Điểm %C Nhiệt độ Điểm %C Nhiệt độ
A 0 1539 F 6,67 1147 B 0,51 1499 D 6,67 1227 H 0,1 1499 G 0 911 J 0,19 1499 P 0,02 727 N 0 1399 Q 0.006 0 E 2,14 1147 K 6,67 727 C 4,3 1147 S 0,8 727
Một số đƣờng có ý nghĩa thực tế rất quan trọng nhƣ sau:
- ABCD là đƣờng lỏng để xác định nhiệt độ chảy lỏng hoàn toàn hay bắt đầu kết tinh.
- AHJECF là đƣờng rắn để xác định nhiệt độ bắt đầu chảy hay kết thúc kết tinh. - ECF (1147 oC) là đƣờng cùng tinh, xảy ra phản ứng cùng tinh.
- PSK (727 0C) là đƣờng cùng tích, xảy ra phản ứng cùng tích. - ES giới hạn hịa tan cacbon trong Feγ.
- PQ giới hạn hòa tan cacbon trong Feα.
3.3.3.3. Các tổ chức của hợp kim Fe-C.
a) Các tổ chức một pha.
Hợp kim lỏng (L):
Hợp kim lỏng là dung dịch lỏng của cacbon trong sắt tồn tại phía trên đƣờng lỏng ABCD
Ferit ( α, F, α-Fe):
Ferit là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong α-Fe với mạng lập phƣơng tâm khối a = 2,86 Å. Ferit có tính sắt từ nhƣng chỉ đến 768 0C. Trên giản đồ Fe-C nó tồn tại trong vùng GPQ. Do khơng chứa cacbon 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 Si, Mn, P, Cr... nên sẽ cứng và bền hơn song cũng kém dẻo dai đi. Ferit là một trong hai pha tồn tại ở nhiệt độ thƣờng và khi sử dụng (< 727 0C), nên nó đóng vai trị quan trọng trong cơ tính của hợp kim Fe - C. Tổ chức tế vi của ferit trình bày ở Hình 3.9a có dạng các hạt sáng, đa cạnh.
Hình 3.9. Tổ chức tế vi của ferit (a) và austenit (b) (x500).
Austenite
Austenite [có thể ký hiệu bằng γ, A, γ-Fe(C)] là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong γ-Fe với mạng lập phƣơng tâm mặt với lƣợng hòa tan đáng kể cacbon (cao nhất tới 2,14% ở 1147 0C. Khác với ferit, austenite khơng có tính sắt từ mà có tính thuận từ, nó chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao ( > 727 0C ) trong vùng NJESG ( tiếp giáp với Feγ trên trục ) nên khơng có quan hệ trực tiếp nào đến khả năng sử dụng của hợp kim nhƣng lại có vai trị quyết định trong biến dạng nóng và
nhiệt luyện.
Với tính dẻo cao ( là đặc điểm của mạng A1) và rất mềm ở nhiệt độ cao nên biến dạng nóng (dạng chủ yếu để tạo phơi và bán thành phẩm) thép bao giờ cũng đƣợc thực hiện ở trạng thái austenite đồng nhất . Vì thế có thể tiến hành biến dạng nóng mọi hợp kim Fe - C với C < 2,14% dù cho ở nhiệt độ thƣờng thể hiện độ cứng và tính giịn khá cao. Làm nguội austenit với tốc độ khác nhau sẽ nhận đƣợc hỗn hợp ferit - xêmentit với độ nhỏ mịn khác nhau hay đƣợc mactenxit với cơ tính cao và đa dạng, đáp ứng rộng rãi các yêu cầu sử dụng và gia công. Tổ chức tế vi của austenite trình bày ở Hình 3.9b có các hạt sáng, có thể với màu đậm nhạt khác nhau đơi chút (do định hƣớng khi tẩm thực) và các đƣờng song tinh (song song) cắt ngang hạt (thể hiện tính dẻo cao).
