Vật liệu kỹ thuật 2 - 2

CHƯƠNG 1

NHIỆT LUYỆN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA BỀN BỀ MẶT THÉP

1.1. Nhiệt luyện

1.1.1.Định nghĩa và đặc điểm chung của nhiệt luyện

a. Định nghĩa

Nhiệt luyện là quá trình nung nóng kim loại hay hợp kim đến nhiệt độ xác định, giữ tại đó một thời gian thích hợp (giữ nhiệt) rồi làm nguội với tốc độ nhất định để làm thay đổi tổ chức do đó nhận được cơ tính và các tính chất theo yêu cầu.

Đặc điểm của nhiệt luyện đó là không làm nóng chảy và biến dạng sản phẩm, kết quả được đánh giá bằng biến đổi của tổ chức tế vi và tính chất.

b. Các thông số đặc trưng cho nhiệt luyện

Hình 1.1. Các thông số đặc trưng của quá trình nhiệt luyện

Có thể bạn quan tâm!

• Vật liệu kỹ thuật 2 - 1
• Đối Với Thép Trước Cùng Tích Và Thép Cùng Tích ( ≤ 0,8%c)
• Tốc Độ Làm Nguội Trong Các Môi Trường Khác Nhau
• Chi Tiết Tôi, 2. Vòng Cảm Ứng, 3. Vòng Phun Nước, 4. Đường Sức Từ Trường

Xem toàn bộ 193 trang tài liệu này.

+ Nhiệt độ nung nóng (tn) là nhiệt độ cao nhất mà quá trình nhiệt luyện phải đạt tới.

+ Thời gian giữ nhiệt (τgn) là thời gian duy trì chi tiết tại nhiệt độ nung nóng.

+ Tốc độ nguội (Vnguội) là tốc độ giảm nhiệt độ theo thời sau khi giữ nhiệt.

c. Kết quả của một quá trình nhiệt luyện

+ Độ cứng là yêu cầu quan trọng nhất và dễ dàng xác định được, nó liên quan đến các chỉ tiêu độ bền, độ dẻo, độ dai...

+ Tổ chức tế vi bao gồm cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hoá bền...

+ Độ biến dạng, cong vênh, thông thường độ biến dạng, cong vênh khi nhiệt luyện thường nhỏ và nằm trong giới hạn cho phép. Tuy nhiên trong một số trường hợp yêu cầu rất khắt khe, cần phải kiểm tra chúng.[7]

1.1.2. Các chuyển biến khi nung nóng thép- Sự tạo thành austenit

a) Cơ sở xác định chuyển biến khi nung

Dựa vào giản đồ (hình 1.2) nhận thấy ở nhiệt độ thường mọi thép đều cấu tạo bởi

hai pha cơ bản là ferit (F) và xêmentit (Xê) (trong đó P= [F+Xê]).

- Thép cùng tích có tổ chức là P, thép trước cùng tính và sau cùng tích có tổ chức là P+F và P+XêII.

Hình 1.2. Giản đồ pha Fe-C (phần thép)

Trên giản đồ nhận thấy trong quá trình khi nung nóng thép có một số đặc điểm sau.

- Khi T < A1 hợp kim chưa có chuyển biến gì.

- Khi T = Ac1 tại đây hợp kim xảy ra phản ứng cùng tích peclit (P) chuyển biến thành austenit (γ), [F+Xê]0,8%C→γ0,8%C.

- Khi T > Ac1 xảy ra quá trình F và XêII hoà tan vào trong γ nhưng không hoàn toàn.

- Khi T > Ac3 và Acm xảy ra quá trình F và XêII tan hoàn toàn vào trong γ.

b) Đặc điểm của chuyển biến Peclit (P) thành austenit

+ Nhiệt độ và thời gian chuyển biến

Hình 1.3. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt P→γ của thép cùng tích

Từ giản đồ nhận thấy một số đặc điểm sau.

+ Vnung càng lớn thì T chuyển biến càng cao.

