CHƯƠNG 5: CÁC CHUYỂN BI ẾN PHA KHI NHI ỆT LUY ỆN 5.1. KHÁI NIỆM VỀ NHI ỆT LUY ỆN 5.1. 5. 1.1. 1. Đị nh ngh nghĩa ĩa a, Đị nh ngh nghĩa - Nhiệt luyện là phương pháp công ngh ệ nung nóng kim lo ại và hợp kim đến nhiệt độ xác định, gi ữ nhi ệt m ột th ời gian c ần thi ết rồi làm nguội với tốc độ thích hợp đ ể làm thay đ ổi các t ổ ch ức bên trong và làm thay đ ổi tính ch ất c ủa chúng theo ý mu ốn.
b, Đặc điể m + Kim loại và hợp kim luôn luôn
ở tr ạng thái r ắn, hình dạng và kích thước c ủa chi ti ết không thay đ ổi; + Nhiệt luyện chỉ làm thay đổi t ổ chức bên trong c ủa kim loại và hợp kim.
5.1. 5. 1.1. 1. Đị nh ng nghĩ hĩa a c, Phân loại các phương pháp nhiệt luyện
* Nhiệt luyện -
Ủ: là phương pháp nung nóng chi ti ết đ ến nhi ệt đ ộ xác
đ ịnh, gi ữ nhi ệt r ồi làm ngu ội ch ậm đ ể đ ạt đ ược t ổ ch ức cân bằng với độ cứng, độ bền th ấp nh ất . - Thường hoá: là phương pháp nung nóng chi ti ết d ến tr ạng thái thái hoàn oàn toàn toàn là Aust Austen enit it giữ nhi nhi ệt và làm làm ngu ngu ội tro trong khôn không g khí khí tĩnh để đạt tổ chức gần cân b ằng . ⇒ Mục
đích của
ủ và thường hoá là làm m ềm thép đ ể d ễ gia công cắt gọt và dập ngu ội.
5.1. 5. 1.1. 1. Đị nh ng nghĩ hĩa a c, Phân loại các phương pháp nhiệt luyện
* Nhiệt luyện -
Ủ: là phương pháp nung nóng chi ti ết đ ến nhi ệt đ ộ xác
đ ịnh, gi ữ nhi ệt r ồi làm ngu ội ch ậm đ ể đ ạt đ ược t ổ ch ức cân bằng với độ cứng, độ bền th ấp nh ất . - Thường hoá: là phương pháp nung nóng chi ti ết d ến tr ạng thái thái hoàn oàn toàn toàn là Aust Austen enit it giữ nhi nhi ệt và làm làm ngu ngu ội tro trong khôn không g khí khí tĩnh để đạt tổ chức gần cân b ằng . ⇒ Mục
đích của
ủ và thường hoá là làm m ềm thép đ ể d ễ gia công cắt gọt và dập ngu ội.
5.1. 5. 1.1. 1. Đị nh ng nghĩ hĩa a - Tôi Tôi:: là phương pháp nung nóng chi ti ết đ ến t ổ ch ức ustenit, giữ nhiệt rồi làm ngu ội nhanh đ ể đ ạt đ ược t ổ ch ức không cân bằng có đ ộ c ứ ng cao. - Ram Ram:: là phương pháp nung nóng chi ti ết sau khi tôi đ ến nhiệt độ thích hợp, nhỏ h ơn nhi ệt đ ộ chuy ển bi ến pha, đ ể đi ều chỉnh độ cứng, độ bền theo yêu c ầu và kh ử b ỏ ứng su ất d ư bê n trong chi tiế t. Ram là nguyên công b ắt bu ộc sau khi tôi, đ ể đ ảm b ảo chi ti ết có cơ tính thích h ợp theo yêu c ầu làm vi ệc
5.1.1. Đị nh nghĩa
* Hoá - nhiệt luyện - Là phương pháp thay đ ổi nhi ệt đ ộ và thành ph ần hoá h ọc của lớp bề mặt chi tiết để thay đổi t ổ ch ức và tính ch ất l ớp b ề mặt theo yêu cầu làm vi ệc Thông thường ng ười ta th ường dùng ph ương pháp khu ếch tán nguyên tố vào l ớp b ề m ặt: cacbon, nit ơ ho ặc c ả cacbon và nitơ, các nguyên t ố khác nh ư : Si, B, Cr, Al...
