Giáo trình Khoa học vật liệu

Chia sẻ: Nguyễn Chí Thanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:52

Thêm vào BST

Báo xấu

526
lượt xem 194
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khoa học vật liệu là một khoa học liên ngành nghiên cứu về mối quan hệ giữa thành phần, cấu trúc, các công nghệ chế tạo, xử lý và tính chất của các vật liệu. Các khoa học tham gia vào việc nghiên cứu chủ yếu là vật lý, hóa học, toán học. Thông thường đối tượng nghiên cứu là vật liệu ở thể rắn, sau đó mới đến thể lỏng, thể khí. Các tính chất được nghiên cứu là cấu trúc, tính chất điện, từ, nhiệt, quang, cơ, hoặc tổ hợp của các tính chất đó với mục đích...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Khoa học vật liệu

---------------  ------------ Giáo trình Khoa học vật liệu
112 Ch¬ng 4 nhiÖt luyÖn thÐp Trong ba ch¬ng võa qua ®∙ tr×nh bµy c¸c d¹ng cÊu tróc tinh thÓ ®¬n gi¶n (kim lo¹i), phøc t¹p (hîp kim), sù phô thuéc cña c¬ tÝnh vµo cÊu tróc. ë ch¬ng nµy sÏ nghiªn cøu nh÷ng biÕn ®æi vÒ tæ chøc vµ c¬ tÝnh t¬ng øng cña thÐp khi nung nãng råi lµm nguéi tiÕp theo, tøc khi nhiÖt luyÖn. ThÐp lµ vËt liÖu rÊt th«ng dông vµ lµ hîp kim nh¹y c¶m nhÊt víi nhiÖt luyÖn vµ c«ng nghÖ nµy rÊt phæ biÕn trong s¶n xuÊt c¬ khÝ. Nh÷ng d¹ng nhiÖt luyÖn ®îc ¸p dông cho c¸c hîp kim vµ vËt liÖu kh¸c còng cã thÓ hiÓu ®îc th«ng qua nhiÖt luyÖn thÐp. 4.1. Kh¸i niÖm vÒ nhiÖt luyÖn thÐp 4.1.1. S¬ lîc vÒ nhiÖt luyÖn a. §Þnh nghÜa NhiÖt luyÖn lµ c«ng nghÖ nung nãng kim lo¹i, hîp kim ®Õn nhiÖt ®é x¸c ®Þnh, gi÷ nhiÖt t¹i ®ã mét thêi gian thÝch hîp råi sau ®ã lµm nguéi víi tèc ®é nhÊt ®Þnh ®Ó lµm thay ®æi tæ chøc, do ®ã biÕn ®æi c¬ tÝnh vµ c¸c tÝnh chÊt kh¸c theo ph¬ng híng ®∙ chän tríc (nãi chung kh«ng thÓ ®iÒu chØnh v« cÊp tèc ®é nguéi, thêng lµ lµm nguéi trong mét sè m«i trêng nh sÏ thÊy vÒ sau nµy). NhiÖt luyÖn lµ ph¬ng ph¸p gia c«ng (treatment) cã nh÷ng ®Æc ®iÓm riªng. Sau ®©y lµ c¸c ®iÓm ph©n biÖt nguyªn c«ng nµy víi c¸c nguyªn c«ng gia c«ng c¬ khÝ kh¸c: - Kh¸c víi ®óc, hµn lµ nã kh«ng nung nãng ®Õn tr¹ng th¸i láng, lu«n lu«n chØ ë tr¹ng th¸i r¾n (tøc nhiÖt ®é nung nãng ph¶i thÊp h¬n ®êng r¾n). - Kh¸c víi c¾t gät, biÕn d¹ng dÎo (rÌn, dËp) khi nhiÖt luyÖn (trõ c¬ - nhiÖt luyÖn) h×nh d¹ng vµ kÝch thíc s¶n phÈm kh«ng thay ®æi hay thay ®æi kh«ng ®¸ng kÓ. - KÕt qu¶ cña nhiÖt luyÖn ®îc ®¸nh gi¸ b»ng biÕn ®æi cña tæ chøc tÕ vi vµ c¬ tÝnh, kh«ng thÓ kiÓm tra b»ng vÎ ngoµi b»ng m¾t thêng. b. C¸c yÕu tè ®Æc trng cho nhiÖt luyÖn H×nh 4.1. S¬ ®å cña qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn ®¬n gi¶n nhÊt. §èi víi qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn, Ýt nhÊt còng ®îc ®Æc trng b»ng ba th«ng sè quan träng nhÊt sau (xem s¬ ®å qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn ®¬n gi¶n nhÊt vÏ ë h×nh 4.1): 112
113 - NhiÖt ®é nung nãng Tn0 : nhiÖt ®é cao nhÊt mµ qu¸ tr×nh ph¶i ®¹t ®Õn. - Thêi gian gi÷ nhiÖt tgn: thêi gian ngng ë nhiÖt ®é nung nãng. - Tèc ®é nguéi Vnguéi sau khi gi÷ nhiÖt. Ba th«ng sè nµy ®Æc trng t¬ng øng víi ba giai ®o¹n nèi tiÕp nhau cña qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn: nung nãng, gi÷ nhiÖt vµ lµm nguéi. §èi víi kÕt qu¶, nhiÖt luyÖn ®îc ®¸nh gi¸ b»ng c¸c chØ tiªu sau: + Tæ chøc tÕ vi bao gåm cÊu t¹o pha, kÝch thíc h¹t, chiÒu s©u líp hãa bÒn... Cã thÓ nãi ®©y lµ chØ tiªu gèc, c¬ b¶n nhÊt song ®Ó thùc hiÖn kh¸ mÊt thêi gian, nªn thêng chØ kiÓm tra trong tõng mÎ khi s¶n xuÊt ®∙ æn ®Þnh. + §é cøng lµ chØ tiªu c¬ tÝnh dÔ x¸c ®Þnh vµ còng cã liªn quan ®Õn c¸c chØ tiªu kh¸c nh ®é bÒn, ®é dÎo, ®é dai. V× vËy bÊt cø chi tiÕt, dông cô nµo qua nhiÖt luyÖn còng ®îc quy ®Þnh gi¸ trÞ ®é cøng (tïy trêng hîp, ph¶i lín h¬n hay nhá h¬n gi¸ trÞ quy ®Þnh) vµ th«ng thêng ®îc kiÓm tra theo tû lÖ (trong mét sè trêng hîp quan träng cã thÓ ph¶i kiÓm tra c¶ 100%). + §é cong vªnh, biÕn d¹ng. Nãi chung ®é biÕn d¹ng khi nhiÖt luyÖn trong nhiÒu trêng hîp lµ nhá hoÆc kh«ng ®¸ng kÓ, song trong mét sè trêng hîp quan träng yªu cÇu nµy rÊt kh¾t khe, nÕu vît qu¸ ph¹m vi cho phÐp còng kh«ng thÓ sö dông ®îc. c. Ph©n lo¹i nhiÖt luyÖn thÐp S¬ bé cã thÓ ph©n lo¹i c¸c ph¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn thÐp víi nh÷ng ®Æc ®iÓm chñ yÕu nh sau: NhiÖt luyÖn, thêng gÆp nhÊt: chØ dïng c¸ch thay ®æi nhiÖt ®é (kh«ng cã biÕn ®æi thµnh phÇn vµ biÕn d¹ng dÎo) ®Ó biÕn ®æi tæ chøc trªn toµn tiÕt diÖn. Nã bao gåm nhiÒu ph¬ng ph¸p: • ñ: nung nãng råi lµm nguéi chËm ®Ó ®¹t tæ chøc c©n b»ng víi ®é cøng, ®é bÒn thÊp nhÊt, ®é dÎo cao nhÊt. • Thêng hãa: nung nãng ®Õn tæ chøc hoµn toµn austenit, lµm nguéi b×nh thêng trong kh«ng khÝ tÜnh ®Ó ®¹t tæ chøc gÇn c©n b»ng. Môc ®Ých cña ñ vµ thêng hãa lµ lµm mÒm thÐp ®Ó dÔ gia c«ng c¾t vµ dËp nguéi. • T«i: nung nãng lµm xuÊt hiÖn austenit råi lµm nguéi nhanh ®Ó ®¹t tæ chøc kh«ng c©n b»ng víi ®é cøng cao nhÊt (nhng còng ®i kÌm víi ®é gißn cao). NÕu hiÖu øng nµy chØ x¶y ra ë bÒ mÆt ®îc gäi lµ t«i bÒ mÆt. • Ram: nguyªn c«ng b¾t buéc sau khi t«i, nung nãng l¹i thÐp t«i ®Ó ®iÒu chØnh ®é cøng, ®é bÒn theo ®óng yªu cÇu lµm viÖc. Nh vËy t«i vµ ram lµ hai nguyªn c«ng nhiÖt luyÖn ®i kÌm víi nhau (kh«ng tiÕn hµnh riªng lÎ mµ lu«n lu«n kÕt hîp víi nhau), môc ®Ých cña t«i + ram lµ t¹o c¬ tÝnh phï hîp víi yªu cÇu lµm viÖc cô thÓ. - Hãa - nhiÖt luyÖn: dïng c¸ch thay ®æi nhiÖt ®é vµ biÕn ®æi thµnh phÇn hãa häc ë bÒ mÆt lµm vïng nµy cã biÕn ®æi tæ chøc vµ c¬ tÝnh m¹nh h¬n. Thêng tiÕn hµnh b»ng c¸ch thÊm, khuÕch t¸n mét hay nhiÒu nguyªn tè nhÊt ®Þnh. • ThÊm ®¬n nguyªn tè cã: thÊm cacbon, thÊm nit¬... 113
