Nhiệt luyện thép (Heat treatment of steels) Nguyễn Bá Kiên Bộ môn CNVL-Khoa Cơ khí nbkien@dut.vn 2022 Tài liệu tham khảo (References) 1. Nghiêm Hùng, Giáo trình vật Liệu Học, Đại Học Bách Khoa HN, 1999. Lê Công Dưỡng, Vật Liệu Học, Nhà xuất bản khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội, 1997 3., Materials Sciences and Engineering An Introduction, 7th Edition, John Wiley and Sons, New York, 2007., An introduction to materials science and Engineering for chemicals and materials Engineers, John Wiley and Sons, New York, 2003. David, Engineering Materials 2-An Introduction to Microstructures, processing and design, 3rd edition, Elsiver, UK, 2006., Foudations of materials science and engineering, 3rd Edition, McGraw-Hill, New York, 1999.
Phạm Thị Minh Phương, Tạ Văn Thất, Công nghệ nhiệt luyện, Nhà xuất bản giáo dục, Hà nội, 2000. 8/29/2022 Tại sao lại học nhiệt luyện thép? Nhiệt luyện là khâu có tác dụng quyết định đến chất lượng các sản phẩm cơ khí nên là bộ phận không thể thiếu trong các nhà máy cơ khí, đặc biệt là trong các nhà máy chế tạo. Từ những cơ sở về nhiệt luyện thép có thể dễ dàng đi sâu vào tìm hiểu các dạng nhiệt luyện áp dụng cho các vật liệu kim loại khác như nhôm, titan… 8/29/2022 GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI Fe-C Cơ sở để nghiên cứu nhiệt luyện thép và tìm hiểu các tính chất của thép-gang là giản đồ trạng thái Fe-C. Để nghiên cứu giản đồ trạng thái Fe-C, trước hết hãy khảo sát các đặc tính của các nguyên thành phần.
Cacbon Là nguyên tố á kim thuộc nhóm 4 của bảng hệ thống tuần hoàn và có thể ở hai dạng thù hình: Graphit và kim cương. Ở điều kiện bình thường graphit là dạng ổn định còn kim cương thì không. Graphit có mạng hình lục giác và rất mềm. Trong thiên nhiên phần lớn cacbon ở dạng vô định hình.
Cấu trúc mạng tinh thể cacbon a. Sắt Là nguyên tố thuộc nhóm VII của bảng hệ thống tuần hoàn, sắt là kim loại chuyển tiếp. a) Cơ tính Các giá trị về chỉ tiêu cơ tính của Fe như sau: Giới hạn bền kéo, σb 250 N/mm2 Giới hạn bền chảy σc 120 N/mm2 Độ giãn dài tương đối, δ 50% Độ thắt tỷ đối, ψ 85% Độ cứng, HB 80 kG/mm2 Độ dai va đập, ak 3000 kJ/m2 Bảng 1. Tổng hợp các chỉ tiêu cơ tính của sắt 8/29/2022 Như vậy so với nhiều kim loại thường dùng như nhôm, đồng, sắt có độ bền, độ cứng cao hơn hