a. Tạo dung dịch rắn
- Dung dịch rắn xen kẽ của c trong Fea (ferit = Fea (C) = a = F) + Có kiểu mạng lập phương thể tâm (tâm khối) có mật độ xếp thấp.
+ %c cực đại hòa tan vào Fea là 0.02%, ở 727°c. Ở nhiệt độ thường là 0.006%. Chủ yếu nằm ở biên giới hạt.
+ Tính chất: độ cứng thấp, độ bền thấp, độ dẻo cao.
- Dung dịch rắn xen kẽ của c trong Fey (austennit = Fey (C) = Y = A).
+ Có kiểu mạng lập phương diện tâm, có ít điểm trống nhưng các điểm trống có kích thước lớn.
+ Trong thực tế độ hòa tan của c trong Fey cực đại là 2.14%, ở 1147°c. Ở 727° c hòa tan lớn nhất là 0.8%.
+ Tính chất: chỉ tồn tại ở nhiệt độ lớn hơn 72oaC. Độ bền cao, độ dẻo khá cao, độ cứng thấp.
b. Tạo Xementit (Fe3C)
- Khi lượng c vượt quá giớn hạn hòa tan kể trên, c sẽ kết họp với Fe tạo thành Fe3C (Xementit).
- Xementit là pha không ổn định, dễ tạo thành nhưng trong một số điều kiện bị phân hóa thành Fe và c.
- Tính chất: độ cứng 800 HB, chống mài mịn tốt, độ dịn khá cao, có màu của xà cừ (ngọc trai).
3.2 GIẢN ĐO TRANG THÁI Fe-C 3.2.1 Khái niệm về giản đồ trạng thái 3.2.1.1 Khái niệm
3.2.1.1.1 Định nghĩa
Giản đồ trạng thái là một biểu đồ mô tả sự phụ thuộc trạng thái pha của họp kim vào nhiệt độ và nồng độ. Giản đồ trạng thái còn gọi là giản đồ pha.
Giản đồ trạng thái được xây dựng hoàn toàn bằng thực nghiệm, trong điều kiện nung nóng và làm nguội vơ cùng chậm tức là ở trạng thái cân bằng.
3.2.1.1.2 Công dụng của giản đồ trạng thái: từ giản đồ có thể xác định được.
- Biết được nhiệt độ chảy, chuyển biến pha của các họp kim trong hệ khi nung nóng và làm nguội, nhờ đó có thể xác định dể dàng các chế độ đúc, rèn, cán, hàn, nhiệt luyện.
- Biết được trạng thái pha (pha nào, thành phần pha, số lượng pha, tỷ lệ) của họp kim trong hệ, từ đó có thể đốn được đặc tính cơ bản và cơng dụng.
3.2.1.1.3 Cấu tạo (Giản đồ của hợp kim hai cấu tử)
- Hai trục tung chỉ nhiệt: trục tung thứ nhất chỉ trạng thái của nguyên to A và trục tung thứ hai chỉ trạng thái của nguyên tố B.
- Trục hoành chỉ nồng độ của nguyên to A, B theo % trọng lượng.
- Một đường thẳng đứng trong giản đồ (x%B) chỉ trạng thái của pha họp kim X%B.
-Các đường cong, thẳng (nếu có) chia giản đồ thành nhiều vùng có trạng thái pha giống nhau.
3.2.1.1.4 Quy tắc đòn bấy và tỷ lệ giữa các pha Dùng để xác định nồng độ của các pha. - Họp kim X%B, ở nhiệt độ T có hai pha là (X và L. - Lỏng ở vị trí N, (X ở vị trí M, muốn xác định %B chỉ cần gióng xuống trục hồnh (X1% B trong (X và x2% B trong L). - Tỷ lệ giữa L và (X xác định như sau: OM ON L = a = MN MN
3.2.1.2 Một sô giản đô trạng thái hợp kim hai nguyên điên hình
3.2.1.2.1 Giản đồ trạng thái của hợp kim tạo dung dịch rắn hịa tan vơ hạn (giản đồ loại I)
% Ni
Hình 3.4 Gián đồ trạng thái của hợp kim tạo dung dịch ran hịa ta vơ hạn
Giản đồ gồm 2 đường cong khép kín ở 2 đầu mút tương ứng với kim loại nguyên chất. AMB là đường lỏng, ANB là đường đặc. Toàn bộ họp kim ở trên đường lỏng ở trạng thái lỏng, dưới đường đặc ở trạng thái rắn. Khoảng giữa 2 đường lỏng, rắn là khoảng kết tinh (hoặc nóng chảy) tồn tại đồng thời pha lỏng lẫn rắn.