114 • ThÊm ®a nguyªn tè cã: thÊm cacbon - nit¬, thÊm cacbon - nit¬ - lu huúnh... C¬ - nhiÖt luyÖn: dïng c¸ch thay ®æi nhiÖt ®é vµ biÕn d¹ng dÎo ®Ó biÕn ®æi tæ chøc vµ c¬ tÝnh trªn toµn tiÕt diÖn m¹nh h¬n khi nhiÖt luyÖn ®¬n thuÇn. Thêng tiÕn hµnh ë xëng c¸n nãng thÐp, tøc ë c¸c xÝ nghiÖp luyÖn kim. 4.1.2. T¸c dông cña nhiÖt luyÖn ®èi víi s¶n xuÊt c¬ khÝ NhiÖt luyÖn lµ kh©u quan träng vµ kh«ng thÓ thiÕu ®îc ®èi víi chÕ t¹o c¬ khÝ v× nã cã c¸c t¸c dông chñ yÕu sau. a. T¨ng ®é cøng, tÝnh chèng mµi mßn vµ ®é bÒn cña thÐp Môc tiªu cña s¶n xuÊt c¬ khÝ lµ s¶n xuÊt ra c¸c c¬ cÊu vµ m¸y bÒn h¬n, nhÑ h¬n, kháe h¬n víi c¸c tÝnh n¨ng tèt h¬n. §Ó ®¹t ®îc ®iÒu ®ã kh«ng thÓ kh«ng sö dông nh÷ng thµnh qu¶ cña vËt liÖu kim lo¹i vµ nhiÖt luyÖn, sö dông triÖt ®Ó c¸c tiÒm n¨ng cña vËt liÖu vÒ mÆt c¬ tÝnh. B»ng nh÷ng ph¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn thÝch hîp nh t«i + ram, t«i bÒ mÆt, thÊm cacbon, thÊm cacbon - nit¬... ®é bÒn vµ ®é cøng cña thÐp cã thÓ t¨ng lªn tõ ba ®Õn s¸u lÇn, nhê ®ã cã thÓ dÉn tíi rÊt nhiÒu ®iÒu cã lîi nh sau: - Tuæi bÒn (thêi h¹n lµm viÖc) cña m¸y t¨ng lªn do hÖ sè an toµn cao, kh«ng g∙y vì (do n©ng cao ®é bÒn). Trong nhiÒu trêng hîp m¸y háng cßn lµ do bÞ mßn qu¸ m¹nh, n©ng cao ®é cøng, tÝnh chèng mµi mßn còng cã t¸c dông nµy. - M¸y hay kÕt cÊu cã thÓ nhÑ ®i, ®iÒu nµy dÉn ®Õn tiÕt kiÖm kim lo¹i (h¹ gi¸ thµnh), n¨ng lîng (nhiªn liÖu) khi vËn hµnh. - T¨ng søc chÞu t¶i cña m¸y, ®éng c¬, ph¬ng tiÖn vËn t¶i («t«, toa xe, tµu biÓn...) vµ kÕt cÊu (cÇu, nhµ, xëng...), ®iÒu nµy dÉn tíi c¸c hiÖu qu¶ kinh tÕ - kü thuËt lín. PhÇn lín c¸c chi tiÕt m¸y quan träng nh trôc, trôc khuûu, vßi phun cao ¸p, b¸nh r¨ng truyÒn lùc víi tèc ®é nhanh, chèt..., ®Æc biÖt lµ 100% dao c¾t, dông cô ®o vµ c¸c dông cô biÕn d¹ng (khu«n) ®Òu ph¶i qua nhiÖt luyÖn t«i + ram hoÆc hãa nhiÖt luyÖn. Chóng thêng ®îc tiÕn hµnh gÇn nh lµ sau cïng, nh»m t¹o cho chi tiÕt, dông cô c¬ tÝnh thÝch hîp víi ®iÒu kiÖn lµm viÖc vµ ®îc gäi lµ nhiÖt luyÖn kÕt thóc (thêng tiÕn hµnh trªn s¶n phÈm). Nh thêng thÊy, chÊt lîng cña m¸y, thiÕt bÞ còng nh phô tïng thay thÕ phô thuéc rÊt nhiÒu vµo c¸ch sö dông vËt liÖu vµ nhiÖt luyÖn chóng. Nh÷ng m¸y lµm viÖc tèt kh«ng thÓ kh«ng sö dông vËt liÖu tèt (mét c¸ch hîp lý, ®óng chç) vµ nhiÖt luyÖn b¶o ®¶m. b. C¶i thiÖn tÝnh c«ng nghÖ Muèn t¹o thµnh chi tiÕt m¸y, s¶n phÈm thÐp ph¶i qua nhiÒu kh©u, nguyªn c«ng gia c«ng c¬ khÝ: rÌn, dËp, c¾t... §Ó b¶o ®¶m s¶n xuÊt dÔ dµng víi n¨ng suÊt lao ®éng cao, chi phÝ thÊp thÐp ph¶i cã c¬ tÝnh sao cho phï hîp víi ®iÒu kiÖn gia c«ng tiÕp theo nh cÇn mÒm ®Ó dÔ c¾t hoÆc dÎo ®Ó dÔ biÕn d¹ng nguéi. Muèn vËy còng ph¶i ¸p dông c¸c biÖn ph¸p nhiÖt luyÖn thÝch hîp: ñ hoÆc thêng hãa. VÝ dô, sau khi biÕn d¹ng (®Æc biÖt lµ kÐo nguéi) thÐp bÞ biÕn cøng ®Õn møc kh«ng thÓ c¾t gät hay biÕn d¹ng (kÐo) tiÕp ®îc, ph¶i ®a ®i ñ hoÆc thêng hãa ®Ó lµm gi¶m ®é cøng, t¨ng ®é dÎo. Sau xö lý nh vËy thÐp trë nªn rÊt dÔ gia c«ng tiÕp theo. C¸c ph¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn tiÕn hµnh víi môc ®Ých nh vËy ®îc gäi lµ nhiÖt luyÖn s¬ bé, chóng n»m gi÷a c¸c nguyªn c«ng gia c«ng c¬ khÝ (thêng tiÕn 114
115 hµnh trªn ph«i). VËy trong s¶n xuÊt c¬ khÝ cÇn ph¶i biÕt tËn dông c¸c ph¬ng ph¸p nhiÖt luyÖn thÝch hîp, kh«ng nh÷ng b¶o ®¶m kh¶ n¨ng lµm viÖc l©u dµi cho chi tiÕt, dông cô b»ng thÐp mµ cßn lµm dÔ dµng cho qu¸ tr×nh gia c«ng. c. NhiÖt luyÖn trong nhµ m¸y c¬ khÝ ë c¸c nhµ m¸y c¬ khÝ víi quy m« nhá vµ trung b×nh, bé phËn nhiÖt luyÖn kh«ng lín vµ thêng ®Æt tËp trung. Sau khi nhiÖt luyÖn s¬ bé, tõ ®©y ph«i thÐp ®îc chuyÓn tíi c¸c ph©n xëng c¾t gät, dËp vµ sau khi nhiÖt luyÖn kÕt thóc c¸c chi tiÕt m¸y quan träng (cÇn cøng vµ bÒn cao) ®îc ®a qua mµi hay th¼ng ®Õn l¾p r¸p. C¸ch s¾p xÕp nh vËy cã nhiÒu nhîc ®iÓm, song kh«ng thÓ kh¸c v× s¶n lîng thÊp. ë c¸c nhµ m¸y c¬ khÝ cã quy m« lín vµ rÊt lín, c¸c chi tiÕt m¸y ®îc gia c«ng hoµn chØnh tõ kh©u ®Çu ®Õn kh©u cuèi trªn d©y chuyÒn c¬ khÝ hãa hoÆc tù ®éng hãa trong ®ã bao gåm c¶ nguyªn c«ng nhiÖt luyÖn. Do vËy nguyªn c«ng nhiÖt luyÖn ë ®©y còng ph¶i ®îc c¬ khÝ hãa thËm chÝ tù ®éng hãa vµ ph¶i chèng nãng, ®éc ®Ó kh«ng cã ¶nh hëng xÊu ®Õn b¶n th©n ngêi lµm nhiÖt luyÖn còng nh c¶ d©y chuyÒn s¶n xuÊt c¬ khÝ. C¸ch s¾p xÕp chuyªn m«n hãa cao nh vËy b¶o ®¶m chÊt lîng s¶n phÈm rÊt tèt vµ ®ång ®Òu, l¹i kh«ng tèn c«ng vËn chuyÓn vµ cã n¨ng suÊt cao. Còng cÇn nhÊn m¹nh, nhiÖt luyÖn lµ c«ng nghÖ tiªu phÝ nhiÒu n¨ng lîng ®Ó sinh nhiÖt do vËy cÇn tæ chøc s¶n xuÊt vµ lùa chän ph¬ng ¸n tiÕt kiÖm ®îc n¨ng lîng. 4.2. C¸c tæ chøc ®¹t ®îc khi nung nãng vµ lµm nguéi thÐp Nh ®∙ biÕt b¶n chÊt cña nhiÖt luyÖn lµ biÕn ®æi tæ chøc, chuyÓn pha, vËy tríc tiªn h∙y xÐt xem khi nung nãng thÐp cã thµnh phÇn cacbon nµo ®ã lªn ®Õn c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau cã nh÷ng chuyÓn biÕn pha nµo, khi lµm nguéi tiÕp theo víi tèc ®é nguéi kh¸c nhau, tæ chøc võa t¹o thµnh sÏ biÕn ®æi ®Ó thµnh tæ chøc g× vµ do ®ã sÏ biÕt ®îc c¬ tÝnh thay ®æi nh thÕ nµo. §ã lµ sù lý gi¶i cho mäi qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn. Ta lÇn lît xÐt biÕn ®æi tæ chøc cho tõng qu¸ tr×nh mét. Tríc hÕt lÊy c¬ së lµ thÐp t¬ng øng víi gi¶n ®å pha Fe - C (ngoµi Fe, C ra kh«ng cã nguyªn tè nµo kh¸c), trong ®ã ®i tõ lo¹i thÐp cã tæ chøc ®¬n gi¶n nhÊt - peclit lµ thÐp cïng tÝch víi 0,80%C råi më réng ra cho c¸c lo¹i thÐp cßn l¹i (tríc vµ sau cïng tÝch). 4.2.1. C¸c chuyÓn biÕn x¶y ra khi nung nãng thÐp - Sù t¹o thµnh austenit Thao t¸c ®Çu tiªn cña nhiÖt luyÖn lµ nung nãng. Phô thuéc vµo thµnh phÇn cacbon cña thÐp vµ nhiÖt ®é nung nãng, trong thÐp sÏ cã nh÷ng chuyÓn biÕn kh¸c nhau. a. C¬ së x¸c ®Þnh chuyÓn biÕn khi nung C¬ së ®Ó x¸c ®Þnh chuyÓn biÕn khi nung thÐp lµ gi¶n ®å pha Fe - C, song chØ giíi h¹n ë khu vùc thÐp vµ ë tr¹ng th¸i r¾n (díi ®êng r¾n) nh tr×nh bµy ë h×nh 4.2. Nh thÊy râ tõ gi¶n ®å pha, ë nhiÖt ®é thêng mäi thÐp ®Òu cÊu t¹o bëi hai pha c¬ b¶n: ferit vµ xªmentit, trong ®ã cã peclit lµ hçn hîp cïng tÝch cña hai pha nµy. 115