Xêmetit
Xêmentit (có thể ký hiệu bằng Xe, Fe3C) là hợp chất hóa học của sắt với cacbon có cơng thức Fe3C và thành phần 6,67%C, ứng với đƣờng thẳng đứng DFKL trên giản đồ. Xêmentit có mạng tinh thể hệ trực thoi với các thong số mạng a = 4,518 Å, đặc điểm của Xe là cứng và giịn, cùng với ferit nó tạo nên các tổ chức khác nhau của hợp kim Fe - C. Trong giản đồ Fe-C này ta phân biệt 2 dạng Xe:
- Xêmentit thứ nhất ( XeI ): là loại kết tinh từ hợp kim lỏng, nó đƣợc tạo thành trong các hợp kim chứa nhiều hơn 4,3%C và trong khoảng nhiệt độ (1147~ 1227)0C. Do tạo nên từ pha lỏng và ở nhiệt độ cao nên XeI có dạng thẳng, tổ chức hạt thô và to.
- Xementit thứ hai ( XeII ): là loại đƣợc tiết ra từ dung dịch rắn Auxtenit ở trong khoảng nhiệt độ (727 ~ 1147)0C khi độ hòa tan của cacbon ở trong pha này giảm từ 2,14% xuống cịn 0,8% do vậy XeII có trong hợp kim với thành phần cacbon lớn hơn 0,8%. Do tạo từ pha rắn và ở nhiệt độ không cao lắm nên XeII có tổ chức hạt nhỏ hơn, do đƣợc tiết ra từ austenite nên thƣờng ở dạng lƣới bao quanh Auxtenit.
b) Các tổ chức hai pha:
Peclit:
Peclit (ký hiệu là P hay [F+Xe]): Peclit là hỗn hợp cơ học cùng tích của Ferit và Xementit [F+ Xe] tạo thành ở 7270C từ dung dịch rắn Auxtenit chứa 0,8%C. Trong Peclit có 88% Ferit và 12% Xementit. Từ giản đồ trạng thái Fe - C ta thấy trong quá trình làm nguội, thành phần cacbon của Auxtenit sẽ biến đổi và khi đến 7270C có 0,8%C (các hợp kim có lƣợng cacbon nhỏ hơn 0,8% thì thành phần Auxtenit biến đổi theo hƣớng tiết ra Ferit để làm tăng cacbon còn các hợp kim có lƣợng cacbon lớn hơn 0,8% thì thành phần Auxtenit biến đổi theo hƣớng tiết ra Xementit làm giảm cacbon, cả 2 trƣờng hợp trên đều đƣa đến lƣợng cacbon trong Auxtenit là 0,8% ở 7270C ). Lúc đó, Auxtenit có 0,8% C sẽ chuyển biến thành hỗn hợp cơ học cùng tích của Ferit và Xementit.
Tùy theo hình dạng Xêmentit ở trong hỗn hợp, ngƣời ta chia ra 2 loại peclit là peclit tấm và peclit hạt ( Peclit tấm Xe ở dạng tấm Hình 3.10a cịn Peclit hạt thì Xe ở dạng hạt thể hiện qua Hình 3.10b ). Peclit là hỗn hợp cơ học nên có tính chất trung gian, kết hợp giữa tính dẻo, dai của F và cứng, dịn của Xe nên nói chung P có độ cứng, độ bền tƣơng đối cao, tính dẻo dai hơi thấp.
Lêđêburit (ký hiệu là Le hoặc [γ+Xe] hay [P+Xe]):
Hình 3.11. Tổ chức tế vi của lêđêburit - (P+Xe) (x500)
Lêđêburit là hỗn hợp cơ học cùng tinh, kết tinh từ pha lỏng có nồng độ 4,3%C ở 11470C. Lúc đầu mới tạo thành nó gồm γ và Xe (trong khoảng 7270C ~ 11470C). Khi làm nguội xuống dƣới 7270C, γ chuyển biến thành P do vậy Lêđêburit là hỗn hợp cơ học của Peclit và Xementit [P+Xe]. Trên tổ chức tế vi (Hình 3.11) ta thấy rằng những hạt P nhỏ màu tối nổi trên nền sáng là Xe do đó Lêđêburit có hai pha là F và Xe trong đó Xe chiếm tỉ lệ gần 2/3 nên Lêđêburit rất cứng và dòn.
3.3.3.4. Điểm và các đƣờng tới hạn.
Nhƣ ta thấy từ giản đồ pha Fe - C (Hình 3.8), trong khu vực của thép có rất nhiều đƣờng ứng với các chuyển biến pha khác nhau. Để đơn giản hóa việc gọi tên các chuyển biến pha này ngƣời ta ký hiệu các đƣờng tƣơng ứng bằng chữ A, với các số thứ tự 0, 1, 2, 3, 4, và cm ( cm là từ viết tắt theo tiếng pháp là cémentite = Xêmentit) , chúng đƣợc gọi là các điểm (hay nhiệt độ) tới hạn. Các điểm tới hạn thƣờng dùng nhất gồm:
A0: (210oC) là điểm chuyển biến từ của Xêmentit, cao hơn 210 oC Xêmetit mất tính từ, thấp hơn 210 oC Xêmentit có tính sắt từ yếu.
A1 = 7270C (đƣờng PSK): là nhiệt độ tới hạn tại đó có chuyển biến giữa hai pha P → γ. Khi nhiệt độ cao hơn đƣờng cùng tích thì P →γ, ngƣợc lại nhiệt độ thấp hơn đƣờng cùng tích thì γ→P. Đƣờng tới hạn A1 ứng với trƣờng hợp cân bằng nghĩa là khi nung nóng và làm nguội vơ cùng chậm.
A3 = 727 - 9110C (đƣờng GS): là nhiệt độ tới hạn tại đó thép trƣớc cùng tích có chuyển biến giữa hai pha α → γ.
Acm = 727 - 11470C (đƣờng SE): là nhiệt độ tới hạn tại đó thép sau cùng tích có chuyển biến giữa hai pha XeII → γ.
Điểm S: là điểm cùng tích ứng với nồng độ cacbon 0,83%. Những hợp kim nằm bên trái điểm S gọi là thép trƣớc cùng tích chúng có tổ chức là P+F. Các hợp kim nằm bên phải điểm S gọi là thép sau cùng tích có tổ chức Xe + P và hợp kim có thành phần trùng với điểm S gọi là thép cùng tích có tổ chức P.
Để phân biệt cùng một điểm tới hạn cho hai trƣờng hợp: nung nóng và làm nguội, ngƣời ta thêm chữ c (c chữ viết tắt theo tiếng pháp của từ Chauffage) khi nung nóng, thêm chữ r (r chữ viết tắt theo tiếng pháp của từ refroidissement) khi làm nguội. Với cùng một thép bao giờ cũng có: Ac1 > A1 > Ar1; Ac3 > A3 > Ar3..., trong đó A tính theo giản đồ pha còn Ac cao hơn và phụ thuộc vào tốc độ nung, Ar thấp hơn và phụ thuộc vào tốc độ nguội, tốc độ càng cao sự sai khác càng mạnh.
3.3.3.5. Công dụng của giản đồ trạng thái.
Phân tích đƣợc chuyển biến cấu tạo của hợp kim có thành phần cacbon xác định khi nung nóng và làm nguội làm cơ sở xác định nhiệt độ nung cho các quá trình nhiệt luyện.
So sánh đƣợc cấu tạo của hợp kim ở nhiệt độ thƣờng để từ đó so sánh đƣợc cơ tính của chúng.
3.3.4. Các phƣơng pháp nhiệt luyện. 3.3.4.1. Ủ thép. 3.3.4.1. Ủ thép.
a) Định nghĩa: thép là phƣơng pháp nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt rồi làm nguội chậm cùng với lò, để đạt đƣợc tổ chức ổn định theo giản đồ trạng thái với độ cứng thấp nhất và độ dẻo cao. Ủ là một phƣơng pháp nhiệt luyện để cải thiện khả năng cắt gọt của kim loại. Đối với các thép thông thƣờng tổ chức nhận đƣợc sau khi ủ là P (có thể có thêm F hay XeII tuỳ loại thép trƣớc hay sau cùng tích)
b) Đặc điểm :
- Nhiệt độ ủ không quy định theo quy luật chung mà tuỳ thuộc vào từng phƣơng pháp ủ.
- Quá trình làm nguội tiến hành rất chậm, thƣờng là để nguội cùng với lị để phân hố ở nhiệt độ Ac1 cho ra P.
c) Mục đích của ủ thép:
- Làm giảm hay làm mất ứng suất bên trong sau các ngun cơng gia cơng cơ khí (mài, quấn nguội, cắt gọt ... )và đúc, hàn.
