4.2. Các tổ chức đạt được khi nung nóng và làm nguéi thÐp
4.2.1. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo thành austenit
Thao tác đầu tiên của nhiệt luyện là nung nóng. Phụ thuộc vào thành phần cacbon của thép và nhiệt độ nung nóng, trong thép sẽ có những chuyển biến khác nhau.
a. Cơ sở xác định chuyển biến khi nung
Cơ sở để xác định chuyển biến khi nung thép là giản đồ pha Fe - C, song chỉ giới hạn ở khu vực thép và ở trạng thái rắn (dưới đường rắn) như trình bày ở hình 4.2. Như thấy rõ từ giản đồ pha, ở nhiệt độ thường mọi thép đều cấu tạo bởi hai pha cơ bản: ferit và xêmentit, trong đó có peclit là hỗn hợp cùng tích của hai pha này.
116
- Thép cùng tích có tổ chức đơn giản hơn cả, chỉ có peclit.
- Các thép trước và sau cùng tích có tổ chức phức tạp hơn: ngoài peclit ra còn có thêm ferit hoặc xêmentit thứ hai.
Bây giờ khi nung nóng các thép này lên nhiệt độ cao, h∙y xem trong chúng lần lượt xảy ra các chuyển biến gì ?
+ Khi nhiệt độ nung nóng thấp hơn Ac1 trong mọi thép vẫn chưa có chuyển biến gì (cho nên sau đó dù làm nguội ra sao tổ chức của thép vẫn không bị biến
đổi, như giản đồ pha).
+ Khi nhiệt độ nung nóng đạt đến Ac1, phần tổ chức peclit của mọi loại thép chuyển biến thành austenit theo phản ứng:
[Feα + Fe3C]0,80%C → Feγ (C)0,80%C
trong khi đó ferit và xêmentit thứ hai của các thép trước và sau cùng tích chưa
chuyÓn biÕn.
Vậy nếu chỉ nung nóng quá nhiệt độ Ac1 một chút ta thấy:
• Thép cùng tích đ∙ chuyển biến hoàn toàn: có tổ chức hoàn toàn là austenit.
• Thép trước và sau cùng tích có chuyển biến nhưng chưa hoàn toàn: có tổ chức không hoàn toàn là austenit, tức có tổ chức tương ứng austenit + ferit và austenit + xêmentit thứ hai. Tuy nhiên khi nung nóng tiếp tục từ Ac1 lên đến Ac3 và Accm sẽ có quá trình hòa tan ferit và xêmentit II còn dư vào austenit, làm lượng hai pha này trong tổ chức ngày một ít đi.
+ Khi nhiệt độ nung nóng cao hơn Ac3 và Accm sự hòa tan các pha dư ferit và xêmentit II vào austenit của các thép trước và sau cùng tích cũng kết thúc và chỉ còn một pha: hoàn toàn austenit với thành phần đúng như của thép.
Hình 4.2. Giản đồ pha Fe - C (phÇn thÐp).
Vậy khi nung nóng quá đường GSE mọi thép (dù có cacbon cao, thấp) đều có tổ chức giống nhau là dung dịch rắn austenit song với nồng độ cacbon khác nhau và bằng chính thành phần cacbon của thép. Còn khi tiếp tục nung nóng quá
đường này lên đến sát đường rắn, các thép vẫn giữ nguyên tổ chức cùng nồng độ cacbon, tức không còn chuyển pha nào nữa (nhưng làm hạt austenit lớn lên như sẽ
117
117 nói ở mục b tiếp theo).
Tóm lại cơ sở để xác định tổ chức tạo thành khi nung nóng thép là giản đồ pha Fe - C (căn cứ vào tọa độ: %C - nhiệt độ nằm ở trong vùng nào, tổ chức sẽ
tương ứng với vùng đó).
Có thể thấy là, trong các chuyển biến khi nung nóng vừa kể ở trên thì
chuyển biến peclit thành austenit là cơ sở và đó cũng là mục tiêu thường phải đạt tới đối với phần lớn quá trình nhiệt luyện (trừ ram). H∙y xét kỹ hơn các đặc điểm của chuyển biến này để có thể rút ra các kết luận cần thiết chỉ dẫn cho nhiệt luyện.
b. Đặc điểm của chuyển biến peclit thành austenit
ở đây sẽ xét kỹ hai vấn đề: nhiệt độ chuyển biến và kích thước hạt austenit tạo thành mà quá trình nhiệt luyện tương ứng phải đạt tới.