116 - ThÐp cïng tÝch cã tæ chøc ®¬n gi¶n h¬n c¶, chØ cã peclit. - C¸c thÐp tríc vµ sau cïng tÝch cã tæ chøc phøc t¹p h¬n: ngoµi peclit ra cßn cã thªm ferit hoÆc xªmentit thø hai. B©y giê khi nung nãng c¸c thÐp nµy lªn nhiÖt ®é cao, h∙y xem trong chóng lÇn lît x¶y ra c¸c chuyÓn biÕn g× ? + Khi nhiÖt ®é nung nãng thÊp h¬n Ac1 trong mäi thÐp vÉn cha cã chuyÓn biÕn g× (cho nªn sau ®ã dï lµm nguéi ra sao tæ chøc cña thÐp vÉn kh«ng bÞ biÕn ®æi, nh gi¶n ®å pha). + Khi nhiÖt ®é nung nãng ®¹t ®Õn Ac1, phÇn tæ chøc peclit cña mäi lo¹i thÐp chuyÓn biÕn thµnh austenit theo ph¶n øng: [Feα + Fe3C]0,80%C → Feγ (C)0,80%C trong khi ®ã ferit vµ xªmentit thø hai cña c¸c thÐp tríc vµ sau cïng tÝch cha chuyÓn biÕn. VËy nÕu chØ nung nãng qu¸ nhiÖt ®é Ac1 mét chót ta thÊy: • ThÐp cïng tÝch ®∙ chuyÓn biÕn hoµn toµn: cã tæ chøc hoµn toµn lµ austenit. • ThÐp tríc vµ sau cïng tÝch cã chuyÓn biÕn nhng cha hoµn toµn: cã tæ chøc kh«ng hoµn toµn lµ austenit, tøc cã tæ chøc t¬ng øng austenit + ferit vµ austenit + xªmentit thø hai. Tuy nhiªn khi nung nãng tiÕp tôc tõ Ac1 lªn ®Õn Ac3 vµ Accm sÏ cã qu¸ tr×nh hßa tan ferit vµ xªmentit II cßn d vµo austenit, lµm lîng hai pha nµy trong tæ chøc ngµy mét Ýt ®i. + Khi nhiÖt ®é nung nãng cao h¬n Ac3 vµ Accm sù hßa tan c¸c pha d ferit vµ xªmentit II vµo austenit cña c¸c thÐp tríc vµ sau cïng tÝch còng kÕt thóc vµ chØ cßn mét pha: hoµn toµn austenit víi thµnh phÇn ®óng nh cña thÐp. H×nh 4.2. Gi¶n ®å pha Fe - C (phÇn thÐp). VËy khi nung nãng qu¸ ®êng GSE mäi thÐp (dï cã cacbon cao, thÊp) ®Òu cã tæ chøc gièng nhau lµ dung dÞch r¾n austenit song víi nång ®é cacbon kh¸c nhau vµ b»ng chÝnh thµnh phÇn cacbon cña thÐp. Cßn khi tiÕp tôc nung nãng qu¸ ®êng nµy lªn ®Õn s¸t ®êng r¾n, c¸c thÐp vÉn gi÷ nguyªn tæ chøc cïng nång ®é cacbon, tøc kh«ng cßn chuyÓn pha nµo n÷a (nhng lµm h¹t austenit lín lªn nh sÏ 116
117 nãi ë môc b tiÕp theo). Tãm l¹i c¬ së ®Ó x¸c ®Þnh tæ chøc t¹o thµnh khi nung nãng thÐp lµ gi¶n ®å pha Fe - C (c¨n cø vµo täa ®é: %C - nhiÖt ®é n»m ë trong vïng nµo, tæ chøc sÏ t¬ng øng víi vïng ®ã). Cã thÓ thÊy lµ, trong c¸c chuyÓn biÕn khi nung nãng võa kÓ ë trªn th× chuyÓn biÕn peclit thµnh austenit lµ c¬ së vµ ®ã còng lµ môc tiªu thêng ph¶i ®¹t tíi ®èi víi phÇn lín qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn (trõ ram). H∙y xÐt kü h¬n c¸c ®Æc ®iÓm cña chuyÓn biÕn nµy ®Ó cã thÓ rót ra c¸c kÕt luËn cÇn thiÕt chØ dÉn cho nhiÖt luyÖn. b. §Æc ®iÓm cña chuyÓn biÕn peclit thµnh austenit ë ®©y sÏ xÐt kü hai vÊn ®Ò: nhiÖt ®é chuyÓn biÕn vµ kÝch thíc h¹t austenit t¹o thµnh mµ qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn t¬ng øng ph¶i ®¹t tíi. NhiÖt ®é chuyÓn biÕn Nh thÊy râ tõ gi¶n ®å pha Fe - C, chuyÓn biÕn nµy x¶y ra ë A1 = 727oC, song ®iÒu nµy chØ ®óng khi nung nãng v« cïng chËm (lµ ®iÒu kiÖn ®Ó x©y dùng gi¶n ®å pha), nªn khi nung nãng thùc tÕ (víi tèc ®é ®¸ng kÓ) tÊt nhiªn nhiÖt ®é chuyÓn biÕn ph¶i lu«n lu«n cao h¬n, tèc ®é nung cµng lín, nhiÖt ®é chuyÓn biÕn cµng cao. Cã thÓ thÊy râ ®iÒu nµy ë h×nh 4.3. ë ®©y ngêi ta dïng c¸ch nung nãng ®¼ng nhiÖt ®Ó x¸c ®Þnh thêi gian x¶y ra chuyÓn biÕn ë c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau vµ thÊy r»ng chuyÓn biÕn kh«ng tøc thêi: sau mét thêi gian míi b¾t ®Çu råi sau ®ã mét thêi gian n÷a míi kÕt thóc (nung nãng ®¼ng nhiÖt lµ ph¬ng ph¸p nung ®¹t nhiÖt ®é rÊt nhanh råi gi÷, ngng, lu«n ë ®ã b»ng c¸ch nhóng nh÷ng mÈu thÐp nhá, máng vµo m«i trêng, thêng lµ muèi láng nãng ch¶y, cã nhiÖt ®é cao cè ®Þnh. §Ó lËp nªn gi¶n ®å nµy ph¶i tiÕn hµnh nhiÒu mÉu ë c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau). Gi¶n ®å chuyÓn biÕn ®¼ng nhiÖt peclit thµnh austenit cña thÐp cïng tÝch cã d¹ng cña hai ®êng cong biÓu thÞ thêi ®iÓm b¾t ®Çu vµ kÕt thóc chuyÓn biÕn ®ã trªn hai trôc nhiÖt ®é - thêi gian. Qua ®ã thÊy r»ng nhiÖt ®é nung (®¼ng nhiÖt) cµng cao, thêi gian b¾t ®Çu vµ kÕt thóc (tÝnh b»ng kho¶ng c¸ch tõ trôc hoµnh ®Õn hai ®êng cong nµy) vµ thêi gian ®Ó hoµn thµnh chuyÓn biÕn nµy (kho¶ng c¸ch gi÷a hai ®êng cong) ®Òu ng¾n l¹i. H×nh 4.3. Gi¶n ®å chuyÓn biÕn ®¼ng nhiÖt cña peclit thµnh austenit cña thÐp cïng tÝch vµ c¸c vect¬ biÓu thÞ tèc ®é nung V2 > V1. Tuy nhiªn trong thùc tÕ thêng dïng c¸ch nung nãng liªn tôc (nung víi tèc ®é), nªn ®Ó lµm râ trêng hîp nµy ngêi ta ®Æt lªn gi¶n ®å trªn hai vect¬ biÓu thÞ tèc ®é nguéi, chóng sÏ lÇn lît c¾t c¸c ®êng b¾t ®Çu vµ kÕt thóc ë c¸c ®iÓm t¬ng øng. Khi nung nãng víi c¸c tèc ®é kh¸c nhau, V2 > V1, thÊy râ c¸c nhiÖt ®é b¾t ®Çu vµ kÕt thóc chuyÓn biÕn ë V2 lu«n lu«n cao h¬n c¸c nhiÖt ®é cïng lo¹i ë V1, tøc lµ a2 > a1, b2 > b1 vµ thêi gian cÇn ®Ó hoµn thµnh chuyÓn biÕn còng ng¾n l¹i 117
