4.2. Các tổ chức đạt được khi nung nóng và làm nguéi thÐp
4.2.4. Chuyển biến của austenit khi làm nguội nhanh - ChuyÓn biÕn mactenxit (khi tôi)
Nếu làm nguội nhanh austenit với tốc độ thích hợp sao cho vectơ biểu diễn quá trình nguội của nó không cắt đường cong chữ "C", thì nó không kịp chuyển biến thành hỗn hợp ferit - xêmentit, mà chỉ có chuyển biến thù hình (chuyển kiểu mạng tinh thể) của sắt từ Feγ sang Feα (tức không có sự tập trung của cacbon để tạo nên xêmentit Fe3C) xảy ra ở nhiệt độ thấp (từ 250 ữ 220oC trở xuống). Đó là thực chất của chuyển biến khi làm nguội nhanh austenit → mactenxit, xảy ra khi tôi.
Hình 4.11. Giản đồ T - T - T và tốc độ tôi tới hạn Vth (tm và
0
Tm - thời gian và nhiệt độ ứng với austenit kém ổn định nhÊt).
Tốc độ làm nguội nhỏ nhất để gây ra chuyển biến này là tốc độ ứng với vectơ tiếp xúc với đường "C" thứ nhất ở phần lồi, được gọi là tốc độ tôi tới hạn (hay còn gọi là tốc độ làm nguội tới hạn) Vth (hình 4.11). Vậy khi làm nguội nhanh liên tục austenit (với tốc độ bằng hay vượt quá tốc độ tôi tới hạn) sẽ nhận được mactenxit. Đây là tổ chức đặc trưng của quá trình làm nguội nhanh liên tục (tôi).
Trước tiên h∙y xét bản chất của mactenxit.
a. Bản chất của mactenxit
Mactenxit là dung dịch rắn xen kẽ quá b∙o hòa của cacbon trong Feα với
tm
127
127
nồng độ cacbon như của austenit, có kiểu mạng chính phương tâm khối và có độ
cứng cao.
Có thể giải thích lần lượt các đặc tính trên của mactenxit như sau.
- Do làm nguội nhanh, cacbon trong Feγ (austenit) không kịp tiết ra (để tạo thành xêmentit), khi đạt đến nhiệt độ tương đối thấp chỉ xảy ra quá trình chuyển mạng của Feγ (tâm mặt) sang Feα(tâm khối):
(austenit) Feγ (C) → Feα (C) (mactenxit) vì thế nồng độ cacbon trong hai pha này luôn luôn bằng nhau.
- Với nồng độ cacbon thông thường (ví dụ 0,80%) trong Feγ sẽ là quá b∙o hòa ở trong Feα vì độ hòa tan cacbon trong dạng thù hình này rất thấp (0,006 ữ 0,02%).
- Nguyên tử cacbon hòa tan trong Feα bằng cách xen kẽ vào các lỗ hổng của mạng này. Qua nghiên cứu thấy rằng nguyên tử cacbon sẽ nằm ở trong lỗ hổng tám mặt tức là ở giữa các mặt bên hay ở giữa các cạnh của ô cơ sở (hình 4.12).
Như thấy rõ lỗ hổng này là không đối xứng nên quả cầu cacbon một khi lọt vào sẽ làm gi∙n các nguyên tử Fe ra xa không đều, kéo dài một cạnh ra mạnh hơn so với hai cạnh kia, làm cho mạng từ lập phương tâm khối (của Feα) chuyển sang chính phương tâm khối. Tỷ số c/a được gọi là độ chính phương của mactenxit, có giá trị thay đổi trong khoảng 1,001 ữ 1,06 (cần chú ý rằng đây chỉ là tỷ lệ trung bình cho các ô cơ sở, vì cacbon không thể đi vào tất cả mọi lỗ hổng của austenit cũng như
mactenxit, xem lại mục 3.1.2c và 1.4.1a).
Hình 4.12. ô cơ sở của mạng tinh thể mactenxit.
- Nguyên tử cacbon chui vào lỗ hổng của Feα làm cho mạng tinh thể của sắt bị xô lệch, trở nên khó biến dạng dẻo và do đó có độ cứng cao nhất (cao hơn cả
bainit, trôxtit..., chúng chỉ là hỗn hợp ferit - xêmentit, trong đó ferit dẻo, vẫn có thể biến dạng dẻo được).
