở 2000C. Kết thúc giai đoạn này mactenxit chuyển biến thành hỗn hợp của cacbit liên kết cùng mạng với Feα, hỗn hợp này được gọi là mactenxit ram có độ cứng gần như mactenxit tôi nhưng ứng suất bên trong nhỏ do tiết cacbon làm giảm xô lệch mạng.
* Giai đoạn 2(200 ÷ 260)0C
Khi nung thép ở nhiệt độ (200 ÷ 260)0C, sự tiết ra cacbon khỏi mactenxit ở dạng cacbit như ở giai đoạn 1 vẫn tiếp tục, ở cuối giai đoạn này lượng cacbon trong mactenxit chỉ còn (0,15 ÷ 0,2)%. Đến đây độ cứng có thể tăng lên hoặc giảm đi chút ít tùy thuộc vào lượng ostenit dư sau khi tôi.
* Giai đoạn 3(260 ÷ 400)0C
Khi nung nóng ở (260 ÷ 400)0C có 2 quá trình xẩy ra:
- Tất cả cacbon được tiết ra khỏi mactenxit ở dạng cacbit, mactenxit nghèo cacbon biến thành ferit.
- Cacbit được tạo thành tử mactenxit mất liên kết cùng mạng với Feα và chuyển thành Fe3C có dạng hạt. Vậy đến cuối giai đoạn 3 tổ chức là hỗn hợp Ferit - xêmentit dạng hạt nhỏ mịn và phân tán gọi là trôxtit ram, có độ cứng giảm, ứng suất bên trong mất hoàn toàn, có tính đàn hồi tốt.
Trong giai đoạn này thép đã tôi không xẩy ra chuyển biến pha, lúc này chỉ thay đổi hình dạng và kích thước của ferit và xêmentit. Hỗn hợp ferit và xêmentit ở dạng hạt tạo nên ở khoảng nhiệt độ (500 ÷ 600)0C gọi là xoocbitram có cơ tính tổng hợp tốt.