118 t¬ng øng. Nh vËy, tèc ®é nung nãng cµng cao chuyÓn biÕn peclit thµnh austenit x¶y ra ë nhiÖt ®é cµng cao trong thê× gian cµng ng¾n. Trong thùc tÕ, ®Ó ®¹t ®îc chuyÓn biÕn quy ®Þnh ph¶i nung nãng qu¸ nhiÖt ®é tíi h¹n t¬ng øng Ýt nhÊt lµ 20 ÷ 30oC khi nung chËm (ñ) vµ cã thÓ tíi hµng tr¨m oC khi nung nhanh (nung c¶m øng). KÝch thíc h¹t austenit Tuy austenit kh«ng tån t¹i ë nhiÖt ®é thêng song vÉn ph¶i ®Ó ý ®Õn cÊp h¹t cña nã v× c¸c s¶n phÈm t¹o thµnh tõ c¸c h¹t nhá ausenit bao giê còng cã ®é dÎo, ®é dai tréi h¬n so víi tõ h¹t lín austenit. V× vËy th«ng thêng trong bÊt kú trêng hîp nµo còng yªu cÇu ph¶i ®¹t ®îc tæ chøc austenit h¹t nhá, muèn vËy ph¶i biÕt quy luËt h×nh thµnh h¹t austenit còng nh sù lín lªn cña nã. ChuyÓn biÕn peclit → austenit còng theo c¬ chÕ: t¹o vµ ph¸t triÓn mÇm nh kÕt tinh. MÇm austenit ®îc t¹o nªn gi÷a hai pha ferit vµ xªmentit cña peclit (h×nh 4.4) do bÒ mÆt ph©n chia gi÷a chóng rÊt nhiÒu nªn sè mÇm t¹o thµnh còng rÊt nhiÒu, v× thÕ h¹t austenit lóc míi t¹o thµnh rÊt nhá mÞn (cã thÓ nhá h¬n cÊp 8, tíi cÊp 9, 10 nh biÓu thÞ ë h×nh 4.4d) (v× austenit cã 0,80%C trung gian gi÷a ferit - 0%C, vµ xªmentit - 6,67%C, nªn mÇm austenit chØ cã thÓ sinh ra ë vïng gi÷a hai pha c¬ b¶n nµy). H×nh 4.4. Qu¸ tr×nh t¹o mÇm vµ ph¸t triÓn mÇm austenit tõ peclit (tÊm). CÇn ghi nhí r»ng chuyÓn biÕn peclit → austenit bao giê còng lµm nhá h¹t cña thÐp. HiÖu øng nµy cÇn ®îc chó ý, tËn dông triÖt ®Ó trong nhiÖt luyÖn. H¬n n÷a h¹t austenit t¹o thµnh sÏ cµng nhá mÞn h¬n khi peclit ban ®Çu cã ®é ph©n t¸n cµng cao (tøc phÇn tö xªmentit trong nã cµng bÐ) vµ tèc ®é nung nãng cµng lín. Tuy ë nhiÖt ®é Ac1, lóc míi t¹o thµnh h¹t austenit kh¸ nhá mÞn, song nÕu tiÕp tôc t¨ng nhiÖt ®é hoÆc gi÷ nhiÖt l©u sÏ lµm cho h¹t lín lªn. §©y lµ qu¸ tr×nh tù nhiªn: h¹t to biªn giíi Ýt ®i lµm gi¶m n¨ng lîng dù tr÷. Sù lín lªn cña h¹t ë ®©y theo c¬ chÕ c¸c h¹t lín h¬n "th«n tÝnh" hay "nuèt" c¸c h¹t bÐ (hay nãi kh¸c ®i c¸c h¹t bÐ bao quanh nhËp vµo h¹t lín). Khi lµm nguéi, kÝch thíc h¹t austenit kh«ng gi¶m ®i, vÉn gi÷ nguyªn cÊp h¹t lín nhÊt ®∙ ®¹t tríc ®ã. Nh vËy, lóc míi t¹o thµnh c¸c h¹t austenit lµ nhá mÞn vµ khi nung nãng tiÕp tôc (hay gi÷ nhiÖt) chóng l¹i lín lªn; nhng vÊn ®Ò cÇn quan t©m ë ®©y lµ chóng lín lªn nh thÕ nµo ? nhanh hay chËm ? Theo ®Æc tÝnh ph¸t triÓn cña h¹t austenit, cã thÓ chia ra hai lo¹i thÐp: thÐp b¶n chÊt (di truyÒn) h¹t lín vµ nhá nh tr×nh bµy ë h×nh 4.5. ThÐp b¶n chÊt h¹t lín lµ lo¹i cã h¹t austenit ph¸t triÓn nhanh vµ ®Òu ®Æn ë mäi nhiÖt ®é (®êng II h×nh 4.5b) do ®ã khi nung nãng dÔ t¹o thµnh austenit lín, sau khi lµm nguéi t¹o ra c¸c s¶n phÈm gißn. ThÐp b¶n chÊt h¹t nhá lµ lo¹i cã h¹t 118
119 austenit ph¸t triÓn chËm lóc ban dÇu, chØ khi vît qu¸ 930 ÷ 950oC h¹t míi ph¸t triÓn nhanh, thËm chÝ rÊt nhanh (®êng I h×nh 4.5b). Do vËy víi c¸c d¹ng nhiÖt luyÖn th«ng dông, nhiÖt ®é thêng thÊp h¬n 900oC, cao nhÊt còng chØ tíi 930 ÷ 950oC (thÊm cacbon) thÐp b¶n chÊt h¹t nhá bao giê còng cho ra h¹t austenit bÐ h¬n lo¹i thÐp b¶n chÊt h¹t lín. V× thÕ thÐp b¶n chÊt h¹t nhá cho c¬ tÝnh tæng hîp cao h¬n, dÔ nhiÖt luyÖn h¬n vµ ®îc ®¸nh gi¸ cao, a chuéng h¬n. Tuy nhiªn nÕu nung nãng ë nhiÖt ®é rÊt cao (> 1050 ÷ 1100oC) - trêng hîp qu¸ nhiÖt - t×nh h×nh cã thÓ kh¸c ®i, thÐp b¶n chÊt h¹t nhá cã thÓ cho ra h¹t austenit lín h¬n lo¹i b¶n chÊt h¹t lín. H×nh 4.5. Gi¶n ®å pha Fe - C (a) vµ s¬ ®å ph¸t triÓn h¹t austenit cña thÐp cïng tÝch (b) trong ®ã 1. thÐp b¶n chÊt h¹t nhá, 2. thÐp b¶n chÊt h¹t lín, 3. h¹t b¶n chÊt, 4. h¹t khi nung nãng ®Ó nhiÖt luyÖn, 5. h¹t peclit ban ®Çu, 6. h¹t austenit ban ®Çu. Mét c©u hái ®Æt ra lµ: t¹i sao thÐp l¹i cã lo¹i b¶n chÊt h¹t nhá vµ lín, khuynh híng ph¸t triÓn h¹t austenit kh¸c nhau ? §ã lµ do trong thÐp cã tån t¹i nh÷ng yÕu tè c¶n trë sù ph¸t triÓn cña h¹t hay kh«ng trªn c¬ së cña lý thuyÕt hµng rµo. §Æc tÝnh khö «xy vµ thµnh phÇn hãa häc lµ hai yÕu tè quan träng ¶nh hëng ®Õn b¶n chÊt hay tÝnh di truyÒn cña h¹t cña thÐp. NÕu thÐp ®îc khö «xy triÖt ®Ó, khö thªm b»ng nh«m, sau khi kÕt tinh sÏ cã c¸c phÇn tö Al2O3, AlN n»m ë biªn giíi nh lµ hµng rµo, ng¨n c¶n kh«ng cho c¸c h¹t austenit "nhËp" l¹i víi nhau, lo¹i thÐp nµy cã b¶n chÊt h¹t nhá. ThÐp ®îc hîp kim hãa b»ng c¸c nguyªn tè t¹o cacbit m¹nh vµ kh¸ m¹nh lµ Ti. V, Zr, Nb, W vµ Mo sÏ t¹o nªn c¸c cacbit hîp kim khã tan còng lµ lo¹i thÐp cã b¶n chÊt h¹t nhá. Hai nguyªn tè cr«m vµ mangan lµ 119
120 lo¹i t¹o cacbit yÕu: cr«m lµm c¶n trë h¹t ph¸t triÓn kh«ng m¹nh, cßn mangan vµ ph«tpho lµm h¹t ph¸t triÓn nhanh. Nh vËy c¸c thÐp cacbon (kh«ng hîp kim hãa) nhÊt lµ lo¹i kh«ng ®îc khö «xy tèt (thÐp s«i) thuéc lo¹i b¶n chÊt h¹t lín ë c¸c møc ®é kh¸c nhau. 4.2.2. C¸c chuyÓn biÕn x¶y ra khi gi÷ nhiÖt TiÕp theo nung nãng lµ giai ®o¹n gi÷ nhiÖt, tuy kh«ng x¶y ra c¸c chuyÓn biÕn míi song l¹i lµ cÇn thiÕt ®Ó: - Lµm ®Òu nhiÖt ®é trªn tiÕt diÖn, ®Ó cho lâi còng cã chuyÓn biÕn nh ë bÒ mÆt. - Cã ®ñ thêi gian ®Ó hoµn thµnh c¸c chuyÓn biÕn khi nung nãng. - Lµm ®ång ®Òu thµnh phÇn hãa häc cña austenit v× lóc ®Çu h¹t austenit cã thµnh phÇn kh«ng ®ång nhÊt: n¬i tríc lµ ferit sÏ nghÌo cacbon, n¬i tríc lµ xªmentit sÏ giµu cacbon. Trong giai ®o¹n nµy cacbon (vµ nguyªn tè hîp kim) sÏ san b»ng nång ®é. Thêi gian gi÷ nhiÖt chØ cÇn võa ®ñ, kh«ng nªn kÐo dµi qu¸ møc cÇn thiÕt sÏ lµm h¹t lín vµ ®îc chän phô thuéc vµo c¸c c«ng nghÖ nhiÖt luyÖn cô thÓ. C¸c c«ng nghÖ liªn quan ®Õn khuÕch t¸n nh hãa - nhiÖt luyÖn, ñ khuÕch t¸n thêi gian nµy dµi, t«i c¶m øng - ng¾n (thêng lµ kh«ng cã). Giai ®o¹n nung nãng ®Ó t¹o ra austenit trong qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn ®îc gäi lµ giai ®o¹n austenit hãa. 4.2.3. C¸c chuyÓn biÕn cña austenit khi lµm nguéi chËm Môc tiªu cña nung nãng vµ gi÷ nhiÖt lµ ®Ó t¹o nªn austenit h¹t nhá. B©y giê h∙y xÐt xem khi lµm nguéi, austenit sÏ chuyÓn biÕn thµnh tæ chøc nµo víi c¬ tÝnh ra sao, ®iÒu nµy quyÕt ®Þnh c¬ tÝnh cña thÐp khi lµm viÖc hay gia c«ng tiÕp theo: mÒm, cøng, bÒn, dÎo, dai ®Õn møc ®é nµo vµ rÊt kh¸c nhau ®îc quyÕt ®Þnh ë giai ®o¹n nµy. Ph©n thµnh hai trêng hîp lín ®Ó xÐt: nguéi chËm vµ nguéi nhanh. Tríc tiªn xÐt cho trêng hîp nguéi chËm. Tæ chøc t¹o thµnh khi lµm nguéi phô thuéc vµo nhiÒu yÕu tè nh: ®é qu¸ nguéi, thµnh phÇn, tæ chøc cña thÐp vv... vµ c¶ ph¬ng thøc lµm nguéi. Gièng nh khi nung