--------------- ------------
Giáo trình
Khoa học vật liệu
Nhiệt luyện là công nghệ nung nóng kim loại, hợp kim đến nhiệt độ xác
định, giữ nhiệt tại đó một thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ nhất
định để làm thay đổi tổ chức, do đó biến đổi cơ tính và các tính chất khác theo
phương hướng đ chọn trước (nói chung không thể điều chỉnh vô cấp tốc độ nguội,
thường là làm nguội trong một số môi trường như sẽ thấy về sau này).
Nhiệt luyện là phương pháp gia công (treatment) có những đặc điểm riêng.
Sau đây là các điểm phân biệt nguyên công này với các nguyên công gia công cơ
khí khác:
- Khác với đúc, hàn là nó không nung nóng đến trạng thái lỏng, luôn luôn
chỉ ở trạng thái rắn (tức nhiệt độ nung nóng phải thấp hơn đường rắn).
- Khác với cắt gọt, biến dạng dẻo (rèn, dập) khi nhiệt luyện (trừ cơ - nhiệt
luyện) hình dạng và kích thước sản phẩm không thay đổi hay thay đổi không đáng
kể.
- Kết quả của nhiệt luyện được đánh giá bằng biến đổi của tổ chức tế vi và
cơ tính, không thể kiểm tra bằng vẻ ngoài bằng mắt thường.
b.
Các yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện
Hình 4.1.
Sơ đồ của quá trình nhiệt
luyện đơn giản nhất. Đối với quá trình nhiệt luyện, ít nhất cũng được đặc trưng bằng ba thông số
dụng được.
c.
Phân loại nhiệt luyện thép
Sơ bộ có thể phân loại các phương pháp nhiệt luyện thép với những đặc
điểm chủ yếu như sau:
Nhiệt luyện,
thường gặp nhất: chỉ dùng cách thay đổi nhiệt độ (không có
biến đổi thành phần và biến dạng dẻo) để biến đổi tổ chức trên toàn tiết diện. Nó
bao gồm nhiều phương pháp:
ủ: nung nóng rồi làm nguội chậm để đạt tổ chức cân bằng với độ cứng,
độ bền thấp nhất, độ dẻo cao nhất.
Thường hóa: nung nóng đến tổ chức hoàn toàn austenit, làm nguội bình
thường trong không khí tĩnh để đạt tổ chức gần cân bằng.
Mục đích của ủ và thường hóa là làm mềm thép để dễ gia công cắt và dập
nguội.
Tôi: nung nóng làm xuất hiện austenit rồi làm nguội nhanh để đạt tổ chức
không cân bằng với độ cứng cao nhất (nhưng cũng đi kèm với độ giòn cao). Nếu
hiệu ứng này chỉ xảy ra ở bề mặt được gọi là tôi bề mặt.
Ram: nguyên công bắt buộc sau khi tôi, nung nóng lại thép tôi để điều
chỉnh độ cứng, độ bền theo đúng yêu cầu làm việc.
Như vậy tôi và ram là hai nguyên công nhiệt luyện đi kèm với nhau (không
tiến hành riêng lẻ mà luôn luôn kết hợp với nhau), mục đích của tôi + ram là tạo cơ
tính phù hợp với yêu cầu làm việc cụ thể.
-
Hóa - nhiệt luyện
: dùng cách thay đổi nhiệt độ và biến đổi thành phần
hóa học ở bề mặt làm vùng này có biến đổi tổ chức và cơ tính mạnh hơn. Thường
- Tuổi bền (thời hạn làm việc) của máy tăng lên do hệ số an toàn cao,
không gy vỡ (do nâng cao độ bền). Trong nhiều trường hợp máy hỏng còn là do
bị mòn quá mạnh, nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn cũng có tác dụng này.
- Máy hay kết cấu có thể nhẹ đi, điều này dẫn đến tiết kiệm kim loại (hạ
giá thành), năng lượng (nhiên liệu) khi vận hành.