- Làm đồng đều thành phần hố học trên tồn tiết diện của vật đúc thép bị thiên tích. - Làm nhỏ hạt thép nếu nguyên công trƣớc làm hạt lớn.
- Tạo tổ chức ổn định chuẩn bị cho nhiệt luyện kết thúc. d) Phân loại.
Có nhiều phƣơng pháp ủ khác nhau, tùy theo chuyển biến pha khi nung nóng, ngƣời ta chia các phƣơng pháp ủ thành 2 nhóm chính đó là : ủ có chuyển biến pha và ủ khơng có chuyển biến pha.
Các phƣơng pháp ủ khơng có chuyển biến pha:
Các phƣơng pháp ủ khơng có chuyển biến pha có nhiệt độ ủ thấp hơn Ac1, khi đó khơng xảy ra chuyển biến P
Ủ thấp hay còn gọi là ủ khử nội lực.
- Định nghĩa: Ủ thấp là phƣơng pháp ủ nung nóng thép tới nhiệt độ nhỏ hơn Ac1 ( 650 - 680 0C) giữ nhiệt khoảng 6-8h và làm nguội chậm theo lị.
- Mục đích và đặc điểm : Ủ thấp có tác dụng làm giảm hay khử bỏ ứng suất bên trong ở các vật đúc hay các sản phẩm thép qua gia cơng cơ khí.
+ Nếu ủ ở nhiệt độ thấp (200 - 3000C) chỉ có tác dụng làm giảm một phần ứng suất bên trong, nhƣng ở những nhiệt độ cao hơn (450 - 6000C) tác dụng khử bỏ ứng suất bên trong có thể hồn tồn hơn.
+ Do làm nguội nhanh, khơng đều, do chuyển pha khi đúc, trong vật đúc tồn tại ứng suất bên trong. Đối với một số vật đúc có u cầu đặc biệt khơng cho phép tồn tại ứng suất dƣ đó. Để khử bỏ hồn tồn ứng suất dƣ, ngƣời ta tiến hành nung nóng đến 450 ~ 6000C, sau đó làm nguội chậm tiếp theo để tránh tạo lại ứng suất dƣ. Đối với trƣờng hợp yêu cầu không cao, chỉ cần giảm ứng suất dƣ đến mức nhất định, có thể tiến hành bảo quản ở nhiệt độ thƣờng trong khoảng 9 ~ 12 tháng, q trình này cịn gọi là hố già tự nhiên. Do nhiệt độ ủ thấp nên phƣơng pháp ủ này khơng làm thay đổi độ cứng và kích thƣớc hạt.
+ Phƣơng pháp này thƣờng áp dụng cho chi tiết lớn sau khi rèn hoặc tiện với lƣợng ăn dao lớn mà bề mặt bị biến cứng (chai). Phƣơng pháp này cũng có thể dùng cho chi tiết đúc bằng gang xám mà khi đúc để nguội trong khuôn không đồng đều. Chi tiết sau khi ủ tuy hạt khơng có gì thay đổi nhƣng ứng suất bên trong đƣợc giảm triệt để do đó tổ chức ổn định hơn, khả năng làm việc lâu dài hơn.
Ủ kết tinh lại:
- Định nghĩa: Ủ kết tinh lại là phƣơng pháp ủ nung nóng thép tới nhiệt độ nhỏ hơn Ac1 để khơng có chuyển biến pha xảy ra.
- Mục đích và đặc điểm: Ủ kết tinh lại đƣợc tiến hành cho các thép qua biến dạng nguội bị biến cứng cần khơi phục lại tính dẻo, độ cứng trƣớc khi gia cơng cơ khí. + Nhiệt độ ủ kết tinh lại cho thép cacbon là từ 600 ~ 7000C tức là thấp hơn nhiệt độ Ac1. Loại ủ này làm thay đổi đƣợc kích thƣớc hạt và giảm độ cứng, nhƣng rất ít áp dụng cho thép vì khó tránh tạo nên hạt lớn.
+ Đối với kim loại đa tinh thể, do không đồng nhất về phƣơng mạng giữa các hạt nên ứng suất tác dụng và độ biến dạng phân bố không đều, phần thép bị biến dạng với mức độ tới hạn sau khi ủ có kích thƣớc lớn, làm dịn thép. Để tránh hiện tƣợng này, thƣờng dùng các phƣơng pháp ủ có chuyển biến pha.