Nhiệt độ chuyển biến
Như thấy rõ từ giản đồ pha Fe - C, chuyển biến này xảy ra ở A1 = 727oC, song điều này chỉ đúng khi nung nóng vô cùng chậm (là điều kiện để xây dựng giản đồ pha), nên khi nung nóng thực tế (với tốc độ đáng kể) tất nhiên nhiệt độ chuyển biến phải luôn luôn cao hơn, tốc độ nung càng lớn, nhiệt độ chuyển biến càng cao. Có thể thấy rõ điều này ở hình 4.3. ở đây người ta dùng cách nung nóng
đẳng nhiệt để xác định thời gian xảy ra chuyển biến ở các nhiệt độ khác nhau và thấy rằng chuyển biến không tức thời: sau một thời gian mới bắt đầu rồi sau đó một thời gian nữa mới kết thúc (nung nóng đẳng nhiệt là phương pháp nung đạt nhiệt độ rất nhanh rồi giữ, ngưng, luôn ở đó bằng cách nhúng những mẩu thép nhỏ, mỏng vào môi trường, thường là muối lỏng nóng chảy, có nhiệt độ cao cố
định. Để lập nên giản đồ này phải tiến hành nhiều mẫu ở các nhiệt độ khác nhau).
Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt peclit thành austenit của thép cùng tích có dạng của hai đường cong biểu thị thời điểm bắt đầu và kết thúc chuyển biến đó trên hai trục nhiệt độ - thời gian. Qua đó thấy rằng nhiệt độ nung (đẳng nhiệt) càng cao, thời gian bắt đầu và kết thúc (tính bằng khoảng cách từ trục hoành đến hai
đường cong này) và thời gian để hoàn thành chuyển biến này (khoảng cách giữa hai đường cong) đều ngắn lại.
Hình 4.3. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của peclit thành austenit của thép cùng tích và các vectơ biểu thị tốc độ nung V2 > V1.
Tuy nhiên trong thực tế thường dùng cách nung nóng liên tục (nung với tốc
độ), nên để làm rõ trường hợp này người ta đặt lên giản đồ trên hai vectơ biểu thị tốc độ nguội, chúng sẽ lần lượt cắt các đường bắt đầu và kết thúc ở các điểm tương ứng. Khi nung nóng với các tốc độ khác nhau, V2 > V1, thấy rõ các nhiệt độ bắt
đầu và kết thúc chuyển biến ở V2 luôn luôn cao hơn các nhiệt độ cùng loại ở V1, tức là a2 > a1, b2 > b1 và thời gian cần để hoàn thành chuyển biến cũng ngắn lại
118
tương ứng.
Như vậy, tốc độ nung nóng càng cao chuyển biến peclit thành austenit xảy ra ở nhiệt độ càng cao trong thờì gian càng ngắn. Trong thực tế, để đạt được chuyển biến quy định phải nung nóng quá nhiệt độ tới hạn tương ứng ít nhất là 20
ữ 30oC khi nung chậm (ủ) và có thể tới hàng trăm oC khi nung nhanh (nung cảm
ứng).
Kích thước hạt austenit
Tuy austenit không tồn tại ở nhiệt độ thường song vẫn phải để ý đến cấp hạt của nó vì các sản phẩm tạo thành từ các hạt nhỏ ausenit bao giờ cũng có độ dẻo, độ dai trội hơn so với từ hạt lớn austenit. Vì vậy thông thường trong bất kỳ trường hợp nào cũng yêu cầu phải đạt được tổ chức austenit hạt nhỏ, muốn vậy phải biết quy luật hình thành hạt austenit cũng như sự lớn lên của nó.
Chuyển biến peclit → austenit cũng theo cơ chế: tạo và phát triển mầm như
kết tinh. Mầm austenit được tạo nên giữa hai pha ferit và xêmentit của peclit (hình 4.4) do bề mặt phân chia giữa chúng rất nhiều nên số mầm tạo thành cũng rất nhiều, vì thế hạt austenit lúc mới tạo thành rất nhỏ mịn (có thể nhỏ hơn cấp 8, tới cấp 9, 10 như biểu thị ở hình 4.4d) (vì austenit có 0,80%C trung gian giữa ferit - 0%C, và xêmentit - 6,67%C, nên mầm austenit chỉ có thể sinh ra ở vùng giữa hai pha cơ bản này).
Hình 4.4. Quá trình tạo mầm và phát triển mầm austenit từ peclit (tấm).