- Tăng sức chịu tải của máy, động cơ, phương tiện vận tải (ôtô, toa xe, tàu
biển...) và kết cấu (cầu, nhà, xưởng...), điều này dẫn tới các hiệu quả kinh tế - kỹ
thuật lớn.
Phần lớn các chi tiết máy quan trọng như trục, trục khuỷu, vòi phun cao áp,
bánh răng truyền lực với tốc độ nhanh, chốt..., đặc biệt là 100% dao cắt, dụng cụ
đo và các dụng cụ biến dạng (khuôn) đều phải qua nhiệt luyện tôi + ram hoặc hóa
nhiệt luyện. Chúng thường được tiến hành gần như là sau cùng, nhằm tạo cho chi
tiết, dụng cụ cơ tính thích hợp với điều kiện làm việc và được gọi là nhiệt luyện kết
thúc (thường tiến hành trên sản phẩm).
Như thường thấy, chất lượng của máy, thiết bị cũng như phụ tùng thay thế
phụ thuộc rất nhiều vào cách sử dụng vật liệu và nhiệt luyện chúng. Những máy
làm việc tốt không thể không sử dụng vật liệu tốt (một cách hợp lý, đúng chỗ) và
nhiệt luyện bảo đảm.
b.
Cải thiện tính công nghệ
Muốn tạo thành chi tiết máy, sản phẩm thép phải qua nhiều khâu, nguyên
công gia công cơ khí: rèn, dập, cắt... Để bảo đảm sản xuất dễ dàng với năng suất
lao động cao, chi phí thấp thép phải có cơ tính sao cho phù hợp với điều kiện gia
công tiếp theo như cần mềm để dễ cắt hoặc dẻo để dễ biến dạng nguội. Muốn vậy
cũng phải áp dụng các biện pháp nhiệt luyện thích hợp: ủ hoặc thường hóa. Ví dụ,
sau khi biến dạng (đặc biệt là kéo nguội) thép bị biến cứng đến mức không thể cắt
gọt hay biến dạng (kéo) tiếp được, phải đưa đi ủ hoặc thường hóa để làm giảm độ
cứng, tăng độ dẻo. Sau xử lý như vậy thép trở nên rất dễ gia công tiếp theo.
năng lượng.
4.2.
Các tổ chức đạt được khi nung nóng và làm
nguội thép
Như đ biết bản chất của nhiệt luyện là biến đổi tổ chức, chuyển pha, vậy
trước tiên hy xét xem khi nung nóng thép có thành phần cacbon nào đó lên đến
các nhiệt độ khác nhau có những chuyển biến pha nào, khi làm nguội tiếp theo với
tốc độ nguội khác nhau, tổ chức vừa tạo thành sẽ biến đổi để thành tổ chức gì và
do đó sẽ biết được cơ tính thay đổi như thế nào. Đó là sự lý giải cho mọi quá trình
nhiệt luyện.
Ta lần lượt xét biến đổi tổ chức cho từng quá trình một. Trước hết lấy cơ sở
là thép tương ứng với giản đồ pha Fe - C (ngoài Fe, C ra không có nguyên tố nào
khác), trong đó đi từ loại thép có tổ chức đơn giản nhất - peclit là thép cùng tích
với 0,80%C rồi mở rộng ra cho các loại thép còn lại (trước và sau cùng tích).
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
Fe
(C)
0,80%C
trong khi đó ferit và xêmentit thứ hai của các thép trước và sau cùng tích chưa
chuyển biến.
Vậy nếu chỉ nung nóng quá nhiệt độ A
c
1
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 A
c
1
lên đến A
c
3
và
A
c
cm
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 A
c
3
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). Hy 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 A
1
= 727
o
C,
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).
