Giáo trình Vật liệu học

ớc cùng tích: Thép có hàm lượng cacbon < 0,8% Tổ chức của thép trước cùng tích là (P + a) - Thép cùng tích: Thép có thành phần cacbon = 0,8%. Tổ chức của thép cùng tích là hỗn hợp cơ học cùng tích P. - Thép sau cùng tích: Là thép có hàm lượng cacbon nằm trong khoảng (0,8 ¸ 2,14) %. Tổ chức của thép sau cùng tích là P + XeII. Lượng XeII ít được tiết ra dưới dạng mạng lưới bao quanh hạt P nên có tính dòn cao chính vì vậy, trên thực tế người ta chỉ dùng thép có hàm lượng cacbon nhỏ hơn 1,3%. 5.3.2. Gang Là hợp kim của Fe với C mà hàm lượng C trong nó lớn hơn 2,14% và nhỏ hơn 6,67%. Dựa vào hàm lượng cacbon và tương tự đối với thép, ta có thể phân ra làm 3 loại gang sau: - Gang trước cùng tinh là loại gang có hàm lượng cacbon < 4,3%. Tổ chức của gang trước cùng tinh là P + XeII + Le. Đây là loại gang thường được sử dụng trong thực tế - Gang cùng tinh là loại gang có hàm lượng cacbon là 4,3% Tổ chức của gang cùng tinh là Le Gang sau cùng tinh: là loại gang có hàm lượng cacbon lớn hơn 4,3% Tổ chức của gang sau cùng tinh là Le + XeI Các loại gang trên được gọi chung là gang trắng, cacbon trong gang trắng đều tồn tại dưới dạng Xe. 5.3.3. Đặc điểm cơ tính của thép và gang theo giản đồ trạng thái 5.3.3.1. Thép - Thép trước cùng tích, lượng cacbon ít nên lượng Xe cũng ít vì vậy thép có tính dẻo cao. - Thép sau cùng tích và cùng tích, hàm lượng cacbon tăng nên tỉ lệ pha Xe tăng do vậy làm tăng độ cứng, tính dòn đồng thời làm độ thắt tỉ đối y, độ giãn dài tương đối d giảm xuống. Vì những lý do trên mà trên thực tế, người ta không dùng thép có hàm lượng cacbon quá cao (%C > 1,3%). 5.3.3.2. Gang Gang sau cùng tích có lượng Xe quá nhiều gây dòn và cứng, không có khả năng cắt gọt do vậy không được sử dụng. Thực tế, người ta sử dụng gang trước cùng tích có hàm lượng cacbon nhỏ hơn 3,5%. 5.4. Các nhiệt độ tới hạn hợp kim Fe - C theo giản đồ trạng thái 5.4.1. Nhiệt độ phản ứng cùng tinh (T = 11470C) Với hàm lượng cacbon lớn hơn 2,14% được dùng để xác định chế độ nấu luyện của hợp kim. 5.4.2. Nhiệt độ phản ứng cùng tích (T = 7270C) g ® [F + Xe] (khi làm nguội) và [F + Xe] ® g (khi nung). Hàm lượng cacbon lớn hơn 0,02% và được áp dụng nhiều trong nhiệt luyện là đường A1. Trong thực tế, nhiệt độ chuyển biến khi nung nóng và làm nguội bao giờ cũng khác với giản đồ. Để biểu thị quá trình nung nóng khi có sự chuyển biến pha trên thực tế người ta gọi đó là đường AC1 và khi làm nguội là đường Ar1 5.4.3. Nhiệt độ đường giới hạn hòa tan của Ferit (a) trong Auxtenit (g) là đường A3 Nhiệt độ giới hạn hòa tan được thay đổi theo hàm lượng cacbon gọi là đường A3. Khu nung vượt qua nhiệt độ AC3 thì kết thúc quá trình hòa tan của Ferit (a) vào Auxtenit (g). Đồng thời, khi làm nguội xuống nhiệt độ nhỏ hơn Ar3 thì bắt đầu tiết ra Ferit (a) từ Auxtenit(g). Như vậy: T0Ar3 < T0A3 < T0Ac3 ý nghĩa: Dùng chọn chế độ nhiệt luyện thép trước cùng tích. 5.4.4. Nhiệt độ đường giới hạn hòa tan của Xementit (Xe) vào Auxtenit (g) là đường Acm Nhiệt độ giới hạn hòa tan được thay đổi theo hàm lượng cacbon gọi là đường Acm. Khi nung vượt qua nhiệt độ Accm thì kết thúc quá trình hòa tan của Xementit (Xe) vào Auxtenit (g). Đồng thời, khi làm nguội xuống nhiệt độ nhỏ hơn Arcm thì bắt đầu có sự tiết ra Xementit (Xe) từ Auxtenit (g). Như vậy: T0Arcm < T0Acm < T0Accm. CHƯƠNG 6 CÁC CHUYỂN BIẾN XẢY RA KHI NUNG VÀ LÀM NGUỘI THÉP Nhiệt luyện thép chiếm địa vị chủ yếu trong nhiệt luyện nói chung và là một khâu quan trọng, không thể thiếu được trong chế tạo cơ khí, sở dĩ như vậy vì thép được sử dụng như là vật liệu chủ yếu và quan trọng nhất trong số các kim loại đồng thời có thể áp dụng nhiều phương pháp nhiệt luyện khác nhau để cải biến cơ tính và tính công nghệ của nó. Tác dụng của nhiệt luyện là ở 2 điểm sau: - Làm tăng độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn của chi tiết bằng thép (gang) mà vẫn bảo đảm yêu cầu về độ dẻo và độ dai. Do vậy có thể làm cho chi tiết chịu được tải trọng lớn hơn hoặc có thể làm nhỏ, gọn hơn, sử dụng được bền, lâu hỏng hơn. Trong thực tế sản xuất cơ khí thấy rõ tác dụng này. Nhiều loại thép sau khi nhiệt luyện bằng cách tôi + ram độ bền, độ cứng tăng lên 2 - 3 lần (tuy độ dẻo dai có giảm) rất có lợi trong việc hoá bền các chi tiết này, các chi tiết máy chịu ma sát như bánh răng, trục ... Nếu không hoá bền bằng nhiệt luyện rất chóng mòn, hỏng (thời hạn làm việc giảm đi từ hàng chục đến hàng trăm lần). Đối với dao cắt, khuôn rập tác dụng này của nhiệt luyện lại càng có ý nghĩa quyết định. Các sản phẩm này nếu không qua tôi và ram thì không thể làm việc được. Một trong những yếu tố quan trọng quyết định chất lượng các sản phẩm cơ khí là trình độ của nhiệt luyện. - Cải thiện tính công nghệ Ngoài tác dụng hoá bền kể trên, nhiệt luyện còn có khả năng cải thiện tính công nghệ. Khi thành hình sản phẩm không thể không chú ý đến tính thích ứng của thép đối với các phương pháp gia công khác nhau: đúc, rèn hàn, cắt, gọt ... Cải thiện các tính công nghệ đó làm quá trình gia công chế tạo được thuận lợi và có thể tiến hành với năng suất cao hơn, góp phần nâng cao suất lao động. Trong chế tạo cơ khí thường gặp hiện tượng sau khi rèn, thép bị biến cứng một phần rất khó (có trường hợp không thể cắt gọt, trong trường hợp này phải tiến hành nhiệt luyện bằng phương pháp thích hợp (ủ) độ cứng giảm đi, cắt gọt trở nên dễ dàng. Đối với thép cacbon thấp, độ cứng của nó ở trạng thái ủ quá thấp cũng khó cắt gọt phải tiến hành thường hoá tăng thêm độ cứng để đảm bảo cắt gọt dễ. Áp dụng các phương pháp nhiệt luyện thích hợp giữa các khâu gia công cơ khí là một trong những biện pháp nâng cao năng suất lao động trong ngành cơ khí (nhờ nâng cao tốc độ cắt gọt, khả năng rập sâu ...) Do đó tác dụng quan trọng như vậy nên hầu hết các chi tiết quan trọng các máy đều được qua nhiệt luyện. Ví dụ chi tiết qua nhiệt luyện trong ô tô - máy kéo chiếm (70- 80)% trong máy công cụ (60 - 70)%, tất cả các dụng cụ đều phải nhiệt luyện. 