4.2. Các tổ chức đạt được khi nung nóng và làm nguéi thÐp
4.2.3. Các chuyển biến của austenit khi làm nguội chậm
Mục tiêu của nung nóng và giữ nhiệt là để tạo nên austenit hạt nhỏ. Bây giờ h∙y xét xem khi làm nguội, austenit sẽ chuyển biến thành tổ chức nào với cơ
tính ra sao, điều này quyết định cơ tính của thép khi làm việc hay gia công tiếp theo: mềm, cứng, bền, dẻo, dai đến mức độ nào và rất khác nhau được quyết định ở giai đoạn này. Phân thành hai trường hợp lớn để xét: nguội chậm và nguội nhanh. Trước tiên xét cho trường hợp nguội chậm. Tổ chức tạo thành khi làm nguội phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: độ quá nguội, thành phần, tổ chức của thép vv... và cả phương thức làm nguội. Giống như khi nung nóng, ở đây trước tiên cũng khảo sát làm nguội đẳng nhiệt cho thép cùng tích (0,80%C) là loại có tổ chức
đơn giản hơn cả (tổ chức ban đầu chỉ là peclit).
a. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của austenit quá nguội (giản đồ T - T - T) của thép cùng tích
Như đ∙ biết từ giản đồ pha Fe - C, khi làm nguội, austenit chỉ chuyển biến thành peclit ở 727oC (tức ∆To = 0) khi làm nguội rất chậm, điều này không xảy ra trong thực tế. H∙y làm quen với một dạng làm nguội ít gặp trong thực tế nhưng lại rất tiện cho việc xác định ảnh hưởng của độ quá nguội đến chuyển biến, đó là cách làm nguội đẳng nhiệt: làm nguội nhanh austenit xuống dưới Ar1 (ở dưới nhiệt độ này austenit trở nên không ổn định, chỉ tồn tại tạm thời trong một thời gian rồi sẽ bị chuyển biến), giữ nhiệt ở đó rồi đo thời gian bắt đầu và kết thúc chuyển biến từ austenit thành hỗn hợp ferit - xêmentit (người ta làm nguội đẳng nhiệt bằng cách nhúng những mẫu nhỏ, mỏng đ∙ austenit hóa vào các bể muối ở các nhiệt độ khác
nhau).
121
121 Giản đồ T - T - T
Tiến hành như trên cho thép cùng tích (sau khi xác định thời gian bắt đầu và kết thúc chuyển biến ở các nhiệt độ, đánh dấu chúng trên biểu đồ hệ trục nhiệt
độ - thời gian, cuối cùng nối các điểm bắt đầu với nhau, các điểm kết thúc với nhau) ta được giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của austenit quá nguội cho thép này như biểu diễn ở hình 4.6. Giản đồ còn có tên đơn giản và thông dụng là giản đồ T - T - T vì nó biểu thị sự chuyển biến (transformation) của austenit phụ thuộc vào nhiệt độ (temperature) và thời gian (time). Giản đồ có hai đường cong hình chữ
"C", trong đó chữ "C" đầu tiên (bên trái) biểu thị sự bắt đầu, còn chữ "C" thứ hai biểu thị sự kết thúc của chuyển biến austenit thành hỗn hợp cùng tích ferit - xêmentit (vì thế trong sách kỹ thuật của Nga người ta gọi nó là giản đồ chữ "C").
Đây là giản đồ rất quan trọng đối với nhiệt luyện thép và được sử dụng rất nhiều
để xác định tổ chức sau khi làm nguội austenit, cần nắm vững.
Hình 4.6. Giản đồ T- T- T của thép cùng tích.
Các sản phẩm của sự phân hóa đẳng nhiệt của austenit quá nguội
Từ giản đồ T - T - T thấy rằng khi austenit bị nguội (tức thời) xuống dưới 727oC nó chưa chuyển biến ngay, điều đó có nghĩa austenit còn tồn tại một thời gian nhất định trước khi chuyển biến, phân hóa và được gọi là austenit quá nguội, không ổn định, khác với austenit tồn tại ở trên 727oC là loại ổn định.
Trên giản đồ có năm khu vực rõ rệt:
- ở trên 727oC là khu vực tồn tại của austenit ổn định, - bên trái chữ "C" đầu tiên - austenit quá nguội,
122
- giữa hai chữ "C" - austenit chuyển biến (tồn tại cả ba pha γ, F và Xe), - bên phải chữ "C" thứ hai - các sản phẩm phân hóa đẳng nhiệt của austenit quá nguội là hỗn hợp ferit - xêmentit với mức độ nhỏ mịn khác nhau,
- dưới đường Ms (~ 220 ữ 240oC) - mactenxit + austenit dư (sẽ nói tới vùng
này ở mục 4.2.4).