Đường đẳng nhiệt Tn cắt đường lỏng ở M và đường đặc ở N, chiếu xuống trục hoành ta được Mx và Nx là thành phần pha lỏng và rắn của B
Vật Liệu Học Làm Hồng Câm
3.2.1.2.2 Giản đồ pha của hợp kim tạo dung dịch rắn hòa tan có hạn (giản đồ loại II)
Hệ có kiểu điển hình là hệ Chì-Thiếc (Pb-Sn). Dạng tổng quát của giản đồ như hình 3.5:
- AEB là đường lỏng, trong đó A,B là nhiệt độ kết tinh của 2 nguyên A và B.
- ACEDB là đường đặc. Giản đồ loại này có các đặc điểm:
- Nhiệt độ kết tinh của mọi hợp kim đều giảm khi thêm lượng nguyên của pha khác. Ví dụ: Tkt của A giảm theo đường AE khi thêm B và đạt trị số thấp nhất tại E.
- Điểm E là điểm cùng tinh. Tại đó xảy ra phản ứng cùng tinh: một pha lỏng có thành phần xác định LE đồng thời kết tinh ra 2 pha rắn có thành phần xác định 0Cc (ứng với điểm C) và Pi) (ứng với điểm D).
- a và (3 là dung dịch rắn hịa tan có hạn của A trong B và của B trong A.
Giới hạn hòa tan này phụ thuộc nhiệt độ, được biểu diễn bằng đường CF (đối với a) và DG (đối với (3).
- Với mỗi hệ hợp kim chỉ có 1 hợp kim duy nhất có thành phần ứng với điểm E gọi là hợp kim cùng tinh.
B: 1500°(0.5%C) C: 1147° (4 3%C) D: 1600° (6.67%C) E: 1147°(2.14%C) F: 1147° (6 67%C) G:910°(Ò%C) H: 1500°(0.1%C) J: 1500°(Ò.16%C) K: 727°(6.67%C) L: 0°(6.67%C) N: 1400° (0%C) P: 727° (0.02%C) Q: 0°(0.006%C) S: 727°(0.8%C)
Vật Liệu Học Lâm Hồng Cảm
3.2.2.2 Các đường trên giản đồ- ABCD: là đường lỏng. - ABCD: là đường lỏng.
- AHJECF: là đường rắn (đường đặc).
- ECF=1147°C không đổi là đường cùng tinh, với điểm c (4.3%c, 1147°C): là điểm cùng tinh.
Tại t0=1147°C thì Lc—>(/£ + XeF} =Lei (Lêđêburit một) là hỗn hợp cơ học cùng tinh của auxteimit và xementit. Tồn tại 727°c<t°<l 147°c.
- SPK: là đường cùng tích, với điểm s (0.8%C, 727°C): là điểm cùng tích. - GS: đường bắt đầu từ Y ~^>F khi nguội, cũng là đường kết thúc từ F^>Y
khi nung nóng.
- ES: là đường giới hạn của c trong /'Ạ(C') tạo thành auxteimit.
Bắt đầu Y -^XCn khi nguội hay kết thúc Xen -+Y khi nung nóng.
- PQ: Đường giới hạn hịa tan của c trong F (FeaỴ Đường bắt đầu
F -^Xein khi nguội hay kết thúc Xejn ~^F khi nung nóng.
3.2.2.3 Các tổ chức cơ bản3.2.2.3.1 Các tố chức một pha 3.2.2.3.1 Các tố chức một pha
a. Ferit (ferit = Fea (C) = a = F) là dung dịch rắn xen kẽ của c trong Fea
với mạng lập phương tâm khối (a=0.286-0.29 A°) song do lượng hòa tan rất nhỏ (lớn nhất là 0.02%C ở 727°C- tại điểm P; và nhỏ nhất là 0.006%C- điểm Q).