+ Tnung càng cao thì khoảng thời gian chuyển biến càng ngắn.

Tốc độ nung V2>V1 thì nhiệt độ bắt đầu và kết thúc chuyển biến càng cao và thời gian chuyển biến càng ngắn.

Cơ chế chuyển biến P → γ cũng giống như quá trình kết tinh là tạo mầm và phát

triển mầm. Ban đầu do bề mặt phân chia giữa F- Xê rất nhiều nên số mầm rất lớn dẫn tới hạt γ ban đầu rất nhỏ mịn. Hạt γ càng nhỏ thì tạo thành các tổ chức khác có độ bền, độ dẻo, dai cao hơn.

Hình 1.4. Quá trình tạo mầm và phát triển mầm austenit từ peclit tấm

Về kích thước hạt của austenit phụ thuộc vào một số đặc điểm sau.

- Peclit ban đầu càng mịn thì austenit càng nhỏ

- Vnung càng lớn thì hạt austenit càng nhỏ

- Nhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt lớn thì hạt lớn

- Theo bản chất thép có hai loại là thép có bản chất hạt lớn và thép có bản chất hạt nhỏ.

Hình 1.5. Sơ đồ phát triển austenit, I di truyền hạt nhỏ, II di truyền hạt lớn

Thép bản chất hạt nhỏ là loại thép được khử oxy triệt để bằng nhôm, thép hợp kim Ti, Mo, V, Zr, Nb...dễ tạo cacbit ngăn cản phát triển hạt.

Với hai nguyên tố mangan và phôtpho làm hạt phát triển nhanh.[7]

1.1.3. Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt

Khi 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 lòi cũng có chuyển biến như ở bề mặt bên ngoài.

+ Có đủ thời gian để hoàn thành khi nung nóng.

+ Làm đồng đều thành phần hóa học của austenit (khi trước F nghèo C; Xe giàu C).

Chú ý, thời gian giữ nhiệt chỉ cần vừa đủ, không nên kéo dài quá mức cần thiết sẽ làm cho hạt lớn và được chọn phụ thuộc vào các công nghệ nhiệt luyện cụ thể.

1.1.4. Các chuyển biến của austennit khi làm nguội

1.1.4.1. Chuyển biến đẳng nhiệt austenit quá nguội của thép cùng tích

Những chuyển biến khi làm nguội đẳng nhiệt được thể hiện qua giản đồ T-T-T hay còn gọi là giản đồ chữ “C” của thép cùng tích.

Hình 1.6. Giản đồ T-T-T của thép cùng tích

Khi austenit bị nguội tức thời dưới 7270C nó chưa chuyển biến ngay được gọi là austenit quá nguội, không ổn định.

Trên giản đồ có 5 vùng.

- Trên 7270C là khu vực tồn tại của austenit ổn định

- Bên trái chữ “C” đầu tiên là vùng austenit quá nguội

- Giữa hai chữ “C” austenit đang chuyển biến ở đây tồn tại cả ba pha γ, F, Xê.

- Bên phải chữ “C” thứ hai các sản phẩm phân hoá đẳng nhiệt austenit quá nguội là hỗn hợp F-Xê với mức độ nhỏ mịn khác nhau.

- Giữa vùng Ms và Mf là vùng tổ chức mactenxit và austenit dư.

Các sản phẩm khi làm nguội đẳng nhiệt.

Khi giữ austenit quá nguội ở sát A1 (trên dưới 7000C) sau thời gian dài (gần bằng 100s) nó mới bắt đầu phân hoá và tiếp theo (sau 2000s) nó mới kết thúc chuyển biến. Hỗn hợp F – Xe tấm tạo thành rất thô to được gọi là peclit (tấm) với độ cứng thấp. HRC 10 – 15 (HB 180 – 250).