128
b. Các đặc điểm của chuyển biến mactenxit
Khác với chuyển biến peclit, chuyển biến mactenxit có những đặc điểm sau.
1) Chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục austenit với tốc độ lớn hơn hay bằng tốc độ tôi tới hạn Vth. Chuyển biến mactenxit không xảy ra khi làm
nguội đẳng nhiệt.
2) Chuyển biến là không khuếch tán: cacbon hầu như giữ nguyên vị trí, còn sắt chuyển dời vị trí để tạo kiểu mạng mới là lập phương tâm khối, nhưng sự chuyển dời này không vượt quá một thông số mạng. Giữa mạng của austenit (A1) và mactenxit (gần như A2) có mối quan hệ định hướng xác định sao cho các mặt và phương dày đặc nhất của chúng song song với nhau.
3) Là quá trình tạo ra không ngừng các tinh thể mới với tốc độ phát triển rất lớn, tới hàng nghìn m/s. Tinh thể mactenxit có dạng hình kim, đầu nhọn làm với nhau các góc 60 hay 120o.
4) Chỉ xảy ra trong khoảng giữa hai nhiệt độ (điểm) bắt đầu Ms và kết thúc Mf (với các nghĩa s - start - bắt đầu, f - finish kết thúc). Ngoài khoảng đó austenit quá nguội không chuyển biến thành mactenxit. Vị trí của hai điểm này không phụ thuộc vào tốc độ nguội mà chỉ phụ thuộc vào thành phần cacbon và hợp kim của austenit (mà không phải lúc nào cũng đồng nghĩa với thành phần cacbon của thép) [trong trường hợp ở trạng thái nung nóng thép có tổ chức nhiều pha (ví dụ austenit và cacbit), rõ ràng là thành phần austenit khác với thành phần thép, chỉ khi nung nóng tới trạng thái hoàn toàn austenit thì thành phần pha này mới trùng với thành phần của thép]. Nói chung austenit càng nhiều cacbon và nguyên tố hợp kim (trừ Si, Co và Al), các điểm này càng thấp. Một số thép chứa cacbon và nguyên tố hợp kim cao có hai điểm này khá thấp.
5) Chuyển biến xảy ra không hoàn toàn. Thực nghiệm cho thấy khi làm nguội càng gần tới điểm Mf, lượng mactenxit tạo thành càng nhiều song không bao giờ đạt được tỷ lệ 100% mactenxit, mà vẫn còn lại một lượng nhất định pha ban
đầu (austenit) không thể chuyển biến, được gọi là austenit dư.
Hình 4.13. Đường cong động học chuyển biến mactenxit.
Đường cong động học chuyển biến mactenxit trên hình 4.13 cho biết lượng cũng như tốc độ tạo thành mactenxit khi giảm nhiệt độ. Qua đó có thể thấy rằng khi điểm Mf < nhiệt độ thường (~20oC) - điều này thường xảy ra vì Mf của các thép
đều ở nhiệt độ âm - bằng cách làm nguội thông thường không thể đạt được lượng
129
129
mactenxit tối đa, đặc biệt khi Mf quá thấp (ví dụ -100oC) lượng austenit có thể khá
cao (20 ữ 30%) ảnh hưởng mạnh đến độ cứng. Nguyên nhân tồn tại austenit dư
cùng với mactenxit là do sự khác nhau về thể tích riêng của hai pha này: VM > Vγ (vì mactenxit là Feα(C), Feα có mật độ thể tích thấp hơn Feγ nên sẽ có thể tích riêng lớn hơn), vì thế khi chuyển biến austenit → mactenxit thể tích sẽ tăng lên, do vậy phần austenit chưa chuyển biến bị sức ép ngày một tăng đến mức không thể chuyển biến hết được. Lượng austenit dư tồn tại trong thép tôi phụ thuộc vào các
yÕu tè sau:
+ Vị trí của điểm Mf: điểm Mf càng thấp dưới 20oC lượng austenit dư càng nhiều. Đây là yếu tố quan trọng nhất. Các nhân tố làm giảm điểm Mf như tăng lượng nguyên tố hợp kim trong austenit, cũng đều làm tăng lượng austenit dư của thép tôi.
