Chương 4
CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA BỀN
VẬT LIỆU KIM LOẠI
4.1. CHUYỂN BIẾN PHA Ở THỂ RẮN TRONG HỢP KIM Fe – C.
4.1.1 Chuyển biến pha khi nung nóng.
Cơ sở để xác định chuyển biến về tổ chức khi nung nóng thép là giản đồ trạng thái của
hợp kim Fe – C được biểu diễn trong phần trước.
Quá trình chuyển biến khi nung nóng được trình bày trên hình vẽ 4.1.
Thép cùng tích với tổ chức duy nhất là péclít nên sau khi nung nóng trên đường A
1
sẽ có
tổ chức hoàn toàn là austenít và khi tiếp tục nung nóng không còn chuyển biến pha nào khác.Hình 4.1 Sơ đồ chuyển biến tổ chức của các loại thép khi nung nóng.
Còn thép trước cùng tích với tổ chức là ferít và peclít nên khi nung đến nhiệt độ cao hơn
A
1
và thấp hơn A
3
thì chỉ có peclít chuyển biến thành tổ chức austenít còn có tổ chức ferít thì
vẫn giữ nguyên.
Sau khi nung nóng trên đường A
3
có chuyển biến mới đó là sự hòa tan ferít vào austenít
nên tổ chức của thép trước cùng tích lúc này mới hoàn toàn là austenít.
52
Nhieät ñoä
0
C
900

3
A
cm
Tương tự, thép sau cùng tích có tổ chức là peclít và xementít II khi nung nóng trên nhiệt
độ cao hơn A
1
nhưng còn thấp hơn A
cm
thì mới chỉ có peclít chuyển biến thành austenít còn tổ
chức xêmentít II vẫn giữ nguyên. Khi tiếp tục nung nóng qua đường A
cm
có chuyển biến mới là
sự hòa tan của xementít II vào austenít nên tổ chức của thép sau cùng tích ở vùng nhiệt độ này
có tổ chức hoàn toàn là austenít.
Như vậy, chỉ khi nung nóng lên quá đường GSE (tương ứng với A
3
và A
Cm
) thì mọi thép
đều có tổ chức giống nhau là austenít nhưng thành phần các bon trong Austenít của chúng khác
nhau phụ thuộc vào lượng các bon trong chúng.
4.1.2 Các chuyển biến austenít khi làm nguội.
 Tổng quan
Có hai cách làm nguội: làm nguội đẳng nhiệt và làm nguội liên tục.
Làm nguội đẳng nhiệt là thực hiện làm nguội bằng cách nhúng nhanh các mẫu nhỏ và
mỏng đã được austenít hóa vào các môi trường (thường là lỏng) có nhiệt độ được giữ không
đổi, rồi tiến hành xác định mức độ chuyển biến theo thời gian bằng các phương pháp khác
nhau.
Làm nguội liên tục là làm nguội sao cho nhiệt độ giảm dần liên tục theo thời gian.
Khi làm nguội đẳng nhiệt austenít xuống thấp hơn A

chuyển biến đang xảy ra.
austenít với tốc độ chậm với chuyển biến có khuyếch tán để tạo thành hỗn hợp ferít và
xementít.
Vùng dưới đường M
đ
là vùng tương ứng với tốc độ nguội nhanh làm austenít chuyển
biến không khuyếch tán tạo thành tổ chức mactenxít.
Từ mũi đường cong chữ C đến đường nằm ngang M
đ
thể hiện sự phân hóa của austenít
với tốc độ vừa và là quá trình chuyển biến trung gian vừa có chuyển biến khuyếch tán vừa
không không tán để tạo thành tổ chức bainít.
 Các chuyển biến austenít khi làm nguội chậm.
Chuyển biến austenít khi làm nguội chậm bắt đầu bằng sự tạo mầm trên ranh giới hạt
austenít. Nếu mầm ban đầu là những phần tử xementít thì sự xuất hiện mầm làm giảm nồng độ
các bon dọc theo ranh giới austenít - xementít và tạo điều kiện để mầm ferít hình thành.
Như vậy, trong vùng kề sát nhiệt độ A
1
đến mũi đường cong chữ C chuyển biến austenít
xảy ra với sự tạo thành hỗn hợp cơ học ferít + Xêmentít ở dạng tấm.
Nếu ausstenít quá nguội phân hóa ở nhiệt độ sát với độ tới hạn A
1
với độ quá nguội ∆T
ng
= 50
0
C ta sẽ thu được hỗn hợp của ferít + xêmentít trong đó xêmentít ở dạng tấm có kích thước
lớn (S khoảng 5 ÷ 7.10
-4
mm). Hỗn hợp này được gọi là péclít. Ðộ cứng của péc lít khoảng 10 ÷

và chuyển biến thành máctenxít. Tốc độ nguội nhanh để có
chuyển biến này phải không nhỏ hơn tốc độ tôi tới hạn v
th
, tức ứng với đường biểu diễn không
cắt đường cong chữ "C".
Máctenxít là dung dịch rắn xen kẽ quá bão hòa của các bon ở trong Fe
α
với nồng độ các
bon bằng nồng độ các bon của austenít, nó có kiểu mạng chính phương thể tâm trong đó
nguyên tử Fe nằm ở đỉnh và tâm ô cơ sở, còn nguyên tử các bon nằm giữa các cạnh theo trục
và tâm hai mặt đáy, tức vị trí lỗ hổng của khối tám mặt.
54
Hình 4.3 trình bày kiểu mạng tinh thể của tổ chức máctenxít Các đặc tính trên của mác
tenxít được giải thích như sau: Hình 4.3 Mạng chính phương
thể tâm của tổ chức máctenxít
Tỉ số
1
〉
a
c
được gọi là độ chính phương của máctenxít. Thông thường
06,1001,1
÷=
a
c
.
Thứ tư, các bon chiu vào lỗ hổng của Fe

). Ðộ cứng của bainít khoảng 450
÷ 550HB.
55
X
X
Fe
X
X
X
Các bon
a
a
c
Thứ nhất, do khi làm nguội nhanh, dung
dịch rắn của các bon trong Fe
γ
chuyển thành
dung dịch của các bon trong Fe
α
nên tất cả các
bon trong austenít không kịp khuyếch tán và
chuyển toàn bộ sang mạng của ferít nên nồng độ
các bon của hai pha này phải bằng nhau.
Thứ hai, ở trạng thái cân bằng, Fe
α
hoà tan
rất ít các bon, với lượng các bon cao như trong
austenít được cố định lại trong Fe
α
làm cho dung


+ Fe
3
C] và Austenít
dư
→ [Fe
α
+ Fe
3
C]
Bản chất của quá trình chuyển biến Mactenxít → [Fe
α

+ Fe
3
C] là sự tiết bớt các bon bão
hòa trong mactenxít, dẫn đến làm giảm độ cứng của máctenxít và làm giảm nội ứng suất do
chuyển biến máctenxít tăng thể tích và do nguội nhanh gây nên.
Tuy nhiên quá trình xảy ra được hay không còn phụ thuộc vào nhiệt độ.
Ở nhiệt độ bình thường, quá trình xảy ra vô cùng chậm chạp và có thể coi như bằng
không. Khi nung nóng tới nhiệt độ thích hợp (dưới A
1
), quá trình xảy ra dễ dàng và nhanh hơn.
Nhiệt độ nung càng cao, chuyển biến xảy ra càng nhiều và nhanh vì vậy độ cứng của thép tôi
càng giảm đồng thời độ dẻo dai càng tăng. Chuyển biến này được gọi là ram.
Quá trình chuyển biến austenít khi làm nguội có thể tóm tắt bằng sơ đồ 4.4.
Lưu ý:
56
Hình 4.4 Sơ đồ chuyển biến austenít khi làm nguội
khác nhau.

 Ðịnh nghĩa nhiệt luyện.
Nhiệt luyện được định nghĩa như sau: Nhiệt luyện là công nghệ nung nóng vật liệu đến
nhiệt độ xác định, giữ ở nhiệt độ đó trong một thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc
độ qui định để làm thay đổi tổ chức, dẫn đến làm thay đổi tính chất của vật liệu theo phương
thức đã chọn trước.
Ðịnh nghĩa trên được thể hiện qua hình vẽ 4.5.
57
Hỡnh 4.5 C ch nhit luyn n gin.
éiu cn ht sc chỳ ý l nhit nung khụng c phộp cao ti nhit núng chy.
éiu ny cú ngha l trong quỏ trỡnh nhit luyn, vt liu luụn trng thỏi rn, hỡnh dng v
kớch thc hu nh khụng thay i hoc thay i rt ớt.
Ta thy cú ba yu t quan trng c trng ca quỏ trỡnh nhit luyn l:
Nhit nung (T
0
nung
): nhit nung l nhit cao nht cn phi t c khi nung
núng.
Thi gian gi nhit (
gn
): thi

gian gi nhit l thi gian cn thit phi duy trỡ vt liu
nhit nung lm cho vt nung c thu nhit.
Tc lm ngui (V
ngui
): tc lm ngui l tc gim nhit trong mt n v thi
gian sau khi ó gi nhit. én v ca nú l
0
C/s hoc
0

phải qua nhiệt luyện và tất cả các dụng cụ đều phải qua nhiệt luyện. Thí dụ chi tiết qua nhiệt
luyện trong ngành ô tô, máy kéo chiếm tới 70 ÷ 80%, trong máy công cụ chiếm 60 ÷ 70%.
Các kết quả của nhiệt luyện thường được kiểm tra qua các chỉ tiêu:
− Ðộ cứng: Ðộ cứng là chỉ tiêu quan trọng cần được kiểm tra thường xuyên sau
mỗi quá trình nhiệt luyện.
− Tổ chức tế vi: Ðôi khi cần phải kiểm tra tổ chức tế vi bao gồm cấu tạo pha, kích
thước hạt, chiều sâu lớp hóa bền v.v. sau khi nhiệt luyện.
− Ðộ cong vênh cho phép: Do có quá trình chuyển biến pha khi nung nóng và làm
nguội, do giãn nở vì nhiệt nên thể tích vật liệu bị thay đổi dẫn đến biến dạng cong vênh,
thay đổi kích thước, hình dạng gây ảnh hưởng đến quá trình lắp ráp của chi tiết sau đó.
 Phân loại gia công nhiệt luyện.
Có nhiều cách để phân loại gia công nhiệt luyện.
Theo đặc điểm thao tác khi nhiệt luyện, người ta phân ra các phương pháp ủ, thường hóa,
tôi, ram, …
Theo vị trí của nhiệt luyện trong quá trình gia công cơ khí người ta phân biệt nhiệt luyện
sơ bộ và nhiệt luyện kết thúc.
Nhiệt luyện sơ bộ là các phương pháp nhiệt luyện nhằm tạo cho vật liệu có cơ tính cần
thiết phù hợp cho các dạng gia công cơ khí tiếp theo như cắt gọt, rèn, dập v.v hoặc chuẩn bị tổ
chức cho nhiệt luyện kết thúc, do đó nó thường tiến hành trước hoặc giữa các khâu gia công cơ
khí. Thuộc nhóm này là ủ, thường hóa.
Nhiệt luyện kết thúc bao gồm các phương pháp nhiệt luyện nhằm tạo cho chi tiết có cơ
tính tổng hợp tốt phù hợp với điều kiện làm việc của chúng do đó nó thường được tiến hành
sau cùng trong quá trình gia công cơ khí. Thuộc nhóm này thường là tôi, ram và gia công lạnh.
4.2.2 Ủ.
4.2.2.1 Ðịnh nghĩa và mục đích của ủ thép.
Ủ thép được định nghĩa như sau: Ủ thép là phương pháp nhiệt luyện bao gồm nung nóng
thép đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt lâu rồi làm nguội chậm để đạt được tổ chức ổn định theo
giản đồ trạng thái với độ cứng thấp nhất và độ dẻo cao.
Theo định nghĩa có hai điểm cần chú ý là:
Thứ nhất, nhiệt độ ủ không qui định theo qui luật chung mà phụ thuộc vào từng phương