, thấy rõ các nhiệt độ bắt
đầu và kết thúc chuyển biến ở V
2
luôn luôn cao hơn các nhiệt độ cùng loại ở V
1
,
tức là a
2
> a
1
, b
2
> b
1
và thời gian cần để hoàn thành chuyển biến cũng ngắn lại 118
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 30
o
C khi nung chậm (ủ) và có thể tới hàng trăm
o
C khi nung nhanh (nung cảm
ứng).
Kích thước hạt austenit
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 950
o
C 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 900
o
C, cao nhất cũng chỉ tới 930 ữ
950
o
C (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 1100
o
C) - 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
lớn.
Hình 4.5.
Tiếp theo nung nóng là giai đoạn giữ nhiệt, tuy không xảy ra các chuyển
biến mới song lại là cần thiết để:
- Làm đều nhiệt độ trên tiết diện, để cho lõi cũng có chuyển biến như ở bề
mặt.
- Có đủ thời gian để hoàn thành các chuyển biến khi nung nóng.
- Làm đồng đều thành phần hóa học của austenit vì lúc đầu hạt austenit có
thành phần không đồng nhất: nơi trước là ferit sẽ nghèo cacbon, nơi trước là
xêmentit sẽ giàu cacbon. Trong giai đoạn này cacbon (và nguyên tố hợp kim) sẽ
san bằng nồng độ.
Thời gian giữ nhiệt chỉ cần vừa đủ, không nên kéo dài quá mức cần thiết sẽ
làm hạt lớn và được chọn phụ thuộc vào các công nghệ nhiệt luyện cụ thể. Các
công nghệ liên quan đến khuếch tán như hóa - nhiệt luyện, ủ khuếch tán thời gian
này dài, tôi cảm ứng - ngắn (thường là không có).
Giai đoạn nung nóng để tạo ra austenit trong quá trình nhiệt luyện được gọi
là giai đoạn austenit hóa.
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 hy 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
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
727
o
C 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 727
o
C là loại ổn định.
Trên giản đồ có năm khu vực rõ rệt:
- ở trên 727
o
C là khu vực tồn tại của austenit ổn định,
- bên trái chữ "C" đầu tiên - austenit quá nguội, 122
C, T
0
lớn
hơn, khoảng 75
o
C), 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 0,30
à
m). 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 600
o
C), 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 0,15
à
m). 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 250
o
C, 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
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.
nhánh trên: austenit quá nguội phân hóa thành xoocbit. Làm nguội trong không
khí nén biểu thị bằng vectơ V
3
, 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 V
4
, 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 V
5
, 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 V
1
< V
2
< V
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 A
3
hay A
cm
.
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.
126
126 + đối với thép trước cùng tích là F + P (đôi khi F + xoocbit),
+ đối với thép sau cùng tích là P + Xe
II
(đôi khi xoocbit + Xe
II
).
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).
4.2.4.
Chuyển biến của austenit khi làm nguội nhanh -
Chuyển biến mactenxit
(khi tôi)
Nếu làm nguội nhanh austenit với tốc độ thích hợp sao cho vectơ biểu diễn
ứng với austenit kém ổn định
nhất).
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) V
th
(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 hy xét bản chất của mactenxit.
a. Bản chất của mactenxit
Mactenxit là dung dịch rắn xen kẽ quá bo hòa của cacbon trong Fe
với
t
m 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 Fe
(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 Fe
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 Fe
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
128
b.
Các đặc điểm của chuyển biến mactenxit
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 M
f
, 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 M
f
< nhiệt độ thường (~20
o
C) - điều này thường xảy ra vì M
f
: điểm M
f
càng thấp dưới 20
o
C lượng austenit dư càng
nhiều. Đây là yếu tố quan trọng nhất. Các nhân tố làm giảm điểm M
f
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 bo hòa trong nó: đại
lượng này càng cao, xô lệch mạng càng mạnh (tỷ số c/a càng lớn), độ cứng càng
cao (hình 4.14). Như thế:
- 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
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.
