47
Chơng 4
nhiệt luyện thép
4.1. Khái niệm về nhiệt luyện thép
4.1.1.

Sơ lợc về nhiệt luyện thép

a. Định nghĩa: là nung nóng thép đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt một thời gian
thí ch hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ xác định để nhận đợc tổ chức, do đó
tí nh chất theo yêu cầu.
Đ/điểm:
- Không làm nóng chảy và biến dạng sản phẩm thép
- Kết quả đợc đánh giá bằng biến đổi của tổ chức tế vi và tí nh chất.
b. Các yếu tố đặc trng cho nhiệt luyện

Hình 4.1. Sơ đồ của quá trình nhiệt
c. Phân loại nhiệt luyện thép luyện đơn giản nhất
1. Nhiệt luyện: thờng gặp nhất, chỉ có tác động nhiệt làm biến đổi tổ chức và
tí nh chất gồm nhiều phơng pháp: ủ, thờng hoá, tôi, ram.
2. Hóa - nhiệt luyện: Nhiệt luyện có kèm theo thay đổi thành phần hóa học ở bề
mặt rồi nhiệt luyện tiếp theo để cải thiện hơn nữa tí nh chất của vật liệu: Thấm

-
Nhiệt độ nung nóng
o
n
T :
- Thời gian giữ nhiệt t
gn
:
- Tốc độ nguội V
nguội
sau khi giữ nhiệt.
Các chỉ tiêu đánh giá kết quả:
+
Tổ chức tế vi
bao gồm cấu tạo pha, kí ch thớc
hạt, chiều sâu lớp hóa bền... là chỉ tiêu gốc, cơ bản
nhất
+ Độ cứng, độ bền, độ dẻo, độ dai
+ Độ cong vênh, biến dạng.

48
- Là khâu sau cùng, thờng không thể bỏ qua, do đó quyết định tiến độ chung,
chất lợng và giá thành sản phẩm của cả xí nghiệp.
4.2. Các tổ chức đạt đợc khi nung nóng và làm nguội thép
4.2.1. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo thành austenit
a. Cơ sở xác định chuyển biến khi nung

Dựa vào giản đồ pha Fe - C, hình 4.2: ở nhiệt độ thờng mọi thép đều cấu tạo bởi
hai pha cơ bản: F và Xê (trong đó P =[F+Xê]).
- Thép cùng tí ch: có tổ chức đơn giản là P
Kí ch thớc hạt austenit: Hình 4.2. Giản đồ pha Fe-C
ýnghĩa:
(phần thép)Hạt càng nhỏ M (hoặc tổ chức khác) có
độ dẻo, dai cao hơn
Cơ chế chuyển biến: P : cũng tạo và phát
triển mầm nh kết tinh (hình 4.4), nhng do
bề mặt phân chia giữa F-Xê rất nhiều nên số
mầm rất lớn hạt ban đầu rất nhỏ mịn (<
cấp 8-10, hình 4.4d)
chuyển biến peclit

austenit bao giờ cũng
làm nhỏ hạt thép, phải tận dụng



b. Đặc điểm của chuyển biến peclit thành austenit
Nhiệt độ & thời gian chuyển biến:
(hình 4.3)
V
nung
càng lớn thì T chuyển biến càng cao
T
nung
càng cao, khoảng thời gian chuyển biến càng
ngắn
- Tốc độ nung V
2
> V
1
, thì nhiệt độ bắt đầu và kết thúc
chuyển biến ở càng cao và thời gian chuyển biến càng
n
gắn.
%C
0
0,5
500
nhiệ t độ,
o
C
1,0 1,5
2,0
600

5
10 20
15
700
750
800
nhiệ t độ ,
o
C
A
1
V
1
V
2
b
1
b
2
a
2
bắ t đầ u chuyể n biến

kết thúc chuyển biếnHì nh 4.4. Quá trình tạo mầm và
phát
tiể ầ t ittừ lit(tấ )
49
Hình 4.5. Sơ đồ phát triển hạt austenit
I- di truyền hạt nhỏ, II- di truyền hạt lớn
4.2.3. Các chuyển biến khi làm nguội
a. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt austenit quá nguội (giản đồ T-T-T) của
thép cùng tí ch
1,0 1,5
2,0
600
700
800
900
1000
1100


