CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌ CQ TRÌNH TƠI THÉP TRONG DUNG DỊCH POLYME
2.6.2. Đặc điểm của chuyển biến mactenxit
Theo các tài liệu [1, 2], chuyển biến mactenxit có những đặc điểm cơ bản sau đây:
Chuyển biến mactenxit chỉ xảy ra khi làm nguội với tốc độ bằng hoặc lớn hơn tốc độ
nguội tới hạn.
Chuyển biến chỉ bắt đầu xảy ra ở nhiệt độ nhất định là Ms (nhiệt độ bắt đầu chuyển
biến mactenxit) và sẽ kết thúc ở nhiệt độ Mf (nhiệt độ kết thúc chuyển biến mactenxit). Hai nhiệt độ này chỉ phụ thuộc vào thành phần cacbon (hình 2.22) và thành phần hợp kim có trong austenit trước khi tơi. Nói chung austenit càng nhiều cacbon và nguyên tố hợp kim (trừ Si, Co và Al) thì các nhiệt độ Ms và Mf càng xuống thấp [71, 72]. Ngoài ra, theo tài liệu [73], kích thước hạt austenit cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ Ms: kích thước hạt austenit càng lớn thì nhiệt độ Ms càng cao (hình 2.23).
Hình 2.22 Ảnh hưởng của hàm lượng
cacbon trong thép đến điểm Ms và Mf (nguồn: [73])
Hình 2.23 Ảnh hưởng của kích
thước hạt austenit đến nhiệt độ Ms (nguồn: [73])
Chuyển pha mactenxit là chuyển pha không khuếch tán. Chuyển biến này xảy ra trong
thời gian rất ngắn chưa đủ để quá trình khuếch tán xảy ra. Tốc độ hình thành pha mactenxit trong kim loại có thế xấp xỉ tốc độ của âm thanh. Tốc độ phát triển của mactenxit trong thép là rất cao (khoảng 1100 m/s), cịn trong niken ngun chất thì tốc độ phát triển của pha mactenxit là 80 m/s. Mặt khác, tổng thành phần hợp kim trong pha mactenxit so với pha austenit đo được là không thay đổi [74].
Chuyển biến mactenxit ln xảy ra khơng hồn tồn, ln tồn tại một lượng austenit
dư không chuyển biến hết, ngay cả khi đã đạt được nhiệt độ Mf. Ngun nhân là do thể tích riêng của mactenxit (có mạng chính phương tâm khối) lớn hơn thể tích riêng của ferit (có mạng lập phương tâm khối), mặt khác ferit có thể tích riêng lớn hơn pha austenit có mạng lập phương tâm mặt. Bởi vậy khi austenit chuyển biến thành mactenxit sẽ làm tăng thể tích mạng tinh thể. Pha mactenxit mới được tạo ra sẽ gây ra ứng suất nén, ép lên phần austenit dư cịn lại, do đó ngăn cản khơng cho austenit chuyển biến tiếp. Lượng austenit dư trong thép phụ thuộc vào nhiệt độ bắt đầu và kết thúc chuyển biến mactenxit. Các
nhiệt độ này lại phụ thuộc vào hàm lượng của cacbon và nguyên tố hợp kim có trong austenit. Do vậy chỉ với thép cacbon cao và thép hợp kim mới cần quan tâm đến hàm lượng austenit dư sau khi tôi. Đặc biệt đối với thép có hàm lượng cacbon và hợp kim cao, khi austenit hóa lượng cacbit hịa tan nhiều do vậy nhiệt độ Ms và Mf càng hạ xuống thấp, sau khi tôi lượng austenit dư sẽ càng nhiều [72].
Nếu làm nguội chậm hay giữ nhiệt trong một khoảng nhiệt độ tương ứng thì mức độ
chuyển biến ở bất kỳ nhiệt độ nào sau đây cũng đều giảm. Hiện tượng này gọi là ổn định hóa. Ổn định hóa xảy ra cả khi giữ nhiệt ở nhiệt độ thấp hơn hay cao hơn Ms. Vấn đề này được giải thích như sau:
+ Cách giải thích thứ nhất dựa vào việc tồn tại phân bố không đồng đều của cacbon hay nguyên tố hợp kim trong thể tích của austenit. Do vậy mà các vùng nghèo cacbon sẽ chuyển biến trước, để các vùng giàu cacbon chuyển biến tiếp được cần phải làm nguội để đạt được Ms của vùng này. Cho đến nay giả thiết này vẫn được nhiều người ủng hộ mặc dầu người ta đã chỉ ra rằng thành phần hóa học của austenit và mactenxit là giống nhau.
+ Cách giải thích thứ 2 dựa vào giả thiết là ở nhiệt độ cao trong austenit xuất hiện những vùng có mạng tinh thể gần giống với mactenxit nên khi làm nguội nhanh các vùng này được giữ lại đến nhiệt độ Ms hay thấp hơn. Theo giả thiết này ở nhiệt độ đã cho chỉ những vùng có kích thước bằng hoặc lớn hơn kích thước tới hạn mới tham gia vào chuyển biến. Nhưng giả thiết này ít có khả năng, do làm nguội đến nhiệt độ thấp ở mặt danh giới giữa austenit và mactenxit sẽ xuất hiện ứng suất đàn hổi làm mất những thăng giáng về sắp xếp.
+ Cách giải thích thứ 3 cho rằng chuyển biến chậm lại là do những bộ phận austenit chưa chuyển biến bị nén từ mọi phía. Nhưng hiện tượng ổn định hóa lại được quan sát thấy cả khi mới xuất hiện những tinh thể mactenxit đầu tiên. Vì vậy cách giải thích này chỉ đúng cho giai đoạn cuối của quá trình chuyển biến.
+ Nguyên nhân việc chuyển biến chậm lại là do sự thay đổi liên tục trạng thái austenit do vậy làm thay đổi điều kiện sinh mầm mactenxit. Do có sự khác nhau về thể tích riêng phần giữa mactenxit và austenit nên khi chuyển biến sẽ sinh ra ứng suất và làm austenit bị biến dạng dẻo. Ở nhiệt độ chuyển biến mactenxit biến dạng dẻo sẽ làm cho austenit bị biến cứng. Thực nghiệm cho thấy rằng sự biến cứng austenit trong q trình chuyển biến sẽ làm tăng tính ổn định của austenit, cho nên muốn cho chuyển biến tiếp theo phải giảm nhiệt độ.
Trong thép cacbon trung bình và thép cacbon cao, mactenxit tạo thành có dạng tấm và
phát triển với tốc độ rất nhanh (thời gian tạo thành một tinh thể mactenxit ˂ 10-7 giây).
Chuyển biến có tính chất thuận nghịch, nhiệt độ chuyển biến khi nung nóng và làm
nguội có sự chênh lệch nhau. Hiện tượng thuận nghịch trong chuyển biến chỉ xảy ra với một số kim loại và hợp kim. Trong thép sẽ khơng xảy ra vì trước khi có chuyển biến mactenxit thành austenit đã phân hủy thành tổ chức khác.