4.2.5.
Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi
(khi ram)
Sau khi tôi đạt được mactenxit và một lượng nhất định austenit dư, thép có
độ cứng cao song với tính giòn lớn, tồn tại ứng suất bên trong, tổ chức không ổn
định chưa phù hợp với điều kiện làm việc, cần phải có thêm sau đó một nguyên
công chỉnh - nung nóng lại, được gọi là ram.
a.
Tính không ổn định của mactenxit và austenit
Theo giản đồ pha Fe - C, từ nhiệt độ thường đến 727
o
C tổ chức ổn định của
thép là hỗn hợp ferit - xêmentit tức peclit. Do vậy hai pha mactenxit và austenit dư
đều là các pha không ổn định, có khuynh hướng chuyển biến thành hỗn hợp trên.
- Hai pha này không chuyển biến ngay thành hỗn hợp ferit - xêmentit mà
phải qua tổ chức trung gian là mactenxit ram theo sơ đồ:
mactenxit
mactenxit ram [ferit + xêmentit].
austenit dư
b. Các chuyển biến xảy ra khi ram
Theo sự tăng của nhiệt độ nung nóng, thép cùng tích (0,80%C) đ tôi với tổ
chức mactenxit + austenit dư lần lượt qua các giai đoạn với các chuyển biến như
sau.
Giai đoạn I (< 200
o
C)
- < 80
o
C trong thép tôi chưa có chuyển biến gì, tức vẫn có mactenxit +
austenit dư.
- Từ 80 đến 200
o
C: austenit dư chưa chuyển biến, chỉ có mactenxit chuyển
biến bằng cách cacbon trong nó tập trung lại, tiết ra ở dạng các phần tử cacbit với
công thức Fe
x
C (x thay đổi trong phạm vi 2,0 ữ 2,4) ở dạng tấm mỏng và rất phân
tán, lượng cacbon còn lại trong mactenxit giảm đi từ 0,80% xuống còn khoảng
0,25 ữ 0,40% với tỷ số c/a giảm đi. Hỗn hợp mactenxit ít cacbon và cacbit đó
được gọi là mactenxit ram [giữa hai pha trên có cấu trúc liền mạng (coherent),
mạng tinh thể biến đổi liên tục, đều đặn, không thay đổi đột ngột và không có ranh
giới pha rõ ràng].
Có thể trình bày chuyển biến trong giai đoạn này dưới dạng sơ đồ sau:
(mactenxit tôi)
0,15
ữ
0,20
+ Fe
2
ữ
2,4
C]
(
mactenxit ram
)
Cuối giai đoạn này thép tôi có tổ chức mactenxit ram gồm cacbit và
mactenxit nghèo cacbon (0,15 ữ 0,20%).
Mactenxit ram là tổ chức cứng không kém (nếu có thì chỉ là chút ít)
mactenxit tôi, song lại ít giòn hơn do giảm được ứng suất bên trong (do cacbon tiết
bớt ra khỏi dung dịch rắn giảm chút ít xô lệch mạng).
Đối với các thép tôi bình thường, khi ram đến đây độ cứng vẫn giữ nguyên
hoặc chỉ giảm chút ít (khoảng một, cùng lắm là hai đơn vị HRC). Song ở một số
thép sau khi tôi có lượng austenit dư lớn (hàng chục %), khi ram đến đây độ cứng
có thể tăng lên (thêm 2 ữ 3, cá biệt có thể tới 10 đơn vị HRC) do hiệu ứng tăng độ
cứng nhờ chuyển biến austenit dư thành mactenxit ram mạnh hơn hiệu ứng giảm
độ cứng do cacbon tiết ra khỏi dung dung dịch rắn. Hiện tượng này được gọi là độ
cứng thứ hai.