* Cơ nhiệt luyện - Là phương pháp làm thay đ ổi nhi ệt đ ộ và bi ến d ạng d ẻo
để thay đổi tổ chức và tính ch ất c ủa kim lo ại và h ợp kim.
5.1. KHÁI NIỆM VỀ NHI ỆT LUY ỆN 5.1.2. Các thông số đặc trưng cho quá trình nhiệt luyện - Nhiệt độ nung nóng T 0n: là nhiệt độ cao nhất mà quá trình nhiệt luyện cần phải đạt t ới; - Thời gian giữ nhiệt t gn: thời gian duy trì
ở nhiệt độ nung
nóng; - Tốc độ nguội Vngu ội: là độ giảm của nhiệt độ theo th ời gian, 0 0 0 ườ th ng tính theo C/h, C /phút, 5.1.3. Tác dụng của nhiệt luyệC/s. n đối với chế tạo cơ khí
a, Tăng độ cứng, độ bền và tính trống mài mòn - Tăng độ bền, độ cứng c ủa kim loại và h ợp kim mà v ẫn đ ảm bảo độ dẻo, độ dài nhất đ ịnh cho chi ti ết
b, Cải thiện tính công nghệ - Giảm độ cứng làm cho chúng d ễ gia công h ơn
5.1. KHÁI NIỆM VỀ NHI ỆT LUY ỆN 5.1.3. Sơ lược về bốn chuyển biếncơ b ản khi nhi ệt luy ện thép + Chuyển biến Peclit thành Austenit khi nung nóng thép quá Ac1. lúc đó Austenit có năng lượng t ự do F th ấp nh ất. F + Xe
Feγ (C)
P + Chuyển biến Austenit thành Peclit khi làm nguội chậm thép d ưới Ar 1 Feγ (C)
F + Xe
P
0,8
5.1.3. Sơ lược về bốn chuyển biếncơ b ản khi nhi ệt luy ện thép + Chuyển biến Austenit thành Mactenxit khi làm nguội nhanh thép xuống thấp h ơn nhi ệt đ ộ T o: Fe
(C) Fe
(C)
M
γ
+ Chuyển biến Mactenxit thành Peclit khi làm nguội chậm thép d ưới Ar 1 Feα(c)
M
F + Xe
P
CHƯƠNG 5: CÁC CHUYỂN BI ẾN PHA KHI NHI ỆT LUY ỆN 5.2. CÁC CHUYỂN BI ẾN KHI NUNG NÓNG THÉP
nung 5.2.1. C ơ sở xác đị nh chuyển biến khi - Cơ sở xác định chuy ển bi ến khi nung nóng thép là gi ảng đ ồ nóng trạng thái Fe-C - Trong mỗi loại thép
ở nhiệt độ
thường có tổ chức Fe + Xe (Peclit) - Các thép trước và sau cùng tích có tổ chức phức tạp h ơn, có thêm F e và eII
0,8
5.2.1. C ơ sở xác đị nh chuyển biến khi nung nóng + Khi nung nóng đến Ac1, sẽ có quá trình chuy ển bi ến:
[Fe + Fe3C]0,8 Feγ (C)0,8 α
⇒ Vậy
khi nung nóng quá Ac1 thì sự
chuyển biến: - Đối với thép cùng tinh? - Đối với thép trước cùng tinh? - Đối với thép sau cùng tinh?
0,8
5.2.1. C ơ sở xác đị nh chuyển biến khi nung nóng + Từ Ac1 → Ac3, có quá trình hoà tan của F vào
.
Khi nhiệt độ lớn hơn Ac3, tổ ch ức nhận được hoàn toàn là +. Từ Ac1
→ Accm,
của XeII vào
có quá trình hoà tan
.
Khi nhiệt độ lớn hơn Accm, tổ chứ c nhận được hoàn toàn là
.
Như vậy theo giảng đ ồ tr ạng thái Fe–C ta hoàn toàn xác đ ịnh đ ược các t ổ ch ức
tạo thành khi nung nóng; Trong các chuyển biến đó, chuy ển biến cơ bản là tạo thành Peclit;
Austenit từ 0,8
5.2. CÁC CHUYỂN BI ẾN KHI NUNG NÓNG THÉP 5.2.2. Các đặc điểm của chuyển biến Peclit thành Austenit a, Nhiệt độ chuyển biến - Chuyển biến Peclit thành Austenit xảy ra
ở 7270C với điều
kiện là nung nóng vô cùng ch ậm - Với tốc độ nung thực tế, chuy ển bi ến luôn luôn xảy ra
ở nhiệt độ l ớn hơn 7270C;
0,8
5.2.2. Các đặc điểm của chuyển biến Peclit thành Austenit
- Như vậy ta thấy rằng: tốc độ nung càng l ớn (càng nhanh), chuyển biến P γ xảy ra ở nhiệt độ càng cao và th ời gian càng ngắn.
5.2.2. Các đặc điểm của chuyển biến Peclit thành Austenit b, Kích thước hạt - Độ hạt Austenit
ảnh hưởng rất lớn đến độ hạt của thép ở nhiệt độ thường do đó ảnh h ưởng đ ến c ơ tính c ủa nó; - Chuyển biến Peclit thành Austenit có cơ chế như quá trình kết tinh tạo mầm và phát tri ển m ầm;
5.2.2. Các đặc điểm của chuyển biến Peclit thành Austenit - Các tâm mầm Austenit sinh ra lúc mới tạo thành nóng thì hạt ⇒ Kích
γ
γ
ở biên giới hạt giữa Xe và F có kích thước rất nhỏ, n ếu ti ếp t ục nung
sẽ lớn lên;
thước hạt
γ
phụ thuộc vào nhi ệt độ nung và th ời gian
giữ nhiệt. Nhiệt độ nung càng cao, th ời gian gi ữ nhi ệt càng dài, hạt γ càng lớn
5.2.2. Các đặc điểm của chuyển biến Peclit thành Austenit - Những quy luật lớn lên c ủa h ạt khác nhau cũng khác nhau: + Thép có bản chất hạt l ớn; + Thép có bản chất hạt nhỏ.
γ
khi nung nóng ở các loại thép
5.2. CÁC CHUYỂN BI ẾN KHI NUNG NÓNG THÉP 5.2.3. Các quá trình xảy ra khi giữ nhiệt - Giai đoạn giữ nhiệt là r ất c ần thi ết đ ể: + Làm đồng đều nhiệt độ giữa bề m ặt và lõi, đ ể lõi cũng có chuyển biến như bề mặt; + Đủ thời gian cần thiết s ẽ tạo đi ều ki ện đ ể các chuy ển biến xảy ra hoàn toàn; + Làm đồng đều thành ph ần hoá h ọc c ủa Austenit. Do được tạo ra từ F và Xe có thành phần Cacbon rất khác nhau. ⇒ Thời
gian giữ nhiệt chỉ nên l ấy v ừa đ ủ, không nên quá dài vì
làm cho hạt
quá lớn, thép b ị giòn.
CHƯƠNG 5: CÁC CHUYỂN BI ẾN PHA KHI NHI ỆT LUY ỆN 5.3. CHUYỂN BIẾN XẢY RA KHI LÀM NGU ỘI CH ẬM AUSTENIT 5.3.1. Chuyển biến của Austenit khi làm nguội đẳng nhiệt - Là phương pháp làm ngu ội nhanh Austenit xuống dưới Ar1 giữ nhiệt
ở nhiệt độ này rồi xác định thời gian bắt đ ầu và kết thúc sự chuy ển bi ến t ừ P.
5.3.1. Chuyển biến của Austenit khi làm nguội đẳng nhiệt
* Gian đồ T-T-T + Ở nhiệt độ cao hơn 727 0C: – hoàn toàn ổn định; + Bên trái chữ “C” thứ nhất: – quá nguội; + Giữa hai chữ “C”: – chuyển biế n ( , P, Xe ); + Bên phải chữ “C”: – các sả n phẩ m phân hoá đẳng nhiệt của
;
+ Dưới đường MS: – Mactenxit +
dư .