+


G
E
S
P
0,8
A
3
A
cm
A
1
727
độ lớn
930
800
I
II


nhiệ t độ,
o
C
400
200
600
800
0
1 10
10
2
10
3
10
4
thờ i gian, s
Giản đồ T
Giản đồ TGiản đồ T
Giản đồ T-
--
-T
TT
T-
--
-T:
T: T:
T:
5
50
Cả 3 chuyển biến trên đều là chuyển biến peclit, X, T là peclit phân tán.
+ Khi giữ austenit quá nguội ở nhiệt: ~450 ữ 250
o
C: Bainit, HRC 50 ữ 55, Đợc
coi là chuyển biến trung gian vì: F hơi quá bão hòa cacbon (0,10%),Xê là Fe
2,4-3
C,
có một lợng nhỏ (d), trung gian (giữa P và M).
Từ peclit (tấm), xoocbit, trôxtit cho tới bainit độ quá nguội tăng lên

mầm càng
nhiều

tấm càng nhỏ mịn hơn và độ cứng càng cao hơn.

Tóm lại: chuyển biến ở sát A
1
đợc peclit, ở phần lồi đợc trôxtit, ở giữa hai mức
trên đợc

(TCT) hoặc Xê
II
(SCT), có thêm đờng
ngang A
3
(TCT) hoặc A
cm
(SCT).

Hình 4.10. Giản đồ T-T-T của thép
khác cùng tí ch
3 điểm khác biệt so với thép cùng tí ch:
1- Đờng cong (chữ "C" và nhánh phụ)
xoocbit, phí a dới đợc bainit.
Làm nguội đẳng nhiệt nhận đợc tổ chức
đồng nhất trên tiết diện.
b. Sự phân hóa



khi làm nguội liên tục
Cũng xét giản đồ chữ C (hình 4.7) nh
chuyển biến đẳng nhiệt.
Đ/điểm 1: Tuỳ thuộc vào v
nguội
ta có:
V
1
: trên hình 4.7, ở sát A
1

200
600
800
0
1
10
10
2
10
3
10
4
thờ i gian, s
V
2
V
1
V
3
V
4
V
th
V
5
austenit
bainit
Hì nh 4.7.
Giản đồ T-T-T của thép cùng
tí ch với V

10
4
thờ i gian, s
A
1
V
2

V
3

hỗn hợp
F+Xê
F hoặc Xe
II
A
3
hoặc A
cm
M
đ

M
K

mactenxit+

d
51
2- Khi làm nguội chậm liên tục (V

m
th
TA
V


=
1Hình 4.11. Giản đồ T-T-T
và tốc độ tôi tới hạn V
th
(
m
và
T
m
- thời gian và nhiệt độ
ứng với kém ổn định nhất).

a. Bản chất của mactenxit
Đ/n: M là dung dịch rắn quá bão hòa của C trong Fe


Đ/điểm: vì quá bão hoà C

mạng chí nh phơng tâm khối (hình 4.12).
Độ chí nh phơng c/a = 1,001 ữ 1,06 ( %C) xô lệch mạng rất lớn M rất
cứng.

V
th
thời gian

m
Fe
C
a
c
% mactenxit
nhiệ t độ ,
o
C
20
25
50
75
M
K
M
đ
25
%



d
52
Hì nh 4.14: Độ cứng tôi phụ thuộ c vào %C
%C

K

thờng thấp (<20
o
C) có khi rất thấp (ví dụ -100
o
C) lợng d có thể (20 ữ
30%). Tỷ lệ d : phụ thuộc vào các yếu tố sau:
+ Điểm M
K
: M
K
càng thấp dới 20
o
C lợng

d càng nhiều: M
K
giảm khi tăng
lợng nguyên tố hợp kim trong
+ %C tăng V d càng nhiều.
c. Cơ tí nh của mactenxit
Chú ý: phân biệt độ cứng của M và độ cứng của thép tôi: độ cứng của thép tôi là
độ cứng tổng hợp của M tôi+

d F+Xê theo: Fe

(C) Fe
3
C + Fe


M và

d không chuyển biến ngay thành hỗn hợp F-Xê mà phải qua tổ chức
trung gian là M ram theo sơ đồ: (M + d) M ram F-Xê
b. Các chuyển biến xảy ra khi ram
Thép cùng tí ch (0,80%C): tổ chức M và d, quá trình chuyển biến khi ram:
Giai đoạn I
(T < 200
o
C)
- < 80
o
C trong thép tôi cha có chuyển biến gì, tức vẫn có M và

d.
- Từ 80-200
o
C: d cha chuyển biến,
M có tiết C dới dạng cacbit Fe
x
C (x=2,0ữ2,4), hình tấm mỏng, phân tán, %C
trong M giảm xuống còn khoảng 0,25
ữ

tơng đối cao, HRC 50
Thép C cao: %C 0,60%, độ cứng sau tôi cao, HRC 60
Chỉ có thép 0,40%C tôi mới tăng tí nh chịu mài mòn
.