Khi giữ austenit quá nguội ở nhiệt độ thấp hơn (trên dưới 6500C). Nó sẽ bắt đầu

và kết thúc phân hoá sau thời gian ngắn hơn. Hỗn hợp F – Xe tấm tạo thành sẽ mịn

(nhỏ) hơn đến mức không thể phân biệt chúng trên kính hiển vi quang học. Tổ chức

này được gọi là xoócbit (hay xoócbit tôi) với độ cứng cao hơn HRC 25 – 35.

Hình 1.7. Tổ chức tế vi của xoobit tôi

Khi giữ austenit quá nguội ở nhiệt độ thấp hơn nữa, ứng với đỉnh lồi của “C” (khoảng 500 – 6000C) nó chuyển biến rất nhanh. Hỗn hợp F – Xe (tấm) tạo thành nhỏ mịn hơn nữa. Tổ chức này được gọi là trôxtit (hay trôxtit tôi) với độ cứng cao hơn vào cỡ 45HRC.

Hình 1.8. Tổ chức tế vi của trôxit tôi

Khi giữ austenit quá nguội ở nhiệt độ thấp hơn nữa khoảng 250 – 4500C, thời gian chuyển biến lại kéo dài ra, cơ chế chuyển biến có thay đổi chút ít, tạo lên tổ chức gọi là bainit. Có thể coi bainit cũng là h ỗn hợp F – Xe ở dạng tấm như trên xong còn mịn hơn nữa với độ cứng cao hơn cỡ HRC50 – 55.

Hình 1.9. Tổ chức tế vi của bainit

Nhận thấy, về cơ bản có thể coi peclit (tấm), xoocbit, trôxtit, và cả bainit bản chất giống nhau, là hỗn hợp cơ học cùng tích của F và Xe (tấm). Song trong đó theo thứ tự tấm càng nhỏ mịn hơn có 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 Xe (cácbit) nhỏ mịn đi. Mặc dù lượng Xe không thay đổi (cùng có 0,8%C với 12%Xe + 88%F) nhưng khi kích thước Xe nhỏ đi tức là số các phần tử rắn này tăng lên sẽ làm tăng sự cản trượt đối với F, nâng cao độ cứng, độ bền.

Như vậy, sau khi làm nguội đẳng nhiệt austenit, tổ chức nào tạo thành là ứng với nhiệt độ giữ đẳng nhiệt đó nằm ở nhánh nào của chữ “C”. Sau khi làm nguội đẳng nhiệt tổ chức nhận được là đồng nhất trên tiết diện.[8]

1.1.4.2. Sự phân hoá austenit khi làm nguội liên tục

Trong thực tế thường dùng cách làm nguội liện tục. Để xây dựng giản đồ với các tốc độ nguội khác nhau khá phức tạp. Để đơn giản có thể lợi dụng giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt, để xác định tổ chức tạo thành khi làm nguội với tốc độ khác nhau.

800

727

Austen

NhiÖt ®é, C

700

qu¸

0

600

500

400

300

200

100

0

-100

Austenit

nguéi

A1 v2

v3

v4

du

it

MS(~200°C)

v5 vth

MactenxÝt (M) +



Mf(~-50°C)

2 3

HRC

v1 Beclit tÊm 15

Hçn hîp Ferit - xªmentit

Xoocbit 30

Tr«xtit 45

Bainit 55

62

4 5

0 1 10 10 10 10 10

Thêi gian, s

Hình 1.10. Giản đồ chuyển biến austenit làm nguội liên tục

Đặc điểm của sự chuyển biến của austenit khi làm nguội liên tục:

Làm nguội chậm cùng lò biểu thị bằng vec tơ V1, nó cắt các đường cong chữ “C” ở sát A1 do đó austenit quá nguội phân hoá ở nhiệt độ cao được peclit tấm với độ cứng thấp nhất.

Làm nguội trong không khí tĩnh biểu thị bằng vectơ V2, nó cắt các đường cong chữ “C” ở phần giữa của nhánh trên do đó austenit quá nguội phân hoá thành xoócbit.