5.3.1. Chuyển biến của Austenit khi làm nguội đẳng nhiệt Các sản phẩm phân hoá đ ẳng nhi ệt c ủa Austenit quá nguội
ở 7000C → Peclit [F + Xe] (Xe có dạng tấm với kích thước thô to), có đ ộ c ứng 10 ÷ 15 HRC; - Khi
phân hoá
ở 600 ÷ 7000C → Xoocbit [F + Xe] (Xe có dạng tấm với kích thước 10 -1 ÷ 10-4 mm), có độ cứng khoảng 20 ÷ 35 HRC, ký hiệu là X; - Khi phân hoá ở 500 ÷ 6000C → Trustit [F + Xe] (Xe dạng tấm rất nhỏ mịn với kích thước,10 -5mm), ký hiệu T. Độ cứ ng của nó khoảng 40 HRC; - Khi
phân hoá
⇒ P, X ,
T đều là hỗn hợp cơ học c ủa F và Xe trong đó Xe ở
dạng tấm nhưng với mức độ nh ỏ m ịn khác nhau.
5.3.1. Chuyển biến của Austenit khi làm nguội đẳng nhiệt
ở < 5000C → Bainit [F + Xe] (Xe có dạng tấm với kích thước nh ỏ mịm, 10-6mm ), có độ cứ ng 50 ÷ 55 HRC, bao gồm: + Bainit trên khi phân hoá ở 350 ÷ 5000C; + Bainit dưới khi phân hoá ở 250 ÷ 3500C. - Bainit có đặc điểm: + %C trong F lớn hơn giới hạn hoà tan m ột chút (0,1%); + Có một ít dư . - Khi
⇒
phân hoá
Là chuyển biến trung gian, gi ữa chuy ển bi ến Peclit và
chuyển biế n Mactenxit
5.3. CHUYỂN BIẾN XẢY RA KHI LÀM NGU ỘI CH ẬM 5.3.2. Chuyển biến của Austenit khi làm nguội liên tục
*
Đặc điểm của sự phân hoá Austenit khi làm nguội liên t ục
là: a, Với các tốc độ nguội khác nhau,
b ị quá ngu ội đ ến các
nhiệt độ khác nhau và phân hoá thành các tổ ch ứ c khác nhau tương ứng với các nhi ệt đ ộ đó.
5.3.2. Chuyển biến của Austenit khi làm nguội liên tục - Làm nguội chậm cùng lò, V 1: →P
(P dạng tấm, độ cứng thấp)
- Làm nguội trong không khí tĩnh, V 2: →X
- Làm nguội trong không khí nén, V 3: →T
- Làm nguội trong dầu, V4: →T
+M
- Làm nguội trong dầu, V5: →
M
5.3.2. Chuyển biến của Austenit khi làm nguội liên tục b, Tổ chức nhận được không đ ồng nh ất trên toàn b ộ ti ết di ện - Bề mặt thường nhận được t ổ ch ức có đ ộ c ứng cao h ơn bên trong lõi. c, Không đạt được tổ ch ức hoàn toàn là Bai-nít , - Có thể đạt được tổ chức này cùng v ới Trustit và Mactenxit.
Cacbon d, Những đặc điểm trên chỉ đúng đ ối v ới thép - Với các thép hợp kim các đ ặc đi ểm trên không còn phù h ợp nữ a.
CHƯƠNG 5: CÁC CHUYỂN BI ẾN PHA KHI NHI ỆT LUY ỆN 5.4. CHUYỂN BIẾN MACTENXIT - Khi mguội nhanh Austenit với tốc độ thích hợp:
V
(Vth - Tốc độ làm nguội tới hạn)
Vth
xuất hiện chuyển biến:
Fe (C)
→ Fe
Austenit
(C)
Mactenxit
- Đây là sự chuyển biến thù hình (chuyển kiểu mạng tinh thể)
5.4. CHUYỂN BIẾN MACTENXIT 5.4.1. Khái niệm về Mactenxit
ị r ắ - Mactenxit là dung d ch n xen k ẽquá bão hoà c ủ a Cacbon trong Fe
với nồng độ của Cacbon nh ư c ủa Austenit ,
có kiểu mạng chính ph ương tâm kh ối và có đ ộ c ứng cao. + Một số đặc tính của Mactenxit : - Là quá trình chuy ển m ạng c ủa Fe (tâm mặt) sang Fe (tâm khối); - Là tổ chứ c Fe
quá bão hoà (0,8%);
- Nguyên tử Cacbon hoà tan trong Fe kiểu xen kẽ làm thay đổi ki ểu m ạng; - Có mạng chính ph ương th ể tâm, nên độ cứ ng cao.