6.1. Khái niệm về nhiệt luyện 6.1.1. Định nghĩa Là phương pháp gia công kim loại bằng cách nung kim loại tới một nhiệt độ xác định, giữ nhiệt một thời gian và làm nguội với tốc độ nguội được xác định trước nhằm đạt được tổ chức và tính chất của vật liệu kim loại theo yêu cầu. Để mô tả công nghệ nhiệt luyện dùng hệ toạ độ T0 - t: Khi nhiệt luyện không được phép nung nóng kim loại đến trạng thái nóng chảy hay chảy bộ phận. Trong mọi quá trình nhiệt luyện kim loại luôn luôn ở trạng thái rắn, hình dạng và kích thước của sản phẩm hầu như không thay đổi hoặc thay đổi rất ít. 6.1.2. Các đặc điểm của nhiệt luyện - Trong quá trình nhiệt luyện thì sản phẩm không thay đổi về hình dáng và kích thước mà chỉ thay đổi về tổ chức và cơ tính của vật liệu. - Các thông số công nghệ được xác định nhờ giản đồ trạng thái của các loại hợp kim. - Sản phẩm sau khi nhiệt luyện phải thu được đầy đủ các thông số của hợp kim. 6.1.3. Các yếu tố đặc trưng cho quá trình nhiệt luyện Các yếu tố quan trọng nhất đặc trưng cho quá trình nhiệt luyện là: nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt và tốc độ làm nguội. - Nhiệt độ nung nóng t0 nung là nhiệt độ cao nhất phải đạt đến khi nung nóng nhiệt. - Thời gian giữ nhiệt tg.n là thời gian cần thiết duy trì kim loại ở nhiệt độ nung. - Tốc độ nguội vnguội là độ giảm của nhiệt độ theo thời gian sau khoảng thời gian giữ 6.1.4. Phân loại nhiệt luyện Tuỳ theo vị trí của nhiệt luyện trong quá trình gia công cơ khí, người ta phân nó thành 2 nhóm: - Nhiệt luyện sơ bộ: là những dạng nhiệt luyện mà sản phẩm sau nhiệt luyện còn tiếp tục gia công cơ khí. - Nhiệt luyện kết thúc: là dạng nhiệt luyện mà sản phẩm sau nhiệt luyện không tiếp tục gia công. 6.2. Các chuyển biến xảy ra khi nung thép 6.2.1. Mô tả thí nghiệm Sử dụng mẫu thí nghiệm là thép chứa 0,8% cacbon, có tổ chức là Peclit (P=[a+Xe]) làm hàng loạt mẫu có kích thước và hình dáng giống nhau và tiến hành nung tới nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Ac1. Giữ các mẫu tại nhiệt độ nung với các thời gian khác nhau sau đó tiến hành làm nguội nhanh. Đo lượng chuyển biến P thành g theo thời gian. Trên cơ sở đo lượng chuyển biến đó, ta xây dựng đường cong phần trăm lượng g theo thời gian t: %g = f(t) Đường cong trên chính là đường cong động học chuyển biến P thành g. OA: giai đoạn phôi thai, bắt đầu tạo các trung tâm sinh mầm. AB: giai đoạn bắt đầu chuyển biến P thành g. ở giai đoạn này, có sự thay đổi năng lượng tự do. DG = DGthể tích + DGbề mặt + DGđàn hồi Do vậy, ta thấy rằng quá trình tạo mầm ở trạng thái rắn là khó khăn và chậm hơn do biến thiên năng lượng cao hơn. BC: giai đoạn chuyển biến xảy ra nhanh do lượng mầm tạo ra nhiều và khả năng lớn lên mạnh do DGđàn hồi chưa quá lớn. CD: giai đoạn chuyển biến chậm lại do DGđàn hồi lớn 6.2.2. Nhiệt độ chuyển biến Peclit thành Auxtenit 6.2.2.1. Đường cong động học chuyển biến khi nung nóng thép cùng tích Từ giản đồ trạng thái Fe-C thấy rằng chuyển biến P thành g xảy ra ở 7270C, nhưng điềunày chỉ đúng với khi nung nóng bằng tốc độ vô cùng bé. Với tốc độ nung nóng thực tế, nhiệt độ tại đó xảy ra chuyển biến này luôn luôn cao hơn 7270C, tốc độ nung càng lớn, nhiệt độ xảy ra chuyển biến càng cao và chuyển biến thực tế xảy ra trong một khoảng nhiệt độ. Điều này được thể hiện trên giản đồ chuyển biến p thành g. (1): Đường bắt đầu quá trình chuyến biến P ® g (2): Đường kết thúc quá trình chuyển biến P ® g Sử dụng 2 trục tra toạ độ là thời gian và nhiệt độ, ta có thể đặt ở trên đó các đường biểu diễn tốc độ nung