+ Lượng cacbon trong mactenxit càng nhiều thể tích riêng của nó càng lớn (do sự tăng của độ chính phương c/a) làm lượng austenit dư càng nhiều.
c. Cơ tính của mactenxit
Mactenxit là tổ chức quan trọng nhất được tạo thành khi tôi thép, quyết
định cơ tính của thép tôi. Cơ tính nổi bật của nó là cứng và giòn.
Độ cứng
Độ cứng cao của mactenxit là do cacbon hòa tan xen kẽ làm xô lệch mạng tinh thể của sắt, nên nó chỉ phụ thuộc nồng độ cacbon quá b∙o hòa trong nó: đại lượng này càng cao, xô lệch mạng càng mạnh (tỷ số c/a càng lớn), độ cứng càng cao (h×nh 4.14). Nh thÕ:
- mactenxit chứa ít cacbon, ≤ 0,25%, độ cứng không cao chỉ khoảng ≤
HRC 40,
- mactenxit chứa cacbon trung bình, 0,40 ữ 0,50%, độ cứng tương đối cao,
HRC ≥ 50,
- mactenxit chứa cacbon cao, ≥ 0,60%, độ cứng cao, HRC ≥ 60.
ở đây cần phân biệt độ cứng của pha mactenxit và độ cứng của thép tôi vì
hai đại lượng này không phải lúc nào cũng đồng nhất với nhau. Thực ra độ cứng của thép tôi bao giờ cũng là độ cứng tổng hợp của hỗn hợp mactenxit + austenit dư, đôi khi cả cacbit (xêmentitII) nữa và tuân theo quy luật kết hợp hay trung bình cộng như đ∙ trình bày ở mục 3.2.8b. Như đ∙ biết austenit có độ cứng thấp, nếu nó tồn tại với tỷ lệ đáng kể (> 10%) làm độ cứng của thép tôi nhỏ hơn độ cứng của pha mactenxit tức chưa đạt đến giá trị cao nhất, còn với tỷ lệ không đáng kể (vài
%) thì độ cứng của thép tôi chính là độ cứng của mactenxit tức đạt được giá trị cao nhất. Với thép cacbon thấp và trung bình, do điểm Mf cao, thể tích riêng của mactenxit chưa lớn, austenit dư thấp, không ảnh hưởng đến độ cứng của thép tôi.
Chỉ với thép cacbon cao và hợp kim cao làm tăng thể tích riêng của mactenxit và hạ thấp mạnh Mf mới làm tăng mạnh lượng austenit dư, ảnh hưởng đến độ cứng của thép tôi (hạ thấp từ vài, ba đến 10 đơn vị HRC so với khi không có austenit d).
Độ cứng cao dẫn đến nâng cao tính chống mài mòn là ưu điểm của pha mactenxit, song cần nhớ là ưu điểm này chỉ phát huy được ở những thép có ≥
0,40%C.
Tính giòn
Trái lại, tính giòn là nhược điểm của mactenxit vì khi tính giòn cao hoặc
130
quá cao làm hạn chế sử dụng thậm chí không thể dùng được. Mactenxit giòn cũng là do xô lệch mạng như nguyên nhân gây ra độ cứng, ngoài ra còn do tồn tại ứng suất dư (hay ứng suất bên trong) trong nó. Thường là độ cứng càng cao tính giòn cũng càng cao, song ngoài ra tính giòn cũng có thể biến động trong phạm vi khá
rộng phụ thuộc vào các yếu tố sau đây:
Hình 4.14. Sự phụ thuộc của độ chính phương c/a (a) và độ cứng mactenxit (b) vào nồng độ cacbon trong nó
+ Kim mactenxit càng nhỏ tính giòn càng thấp, muốn đạt được điều này hạt austenit khi nung nóng phải nhỏ.
+ ứng suất bên trong càng nhỏ tính giòn càng thấp.
Do vậy để vừa bảo đảm được hai tính chất đối lập nhau là độ cứng cao và tính giòn thấp ở các thép kết cấu và dụng cụ người ta phải sử dụng các thép bản chất hạt nhỏ, khống chế đúng nhiệt độ tôi và dùng các phương pháp tôi thích hợp
để giảm ứng suất bên trong như tôi phân cấp, đẳng nhiệt và ram ngay tiếp theo.