Bây giờ h∙y xét xem làm nguội đẳng nhiệt austenit với các mức độ quá
nguội khác nhau sẽ phân hóa thành các hỗn hợp ferit - xêmentit với các đặc điểm như thế nào.
+ Khi giữ austenit quá nguội ở sát A1 (trên dưới 700oC, ∆T0 nhỏ, khoảng 25oC), sau thời gian dài (~ 100s) nó mới bắt đầu phân hóa và tiếp theo (sau ~ 2000s) nó mới kết thúc chuyển biến. Hỗn hợp ferit - xêmentit tấm tạo thành rất thô
to với khoảng cách d giữa các tấm vào khoảng 10-3 mm (cỡ micrômet) được gọi là peclit (tấm) với độ cứng thấp nhất, HRC 10 ữ 15 (HB 180 ữ 220).
+ Khi giữ austenit quá nguội ở nhiệt độ thấp hơn (trên dưới 650oC, ∆T0 lớn hơn, khoảng 75oC), nó sẽ bắt đầu và kết thúc phân hóa sau thời gian ngắn hơn rõ rệt (sau gần 3 và 100s). Hỗn hợp ferit - xêmentit tấm tạo thành sẽ mịn (nhỏ) hơn
đến mức không thể phân biệt được chúng trên kính hiển vi quang học (khoảng cách d khoảng 0,25 ữ 0,30àm). Tổ chức này được gọi là xoocbit (hay xoocbit tôi)
với độ cứng cao hơn, cỡ HRC 25 ữ 35.
+ Khi giữ austenit quá nguội ở nhiệt độ thấp hơn nữa, ứng với đỉnh lồi chữ
“C“ (tức lúc austenit quá nguội kém ổn định nhất, khoảng 500 ữ 600oC), nó sẽ chuyển biến rất nhanh (sau khoảng 0,5 ữ 0,8 và 8s). Hỗn hợp ferit - xêmentit tấm tạo thành sẽ còn nhỏ mịn hơn nữa, càng không thể phân biệt được dưới kính hiển vi quang học (khoảng cách d vào khoảng 0,10 ữ 0,15àm). Tổ chức này được gọi là trôxtit (hay trôxtit tôi) với độ cứng cao hơn nữa, cỡ HRC 40. Người ta gọi ba chuyển biến trên đều là chuyển biến peclit, còn xoocbit, trôxtit được coi là các dạng phân tán của peclit.
+ Khi giữ austenit quá nguội ở nhiệt độ thấp hơn nữa, ứng với đoạn dưới của chữ "C", khoảng 450 ữ 250oC, thời gian chuyển biến lại kéo dài ra, cơ chế chuyển biến có thay đổi chút ít, tạo nên tổ chức gọi là bainit. Một cách gần đúng có thể coi bainit cũng là hỗn hợp ferit - xêmentit ở dạng tấm như trên song còn mịn hơn nữa (hơn cả trôxtit) với độ cứng cao hơn, cỡ HRC 50 ữ 55, song có điểm hơi khác nhau (nhiều khi có thể bỏ qua) như sau:
• ferit hơi quá b∙o hòa cacbon (0,10% so với giới hạn b∙o hòa là 0,006 ữ 0,02%),
• cacbit sắt ở đây có công thức chưa hẳn là Fe3C song khá gần là FexC với
x = 2,4 ÷ 3,0,
• ngoài hai pha đó ra còn một lượng nhỏ austenit (dư).
Như thấy rõ về sau, các đặc điểm này hơi giống với chuyển biến mactenxit nên còn gọi chuyển biến bainit là chuyển biến trung gian (với nghĩa trung gian giữa chuyển biến peclit và chuyển biến mactenxit).
Vậy về cơ bản có thể coi peclit (tấm), xoocbit, trôxtit và cả bainit có bản chất giống nhau là hỗn hợp cơ học cùng tích của ferit và xêmentit tấm song trong
đó theo thứ tự tấm càng nhỏ mịn hơn và độ cứng càng cao hơn.