nãng, ë ®©y tríc tiªn còng kh¶o s¸t lµm nguéi ®¼ng nhiÖt cho thÐp cïng tÝch (0,80%C) lµ lo¹i cã tæ chøc ®¬n gi¶n h¬n c¶ (tæ chøc ban ®Çu chØ lµ peclit). a. Gi¶n ®å chuyÓn biÕn ®¼ng nhiÖt cña austenit qu¸ nguéi (gi¶n ®å T - T - T) cña thÐp cïng tÝch Nh ®∙ biÕt tõ gi¶n ®å pha Fe - C, khi lµm nguéi, austenit chØ chuyÓn biÕn thµnh peclit ë 727oC (tøc ∆To = 0) khi lµm nguéi rÊt chËm, ®iÒu nµy kh«ng x¶y ra trong thùc tÕ. H∙y lµm quen víi mét d¹ng lµm nguéi Ýt gÆp trong thùc tÕ nhng l¹i rÊt tiÖn cho viÖc x¸c ®Þnh ¶nh hëng cña ®é qu¸ nguéi ®Õn chuyÓn biÕn, ®ã lµ c¸ch lµm nguéi ®¼ng nhiÖt: lµm nguéi nhanh austenit xuèng díi Ar1 (ë díi nhiÖt ®é nµy austenit trë nªn kh«ng æn ®Þnh, chØ tån t¹i t¹m thêi trong mét thêi gian råi sÏ bÞ chuyÓn biÕn), gi÷ nhiÖt ë ®ã råi ®o thêi gian b¾t ®Çu vµ kÕt thóc chuyÓn biÕn tõ austenit thµnh hçn hîp ferit - xªmentit (ngêi ta lµm nguéi ®¼ng nhiÖt b»ng c¸ch nhóng nh÷ng mÉu nhá, máng ®∙ austenit hãa vµo c¸c bÓ muèi ë c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau). 120
121 Gi¶n ®å T - T - T TiÕn hµnh nh trªn cho thÐp cïng tÝch (sau khi x¸c ®Þnh thêi gian b¾t ®Çu vµ kÕt thóc chuyÓn biÕn ë c¸c nhiÖt ®é, ®¸nh dÊu chóng trªn biÓu ®å hÖ trôc nhiÖt ®é - thêi gian, cuèi cïng nèi c¸c ®iÓm b¾t ®Çu víi nhau, c¸c ®iÓm kÕt thóc víi nhau) ta ®îc gi¶n ®å chuyÓn biÕn ®¼ng nhiÖt cña austenit qu¸ nguéi cho thÐp nµy nh biÓu diÔn ë h×nh 4.6. Gi¶n ®å cßn cã tªn ®¬n gi¶n vµ th«ng dông lµ gi¶n ®å T - T - T v× nã biÓu thÞ sù chuyÓn biÕn (transformation) cña austenit phô thuéc vµo nhiÖt ®é (temperature) vµ thêi gian (time). Gi¶n ®å cã hai ®êng cong h×nh ch÷ "C", trong ®ã ch÷ "C" ®Çu tiªn (bªn tr¸i) biÓu thÞ sù b¾t ®Çu, cßn ch÷ "C" thø hai biÓu thÞ sù kÕt thóc cña chuyÓn biÕn austenit thµnh hçn hîp cïng tÝch ferit - xªmentit (v× thÕ trong s¸ch kü thuËt cña Nga ngêi ta gäi nã lµ gi¶n ®å ch÷ "C"). §©y lµ gi¶n ®å rÊt quan träng ®èi víi nhiÖt luyÖn thÐp vµ ®îc sö dông rÊt nhiÒu ®Ó x¸c ®Þnh tæ chøc sau khi lµm nguéi austenit, cÇn n¾m v÷ng. H×nh 4.6. Gi¶n ®å T- T- T cña thÐp cïng tÝch. C¸c s¶n phÈm cña sù ph©n hãa ®¼ng nhiÖt cña austenit qu¸ nguéi Tõ gi¶n ®å T - T - T thÊy r»ng khi austenit bÞ nguéi (tøc thêi) xuèng díi 727oC nã cha chuyÓn biÕn ngay, ®iÒu ®ã cã nghÜa austenit cßn tån t¹i mét thêi gian nhÊt ®Þnh tríc khi chuyÓn biÕn, ph©n hãa vµ ®îc gäi lµ austenit qu¸ nguéi, kh«ng æn ®Þnh, kh¸c víi austenit tån t¹i ë trªn 727oC lµ lo¹i æn ®Þnh. Trªn gi¶n ®å cã n¨m khu vùc râ rÖt: - ë trªn 727oC lµ khu vùc tån t¹i cña austenit æn ®Þnh, - bªn tr¸i ch÷ "C" ®Çu tiªn - austenit qu¸ nguéi, 121
122 - gi÷a hai ch÷ "C" - austenit chuyÓn biÕn (tån t¹i c¶ ba pha γ, F vµ Xe), - bªn ph¶i ch÷ "C" thø hai - c¸c s¶n phÈm ph©n hãa ®¼ng nhiÖt cña austenit qu¸ nguéi lµ hçn hîp ferit - xªmentit víi møc ®é nhá mÞn kh¸c nhau, - díi ®êng Ms (~ 220 ÷ 240oC) - mactenxit + austenit d (sÏ nãi tíi vïng nµy ë môc 4.2.4). B©y giê h∙y xÐt xem lµm nguéi ®¼ng nhiÖt austenit víi c¸c møc ®é qu¸ nguéi kh¸c nhau sÏ ph©n hãa thµnh c¸c hçn hîp ferit - xªmentit víi c¸c ®Æc ®iÓm nh thÕ nµo. + Khi gi÷ austenit qu¸ nguéi ë s¸t A1 (trªn díi 700oC, ∆T0 nhá, kho¶ng 25oC), sau thêi gian dµi (~ 100s) nã míi b¾t ®Çu ph©n hãa vµ tiÕp theo (sau ~ 2000s) nã míi kÕt thóc chuyÓn biÕn. Hçn hîp ferit - xªmentit tÊm t¹o thµnh rÊt th« to víi kho¶ng c¸ch d gi÷a c¸c tÊm vµo kho¶ng 10-3 mm (cì micr«met) ®îc gäi lµ peclit (tÊm) víi ®é cøng thÊp nhÊt, HRC 10 ÷ 15 (HB 180 ÷ 220). + Khi gi÷ austenit qu¸ nguéi ë nhiÖt ®é thÊp h¬n (trªn díi 650oC, ∆T0 lín h¬n, kho¶ng 75oC), nã sÏ b¾t ®Çu vµ kÕt thóc ph©n hãa sau thêi gian ng¾n h¬n râ rÖt (sau gÇn 3 vµ 100s). Hçn hîp ferit - xªmentit tÊm t¹o thµnh sÏ mÞn (nhá) h¬n ®Õn møc kh«ng thÓ ph©n biÖt ®îc chóng trªn kÝnh hiÓn vi quang häc (kho¶ng c¸ch d kho¶ng 0,25 ÷ 0,30µm). Tæ chøc nµy ®îc gäi lµ xoocbit (hay xoocbit t«i) víi ®é cøng cao h¬n, cì HRC 25 ÷ 35. + Khi gi÷ austenit qu¸ nguéi ë nhiÖt ®é thÊp h¬n n÷a, øng víi ®Ønh låi ch÷ “C“ (tøc lóc austenit qu¸ nguéi kÐm æn ®Þnh nhÊt, kho¶ng 500 ÷ 600oC), nã sÏ chuyÓn biÕn rÊt nhanh (sau kho¶ng 0,5 ÷ 0,8 vµ 8s). Hçn hîp ferit - xªmentit tÊm t¹o thµnh sÏ cßn nhá mÞn h¬n n÷a, cµng kh«ng thÓ ph©n biÖt ®îc díi kÝnh hiÓn vi quang häc (kho¶ng c¸ch d vµo kho¶ng 0,10 ÷ 0,15µm). Tæ chøc nµy ®îc gäi lµ tr«xtit (hay tr«xtit t«i) víi ®é cøng cao h¬n n÷a, cì HRC 40. Ngêi ta gäi ba chuyÓn biÕn trªn ®Òu lµ chuyÓn biÕn peclit, cßn xoocbit, tr«xtit ®îc coi lµ c¸c d¹ng ph©n t¸n cña peclit. + Khi gi÷ austenit qu¸ nguéi ë nhiÖt ®é thÊp h¬n n÷a, øng víi ®o¹n díi cña ch÷ "C", kho¶ng 450 ÷ 250oC, thêi gian chuyÓn biÕn l¹i kÐo dµi ra, c¬ chÕ chuyÓn biÕn cã thay ®æi chót Ýt, t¹o nªn tæ chøc gäi lµ bainit. Mét c¸ch gÇn ®óng cã thÓ coi bainit còng lµ hçn hîp ferit - xªmentit ë d¹ng tÊm nh trªn song cßn mÞn h¬n n÷a (h¬n c¶ tr«xtit) víi ®é cøng cao h¬n, cì HRC 50 ÷ 55, song cã ®iÓm h¬i kh¸c nhau (nhiÒu khi cã thÓ bá qua) nh sau: • ferit h¬i qu¸ b∙o hßa cacbon (0,10% so víi giíi h¹n b∙o hßa lµ 0,006 ÷ 0,02%), • cacbit s¾t ë ®©y cã c«ng thøc cha h¼n lµ Fe3C song kh¸ gÇn lµ FexC víi x = 2,4 ÷ 3,0, • ngoµi hai pha ®ã ra cßn mét lîng nhá austenit (d). Nh thÊy râ vÒ sau, c¸c ®Æc ®iÓm nµy h¬i gièng víi chuyÓn biÕn mactenxit nªn cßn gäi chuyÓn biÕn bainit lµ chuyÓn biÕn trung gian (víi nghÜa trung gian gi÷a chuyÓn biÕn peclit vµ chuyÓn biÕn mactenxit). VËy vÒ c¬ b¶n cã thÓ coi peclit (tÊm), xoocbit, tr«xtit vµ c¶ bainit cã b¶n chÊt gièng nhau lµ hçn hîp c¬ häc cïng tÝch cña ferit vµ xªmentit tÊm song trong ®ã theo thø tù tÊm cµng nhá mÞn h¬n vµ ®é cøng cµng cao h¬n. Cã thÓ gi¶i thÝch ®iÒu ®ã nh sau. Gièng nh qu¸ tr×nh kÕt tinh, khi t¨ng ®é qu¸ nguéi cña chuyÓn biÕn, sè mÇm kÕt tinh t¨ng lªn do ®ã xªmentit (cacbit) nhá 122