Làm nguội trong không khí nén biểu thị bằng vectơ V3, nó cắt các đường cong chữ “C” ở phần lồi do đó C quá nguội phân hoá thành trôxtit.

Làm nguội trong dầu biểu thị bằng vectơ V4, nó chỉ cắt phần lồi của đường cong chữ C bên trái do đó austenit quá nguội chỉ chuyển biến một phần thành trôxtit;bainit và phần còn lại sẽ chuyển biến thành Mactenxit.

Làm nguội trong nước lạnh biểu thị bằng vectơ V5, nó không cắt đường cong chữ “C” nào tức austenit không chuyển biến chút nào thành hỗn hợp F – Xe, phần lớn austenit quá nguội chuyển thành Mactenxit.

Nhận thấy, khi làm nguội liên tục tạo thành tổ chức nào là hoàn toàn tuỳ thuộc vào vị trí của vectơ biểu thị tốc độ nguội trên đường cong chữ “C”.

Tổ chức đạt được thường là không đồng nhất trên toàn tiết diện, nhất là trong trường hợp tiết diện lớn. Do ở ngoài bao giờ cũng nguội nhanh hơn trong lòi, nên thường có tổ chức với độ cứng cao hơn.

Không đạt được tổ chức hoàn toàn là bainít (về mặt hình học có thể 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.

Những điều trên chỉ đúng với thép C. Với thép hợp kim vị trí của các đường cong chữ “C” dịch sang phải với các mức độ khác nhau, nên có thể các đặc điểm trên không còn phù hợp hay không hoàn toàn phù hợp.

Tốc độ nguội cần thiết để đạt được các tổ chức trên sẽ giảm đi một cách tương ứng. Ví dụ, khi làm nguội cùng lò cũng có thể đạt được xoócbit, trôxtit. Với một số thép hợp kim cao khi làm nguội trong không khí (V2, V3) cũng có thể đạt tổ chức Mactenxit.

Sự không đồng nhất về tổ chức trên tiết diện giảm đi, thậm chí có thể đạt được đồng nhất ngay với tiết diện lớn.[6]

1.1.4.3. Chuyển biến của austennit khi làm nguội nhanh- Chuyển biến Mactenxit

Nếu làm nguội nhanh austenit với tốc độ thích hợp (V5) thì nó không kịp chuyển biến thành hỗn hợp F– Xe mà chỉ có chuyển biến thù hình (chuyển kiểu mạng tinh thể) của sắt từ Feγ sang Feα (tức không có sự tập trung C để tạo Xe) xảy ra ở nhiệt độ thấp (từ 250 – 2200C trở xuống). Đó là thực chất của chuyển biến khi làm nguội nhanh austenit tạo thành tổ chức Mactenxit xảy ra trong quá trình tôi thép

Tốc độ làm nguội nhỏ nhất để gây ra chuyển biến này là ứng với véctơ tiếp xúc với đường cong chữ “C” bên trái ở phần lồi, được gọi là tốc độ tôi tới hạn Vth.

a. Bản chất Mactenxit

Mactenxit là dung dịch rắn xen kẽ quá bão hoà của C trong Feα có kiểu mạng

chính phương khối và có độ cứng cao.

.

Hình 1.11. Tốc độ tới hạn để tạo thành tổ chức Mactenxit

Do làm nguội nhanh, khi đạt đến nhiệt độ tương đối thấp chỉ xẩy ra quá trình chuyển mạng của Feγ sang Feα.

(austenit) (FeγC) → (FeαC) (mactenxit).

Hình 1.12. Kiểu mạng mactenxit và tổ chức maxtenxit

b. Các đặc điểm của chuyển biến Mactenxit

Hình 1.13. Đường cong động học chuyển biến mactenxit

Chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục austenit với tốc độ lớn hơn hay bằng tốc độ tới hạn Vth. Chuyển biến M không xảy ra khi làm nguội đẳng nhiệt.