Cần ghi nhớ rằng chuyển biến peclit → austenit bao giờ cũng làm nhỏ hạt của thép. Hiệu ứng này cần được chú ý, tận dụng triệt để trong nhiệt luyện. Hơn nữa hạt austenit tạo thành sẽ càng nhỏ mịn hơn khi peclit ban đầu có độ phân tán càng cao (tức phần tử xêmentit trong nó càng bé) và tốc độ nung nóng càng lớn.
Tuy ở nhiệt độ Ac1, lúc mới tạo thành hạt austenit khá nhỏ mịn, song nếu tiếp tục tăng nhiệt độ hoặc giữ nhiệt lâu sẽ làm cho hạt lớn lên. Đây là quá trình tự nhiên: hạt to biên giới ít đi làm giảm năng lượng dự trữ. Sự lớn lên của hạt ở đây theo cơ chế các hạt lớn hơn "thôn tính" hay "nuốt" các hạt bé (hay nói khác đi các hạt bé bao quanh nhập vào hạt lớn). Khi làm nguội, kích thước hạt austenit không giảm đi, vẫn giữ nguyên cấp hạt lớn nhất đ∙ đạt trước đó.
Như vậy, lúc mới tạo thành các hạt austenit là nhỏ mịn và khi nung nóng tiếp tục (hay giữ nhiệt) chúng lại lớn lên; nhưng vấn đề cần quan tâm ở đây là chúng lớn lên như thế nào ? nhanh hay chậm ?
Theo đặc tính phát triển của hạt austenit, có thể chia ra hai loại thép: thép bản chất (di truyền) hạt lớn và nhỏ như trình bày ở hình 4.5.
Thép bản chất hạt lớn là loại có hạt austenit phát triển nhanh và đều đặn ở mọi nhiệt độ (đường II hình 4.5b) do đó khi nung nóng dễ tạo thành austenit lớn, sau khi làm nguội tạo ra các sản phẩm giòn. Thép bản chất hạt nhỏ là loại có hạt
119
119
austenit phát triển chậm lúc ban dầu, chỉ khi vượt quá 930 ữ 950oC hạt mới phát triển nhanh, thậm chí rất nhanh (đường I hình 4.5b). Do vậy với các dạng nhiệt luyện thông dụng, nhiệt độ thường thấp hơn 900oC, cao nhất cũng chỉ tới 930 ữ 950oC (thấm cacbon) thép bản chất hạt nhỏ bao giờ cũng cho ra hạt austenit bé hơn loại thép bản chất hạt lớn. Vì thế thép bản chất hạt nhỏ cho cơ tính tổng hợp cao hơn, dễ nhiệt luyện hơn và được đánh giá cao, ưa chuộng hơn. Tuy nhiên nếu nung nóng ở nhiệt độ rất cao (> 1050 ữ 1100oC) - trường hợp quá nhiệt - tình hình có thể khác đi, thép bản chất hạt nhỏ có thể cho ra hạt austenit lớn hơn loại bản chất hạt
lín.
Hình 4.5. Giản đồ pha Fe - C (a) và sơ đồ phát triển hạt austenit của thép cùng tích (b) trong đó 1. thép bản chất hạt nhỏ, 2. thép bản chất hạt lớn, 3. hạt bản chất, 4. hạt khi nung nóng để nhiệt luyện, 5. hạt peclit ban đầu, 6. hạt austenit ban đầu.
Một câu hỏi đặt ra là: tại sao thép lại có loại bản chất hạt nhỏ và lớn, khuynh hướng phát triển hạt austenit khác nhau ? Đó là do trong thép có tồn tại những yếu tố cản trở sự phát triển của hạt hay không trên cơ sở của lý thuyết hàng rào. Đặc tính khử ôxy và thành phần hóa học là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng
đến bản chất hay tính di truyền của hạt của thép. Nếu thép được khử ôxy triệt để, khử thêm bằng nhôm, sau khi kết tinh sẽ có các phần tử Al2O3, AlN nằm ở biên giới như là hàng rào, ngăn cản không cho các hạt austenit "nhập" lại với nhau, loại thép này có bản chất hạt nhỏ. Thép được hợp kim hóa bằng các nguyên tố tạo cacbit mạnh và khá mạnh là Ti. V, Zr, Nb, W và Mo sẽ tạo nên các cacbit hợp kim khó tan cũng là loại thép có bản chất hạt nhỏ. Hai nguyên tố crôm và mangan là
120
loại tạo cacbit yếu: crôm làm cản trở hạt phát triển không mạnh, còn mangan và phôtpho làm hạt phát triển nhanh.
Như vậy các thép cacbon (không hợp kim hóa) nhất là loại không được khử
ôxy tốt (thép sôi) thuộc loại bản chất hạt lớn ở các mức độ khác nhau.