5.4. CHUYỂN BIẾN MACTENXIT
5.4.1. Các đặc điểm của chuyển biến Mactenxit + Chuyển biến Mactenxit chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục với vận t ốc độ: V
Vth;
+ Là chuyển biến không khuy ếch tán: Cacbon hầu như vẫn giữ nguyên v ị trí, còn Fe chuyển dời vị trí để tạo kiểu mạng mới là mạng lập phương tâm khối; + Là quá trình tạo ra không ng ừng các tinh th ể m ới v ới t ốc độ phát triển rất lớn khoảng 1000
÷
7000 m/s. Tinh th ể
Mactenxit có dạng hình kim (hai đ ầu nh ọn) ;
5.4.1. Các đặc điểm của chuyển biến Mactenxit s
f
+ Chỉ xảy ra trong khoảng gi ữa hai nhi ệt đ ộ (đi ểm) M và M ; + Là chuyển biến xảy ra không hoàn toàn (còn có
dư ).
CHƯƠNG 5: CÁC CHUYỂN BI ẾN PHA KHI NHI ỆT LUY ỆN 5.5. CHUYỂN BIẾN KHI NUNG NÓNG THÉP ĐÃ TÔI - RAM - Ram là nguên công sau tôi nh ằm đ ể đi ều ch ỉnh đ ộ c ứng, trong. theo yêu cầu và kh ử b ỏ ứng su ất d ư bên 5.5.1. Tính không ổn định của Mactenxit và Austenit d ư - M và
dư trong thép là các pha không
ổn đ ịnh
⇒ có
xu
hướng tiết hết các bon ra đ ể tr ở thành P (F+ Xe). Chuyển biến xảy ra như sau:
Fe (C)
Fe3(C)
+ Fe
M
Xe Fe3(C)
F + Fe
Fe (C) dư
Xe
F
5.5.1. Tính không ổn định của Mactenxit và Austenit d ư - M và
chuyển biến thành P (F+ Xe), là chuyển biến không
trực tiếp mà phải qua tổ ch ức trung gian là Mactenxit ram. Chuyển biến xảy ra như sau: Mactenxit Mactenxit ram Austenit dư
Ferit + Xementit
5.5. CHUYỂN BIẾN KHI NUNG NÓNG THÉP ĐÃ TÔI - RAM 5.5.2. Các chuyển biến xảy ra khi Ram
* Giai đoạn I ( 2000C) -
dư chưa chuyển biến;
- Mactenxit chuyển biến như sau: 2
Mactenxit Fe (C)0,8 → Mactenxit [Fe (C)0,25
Cacbit 0,4 + Fe
2,4
C]
Mactenxit ram ⇒+
Tổ chức của giai đoạn này là: Mactenxit ram +
+ Tỉ số
c a
giảm
dư
5.5.2. Các chuyển biến xảy ra khi Ram
* Giai đoạn II (200
2600C)
- Mactenxit tiếp tục tiết Cacbon; -
chuyển biến thành Mactenxit ram: 2
Austenit d ư → Mactenxit Fe (C)0,8 [Fe (C)0,15
Cacbit 0,2 + Fe
2,4
C]
Mactenxit ram ⇒+
Tổ chức của giai đoạn này là: Mactenxit ram;
+ Giảm được ứng suất dư, có đ ộ b ền g ần nh ư Mactenxit tôi; + Tỉ số
c a
giảm mạnh.
5.5.2. Các chuyển biến xảy ra khi Ram
* Giai đoạn III (260
4000C)
- Mactenxit nghèo Cacbon chuyển bi ến thành Ferit; - Cacbit
chuyển biến Xementit ở dạng hạt; 3
Fe (C)0,15 ⇒+
hạt
Troxtit ram
0,2 → Fe + Fe C
ram; Tổ chức của2 giai 2,4 đoạn này là:3 Troxtit hạt
+ Độ cứng giảm đi rõ rệt; Fe C → Fe C + Ứng suất đựơc khử bỏ hết, tính đàn h ồi tăng lên m ạnh; + Tỉ số
c a
1
=