Ferit có tính sắt từ tồn tại ở t° < 768°c. Do chứa ít c nên cơ tính của Ferit chính là của sắt nguyên chất: dẻo, dai, mềm và kém bền. Trong thực tế Ferit có thể hịa tan được Si, Mn, Cr...
Tổ chức tế vi của Ferit có dạng các hạt đa cạnh, hạt sáng.
b. Auxtennit [ký hiệu bằng /, A, Feỵ (c) ] (hay pha dẻo và dai) là dung dịch
rắn xen kẽ c trong Feỵ có mạng lập phương tâm mặt (ữ « 0.364 A °) với lượng hòa tan c đáng kể (cao nhất 2.14%C) 1147°c tại điểm E. Ở nhiệt độ 727°c, auxteimit chỉ còn hịa tan được 0,8%C.
Auxtennit khơng có tính sắt từ, có tính thuận từ, chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao (>727°C), không sử dụng trực tiếp chế tạo các chi tiết máy nhưng có vai trị quan trọng khi nhiệt luyện.
c. Xementit (ký hiệu Xe, Fe3C) là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp có
cơng thức Fe3C và có nồng độ c là 6.67% .
Xementit có tính sắt từ yếu chỉ đến 210°C, rất cứng nên chống mài mòn tốt nhưng rất dòn. Xementit gồm 3 loại:
- Xementit thứ nhất( ký hiệu Xel, Fe3CI).
+ Tạo thành từ dung dịch lỏng khi hạ nhiệt độ 1600^1147°c (theo đường DC).
+ Xel chỉ có trong họp kim có 4.3%c trở lên.
Do tạo ở nhiệt độ cao (> 1147°C) nên kích thước lớn, có thể thấy bằng mắt thường.
+ Được tạo thành từ dung dịch rắn Auxtenit theo đường ES trong khoảng nhiệt độl 147^-727°C khi độ hoà tan của c trong Fey giảm từ 2.14% xuống 0.8%.
+ Xell có trong hợp kim có 0%C> 0.8%
Do tạo thành ở nhiệt độ tương đối cao (>727°C) nên tập trung ở biên giới hạt.
- Xementit thứ ba_(ký hiệu Xelll FesCIII)
+ Được tạo thành từ Ferit theo đường PQ ở nhiệt độ < 727°c khi lượng c giảm từ 0.02 xuống 0.006%.
+ Lượng XelII được tạo thành rất ít, khơng đáng kể, khó phát hiện trên tổ chức tế vi và thường được bỏ qua.
3.2.2.3.2 Các tố chức hai pha
a . Peclit (ký hiệu p= [F+Fe3C] = [F+Xe]) là hỗn họp cơ học cùng tích của
Ferit và xementit được tạo thành từ austenit 0.8%C, ở 727°c. Trong peclit có 88% ferit và 12% xementit phân bố đều (xen kẽ nhau).
Peclit là tổ chức khá bền, nhưng cũng dẻo, dai đáp ứng rất tốt các yêu cầu của vật liệu kết cấu và công cụ.
- Peclit tấm thường gặp hơn cả, có cấu trúc tấm (hay phiến), F và Xe tức là
hai pha này nằm đan xen đều nhau. Trên mặt cắt ngang để lại các vạch theo cùng một hướng hay đa hướng, trong đó các vạch tối mỏng là xementit, vạch sáng dày là ferit.
- Peclit hạt ít gặp hơn, có cấu trúc xementit ở dạng thu gọn nhất, hạt
xementit phân bố đều trên nền ferit. So với peclit hạt, peclit tấm có độ cứng cao hơn, độ dẻo, độ dai thấp hơn đôi chút, độ bền thấp hơn. Auxtennit đồng nhất dễ tạo peclit tấm, cịn auxtennit khơng đồng nhất tạo ra peclit hạt.
Hình 3.7
a. Pecỉit tấm (x 500); b. Pecỉit hạt (x500)
b. Lêđêburit [có ký hiệu bằng Le, hay
(y + Xe ) hay (P+Xe)]
Là hỗn họp cơ học cùng tinh của auxtennit và xementit tạo thành từ pha lỏng có 4.3%c ở 1147°c.
- Lúc mới tạo thành (1147 -^727°C), Le gồm Au và Xe.