nóng để xét ảnh hưởng của tốc độ nung đến nhiệt độ chuyển biến. Nếu nung nóng với tốc độ v1 thì thời điểm bắt đầu và kết thúc quá trình chuyển biến là a1, b1 còn nếu nung nóng với tốc độ v2 lớn hơn v1 đó là điểm a2, b2. Do đó ta thấy rằng tốc độ nung nóng càng cao, chuyển biến P ® g xảy ra ở nhiệt độ càng cao và với thời gian càng ngắn. ý nghĩa của việc xảy ra dừng đường cong động học chuyển biến P ® g: - Tính được nhiệt độ bắt đầu và kết thúc chuyển biến P ® g với các tốc độ nung khác nhau. Từ đó định ra công nghệ nhiệt luyện. - Xác định mức độ ổn định của các pha phụ thuộc vào thông số công nghệ 6.2.2.2. Đường cong động học chuyển biến khi nung nóng thép và sau cùng tích - Thép trước cùng tích: Đối với thép trước cùng tích tổ chức bao gồm P + F. Nên để có chuyển biến hoàn toàn thành g cần nung thép vượt quá nhiệt độ Ac3. Khi đó đường cong động học có dạng như sau: (1): Đường cong bắt đầu quá trình chuyển biến P ® g (2): Đường cong kết thúc quá trình chuyển biến P ® g (3) Đường cong bắt đầu hoà tan F ® g (4): Đường kết thúc hoà tan F ® g - Thép sau cùng tích: Đối với thép sau cùng tích tổ chức bao gồm P + XeII. Nên để có chuyển biến hoàn toàn thành g cần nung thép tới nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Accm. Khi đó đường cong động học có dạng như sau: (1): Đường cong bắt đầu quá trình chuyển biến P ® g (2): Đường cong kết thúc quá trình chuyển biến P ® g (3) Đường cong bắt đầu hoà tan XeII ® g (4): Đường kết thúc hoà tan XeII ® g 6.2.3. Cơ chế hình thành g khi nung Quá trình nung nóng thép cùng tích là quá trình chuyển hoá P[F0,02 + Xe6,67] ® g0,8 Quá trình này chỉ xảy ra khi có sự ba đông về năng lượng mà ba đông về thành phần hoá học là nguyên nhân chủ yếu để tạo ra ba đông năng lượng. Quá trình ba đông đó tạo ra những vùng có thành phần cacbon gần bằng 0,8%. ở ranh giới giữa Xe và F luôn có hàm lượng cacbon cao nhất nên thuận lợi cho quá trình tạo mầm. Do vậy, mầm g đầu tiên sẽ xuất hiện trên ranh giới 2 pha F và Xe. Các mầm g phát triển, thực hiện quá trình chuyển biến P ® g. Tốc độ phát triển của mầm g về 2 phía Xe và F là khác nhau Nhận thấy DCg/F vg/Xe vỡ vậy F bị hoà tan hết trước sau đó Xe mới bị hoà tan hết vào g. Quá trình trên có thể mô tả bằng hình vẽ bên dưới: 6.2.4. Độ hạt của g và biểu diễn độ hạt trên giản đồ trạng thái Khi nung nóng đến nhiệt độ AC1 trong thép xảy ra chuyển biến P ® g. Chuyển biến này cũng có cơ chế như quá trình kết tinh. Tạo mầm và phát triển mầm. Các mầm g được tạo ra trên bề mặt phân chia giữa 2 pha Fg và Xe. Như vậy, biên giới giữa 2 pha F và Xe trong P rất nhiều nên nảy sinh nhiều mầm g và khi kết thúc chuyển biến bao giờ cũng có g nhỏ min. Chuyển biến P ® g bao giờ cũng làm nhỏ hạt. Sau khi thu được g nhỏ mịn ở nhiệt độ AC1, nếu tiếp tục nâng cao nhiệt độ, hạt g sẽ tiếp tục phát triển nhờ quá trình sát nhập các hạt với nhau. Sự phát triển các hạt g phụ thuộc vào nhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt. Nhiệt độ nung càng cao, thời gian giữ nhiệt càng dài thì hạt g càng lớn. 6.3. Các chuyển biến xảy ra khi làm nguội thép Nếu các thép được nung nóng đến nhiệt độ thấp hơn Ac1, trong thép chưa có chuyển