123 mÞn ®i. MÆc dï lîng xªmentit kh«ng thay ®æi (cïng cã 0,80%C víi 12%Xe + 88%F), nhng khi kÝch thíc xªmentit nhá ®i tøc lµ sè c¸c phÇn tö r¾n nµy t¨ng lªn sÏ lµm t¨ng sù c¶n trît ®èi víi ferit, n©ng cao ®é cøng, ®é bÒn. Nh vËy sau khi lµm nguéi ®¼ng nhiÖt austenit, tæ chøc nµo t¹o thµnh lµ øng víi nhiÖt ®é gi÷ ®¼ng nhiÖt ®ã n»m ë nh¸nh nµo cña ch÷ "C": + khi ë nh¸nh trªn s¸t A1 ®îc peclit, + khi ë ®o¹n øng víi phÇn låi ®îc tr«xtit, + khi ë gi÷a hai møc trªn ®îc xoocbit, + khi ë nh¸nh díi ®îc bainit. Sau khi lµm nguéi ®¼ng nhiÖt tæ chøc nhËn ®îc lµ ®ång nhÊt trªn tiÕt diÖn. b. Sù ph©n hãa cña austenit khi lµm nguéi liªn tôc Trong thùc tÕ thêng dïng c¸ch lµm nguéi liªn tôc. Còng cã thÓ x©y dùng gi¶n ®å chuyÓn biÕn cña austenit khi lµm nguéi liªn tôc víi c¸c tèc ®é nhanh chËm kh¸c nhau, víi mçi tèc ®é nguéi x¸c ®Þnh c¸c nhiÖt ®é t¹i ®ã austenit qu¸ nguéi b¾t ®Çu vµ kÕt thóc ph©n hãa ra hçn hîp ferit - xªmentit, råi nèi c¸c ®iÓm t¬ng ®«ng víi nhau l¹i nh biÓu diÔn ë h×nh 4.7. X©y dùng c¸c thÝ nghiÖm nh vËy kh¸ phøc t¹p vµ khã ®¹t ®îc møc ®é chÝnh x¸c cÇn thiÕt. Song ®Ó ®¬n gi¶n cã thÓ lîi dông gi¶n ®å chuyÓn biÕn ®¼ng nhiÖt (h×nh 4.6) kÓ trªn ®Ó x¸c ®Þnh tæ chøc t¹o thµnh khi lµm nguéi víi tèc ®é kh¸c nhau, nh biÓu diÔn ë h×nh 4.8. H×nh 4.7. C¸c ®êng b¾t ®Çu vµ kÕt thóc chuyÓn biÕn austenit thµnh ferit - xªmentit th« vµ mÞn t¬ng øng víi c¸c tèc ®é lµm nguéi chËm (35 oC/s) vµ nhanh (140oC/s) ®èi víi thÐp cïng tÝch. §Æc ®iÓm cña sù ph©n hãa austenit khi lµm nguéi liªn tôc lµ: 1) Víi c¸c tèc ®é nguéi kh¸c nhau, austenit bÞ qu¸ nguéi ®Õn c¸c nhiÖt ®é 123
124 kh¸c nhau (tÝnh tíi ®iÓm gÆp c¸c ®êng cong ch÷ "C") vµ ph©n hãa thµnh c¸c tæ chøc t¬ng øng víi c¸c nhiÖt ®é ®ã. Lµm nguéi chËm cïng lß biÓu thÞ b»ng vect¬ V1 trªn h×nh 4.8, nã c¾t c¸c ®êng cong ch÷ "C" ë s¸t A1: austenit qu¸ nguéi ph©n hãa ë nhiÖt ®é cao ®îc peclit tÊm víi ®é cøng thÊp nhÊt. Lµm nguéi trong kh«ng khÝ tÜnh biÓu thÞ b»ng vect¬ V2, nã c¾t c¸c ®êng cong ch÷ "C" ë phÇn gi÷a cña nh¸nh trªn: austenit qu¸ nguéi ph©n hãa thµnh xoocbit. Lµm nguéi trong kh«ng khÝ nÐn biÓu thÞ b»ng vect¬ V3, nã c¾t c¸c ®êng cong ch÷ "C" ë phÇn låi: austenit qu¸ nguéi ph©n hãa thµnh tr«xtit. Lµm nguéi trong dÇu biÓu thÞ b»ng vect¬ V4, nã chØ c¾t phÇn låi cña ®êng cong ch÷ "C" thø nhÊt, austenit qu¸ nguéi chØ chuyÓn biÕn mét phÇn thµnh tr«xtit vµ phÇn cßn l¹i sÏ chuyÓn biÕn thµnh mactenxit, cuèi cïng cã tæ chøc tr«xtit + mactenxit (hay cßn gäi lµ b¸n mactenxit). Lµm nguéi trong níc l¹nh biÓu thÞ b»ng vect¬ V5, nã kh«ng c¾t ®êng cong ch÷ "C" nµo, tøc austenit kh«ng chuyÓn biÕn chót nµo thµnh hçn hîp ferit - xªmentit, phÇn lín austenit qu¸ nguéi chuyÓn thµnh mactenxit. Nh vËy, khi lµm nguéi liªn tôc t¹o thµnh tæ chøc nµo lµ hoµn toµn tïy thuéc vµo vÞ trÝ cña vect¬ biÓu thÞ tèc ®é nguéi trªn ®êng cong ch÷ "C". H×nh 4.8. Gi¶n ®å T - T - T cña thÐp cïng tÝch vµ c¸c vect¬ biÓu thÞ tèc ®é nguéi V1 < V2 < V3 < V4 < V5. 2) Tæ chøc ®¹t ®îc thêng lµ kh«ng ®ång nhÊt trªn toµn tiÕt diÖn nhÊt lµ trong trêng hîp tiÕt diÖn lín. Do ë ngoµi bao giê còng bÞ nguéi nhanh h¬n trong lâi nªn thêng cã tæ chøc víi ®é cøng cao h¬n. 3) Kh«ng ®¹t ®îc tæ chøc hoµn toµn bainit (vÒ mÆt h×nh häc cã thÓ dÔ dµng thÊy ®iÒu nµy tõ d¹ng cña ch÷ "C"), trong mét sè trêng hîp cã thÓ ®¹t ®îc tæ chøc nµy cïng víi tr«xtit vµ mactenxit. ChØ ®¹t ®îc hoµn toµn bainit b»ng c¸ch lµm nguéi ®¼ng nhiÖt nh ®∙ tr×nh bµy. 4) Nh÷ng ®iÒu trªn chØ ®óng víi thÐp cacbon. Víi thÐp hîp kim vÞ trÝ cña c¸c ®êng cong ch÷ "C" dÞch sang ph¶i víi c¸c møc ®é kh¸c nhau nªn cã thÓ c¸c ®Æc ®iÓm trªn kh«ng cßn phï hîp hay kh«ng hoµn toµn phï hîp: + Tèc ®é nguéi cÇn thiÕt ®Ó ®¹t ®îc c¸c tæ chøc trªn sÏ gi¶m ®i mét c¸ch t¬ng øng. VÝ dô khi lµm nguéi cïng lß (V1) còng cã thÓ ®¹t ®îc xoocbit, tr«xtit; víi mét sè lo¹i thÐp hîp kim cao khi lµm nguéi trong kh«ng khÝ (V2, V3) còng cã thÓ ®¹t tæ chøc mactenxit. + Sù kh«ng ®ång nhÊt vÒ tæ chøc trªn tiÕt diÖn gi¶m ®i thËm chÝ cã thÓ ®¹t ®îc ®ång nhÊt ngay víi tiÕt diÖn lín. 124
125 c. Gi¶n ®å T - T - T cña c¸c thÐp kh¸c cïng tÝch C¨n cø chñ yÕu ®Çu tiªn ®Ó xÐt tæ chøc t¹o thµnh khi lµm nguéi thÐp nµo ®ã lµ gi¶n ®å T - T - T cña chÝnh thÐp ®ã. Ta míi nãi ®Õn thÐp cïng tÝch song phÇn lín c¸c thÐp dïng lµ tríc cïng tÝch vµ Ýt h¬n lµ sau cïng tÝch th× nh thÕ nµo? C¸c thÐp tríc vµ sau cïng tÝch còng cã d¹ng cña gi¶n ®å T - T - T nh thÐp cïng tÝch song cã phÇn phøc t¹p h¬n, tøc còng cã d¹ng cña hai ch÷ “C“ nhng cã thªm nh¸nh phô ë phÝa trªn, bªn tr¸i cña ch÷ "C" thø nhÊt (h×nh 4.9) ®Ó biÓu thÞ sù tiÕt ra ferit hoÆc xªmentit II (tïy thuéc vµo lµ thÐp tríc hay sau cïng tÝch) tríc khi ph©n hãa thµnh hçn hîp ferit - xªmentit vµ mét ®êng ngang A3 hay Acm. Ta chó ý tíi ba ®Æc ®iÓm kh¸c biÖt sau ®©y. 1) VÞ trÝ cña c¸c ®êng cong (ch÷ "C" vµ nh¸nh phô) dÞch sang tr¸i mét chót, cµng xa cïng tÝch sù lÖch nµy cµng nhiÒu. Nãi kh¸c ®i c¸c thÐp cµng kh¸c cïng tÝch cã tÝnh æn ®Þnh cña austenit qu¸ nguéi kÐm h¬n thÐp cïng tÝch ®«i chót. §iÒu ®ã gi¶i thÝch b»ng sù khã ®¹t ®îc austenit ®ång nhÊt khi nung nãng. H×nh 4.9. H×nh d¹ng tæng qu¸t cña gi¶n ®å T -T - T cña thÐp kh¸c cïng tÝch. 2) Khi lµm nguéi ®¼ng nhiÖt víi ®é qu¸ nguéi nhá (®êng 1 h×nh 4.10) hay lµm nguéi chËm liªn tôc (®êng 2), tho¹t tiªn austenit qu¸ nguéi sÏ tiÕt ra ferit (®èi víi thÐp tríc cïng tÝch) vµ xªmentit II (®èi víi thÐp sau cïng tÝch) tríc (khi vect¬ nguéi gÆp nh¸nh phô), sau ®ã míi ph©n hãa ra hçn hîp ferit - xªmentit. Trong trêng hîp nµy tæ chøc ®¹t ®îc sau khi nguéi: H×nh 4.10. Sù tiÕt ra ferit hay xªmentit II khi lµm nguéi ®¼ng nhiÖt víi ®é qu¸ nguéi nhá (1) vµ chËm liªn tôc (2). 125