- Làm nguội dưới 727°c thì auxtenit chuyển thành, peclit nên nó gồm peclit và xementit.
- Phân tích đến cùng thì Le bao gồm ferit và
Hình 3.8 Tơ chúc tế vi của ỉêđêbtưit ở nhiệt độ thường
Vật Liệu Học Làm Hồng Câm
xementit nhưng xementit chiếm hàm lượng gần 2/3 nên rất cứng (tới 600HB) và dịn.
3.3 VÀI TÍNH CHẤT CHUNG CỦA THÉP VÀ GANG3 3.1 Thép 3 3.1 Thép
3.3.1.1 Định nghĩa
Thép là hợp kim của Fe-C mà nồng độ 0.02%<C < 2.14%.
3.3.1.2 Các loại thép
- Thép trước cùng tích với lượng c <0.8%, bên trái của điểm s, có tổ chức
là ferit (sáng) +peclit (tối). Tổ chức tế vi của thép trước cùng tích là F+P.
Theo quy tắc địn bẩy, khi lượng c tăng lên thì trên tổ chức peclit (màu tối) tăng lên, còn phần ferit (màu sáng) giảm đi. Neu Ferit khơng chứa c (hay q ít từ 0.02%-0.05%) có thể coi là sắt nguyên chất với tổ chức chỉ có các hạt Ferit màu sáng.
- Thép cùng tích với thành phần 0.8%C ứng với điểm s, có tổ chức peclit. - Thép sau cùng tích với thành phần c > 0,8% (thường chỉ sử dụng tới
1.5% và cá biệt có thể đạt tới 2-2.14%C) ở bên phải điểm s có tổ chức peclit + xementit II (P +Xeii), ở dạng lưới sáng bọc lấy peclit tấm.
a b c d
Hình 3.9 Tơ chức tế vi của thép
a. Trước cùng tích; b, c. Cùng tích; d. Sau cùng tích
3.3.2 Gang
3.3.2.1 Định nghĩa
Gang là hợp kim của Fe-C mà nồng độ 2.14%<c<6.67%.
3.3.2.2 Các loại gang
a c
Hình 3.10 Tơ chức tế vi của gang
a. Trước cùng tinh ; b. Cùng tinh c. Sau cùng tinh
- Gang trước cùng tinh với thành phan c ít hơn 4.3% ở bên trái điểm c, có
- Gang cùng tinh có 4.3%c ứng với điểm c hay lân cận điểm c, tổ chức
100% là lêđêburit Lêii.
- Gang sau cùng tinh với thành phần >4.3%c, ở bên phải điểm c, có tổ
chức lêđêburit + xementit I: Leii+Xei.
3.4 CÁC ĐIỂM (NHIỆT ĐỘ) TỚI HẠN TRÊN GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI Fe-C Fe-C
Điểm tới hạn là nhiệt độ khỉ nung nóng hoặc làm nguội đến đó, kim loại bắt đầu hoặc kết thúc sự chuyển biến pha.
3.4.1 Khi nung nóng và làm nguội rất chậm
Giản đồ trạng thái Fe-C được xây dựng bằng thực nghiệm, được xây dựng trong điều kiện nung nóng hay làm nguội chậm.
A1=PK=727°C. A3=GS=910-727°C. Am=ES=1147-727°C.
Gọi là các điểm tới hạn trong giản đồ trạng thái Fe-C.
3.4.2 Khi nung nóng thực tế (có thêm chữ “c”)
Nhiệt độ luôn cao hơn các nhiệt độ tới hạn.
4,-4 = at;,
Ă-3 — ^3 = ^c3
A - A = AT1
^cm 'in -L cm
trong đó: A^; AZỊ3; &íciìl gọi là độ quá nung.
Độ quá nung phụ thuộc tốc độ nung. Tốc độ nung càng lớn, độ quá nung càng lớn.
3.4.3 Khi làm nguội thực tế (có thêm chữ “r”)
Nhiệt độ luôn thấp hơn nhiệt độ tới hạn. 4 - 4. = at;,
^3 — A 3 = ATr3
A - Acm rem r rcm = AT
trong đó ATrl; ATr3; ỉ±Trcm gọi là độ quá nguội.