biến gì, do đó khi làm nguội tiếp theo cũng không có chuyển biến gì. Ở đây, chỉ xét trường hợp làm nguội thép đã được nung tới trạng thái g (lớn hơn nhiệt độ Ac1) và để đơn giản chỉ xét cho thép cùng tích. Về phương thức làm nguội được phân ra 2 trường hợp: làm nguội đẳng nhiệt và làm nguội liên tục. 6.3.1. Các chuyển biến xảy ra khi làm nguội đẳng nhiệt Auxtenit 6.3.1.1. Mô tả thí nghiệm: Làm thí nghiệm với thép cùng tích (0,8%C) Làm hàng loạt mẫu có hình dáng và kích thước như nhau. Nung đến trạng thái hoàn toàn g, giữ nhiệt để đạt được sự đồng đều toàn bộ thể tích có tổ chức g. Tiến hành làm nguội xuống dưới nhiệt độ Ac1, giữ đẳng nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau. Do chuyển biến của g thành P. Trên cơ sở đó xây dựng đồ thị lượng chuyển biến theo thời gian. 6.3.1.2. Ảnh hưởng của độ quá nguội đến chuyển biến Trên lý thuyết g ® P đối với thép cùng tích là ở 7270C song cũng giống như khi nung nóng, chuyển biến này không xảy ra ở 7270C mà ở nhiệt độ thấp hơn. Như vậy, chuyển biến xảy ra với độ quá nguội DT = TA1 - TAr1. Tốc độ chuyến biến g thành hỗn hợp cơ học cùng tích P phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Sự chênh lệch giữa năng lượng tự do của hỗn hợp F + Xe và g. Độ quá nguội DT càng lớn thì sự chênh lệch này càng nhiều khi đó g càng dễ chuyển biến thành hỗn hợp F + Xe. - Tốc độ khuếch tán của cacbon. Chuyển biến g thành F và Xe là chuyển biến khuếch tán vì cacbon phân bố đều ở trong g phải sắp xếp lại để tạo nên 2 pha có thành phần cacbon rất khác nhau là F (hầu như không chứa cacbon) và Xe (chứa 6,67% cacbon). 6.3.1.3. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của g quá nguội (1) Đường bắt đầu xảy ra quá trình chuyển biến g ® P (2) Kết thúc quá trình chuyển biến g ® P 6.3.1.4. Các sản phẩm của sự phân hoá đẳng nhiệt của Auxtenit quá nguội - Chuyển biến Peclit (500 ¸ 727)0C: + Chuyển biến P xảy ra với sự tạo thành hỗn hợp F + Xe ở dạng tấm. Nếu g quá nguội phân hoá ở nhiệt độ sát A1 tức ứng với độ quá nguội bé (Dt < 500C) sẽ được hỗn hợp của F + Xe, trong đó Xe ở dạng tấm có kích thước lớn. Hỗn hợp đó gọi là Peclit. + Nếu g quá nguội phân hoá ở nhiệt độ thấp hơn (với DT= 500 đến 1000C) cũng được hỗn hợp cơ học của F + Xe trong đó Xe ở dạng tấm với kích thước hạt bé. Hỗn hợp này gọi là Xoocbit (X). + Nếu g quá nguội được phân hoá ở nhiệt độ thấp hơn nữa khoảng 500 ¸ 6000C ứng với nhiệt độ khi g quá nguội kém ổn định nhất, khi đó cũng được hỗn hợp cơ học F + Xe trong đó Xe cũng ở dạng tấm xong bé hơn dạng tấm ở Xoocbit. Tổ chức này gọi là Trutxtit (T). Vậy Peclit, Xoocbit, Trutxtit đều là hỗn hợp cơ học của F + Xe nhưng với độ nhỏ mịn của Xe khác nhau. Do vậy, khi tăng độ quá nguội, số mầm tạo ra càng nhiều do đó hỗn hợp càng trở nên nhỏ mịn và độ cứng, độ bền càng cao. - Chuyển biến trung gian (2400C ¸ 5000C) Ở dưới 5000C, g quá nguội phân hoá thành hỗn hợp cơ học của F và Xe với cơ chế và đặc điểm riêng. Chuyển biến này gọi là chuyển biến trung gian tạo nên tổ chức Bainit (B). Người ta phân ra thành 2 loại Bainit là: Bainit trên (Bt) và Bainit dưới (Bd) trong đó Bt được tạo ra từ (350 ¸ 500)0C còn Bd được tạo ra từ (240 ¸ 350)0C. Bainit cũng gần 2 pha là F và Xe, nhưng trong đó Xe có dạng tấm rất nhỏ mịn. Đặc điểm của chuyển biến này là xảy ra không hoàn toàn, tức là sau chuyển biến vẫn còn một lượng g dư. Cơ tính của 2 loại Bainit cũng khác nhau Bd có độ cứng, độ bền cao hơn đồng thời vẫn có đủ độ dẻo, độ dai nên được dùng nhiều hơn. 6.3.1.5 Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt g quá nguội của thép trước cùng tích và sau cùng tích 6.3.2. Chuyển biến g ® P khi làm nguội liên tục Trong thực tế, nhiệt luyện hay dùng cách làm nguội liên tục, tức là nhiệt độ luôn luôn giảm theo thời gian. So với loại giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt, phần trên của đường cong chữ "C" của loại giản đồ làm nguội liên tục dịch chuyển sang phải và xuống dưới một chút. Do vậy, về nguyên tắc có thể sử dụng giản đồ đằng nhiệt thay cho trường hợp làm nguội liên tục mà không bị sai số lớn. Khi làm nguội liên tục có các đặc điểm sau: + Với các tốc độ nguội khác nhau sẽ đạt được các tổ chức khác nhau. Giả sử làm nguội với tốc độ v1 thì g sẽ phân hoá thành F + Xe ở nhiệt độ cao nên Xe có dạng tấm thô. Khi làm nguội với tốc độ v2 thì g vẫn phân hoá thành F + Xe ở nhiệt độ thấp hơn nên Xe thu được sẽ nhỏ mịn hơn. Còn khi làm nguội với tốc độ v3 sẽ thu được tổ chức Truxtit xong không hoàn toàn sau đó g biến thành Mactenxit. + Tính ổn định của g quá nguội tăng do đường cong chữ "C" dịch sang bên phải. + Tổ chức Bainit chỉ đạt được khi làm nguôi đẳng nhiệt. * Ý nghĩa: Xác định tốc độ nguội hợp lý nhằm thu được các tổ chức sau nhiệt luyện theo yêu cầu của sản phẩm. * Cơ chế hình thành Peclit P-ban đầu có dạng hình cầu (tạo các quả cầu Peclit) Nếu giữ nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau, quả cầu P phát triển và có thể tạo thành các dạng tấm lớn P, tấm nhỏ X, hay dạng kim T. 6.3.3. Chuyển biến của g khi làm nguội nhanh - chuyển biến Mactenxit 6.3.3.1. Khái niệm: Khi tiến hành làm nguội thật nhanh g xuống nhiệt độ thấp. Cacbon không kịp khuếch tán nên toàn bộ cacbon trong g giữ lại trong mạng của Ferit (g0,8% ® a0,8%) gọi là chuyển biến Mactenxit. Theo giản đồ trạng thái, %C trong a lớn nhất là 0,02% nên khi %C trong a là 0,8% sẽ tạo ra tổ chức quá bão hoà cacbon trong a do vậy tạo ra tổ chức không cân bằng của a gọi là tổ chức Mactenxit (M). 6.3.3.2. Tốc độ nguội tới hạn để xảy ra chuyển biến Mactenxit Tốc độ nguội nhanh để chuyển biến M phải lớn hơn hay bằng một giá trị tới hạn, tức ứng với các đường biểu diễn không cắt đường cong chữ "C" tth: là thời gian kém ổn định nhất của g quá nguội T0: là nhiệt độ ứng với thời gian tới hạn T1: là nhiệt độ nung Với mỗi loại thép xác định thì có một tốc độ nguội tới hạn xác định. Với mọi vng > vng.t.h đều cho chuyển biến Mactenxit. 