Có thể giải thích điều đó như sau. Giống như quá trình kết tinh, khi tăng độ quá nguội của chuyển biến, số mầm kết tinh tăng lên do đó xêmentit (cacbit) nhỏ
123
123
mịn đi. Mặc dù lượng xêmentit không thay đổi (cùng có 0,80%C với 12%Xe + 88%F), nhưng khi kích thước xêmentit nhỏ đi tức là số các phần tử rắn này tăng lên sẽ làm tăng sự cản trượt đối với ferit, nâng cao độ cứng, độ bền.
Như vậy sau khi làm nguội đẳng nhiệt austenit, tổ chức nào tạo thành là ứng với nhiệt độ giữ đẳng nhiệt đó nằm ở nhánh nào của chữ "C":
+ khi ở nhánh trên sát A1 được peclit, + khi ở đoạn ứng với phần lồi được trôxtit, + khi ở giữa hai mức trên được xoocbit,
+ khi ở nhánh dưới được bainit.
Sau khi làm nguội đẳng nhiệt tổ chức nhận được là đồng nhất trên tiết diện.
b. Sự phân hóa của austenit khi làm nguội liên tục
Trong thực tế thường dùng cách làm nguội liên tục. Cũng có thể xây dựng giản đồ chuyển biến của austenit khi làm nguội liên tục với các tốc độ nhanh chậm khác nhau, với mỗi tốc độ nguội xác định các nhiệt độ tại đó austenit quá nguội bắt đầu và kết thúc phân hóa ra hỗn hợp ferit - xêmentit, rồi nối các điểm tương
đông với nhau lại như biểu diễn ở hình 4.7. Xây dựng các thí nghiệm như vậy khá
phức tạp và khó đạt được mức độ chính xác cần thiết. Song để đơn giản có thể lợi dụng giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt (hình 4.6) kể trên để xác định tổ chức tạo thành khi làm nguội với tốc độ khác nhau, như biểu diễn ở hình 4.8.
Hình 4.7. Các đường bắt đầu và kết thúc chuyển biến austenit thành ferit - xêmentit thô và mịn tương ứng với các tốc độ làm nguội chậm (35 oC/s) và nhanh (140oC/s) đối với thép cùng tích.
Đặc điểm của sự phân hóa austenit khi làm nguội liên tục là:
1) Với các tốc độ nguội khác nhau, austenit bị quá nguội đến các nhiệt độ
124
khác nhau (tính tới điểm gặp các đường cong chữ "C") và phân hóa thành các tổ chức tương ứng với các nhiệt độ đó. Làm nguội chậm cùng lò biểu thị bằng vectơ
V1 trên hình 4.8, nó cắt các đường cong chữ "C" ở sát A1: austenit quá nguội phân hóa ở nhiệt độ cao được peclit tấm với độ cứng thấp nhất. Làm nguội trong không khí tĩnh biểu thị bằng vectơ V2, nó cắt các đường cong chữ "C" ở phần giữa của nhánh trên: austenit quá nguội phân hóa thành xoocbit. Làm nguội trong không khí nén biểu thị bằng vectơ V3, nó cắt các đường cong chữ "C" ở phần lồi: austenit quá nguội phân hóa thành trôxtit. Làm nguội trong dầu biểu thị bằng vectơ V4, nó chỉ cắt phần lồi của đường cong chữ "C" thứ nhất, austenit quá nguội chỉ chuyển biến một phần thành trôxtit và phần còn lại sẽ chuyển biến thành mactenxit, cuối cùng có tổ chức trôxtit + mactenxit (hay còn gọi là bán mactenxit). Làm nguội trong nước lạnh biểu thị bằng vectơ V5, nó không cắt đường cong chữ "C" nào, tức austenit không chuyển biến chút nào thành hỗn hợp ferit - xêmentit, phần lớn austenit quá nguội chuyển thành mactenxit. Như vậy, khi làm nguội liên tục tạo thành tổ chức nào là hoàn toàn tùy thuộc vào vị trí của vectơ biểu thị tốc độ nguội trên đường cong chữ "C".
Hình 4.8. Giản đồ T - T - T của thép cùng tích và các vectơ biểu thị tốc độ nguội V1 < V2 < V3 < V4 < V5.
2) Tổ chức đạt được thường là không đồng nhất trên toàn tiết diện nhất là trong trường hợp tiết diện lớn. Do ở ngoài bao giờ cũng bị nguội nhanh hơn trong lõi nên thường có tổ chức với độ cứng cao hơn.