Các phƣơng pháp ủ có chuyển biến pha. Ủ hồn tồn:
- Định nghĩa: Ủ hoàn toàn là phƣơng pháp ủ gồm nung nóng thép tới nhiệt độ cao hơn Ac3 khoảng 20 ~ 30 0C, giữ nhiệt và làm nguội chậm cùng lò cho tới khoảng 200~4000C mới kéo ra khỏi lị và làm nguội cùng khơng khí.
Hình 3.12: Sơ đồ ủ hồn tồn. - Mục đích và đặc điểm: - Mục đích và đặc điểm:
+ Làm nhỏ hạt. Nếu chỉ nung quá nhiệt độ Ac3 khoảng 20 ~ 300C ứng với nhiệt độ ủ trong khoảng 780 - 8600C, hạt nhận đƣợc vẫn giữ đƣợc kích thƣớc bé, sau đó làm nguội chậm có tổ chức F + P hạt nhỏ. Tổ chức này có độ dai tốt.
Thời gian Ac1 900 – 950 0C Ac3 τ O
+ Làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo, dễ cắt gọt và rập nguội. Do làm nguội chậm, austenit phân hoá ra tổ chức F + P (tấm) có độ cứng trong khoảng 160 ~ 200 HB, bảo đảm cắt gọt tốt và dẻo, dễ rập nguội. Nhƣ vậy nhiệt độ ủ hoàn toàn là
T0ủ hoàn toàn = T0Ac3 + ( 20~30 0C )
Loại ủ này chỉ áp dụng cho thép trƣớc cùng tích ( %C˂0.8), sau khi đúc hoặc sau khi gia cơng nóng
Ủ khơng hồn tồn:
Hình 3.13 : Sơ đồ ủ khơng hồn tồn.
- Định nghĩa: Là phƣơng pháp ủ gồm nung nóng thép tới trạng thái chƣa hồn tồn là austenit, nhiệt độ cao hơn Ac1 nhƣng thấp hơn Ac3 hay Acm. Sau khi giữ nhiệt làm nguội cùng lò đến nhiệt độ 200~400 0C mới kéo ra khỏi lị để làm nguội cùng khơng khí.
- Mục đích và đặc điểm:
+Làm giảm độ cứng đến mức có thể cắt gọt đƣợc, sự chuyển biến pha ở đây là khơng hồn tồn chỉ có P cịn F hoặc XeII vẫn cịn do vậy khi làm nguội không làm thay đổi kích thƣớc hạt của hai pha đó.
+ Đối với thép trƣớc cùng tích, loại thép có u cầu độ dai cao vì khơng làm nhỏ đƣợc hạt F nên không áp dụng dạng ủ này. Do vậy, ủ khơng hồn tồn thƣờng đƣợc áp dụng chủ yếu cho thép cùng tích và sau cùng tích có tổ chức trƣớc khi ủ là P tấm không đồng đều và các vòng Xe bao quanh hoặc các hạt Xe hạt lớn, không đồng đều.
+ Đối với thép có hàm lƣợng cacbon ≥ 0,8% mà chủ yếu là thép cùng tích và sau cùng tích (thép có độ cứng khá cao, khó cắt gọt). Nếu tiến hành ủ hồn tồn thép này, tổ chức nhận đƣợc là P tấm, độ cứng có thể lớn hơn 220HB gây khó khăn cho việc cắt gọt. Nếu tiến hành ủ khơng hồn tồn, thì ở nhiệt độ nung do đạt đƣợc tổ
Ac3 Ac1 750 – 760 0C τ Thời gian O
chức γ và các phần tử XeII chƣa tan hết nên khi làm nguội, các phần tử này nhƣ là những mầm giúp cho tạo nên P hạt. Sau khi ủ khơng hồn tồn, thép có tổ chức P hạt với độ cứng thấp hơn (khoảng 200 HB) nên đảm bảo cắt gọt tốt hơn.
Vậy nhiệt độ ủ khơng hồn tồn
T0ủ.k.h.t = T0Ac1 + (20 ~ 300C).