C) thì chỉ giảm một phần ứng suất bên
trong. Còn nếu ủ ở khoảng nhiệt độ cao hơn (400 ÷ 500
0
C) có thể khử bỏ hoàn toàn ứng suất
bên trong. Do nhiệt độ ủ còn thấp nên phương pháp ủ này không làm thay đổi độ cứng và kích
thước hạt.
60
• Ủ kết tinh lại.
Ủ kết tinh lại thường được tiến hành cho các thép đã qua biến dạng nguội bị biến cứng
cần khôi phục lại tính dẻo trước khi biến dạng tiếp theo.
Nhiệt độ ủ kết tinh lại cho các loại thép các bon là 600 ÷ 700
0
C, tức vẫn thấp hơn điểm
tới hạn A
C!
. Ủ kết tinh lại làm thay đổi kích thước hạt và giảm độ cứng, nhưng khó áp dụng cho
thép và khó tránh tạo nên hạt lớn.
• Ủ khử dòn hydrô.
Loại ủ này có tác dụng giải phóng hydrô sau khi dùng axít tẩy rửa bề mặt kim loại. Chế
độ nhiệt luyện là nung tới nhiệt độ 450
0
C, giữ nhiệt khoảng 0,5 ÷ 1 giờ rồi làm nguội chậm.
• Ủ phòng trừ điểm trắng:
Dùng để giải phóng hydrô trong thép (sau khi nấu luyện) gây nhiều vết nứt bên trong (dễ
gây dòn đột ngột).
 Các phương pháp ủû thép có chuyển biến pha.
Các phương pháp ủ thép có chuyển biến pha là các phương pháp ủ thép có nhiệt độ ủ cao
hơn điểm tới hạn A
C1
, có quá trình chuyển biến pha péclít thành austenít khi nung nóng.

A
1
A
3
F + A
62
0,4
0,8
1,2 1,4
% C
0
C
1.000
900
800
700
600
500
400
300
Mục đích của ủ hoàn toàn là:
- Làm nhỏ hạt: do nhiệt độ nung nóng chỉ cao quá A
C3
khoảng 20 ÷ 30
0
C ứng với nhiệt
độ khoảng 780 ÷ 860
0
C nên hạt austenít vẫn giữ được kích thước bé vì vậy làm nguội tiếp theo
sẽ có tổ chức ferít và péc lít hạt nhỏ.

CCm
. Sự chuyển biến khi nung ở đây
xảy ra không hoàn toàn. Chỉ có péc lít chuyển thành austenít còn ferít hoặc xêmentít vẫn giữ
nguyên chưa biến đổi.
Ủ không hoàn toàn được áp dụng chủ yếu cho thép cùng tích và sau cùng tích với mục
đích làm giảm độ cứng đến mức có thể cắt gọt được. Các loại thép này nếu tiến hành ủ hoàn
toàn thì nhận được péc lít tấm, có độ cứng còn cao (thường trên 200HB) nên quá trình cắt gọt
còn khó khăn. Nếu ủ không hoàn toàn sẽ nhận được tổ chức péc lít hạt có độ cứng thấp hơn
(khoảng 200HB) đảm bảo cho quá trình cắt gọt dễ dàng hơn.
Nhiệt độ ủ không hoàn toàn cho mọi loại thép các bon là:
A
C1
+ (20 ÷ 30
0
C), tức khoảng 750 ÷ 770
0
C
• Ủ cầu hóa.
Một dạng ủ đặc biệt của ủ không hoàn toàn là ủ cầu hóa. Ủ cầu hóa là phương pháp ủ có
nhiệt độ nung nóng dao động trên dưới A
1
. Nung nóng thép đến 750 ÷ 780
0
C rồi lại làm nguội
xuống 650 ÷ 780
0
C, cứ thế trong nhiều lần. Với cách làm như vậy ta cầu hóa được xêmentít
của péclít.
63