---------------  ------------ Giáo trình Khoa học vật liệu 112 112 Chương 4 nhiệt luyện thép Trong ba chương vừa qua đ trình bày các dạng cấu trúc tinh thể đơn giản (kim loại), phức tạp (hợp kim), sự phụ thuộc của cơ tính vào cấu trúc. ở chương này sẽ nghiên cứu những biến đổi về tổ chức và cơ tính tương ứng của thép khi nung nóng rồi làm nguội tiếp theo, tức khi nhiệt luyện. Thép là vật liệu rất thông dụng và là hợp kim nhạy cảm nhất với nhiệt luyện và công nghệ này rất phổ biến trong sản xuất cơ khí. Những dạng nhiệt luyện được áp dụng cho các hợp kim và vật liệu khác cũng có thể hiểu được thông qua nhiệt luyện thép. 4.1. Khái niệm về nhiệt luyện thép 4.1.1. Sơ lược về nhiệt luyện a. Định nghĩa 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 quan trọng nhất sau (xem sơ đồ quá trình nhiệt luyện đơn giản nhất vẽ ở hình 4.1): 113 113 - Nhiệt độ nung nóng 0 n T : nhiệt độ cao nhất mà quá trình phải đạt đến. - Thời gian giữ nhiệt t gn : thời gian ngưng ở nhiệt độ nung nóng. - Tốc độ nguội V nguội sau khi giữ nhiệt. Ba thông số này đặc trưng tương ứng với ba giai đoạn nối tiếp nhau của quá trình nhiệt luyện: nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội. Đối với kết quả, nhiệt luyện được đánh giá bằng các chỉ tiêu sau: + Tổ chức tế vi bao gồm cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hóa bền . Có thể nói đây là chỉ tiêu gốc, cơ bản nhất song để thực hiện khá mất thời gian, nên thường chỉ kiểm tra trong từng mẻ khi sản xuất đ ổn định. + Độ cứng là chỉ tiêu cơ tính dễ xác định và cũng có liên quan đến các chỉ tiêu khác như độ bền, độ dẻo, độ dai. Vì vậy bất cứ chi tiết, dụng cụ nào qua nhiệt luyện cũng được quy định giá trị độ cứng (tùy trường hợp, phải lớn hơn hay nhỏ hơn giá trị quy định) và thông thường được kiểm tra theo tỷ lệ (trong một số trường hợp quan trọng có thể phải kiểm tra cả 100%). + Độ cong vênh, biến dạng. Nói chung độ biến dạng khi nhiệt luyện trong nhiều trường hợp là nhỏ hoặc không đáng kể, song trong một số trường hợp quan trọng yêu cầu này rất khắt khe, nếu vượt quá phạm vi cho phép cũng không thể sử 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 tiến hành bằng cách thấm, khuếch tán một hay nhiều nguyên tố nhất định. Thấm đơn nguyên tố có: thấm cacbon, thấm nitơ . 114 114 Thấm đa nguyên tố có: thấm cacbon - nitơ, thấm cacbon - nitơ - lưu huỳnh . Cơ - nhiệt luyện : dùng cách thay đổi nhiệt độ và biến dạng dẻo để biến đổi tổ chức và cơ tính trên toàn tiết diện mạnh hơn khi nhiệt luyện đơn thuần. Thường tiến hành ở xưởng cán nóng thép, tức ở các xí nghiệp luyện kim. 4.1.2. Tác dụng của nhiệt luyện đối với sản xuất cơ khí Nhiệt luyện là khâu quan trọng và không thể thiếu được đối với chế tạo cơ khí vì nó có các tác dụng chủ yếu sau. a. Tăng độ cứng, tính chống mài mòn và độ bền của thép Mục tiêu của sản xuất cơ khí là sản xuất ra các cơ cấu và máy bền hơn, nhẹ hơn, khỏe hơn với các tính năng tốt hơn. Để đạt được điều đó không thể không sử dụng những thành quả của vật liệu kim loại và nhiệt luyện, sử dụng triệt để các tiềm năng của vật liệu về mặt cơ tính. Bằng những phương pháp nhiệt luyện thích hợp như tôi + ram, tôi bề mặt, thấm cacbon, thấm cacbon - nitơ . độ bền và độ cứng của thép có thể tăng lên từ ba đến sáu lần, nhờ đó có thể dẫn tới rất nhiều điều có lợi như sau: - 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. Các phương pháp nhiệt luyện tiến hành với mục đích như vậy được gọi là nhiệt luyện sơ bộ, chúng nằm giữa các nguyên công gia công cơ khí (thường tiến 115 115 hành trên phôi). Vậy trong sản xuất cơ khí cần phải biết tận dụng các phương pháp nhiệt luyện thích hợp, không những bảo đảm khả năng làm việc lâu dài cho chi tiết, dụng cụ bằng thép mà còn làm dễ dàng cho quá trình gia công. c. Nhiệt luyện trong nhà máy cơ khí ở các nhà máy cơ khí với quy mô nhỏ và trung bình, bộ phận nhiệt luyện không lớn và thường đặt tập trung. Sau khi nhiệt luyện sơ bộ, từ đây phôi thép được chuyển tới các phân xưởng cắt gọt, dập và sau khi nhiệt luyện kết thúc các chi tiết máy quan trọng (cần cứng và bền cao) được đưa qua mài hay thẳng đến lắp ráp. Cách sắp xếp như vậy có nhiều nhược điểm, song không thể khác vì sản lượng thấp. ở các nhà máy cơ khí có quy mô lớn và rất lớn, các chi tiết máy được gia công hoàn chỉnh từ khâu đầu đến khâu cuối trên dây chuyền cơ khí hóa hoặc tự động hóa trong đó bao gồm cả nguyên công nhiệt luyện. Do vậy nguyên công nhiệt luyện ở đây cũng phải được cơ khí hóa thậm chí tự động hóa và phải chống nóng, độc để không có ảnh hưởng xấu đến bản thân người làm nhiệt luyện cũng như cả dây chuyền sản xuất cơ khí. Cách sắp xếp chuyên môn hóa cao như vậy bảo đảm chất lượng sản phẩm rất tốt và đồng đều, lại không tốn công vận chuyển và có năng suất cao. Cũng cần nhấn mạnh, nhiệt luyện là công nghệ tiêu phí nhiều năng lượng để sinh nhiệt do vậy cần tổ chức sản xuất và lựa chọn phương án tiết kiệm được 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 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. 