Độ quá nguội phụ thuộc vào tốc độ nguội. Tốc độ nguội càng lớn, độ quá nguội càng lớn.
3.4.4 Một số điếm tói hạn của thép
- Điểm tới hạn là điểm ứng với nhiệt độ bắt đầu hoặc kết thúc sự chuyển biến pha trong kim loại hay trong họp kim.
- A1 = 727°c ứng với đường PSK là nhiệt độ chuyển biến cùng tích: auxtenit peclit khi làm nguội và từ peclit auxtenit khi làm nóng.
- A3 = 911-4727°c ứng với đường GS là nhiệt độ bắt đầu tiết ra ferit từ auxtenit khi làm nguội hoặc kết thúc hoà tan ferit vào auxtenit khi nung nóng.
- Am = 1147 -4727°c ứng với đường ES là nhiệt độ bắt đầu tiết ra Xêll từ auxtenit khi làm nguội hoặc kết thúc hồ tan Xell vào auxtenit khi nung nóng.
Vật Liệu Học Lâm Hồng Cảm
- Nhiệt độ tới hạn khi nung nóng thêm chữ “c” và làm nguội thêm chữ “r”. Ví dụ: A1 Aci : nung nóng lên t°Ai
A1 Ari: làm nguội xuống t° A1
a. Đối vói thép trước cùng tích: khi nung nóng:
- 1° < 727°C: khơng có sự chuyển hóa pha.
- Aci = 727°C: peclic Auxtenit (ứng với điển a).
- Aci < t° < Ac3 : tinh thể Ferit sẽ hòa tan trong Auxtenit. - 1° = Ac3 : sự hòa tan kết thúc tạo thành Auxtenit (vị trí a).
b. Đối vói thép cùng tích: khi nung đến nhiệt độ = Aci (727°C) ứng với
điểm s, peclit sẽ chuyển thẳng sang Aux. Lúc này các điểm tới hạn Aci và Ac3 trùng nhau.
c. Đối vói thép sau cùng tích: khi nung nóng:
- Đến t° = 727°c (vị trí b) peclit chuyển sang auxtenit. - Aci < t° < Acm : Xementit hòa tan vào auxtenit.
- 1° = Acm (vị trí bl): kết thúc hịa tan và tạo thành auxtenit.
Hiểu rõ ý nghĩa các điểm tới hạn trên giản đồ, sẽ giải quyết được 1 số vấn đề trong công nghệ nhiệt luyện, gia công áp lực...
CÂU HỎI ƠN TẬP
1. Trình bày định nghĩa, mô tả cấu tạo và công dụng của giản đồ trạng thái? 2. Vẽ giản đồ và trình bày đặc điểm giản đồ trạng thái của hợp kim tạo dung dịch rắn hịa tan có hạn (giản đồ loại II)?
3. Mô tả đường trên giản đồ trạng thái Fe-C. Từ đặc điểm các đường trên giải thích lý do: trong công nghệ chế tạo phôi thường dùng phương pháp gia công áp lực đối với thép và phương pháp đúc đối với gang?
4. Trình bày tính chất các tổ chức 1 pha trên giản đồ trạng thái Fe-C. Từ đặc điểm các tổ chức 1 pha trên giải thích lý do: trong cơng nghệ chế tạo phơi thường dùng phương pháp gia công áp lực đối với thép và phương pháp đúc đối với gang?
5. Ferit và Auxtennit pha nào có tính dẻo cao hơn? Giải thích lí do? 6. Trình bày đặc điểm các loại thép và gang trên giản đồ trạng thái Fe-C? 7. Xác định các chế độ nhiệt cho các phương pháp đúc, hàn, rèn của thép có hàm lượng 0,8%C trên giản đồ trạng thái Fe-C?
Chương 4 THÉP
MỤC TIÊU
Học xong chương 4, sinh viên có khả năng:
- Định nghĩa được thép và trình bày được ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất: Mn, Si, p, s có trong thép.
- Phân loại được thép.
- Đọc được ký hiệu và trình bày được tỉnh chất, cơng dụng các loại thép carbon và thép hợp kim.
- Chọn lựa được được phôi thép phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm.
NỘI DUNG
Thép là họp kim giữa sắt và cacbon với hàm lượng c < 2.14%. Ngoài ra