53
Tiếp tục tiết C khỏi M xuống còn khoảng 0,15 ữ 0,20%:
Fe

(C)
0,25-0,4

[Fe

(C)
0,15
ữ
0,20
+Fe
2
ữ
2,4
C]
d thành M ram: ( d) Fe

(C)
0,8
[Fe

(C)

2,4
C) Xê (Fe
3
C) ở dạng hạt
Sơ đồ chuyển biến: Fe


(C)
0,15
ữ
0,20


Fe

+ Fe
3
C
hạt
, cac bit Fe
2
ữ
2,4
C

F+Xê
hạt = T ram
- Độ cứng: giảm còn (HRC 45 với thép cùng tí ch).
- Mất hoàn toàn ứng suất bên trong, tăng mạnh tí nh đàn hồi.
Giai đoạn IV

ổn định
(theo giản đồ pha Fe - C) với độ cứng thấp nhất và độ dẻo cao.
Hai nét đặc trng của ủ: nhiệt độ không có quy luật tổng quát và làm nguội với
tốc độ chậm để đạt tổ chức cân bằng.
Mục đí ch : đợc một số trong 5 mục đí ch sau:
1) làm mềm thép để dễ tiến hành gia công cắt, 2) tăng độ dẻo để dễ biến dạng
(dập, cán, kéo) nguội. 3) giảm hay làm mất ứng suất gây nên bởi gia công cắt,
đúc, hàn, biến dạng dẻo, 4) đồng đều thành phần hóa học trên vật đúc loại bị
thiên tí ch. 5) Làm nhỏ hạt thép.
Phân loại ủ: 2 nhóm: ủ có chuyển pha và ủ không có chuyển biến pha.
b- Các phơng pháp ủ không có chuyển biến pha
Đ/điểm: T ủ thấp hơn A
1
nên không có chuyển biến P . Chia thành 2 phơng
pháp:
ủ thấp: T= 200
ữ
600
o
C, mục đí ch làm giảm hay khử bỏ ứng suất,
54
ủ kết tinh lại: T> T
ktl
để khôi phục tí nh chất sau biến dạng.
c. Các phơng pháp ủ có chuyển biến pha
Thờng gặp, T> A
1
, P



C) = 750
ữ
760
o
C, T/c: peclit hạt , HB < 220 dễ gia công cắt
hơn, không áp dụng cho thép trớc cùng tí ch có C 0,65% vì ảnh hởng xấu
đến độ dai.
ủ cầu hóa: là dạng đặc biệt của ủ không hoàn toàn, T= 750
ữ
760
o
C-5min (phút)
rồi T= 650 ữ 660
o
C- 5
min
..., với lặp đi lặp lại cầu hóa xêmentit để tạo thành
peclit hạt.
- ủ đẳng nhiệt: dùng cho thép hợp kim cao do quá nguội có tí nh ổn định quá
lớn nên dù làm nguội chậm cùng lò cũng không đạt đợc tổ chức peclit mà là P-X,
X, X-T... nên không đủ mềm để gia công cắt ủ đẳng nhiệt: T= A
1
- 50
o
C (xác
định theo giản đồ T - T - T của chí nh thép đó) để nhận đợc tổ chức peclit.
- ủ khuếch tán: T rất cao 1100ữ1150
o
C - (10 ữ 15h) để khuếch tán làm đều thành
phần.

3
+ (30 ữ 50
o
C), SCT:
0
th
T
= Ac
cm
+ (30 ữ 50
o
C).
- Tốc độ nguội: nhanh hơn đôi chút nên kinh tế hơn ủ.
- Tổ chức và cơ tí nh: tổ chức đạt đợc là gần cân bằng với độ cứng cao hơn ủ đôi
chút.
b. Mục đí ch và lĩnh vực áp dụng:
1) Đạt độ cứng thí ch hợp cho gia công cơ:
+ thép 0,25%C - phả i thờng hóa,
+ thép 0,30 ữ 0,65%C- phải ủ hoàn toàn,
+ thép

0,70%C- phả i ủ không hoà n toà n (ủ cầ u hóa).