116 116 - 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, hy xem trong chúng lần lượt xảy ra các chuyển biến gì ? + Khi nhiệt độ nung nóng thấp hơn A c 1 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 A c 1 , phần tổ chức peclit của mọi loại thép chuyển biến thành austenit theo phản ứng: [Fe + Fe 3 C] 0,80%C 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 và A c cm 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 (phần thép). 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). 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). 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 V 2 > V 1 . 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, V 2 > V 1 , 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 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 A c 1 , 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 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. 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 Al 2 O 3 , 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 120 120 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. 4.2.2. Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt 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 Như đ biết từ giản đồ pha Fe - C, khi làm nguội, austenit chỉ chuyển biến thành peclit ở 727 o C (tức T o = 0) khi làm nguội rất chậm, điều này không xảy ra trong thực tế. Hy 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 A r 1 (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). [...]... 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 122 123 mịn đi... 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... 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 quá trình nguội của nó không cắt đường cong chữ "C", thì nó không kịp chuyển biến thành hỗn hợp ferit - xêmentit,... 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 Mf < nhiệt độ thường (~20oC) - điều này... có chuyển biến pha gì mới, chỉ có quá trình kết tụ (sát nhập, lớn lên) của các phần tử xêmentit ở dạng hạt - ở 500 ữ 650oC được hỗn hợp ferit - xêmentit hạt nhỏ mịn và khá phân tán được gọi là xoocbit ram với đặc tính là có giới hạn chảy cao và độ dai va đập tốt nhất - ở gần A1 (727oC) được hỗn hợp ferit - xêmentit hạt có thể phân biệt được dưới kính hiển vi quang học, được gọi là peclit hạt Do xêmentit... cacbon Với các thép trước và sau cùng tích mức độ giảm độ cứng khi ram so với trạng thái mới tôi của chúng cũng theo quy luật tương tự như đối với thép cùng tích đ trình bày Đối với thép hợp kim, các giới hạn nhiệt độ đều được nâng cao lên, tức quá 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... công cắt 2) Làm tăng độ dẻo để dễ tiến hành biến dạng (dập, cán, kéo) nguội 3) Làm giảm hay làm mất ứng suất bên trong gây nên bởi gia công cắt, đúc, hàn, biến dạng dẻo 4) Làm đồng đều thành phần hóa học trên vật đúc bị thiên tích 5) Làm nhỏ hạt thép Theo chuyển biến pha peclit austenit xảy ra khi nung nóng, người ta chia ra hai nhóm ủ: có và không có chuyển biến pha b Các phương pháp ủ không có chuyển... giảm hay khử bỏ ứng suất bên trong ở vật đúc hay sản phẩm qua gia công cơ khí (cắt gọt hay dập nguội) Nếu nhiệt độ ủ chỉ là 200 ữ 300oC chỉ khử bỏ một phần (tức chỉ làm giảm), còn ở nhiệt độ cao hơn, 450 ữ 600oC 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... thấm tôi của cùng một mác thép có thể dao động do các biến động cho phép về thành phần hóa học, độ lớn hạt, nhiệt độ tôi , chính vì vậy các giá trị độ cứng ở mỗi vị trí có thể biến động trong một phạm vi nên mối quan hệ trên không thể chỉ biểu thị bằng một đường mà phải là một dải gọi là dải thấm tôi Hình 4.17 trình bày dải thấm tôi của các thép với cùng lượng cacbon là 0,40%, ở đây độ thấm tôi được... nguội kim loại ở các khoảng nhiệt độ của các môi trường tôi khác nhau được trình bày ở bảng 4.1 Bảng 4.1 Đặc tính làm nguội của các môi trường tôi Tốc độ nguội, 0C/s, ở các khoảng nhiệt độ 600 ữ 5000C 300 ữ 2000C 600, 500 270 Nước lạnh, 10 ữ 300C Nước nóng, 500C 100 270 0 Nước hòa tan 10%NaCl, NaOH,20 C 1100, 1200 300 Dầu khoáng vật 100 ữ 150 20 ữ 25 Tấm thép, không khí nén 35, 30 15, 10 Môi trường tôi . ---------------  ------------ Giáo trình Khoa học vật liệu 112 112 Chương 4 nhiệt luyện thép Trong ba chương vừa qua đ trình bày các dạng cấu trúc tinh. không thể không sử dụng những thành quả của vật liệu kim loại và nhiệt luyện, sử dụng triệt để các tiềm năng của vật liệu về mặt cơ tính. Bằng những phương