6.3.3.3. Đặc điểm của chuyển biến Mactenxit - Chỉ xảy ra khi tốc độ nguội lớn hơn một tốc độ nguội xác định - Chỉ xảy ra khi làm nguội liên tục trong một khoảng nhiệt độ xác định với nhiệt độ bắt đầu Ms và kết thúc là Mf. Ở trong khoảng Ms ¸ Mf nếu ta dừng làm nguội thì chuyển biến M bị dừng lại. Vị trí của hai điểm Ms và Mf của chuyển biến M chỉ phụ thuộc vào thành phần cacbon và nguyên tố hợp kim trong g, ngoài ra không phụ thuộc vào các yếu tố khác kể cả tốc độ nguội nhanh hay chậm. Auxtenit càng chứa nhiều cacbon và nguyên tố hợp kim (Si, Al, Co) thì các điểm Ms và Mf càng hạ thấp. - Chuyển biến M xảy ra theo dạng bùng nổ: Cùng một lúc tạo ra hàng loạt các kim M và phát triển với tốc độ rất nhanh (108cm/s). Sự va đập của các kim M tạo ra các vết nứt tế vi trong tổ chức M. - Chuyển biến M xảy ra ở nhiệt độ thấp (thường < 2000C), cacbon hầu như không khuếch tán nên giữ nguyên vị trí hoặc nếu có dịch chuyển thì độ dịch chuyển Dx < a Mạng g chuyển thành mạng a tương ứng là mạng A1 chuyển thành mạng A2 theo cơ chế trượt mạng gây xô lệch mạng nên bị biến cứng. Các nguyên tử cacbon đi vào lỗ hổng khối 8 mặt của mạng a làm giãn chiều cao của mạng tạo ra mạng M là mạng chính phương thể tâm. Giữa mạng g và M có mối quan hệ - Mặt (110) của M // mặt (100) của g - Mặt (111) của(M) // mặt (110) của g Cơ chế trượt mạng: Cacbon đứng sẵn ở lỗ hổng khối 8 mặt làm giãn chiều cao của mạng tạo mạng chính phương thể tâm. * Chuyến biến M là chuyển biến không hoàn toàn: Khi kết thúc quá trình chuyển biến, trong tổ chức M bao giò cũng còn một lượng g dư. (g dư: là tổ chức g tồn tại trong M ở nhiệt độ thường). Nguyên nhân: Do thể tích riêng của M lớn hơn thể tích riêng của g mà cụ thể là Nên khi g chuyển biến thành M sẽ tạo trường ứng suất dư quá lớn do vậy chuyển biến dừng lại và tồn tại g dư. Lượng g dư trong thép phụ thuộc vào các yếu tố sau: + Vị trí điểm Mf. Điểm Mf càng thấp dưới 200C thì lượng g dư càng nhiều. Vậy mọi yếu tố hàm hạ thấp điểm Mf đều làm tăng lượng g dư. + Thành phần hoá học của g: Ta biết rằng lượng cacbon trong 2 pha g và M là bằng nhau khi hàm lượng cacbon của M càng cao thì độ chính phương c và thể tích a riêng càng lớn nên càng nhiều g không chuyển biến được do vậy càng nhiều g dư. * Nhiệt độ bắt đầu và kết thúc chuyển biến: M thay đổi theo thành phần hoá học của thép với thép cacbon và các nguyên tố hợp kim thì Ms và Mf nhỏ. 6.3.3.4. Cơ tính của M * Độ cứng của M: Mactenxit là dung dịch rắn quá bão hoà của cacbon trong a, do vậy độ cứng của M chỉ phụ thuộc vào lượng cacbon ở trong nó. Cacbon càng cao, độ chính phương của M càng lớn, mạng tinh thể càng xô lệch, độ cứng càng cao, khả năng chịu mài mòn tốt. Thép có lượng cacbon quá thấp (%C 0,6% thì lượng g dư sau chuyển biến M nhiều, lúc này độ cứng của thép là độ cứng chung chủ yếu là của M và g dư do đó sẽ thấp hơn độ cứng của bản thân pha M. * Độ dòn của M: Nhược điểm của M là tính dòn cao, đặc điểm này có liên quan đến độ cứng và ứng suất dư trong nó. Tuy nhiên, tính dòn của M cũng dao động trong một phạm vi khá rộng phụ thuộc vào một số yếu tố sau: + Độ cứng của M càng cao thì tíh dòn càng lớn, do vậy M càng chứa nhiều cacbon thì càng cứng và càng dòn. Tuy nhiên, với cùng thành phần cacbon như nhau, độ cứng như nhau nhưng tính dòn có thể khác nhau nếu kích thước hạt M khác nhau. + Ứng suất dư tạo thành có ảnh hưởng lớn đến tính dòn gồm có ứng suất nhiệt (do thay đổi nhiệt độ xuất hiện khi nung và làm nguội) và ứng suất tổ chức (do sự chuyển biến tổ chức). 6.4. CHUYỂN BIẾN KHI NUNG THÉP ĐÃ TÔI Sau khi tôi, đạt được tổ chức M và một lượng g dư do vậy, người ta phải nung nóng lại đến các nhiệt độ thấp hơn Ac1. Nguyên công này được gọi là ram. Mục đích của việc làm trên là đưa tổ chức sau khi tôi về tổ chức ổn định hơn. 6.4.1. Tính không ổn định của M và g dư Theo giản đồ trạng thái Fe - C, từ nhiệt độ thường đến 7270C tổ chức ổn định của thép là hỗn hợp a + Xe (gọi chung là P), như vậy M và g dư là hai pha không ổn định và có xu hướng trở về trạng thái tổ chức ổn định kể trên. M là dung dịch rắn quá bão hoà của cacbon trong Fe(a), lượng cacbon của M bằng lượng cacbon của g. Khi nung nóng, để bảo đảm độ cứng của thép đã tôi phải nung nóng tới nhiệt dộ thích hợp để cacbon hoà tan đủ vào g, khi làm nguội nhanh tiếp theo lượng cacbon đó đượccố định lại trong a, do đó trở nên quá bão hoà. Phần cacbon vượt quá giới hạn hoà tan đó luôn luôn có xu hướng đi ra khỏi các vị trí xen kẽ ở các lỗ hổng, tập trung về một vùng nào đó, kết hợp với sắt tạo nên Xe. Xu thế chuyển biến của M sẽ là: (M) Fea(c) ® Fe(a) + Fe3C (Xe) Chính phương thể tâm Lập phương thể tâm g là dung dịch rắn của cacbon ở trong Fe(g).Ở trạng thái ổn định Fe(g) với mạng lập phương diện tâm không thể tồn tại ở dưới 7270C, tại các nhiệt độ này Fe(g) có xu hướng chuyển sang Fe(a) với lượng hoà tan cacbon rất ít, có thể coi như sắt nguyên chất và lượng cacbon thừa ra đó cũng tạo nên Xe. Xu thế chuyển biến của g sẽ là: Feg(C) ® Fe(a) + Fe3C (Xe) Tuy cả hai pha M và g đều không ổn định và có xu hướng chuyển biến thành hỗn hợp a + Xe, nhưng điều kiện có xảy ra được hay không lại phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ. Nung nóng, tức là cung cấp năng lượng cho sự dịch chuyển các nguyên tử sẽ làm cho chuyển biến trên xảy ra được dễ dàng. Ở nhiệt độ thường, quá trình chuyển biến xảy ra vô cùng chậm có thể coi bằng không. Cần chú ý rằng, khi nung nóng M và g dư không chuyển biến ngay thành hỗn hợp của a + Xe mà bao giờ cũng qua tổ chức trung gian là Mactenxit ram. 6.4.2. Các chuyển biến xảy ra khi ram Để phân tích các pha tạo thành trong quá trình ram có thể dùng phương pháp phân tích tổ chức bằng ria Rơnghen hay phương pháp đo giãn nở. Đo giãn nở là phương pháp thường dùng để xác định các chuyển biến khi ram, nó dựa trên sự khác nhau về thể tích của P, M và g (VM > Vp > Vg). Khi nung nóng thép thép tôi (có tổ chức M và g dư) thấy thể tích mẫu giảm đi tứ M chuyển biến thành P, thể tích mẫu mà tăng lên tức là g chuyển biến thành P. Quy luật trên được biểu diễn như sau: a: Sự thay đổi chiều dài của mẫu đối với thép ủ b: Sự thay đổi chiều dài của mẫu khi nung nóng thép sau khi tôi 6.4.2.1. Giai đoạn I (T0 < 2000C) - Khi nung ở nhiệt độ nhỏ hơn 800C, chiều dài mẫu không thay đổi tức là không có chuyển biến gì, trong tổ chức vẫn còn M + gdư - Khi nung ở khoảng 80 ¸ 2000C, chiều dài của mẫu giảm đi một chút chứng tỏ M chuyển biến. Một phần cacbon trong M tiết ra dưới dạng cacbit (kí hiệu là e với kiểu mạng lục giác có thành phần hoá học gần với công thức Fe2C và ở dạng tấm rất mỏng. Do tiết cacbon dưới dạng cacbit nên phầnM còn lại trở nên nghèo cacbon. Đến 2000C lượng cacbon còn lại trong M tối đa khoảng 0,25 ¸ 0,4% và có độ chính phươn