126 + ®èi víi thÐp tríc cïng tÝch lµ F + P (®«i khi F + xoocbit), + ®èi víi thÐp sau cïng tÝch lµ P + XeII (®«i khi xoocbit + XeII). 3) Khi lµm nguéi ®¼ng nhiÖt víi ®é qu¸ nguéi ®ñ lín hay lµm nguéi (liªn tôc) ®ñ nhanh ®Ó vect¬ biÓu diÔn qu¸ tr×nh nguéi cña chóng kh«ng gÆp nh¸nh phô, austenit qu¸ nguéi ph©n hãa ngay ra hçn hîp ferit - xªmentit díi d¹ng xoocbit, tr«xtit, bainit (riªng bainit chØ khi lµm nguéi ®¼ng nhiÖt). §¬ng nhiªn c¸c tæ chøc kh«ng cã thµnh phÇn ®óng 0,80%C nh trong thÐp cïng tÝch vµ chóng ®îc gäi lµ cïng tÝch gi¶. §èi víi thÐp hîp kim ngoµi ¶nh hëng cña cacbon nh trªn gi¶n ®å cßn chÞu ¶nh hëng m¹nh cña c¸c nguyªn tè hîp kim, díi t¸c dông nµy c¸c ®êng cong ch÷ "C" dÞch rÊt m¹nh sang ph¶i, lµm t¨ng tÝnh æn ®Þnh cña austenit qu¸ nguéi (tØ mØ ®îc tr×nh bµy ë ch¬ng sau, môc 5.1.2d). 4.2.4. ChuyÓn biÕn cña austenit khi lµm nguéi nhanh - ChuyÓn biÕn mactenxit (khi t«i) NÕu lµm nguéi nhanh austenit víi tèc ®é thÝch hîp sao cho vect¬ biÓu diÔn qu¸ tr×nh nguéi cña nã kh«ng c¾t ®êng cong ch÷ "C", th× nã kh«ng kÞp chuyÓn biÕn thµnh hçn hîp ferit - xªmentit, mµ chØ cã chuyÓn biÕn thï h×nh (chuyÓn kiÓu m¹ng tinh thÓ) cña s¾t tõ Feγ sang Feα (tøc kh«ng cã sù tËp trung cña cacbon ®Ó t¹o nªn xªmentit Fe3C) x¶y ra ë nhiÖt ®é thÊp (tõ 250 ÷ 220oC trë xuèng). §ã lµ thùc chÊt cña chuyÓn biÕn khi lµm nguéi nhanh austenit → mactenxit, x¶y ra khi t«i. H×nh 4.11. Gi¶n ®å T - T - T vµ tèc ®é t«i tíi h¹n Vth (tm vµ 0 Tm - thêi gian vµ nhiÖt ®é øng víi austenit kÐm æn ®Þnh nhÊt). tm Tèc ®é lµm nguéi nhá nhÊt ®Ó g©y ra chuyÓn biÕn nµy lµ tèc ®é øng víi vect¬ tiÕp xóc víi ®êng "C" thø nhÊt ë phÇn låi, ®îc gäi lµ tèc ®é t«i tíi h¹n (hay cßn gäi lµ tèc ®é lµm nguéi tíi h¹n) Vth (h×nh 4.11). VËy khi lµm nguéi nhanh liªn tôc austenit (víi tèc ®é b»ng hay vît qu¸ tèc ®é t«i tíi h¹n) sÏ nhËn ®îc mactenxit. §©y lµ tæ chøc ®Æc trng cña qu¸ tr×nh lµm nguéi nhanh liªn tôc (t«i). Tríc tiªn h∙y xÐt b¶n chÊt cña mactenxit. a. B¶n chÊt cña mactenxit Mactenxit lµ dung dÞch r¾n xen kÏ qu¸ b∙o hßa cña cacbon trong Feα víi 126
127 nång ®é cacbon nh cña austenit, cã kiÓu m¹ng chÝnh ph¬ng t©m khèi vµ cã ®é cøng cao. Cã thÓ gi¶i thÝch lÇn lît c¸c ®Æc tÝnh trªn cña mactenxit nh sau. - Do lµm nguéi nhanh, cacbon trong Feγ (austenit) kh«ng kÞp tiÕt ra (®Ó t¹o thµnh xªmentit), khi ®¹t ®Õn nhiÖt ®é t¬ng ®èi thÊp chØ x¶y ra qu¸ tr×nh chuyÓn m¹ng cña Feγ (t©m mÆt) sang Feα (t©m khèi): (austenit) Feγ (C) → Feα (C) (mactenxit) v× thÕ nång ®é cacbon trong hai pha nµy lu«n lu«n b»ng nhau. - Víi nång ®é cacbon th«ng thêng (vÝ dô 0,80%) trong Feγ sÏ lµ qu¸ b∙o hßa ë trong Feα v× ®é hßa tan cacbon trong d¹ng thï h×nh nµy rÊt thÊp (0,006 ÷ 0,02%). - Nguyªn tö cacbon hßa tan trong Feα b»ng c¸ch xen kÏ vµo c¸c lç hæng cña m¹ng nµy. Qua nghiªn cøu thÊy r»ng nguyªn tö cacbon sÏ n»m ë trong lç hæng t¸m mÆt tøc lµ ë gi÷a c¸c mÆt bªn hay ë gi÷a c¸c c¹nh cña « c¬ së (h×nh 4.12). Nh thÊy râ lç hæng nµy lµ kh«ng ®èi xøng nªn qu¶ cÇu cacbon mét khi lät vµo sÏ lµm gi∙n c¸c nguyªn tö Fe ra xa kh«ng ®Òu, kÐo dµi mét c¹nh ra m¹nh h¬n so víi hai c¹nh kia, lµm cho m¹ng tõ lËp ph¬ng t©m khèi (cña Feα) chuyÓn sang chÝnh ph¬ng t©m khèi. Tû sè c/a ®îc gäi lµ ®é chÝnh ph¬ng cña mactenxit, cã gi¸ trÞ thay ®æi trong kho¶ng 1,001 ÷ 1,06 (cÇn chó ý r»ng ®©y chØ lµ tû lÖ trung b×nh cho c¸c « c¬ së, v× cacbon kh«ng thÓ ®i vµo tÊt c¶ mäi lç hæng cña austenit còng nh mactenxit, xem l¹i môc 3.1.2c vµ 1.4.1a). H×nh 4.12. « c¬ së cña m¹ng tinh thÓ mactenxit. - Nguyªn tö cacbon chui vµo lç hæng cña Feα lµm cho m¹ng tinh thÓ cña s¾t bÞ x« lÖch, trë nªn khã biÕn d¹ng dÎo vµ do ®ã cã ®é cøng cao nhÊt (cao h¬n c¶ bainit, tr«xtit..., chóng chØ lµ hçn hîp ferit - xªmentit, trong ®ã ferit dÎo, vÉn cã thÓ biÕn d¹ng dÎo ®îc). 127
128 b. C¸c ®Æc ®iÓm cña chuyÓn biÕn mactenxit Kh¸c víi chuyÓn biÕn peclit, chuyÓn biÕn mactenxit cã nh÷ng ®Æc ®iÓm sau. 1) ChØ x¶y ra khi lµm nguéi nhanh vµ liªn tôc austenit víi tèc ®é lín h¬n hay b»ng tèc ®é t«i tíi h¹n Vth. ChuyÓn biÕn mactenxit kh«ng x¶y ra khi lµm nguéi ®¼ng nhiÖt. 2) ChuyÓn biÕn lµ kh«ng khuÕch t¸n: cacbon hÇu nh gi÷ nguyªn vÞ trÝ, cßn s¾t chuyÓn dêi vÞ trÝ ®Ó t¹o kiÓu m¹ng míi lµ lËp ph¬ng t©m khèi, nhng sù chuyÓn dêi nµy kh«ng vît qu¸ mét th«ng sè m¹ng. Gi÷a m¹ng cña austenit (A1) vµ mactenxit (gÇn nh A2) cã mèi quan hÖ ®Þnh híng x¸c ®Þnh sao cho c¸c mÆt vµ ph¬ng dµy ®Æc nhÊt cña chóng song song víi nhau. 3) Lµ qu¸ tr×nh t¹o ra kh«ng ngõng c¸c tinh thÓ míi víi tèc ®é ph¸t triÓn rÊt lín, tíi hµng ngh×n m/s. Tinh thÓ mactenxit cã d¹ng h×nh kim, ®Çu nhän lµm víi nhau c¸c gãc 60 hay 120o. 4) ChØ x¶y ra trong kho¶ng gi÷a hai nhiÖt ®é (®iÓm) b¾t ®Çu Ms vµ kÕt thóc Mf (víi c¸c nghÜa s - start - b¾t ®Çu, f - finish kÕt thóc). Ngoµi kho¶ng ®ã austenit qu¸ nguéi kh«ng chuyÓn biÕn thµnh mactenxit. VÞ trÝ cña hai ®iÓm nµy kh«ng phô thuéc vµo tèc ®é nguéi mµ chØ phô thuéc vµo thµnh phÇn cacbon vµ hîp kim cña austenit (mµ kh«ng ph¶i lóc nµo còng ®ång nghÜa víi thµnh phÇn cacbon cña thÐp) [trong trêng hîp ë tr¹ng th¸i nung nãng thÐp cã tæ chøc nhiÒu pha (vÝ dô austenit vµ cacbit), râ rµng lµ thµnh phÇn austenit kh¸c víi thµnh phÇn thÐp, chØ khi nung nãng tíi tr¹ng th¸i hoµn toµn austenit th× thµnh phÇn pha nµy míi trïng víi thµnh phÇn cña thÐp]. Nãi chung austenit cµng nhiÒu cacbon vµ nguyªn tè hîp kim (trõ Si, Co vµ Al), c¸c ®iÓm nµy cµng thÊp. Mét sè thÐp chøa cacbon vµ nguyªn tè hîp kim cao cã hai ®iÓm nµy kh¸ thÊp. 5) ChuyÓn biÕn x¶y ra kh«ng hoµn toµn. Thùc nghiÖm cho thÊy khi lµm nguéi cµng gÇn tíi ®iÓm Mf, lîng mactenxit t¹o thµnh cµng nhiÒu song kh«ng bao giê ®¹t ®îc tû lÖ 100% mactenxit, mµ vÉn cßn l¹i mét lîng nhÊt ®Þnh pha ban ®Çu (austenit) kh«ng thÓ chuyÓn biÕn, ®îc gäi lµ austenit d. H×nh 4.13. §êng cong ®éng häc chuyÓn biÕn mactenxit. §êng cong ®éng häc chuyÓn biÕn mactenxit trªn h×nh 4.13 cho biÕt lîng còng nh tèc ®é t¹o thµnh mactenxit khi gi¶m nhiÖt ®é. Qua ®ã cã thÓ thÊy r»ng khi ®iÓm Mf < nhiÖt ®é thêng (~20oC) - ®iÒu nµy thêng x¶y ra v× Mf cña c¸c thÐp ®Òu ë nhiÖt ®é ©m - b»ng c¸ch lµm nguéi th«ng thêng kh«ng thÓ ®¹t ®îc lîng 128