3) Không đạt được tổ chức hoàn toàn bainit (về mặt hình học có thể dễ dàng thấy điều này từ dạng của chữ "C"), trong một số trường hợp có thể đạt được tổ chức này cùng với trôxtit và mactenxit. Chỉ đạt được hoàn toàn bainit bằng cách
làm nguội đẳng nhiệt như đ∙ trình bày.
4) Những điều trên chỉ đúng với thép cacbon. Với thép hợp kim vị trí của các đường cong chữ "C" dịch sang phải với các mức độ khác nhau nên có thể các
đặc điểm trên không còn phù hợp hay không hoàn toàn phù hợp:
+ Tốc độ nguội cần thiết để đạt được các tổ chức trên sẽ giảm đi một cách tương ứng. Ví dụ khi làm nguội cùng lò (V1) cũng có thể đạt được xoocbit, trôxtit;
với một số loại thép hợp kim cao khi làm nguội trong không khí (V2, V3) cũng có
thể đạt tổ chức mactenxit.
+ Sự không đồng nhất về tổ chức trên tiết diện giảm đi thậm chí có thể đạt
được đồng nhất ngay với tiết diện lớn.
125
125
c. Giản đồ T - T - T của các thép khác cùng tích
Căn cứ chủ yếu đầu tiên để xét tổ chức tạo thành khi làm nguội thép nào đó là giản đồ T - T - T của chính thép đó. Ta mới nói đến thép cùng tích song phần lớn các thép dùng là trước cùng tích và ít hơn là sau cùng tích thì như thế nào?
Các thép trước và sau cùng tích cũng có dạng của giản đồ T - T - T như
thép cùng tích song có phần phức tạp hơn, tức cũng có dạng của hai chữ “C“
nhưng có thêm nhánh phụ ở phía trên, bên trái của chữ "C" thứ nhất (hình 4.9) để biểu thị sự tiết ra ferit hoặc xêmentit II (tùy thuộc vào là thép trước hay sau cùng tích) trước khi phân hóa thành hỗn hợp ferit - xêmentit và một đường ngang A3 hay Acm.
Ta chú ý tới ba đặc điểm khác biệt sau đây.
1) Vị trí của các đường cong (chữ "C" và nhánh phụ) dịch sang trái một chút, càng xa cùng tích sự lệch này càng nhiều. Nói khác đi các thép càng khác cùng tích có tính ổn định của austenit quá nguội kém hơn thép cùng tích đôi chút.
Điều đó giải thích bằng sự khó đạt được austenit đồng nhất khi nung nóng.
Hình 4.9. Hình dạng tổng quát của giản đồ T -T - T của thép khác cùng tÝch.
2) Khi làm nguội đẳng nhiệt với độ quá nguội nhỏ (đường 1 hình 4.10) hay làm nguội chậm liên tục (đường 2), thoạt tiên austenit quá nguội sẽ tiết ra ferit (đối với thép trước cùng tích) và xêmentit II (đối với thép sau cùng tích) trước (khi vectơ nguội gặp nhánh phụ), sau đó mới phân hóa ra hỗn hợp ferit - xêmentit.
Trong trường hợp này tổ chức đạt được sau khi nguội:
H×nh 4.10. Sù tiÕt ra ferit hay xêmentit II khi làm nguội đẳng nhiệt với độ quá nguội nhỏ (1) và chậm liên tục (2).
126
+ đối với thép trước cùng tích là F + P (đôi khi F + xoocbit),
+ đối với thép sau cùng tích là P + XeII (đôi khi xoocbit + XeII).
3) Khi làm nguội đẳng nhiệt với độ quá nguội đủ lớn hay làm nguội (liên tục) đủ nhanh để vectơ biểu diễn quá trình nguội của chúng không gặp nhánh phụ, austenit quá nguội phân hóa ngay ra hỗn hợp ferit - xêmentit dưới dạng xoocbit, trôxtit, bainit (riêng bainit chỉ khi làm nguội đẳng nhiệt). Đương nhiên các tổ chức không có thành phần đúng 0,80%C như trong thép cùng tích và chúng được gọi là
cùng tích giả.
Đối với thép hợp kim ngoài ảnh hưởng của cacbon như trên giản đồ còn chịu ảnh hưởng mạnh của các nguyên tố hợp kim, dưới tác dụng này các đường cong chữ "C" dịch rất mạnh sang phải, làm tăng tính ổn định của austenit quá
nguội (tỉ mỉ được trình bày ở chương sau, mục 5.1.2d).