Giai đoạn III (260 ữ 400
o
C)
Kết thúc giai đoạn II thép tôi có tổ chức mactenxit ram gồm hai pha:
mactenxit nghèo cacbon (0,15 ữ 0,20%) và cacbit (Fe
2
+ Fe
3
C
hạt
hỗn hợp
Fe
2
ữ
2,4
C Fe
3
C
hạt
ferit- xêmentit
Cuối giai đoạn này thép tôi có tổ chức là hỗn hợp ferit - xêmentit ở dạng
hạt rất nhỏ mịn và phân tán, được gọi là trôxtit ram. Do cacbon đ tiết hết ra khỏi
dung dịch rắn (mactenxit) nên đến giai đoạn này:
- Độ cứng giảm đi rõ rệt song vẫn còn tương đối cao (HRC 45 với thép
cùng tích).
- Mất hoàn toàn ứng suất bên trong, tăng mạnh tính đàn hồi.
Vậy trôxtit ram cũng như trôxtit tôi là tổ chức khá cứng và có giới hạn đàn
hồi cao nhất.
Giai đoạn IV (> 400
o
C)
Khi tiếp tục nung nóng đến > 400
O
C thép tôi không có chuyển biến pha gì
mới, chỉ có quá trình kết tụ (sát nhập, lớn lên) của các phần tử xêmentit ở dạng
trình ram xảy ra khó hơn.
Sau khi đ khảo sát hết các kiểu chuyển biến pha khi nung nóng và làm
nguội, ta chuyển sang xét bản chất, cách tiến hành và công dụng của các phương
pháp nhiệt luyện cụ thể.
4.3.
ủ
và thường hóa thép
Có thể nói vắn tắt là ủ và thường hóa là các phương pháp thuộc nhóm nhiệt
luyện sơ bộ, làm mềm thép, chuẩn bị tổ chức cho gia công (cắt, dập nguội, nhiệt 133
133
luyện) tiếp theo, tuy nhiên chúng có các đặc điểm và phạm vi công dụng riêng
biệt.
4.3.1.
ủ
thépa.
Định nghĩa và mục đích
Định nghĩa
ủ thép là phương pháp nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định (tùy thuộc
từng phương pháp, nhiệt độ có thể biến đổi rất rộng từ 200 ữ 300 cho đến trên
khí (cắt gọt hay dập nguội). Nếu nhiệt độ ủ chỉ là 200 ữ 300
o
C chỉ khử bỏ một
phần (tức chỉ làm giảm), còn ở nhiệt độ cao hơn, 450 ữ 600
o
C sẽ khử bỏ hoàn toàn
ứng suất bên trong. Lĩnh vực áp dụng: các chi tiết máy quan trọng chỉ đòi hỏi làm
giảm hay khử bỏ ứng suất bên trong. Có thể nêu vài ví dụ.
- Vật đúc gang quan trọng như thân máy cắt, yêu cầu phải khử bỏ phần lớn
(70 ữ 80%) ứng suất bên trong để không làm cong, biến dạng sống trượt, thường
được tiến hành bằng hai cách sau:
+ Để lâu trong kho hay ngoài trời (ở nhiệt độ thường), ứng suất bên trong
được giảm dần nhưng phải sau khoảng một năm mới đạt đến giá trị nhỏ cho phép,
không gây ra biến dạng về sau. Cách làm này tuy đơn giản nhưng lại quá tốn thời
gian, gây lng phí, ứ đọng sản phẩm, dễ gây mất đồng bộ sản xuất.
+ ủ ở 450 ữ 600
o
C trong 1 ữ 2h sẽ khử bỏ được hầu như hoàn toàn ứng
suất bên trong. Đây là cách thường được áp dụng vì nó tiết kiệm được kho, bi,
không gây lng phí (khi vật đúc hỏng sẽ biết ngay sau khi gia công cơ khí, do đó
tìm cách khắc phục kịp thời), không gây ra mất đồng bộ sản xuất, tuy có tốn kém 134
134
thêm.
- Sau khi gia công cơ ứng suất bên trong sẽ tăng lên ảnh hưởng xấu đến
khả năng làm việc của sản phẩm như xecmăng sau khi mài, cắt gọt, lòxo sau khi
quấn nguội..., phải được ủ khử ứng suất từ 200 đến 450
o
nung nóng với hiệu ứng làm nhỏ hạt, nên khi làm nguội chậm austenit hạt nhỏ lại
chuyển biến thành peclit với kích thước hạt nhỏ. Có các phương pháp ủ có chuyển
biến pha sau.
ủ hoàn toàn
ủ hoàn toàn là phương pháp ủ áp dụng cho thép trước cùng tích với lượng
cacbon trong khoảng 0,30 ữ 0,65% với đặc điểm nung nóng thép tới trạng thái
hoàn toàn là austenit, tức là phải cao hơn A
c
3
:
0
u
T
= A
c
3
+ (20 ữ 30
o
C)
Mục đích của ủ hoàn toàn là:
- Làm nhỏ hạt: nếu chỉ nung quá A
c
3
khoảng 20 ữ 30
o
C thì hạt austenit
nhận được vẫn nhỏ, nên khi làm nguội tiếp theo tổ chức ferit - peclit nhận được
cũng có hạt nhỏ.
- Làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo để dễ cắt gọt và dập nguội với độ cứng
135
Tổ chức tạo thành khi ủ không hoàn toàn là peclit hạt chứ không phải là
peclit tấm. Đấy là lý do tại sao với thép cacbon cao như vậy chỉ đem ủ không hoàn
toàn mà không được ủ hoàn toàn. Nếu ủ hoàn toàn tức nung quá A
c
cm
sẽ được
austenit đồng nhất, khi làm nguội chậm tiếp theo sẽ chuyển biến thành peclit tấm
có độ cứng HB > 200 ữ 220 và xêmentit II ở dạng lưới làm thép có tính giòn cao.
Khi ủ không hoàn toàn do chỉ được nung thấp (chỉ quá A
c
1
một chút) bản thân
austenit tạo thành chưa kịp tiến hành đồng đều hóa thành phần hoặc vẫn còn các
phần tử xêmentit của peclit chưa chuyển biến xong hoặc xêmentit II. Sự không
đồng nhất như vậy làm cho sự tạo thành peclit hạt dễ dàng và độ cứng HB < 220
dễ gia công cắt hơn. Ngược lại phương pháp này không áp dụng cho thép trước
cùng tích có C 0,65% vì đây là nhóm thép kết cấu có yêu cầu cao về độ dai va
đập nếu qua ủ không hoàn toàn sẽ không làm nhỏ được ferit, làm ảnh hưởng xấu
đến độ dai.
ủ cầu hóa là dạng đặc biệt của ủ không hoàn toàn, trong đó nhiệt độ nung
dao động tuần hoàn trên dưới A
c
1
: nung lên 750 ữ 760
o
C giữ nhiệt khoảng 5min
(phút) rồi làm nguội xuống 650 ữ 660
o
C giữ nhiệt khoảng 5min..., với lặp đi lặp
Lĩnh vực áp dụng: thép hợp kim cao khi đúc bị thiên tích phải làm đều
thành phần. Tuy nhiên sau khi ủ khuếch tán hạt trở nên rất to nên sau đó phải đưa
đi cán nóng hoặc ủ lại theo một trong ba phương pháp ủ làm nhỏ hạt kể trên.
Cần chú ý: đối với mọi trường hợp của ủ có chuyển biến pha, chỉ cần làm
nguội trong lò đến 600 ữ 650
o
C, lúc đó sự tạo thành peclit đ hoàn thành nên có
thể kéo vật phẩm ra khỏi lò, để nguội ngoài không khí và nạp mẻ khác vào ủ tiếp.
4.3.2.
Thường hóa thép
Copyright: Tài liệu đại học ©