129 mactenxit tèi ®a, ®Æc biÖt khi Mf qu¸ thÊp (vÝ dô -100oC) lîng austenit cã thÓ kh¸ cao (20 ÷ 30%) ¶nh hëng m¹nh ®Õn ®é cøng. Nguyªn nh©n tån t¹i austenit d cïng víi mactenxit lµ do sù kh¸c nhau vÒ thÓ tÝch riªng cña hai pha nµy: VM > Vγ (v× mactenxit lµ Feα(C), Feα cã mËt ®é thÓ tÝch thÊp h¬n Feγ nªn sÏ cã thÓ tÝch riªng lín h¬n), v× thÕ khi chuyÓn biÕn austenit → mactenxit thÓ tÝch sÏ t¨ng lªn, do vËy phÇn austenit cha chuyÓn biÕn bÞ søc Ðp ngµy mét t¨ng ®Õn møc kh«ng thÓ chuyÓn biÕn hÕt ®îc. Lîng austenit d tån t¹i trong thÐp t«i phô thuéc vµo c¸c yÕu tè sau: + VÞ trÝ cña ®iÓm Mf: ®iÓm Mf cµng thÊp díi 20oC lîng austenit d cµng nhiÒu. §©y lµ yÕu tè quan träng nhÊt. C¸c nh©n tè lµm gi¶m ®iÓm Mf nh t¨ng lîng nguyªn tè hîp kim trong austenit, còng ®Òu lµm t¨ng lîng austenit d cña thÐp t«i. + Lîng cacbon trong mactenxit cµng nhiÒu thÓ tÝch riªng cña nã cµng lín (do sù t¨ng cña ®é chÝnh ph¬ng c/a) lµm lîng austenit d cµng nhiÒu. c. C¬ tÝnh cña mactenxit Mactenxit lµ tæ chøc quan träng nhÊt ®îc t¹o thµnh khi t«i thÐp, quyÕt ®Þnh c¬ tÝnh cña thÐp t«i. C¬ tÝnh næi bËt cña nã lµ cøng vµ gißn. §é cøng §é cøng cao cña mactenxit lµ do cacbon hßa tan xen kÏ lµm x« lÖch m¹ng tinh thÓ cña s¾t, nªn nã chØ phô thuéc nång ®é cacbon qu¸ b∙o hßa trong nã: ®¹i lîng nµy cµng cao, x« lÖch m¹ng cµng m¹nh (tû sè c/a cµng lín), ®é cøng cµng cao (h×nh 4.14). Nh thÕ: - mactenxit chøa Ýt cacbon, ≤ 0,25%, ®é cøng kh«ng cao chØ kho¶ng ≤ HRC 40, - mactenxit chøa cacbon trung b×nh, 0,40 ÷ 0,50%, ®é cøng t¬ng ®èi cao, HRC ≥ 50, - mactenxit chøa cacbon cao, ≥ 0,60%, ®é cøng cao, HRC ≥ 60. ë ®©y cÇn ph©n biÖt ®é cøng cña pha mactenxit vµ ®é cøng cña thÐp t«i v× hai ®¹i lîng nµy kh«ng ph¶i lóc nµo còng ®ång nhÊt víi nhau. Thùc ra ®é cøng cña thÐp t«i bao giê còng lµ ®é cøng tæng hîp cña hçn hîp mactenxit + austenit d, ®«i khi c¶ cacbit (xªmentit II) n÷a vµ tu©n theo quy luËt kÕt hîp hay trung b×nh céng nh ®∙ tr×nh bµy ë môc 3.2.8b. Nh ®∙ biÕt austenit cã ®é cøng thÊp, nÕu nã tån t¹i víi tû lÖ ®¸ng kÓ (> 10%) lµm ®é cøng cña thÐp t«i nhá h¬n ®é cøng cña pha mactenxit tøc cha ®¹t ®Õn gi¸ trÞ cao nhÊt, cßn víi tû lÖ kh«ng ®¸ng kÓ (vµi %) th× ®é cøng cña thÐp t«i chÝnh lµ ®é cøng cña mactenxit tøc ®¹t ®îc gi¸ trÞ cao nhÊt. Víi thÐp cacbon thÊp vµ trung b×nh, do ®iÓm Mf cao, thÓ tÝch riªng cña mactenxit cha lín, austenit d thÊp, kh«ng ¶nh hëng ®Õn ®é cøng cña thÐp t«i. ChØ víi thÐp cacbon cao vµ hîp kim cao lµm t¨ng thÓ tÝch riªng cña mactenxit vµ h¹ thÊp m¹nh Mf míi lµm t¨ng m¹nh lîng austenit d, ¶nh hëng ®Õn ®é cøng cña thÐp t«i (h¹ thÊp tõ vµi, ba ®Õn 10 ®¬n vÞ HRC so víi khi kh«ng cã austenit d). §é cøng cao dÉn ®Õn n©ng cao tÝnh chèng mµi mßn lµ u ®iÓm cña pha mactenxit, song cÇn nhí lµ u ®iÓm nµy chØ ph¸t huy ®îc ë nh÷ng thÐp cã ≥ 0,40%C. TÝnh gißn Tr¸i l¹i, tÝnh gißn lµ nhîc ®iÓm cña mactenxit v× khi tÝnh gißn cao hoÆc 129
130 qu¸ cao lµm h¹n chÕ sö dông thËm chÝ kh«ng thÓ dïng ®îc. Mactenxit gißn còng lµ do x« lÖch m¹ng nh nguyªn nh©n g©y ra ®é cøng, ngoµi ra cßn do tån t¹i øng suÊt d (hay øng suÊt bªn trong) trong nã. Thêng lµ ®é cøng cµng cao tÝnh gißn còng cµng cao, song ngoµi ra tÝnh gißn còng cã thÓ biÕn ®éng trong ph¹m vi kh¸ réng phô thuéc vµo c¸c yÕu tè sau ®©y: H×nh 4.14. Sù phô thuéc cña ®é chÝnh ph¬ng c/a (a) vµ ®é cøng mactenxit (b) vµo nång ®é cacbon trong nã + Kim mactenxit cµng nhá tÝnh gißn cµng thÊp, muèn ®¹t ®îc ®iÒu nµy h¹t austenit khi nung nãng ph¶i nhá. + øng suÊt bªn trong cµng nhá tÝnh gißn cµng thÊp. Do vËy ®Ó võa b¶o ®¶m ®îc hai tÝnh chÊt ®èi lËp nhau lµ ®é cøng cao vµ tÝnh gißn thÊp ë c¸c thÐp kÕt cÊu vµ dông cô ngêi ta ph¶i sö dông c¸c thÐp b¶n chÊt h¹t nhá, khèng chÕ ®óng nhiÖt ®é t«i vµ dïng c¸c ph¬ng ph¸p t«i thÝch hîp ®Ó gi¶m øng suÊt bªn trong nh t«i ph©n cÊp, ®¼ng nhiÖt vµ ram ngay tiÕp theo. 4.2.5. ChuyÓn biÕn khi nung nãng thÐp ®· t«i (khi ram) Sau khi t«i ®¹t ®îc mactenxit vµ mét lîng nhÊt ®Þnh austenit d, thÐp cã ®é cøng cao song víi tÝnh gißn lín, tån t¹i øng suÊt bªn trong, tæ chøc kh«ng æn ®Þnh cha phï hîp víi ®iÒu kiÖn lµm viÖc, cÇn ph¶i cã thªm sau ®ã mét nguyªn c«ng chØnh - nung nãng l¹i, ®îc gäi lµ ram. a. TÝnh kh«ng æn ®Þnh cña mactenxit vµ austenit Theo gi¶n ®å pha Fe - C, tõ nhiÖt ®é thêng ®Õn 727oC tæ chøc æn ®Þnh cña thÐp lµ hçn hîp ferit - xªmentit tøc peclit. Do vËy hai pha mactenxit vµ austenit d ®Òu lµ c¸c pha kh«ng æn ®Þnh, cã khuynh híng chuyÓn biÕn thµnh hçn hîp trªn. Nh ®∙ biÕt, mactenxit kh«ng æn ®Þnh lµ do qu¸ b∙o hßa cacbon, lîng cacbon thõa sÏ tiÕt ra ë d¹ng xªmentit vµ phÇn cßn l¹i mÊt hÕt cacbon trë thµnh ferit: Feα(C) → Fe3C + Feα cßn austenit, nã kh«ng tån t¹i æn ®Þnh díi 727oC vµ còng cã khuynh híng chuyÓn biÕn thµnh hçn hîp ferit - xªmentit: Feγ(C) → Fe3C + Feα CÇn chó ý: - Mactenxit vµ austenit cã khuynh híng biÕn thµnh hçn hîp ferit - xªmentit, song ë nhiÖt ®é thêng chuyÓn biÕn nµy x¶y ra rÊt chËm ®Õn møc khã nhËn thÊy, v× thÕ trong thùc tÕ ta ph¶i nung nãng ®Ó thóc ®Èy qu¸ tr×nh chuyÓn 130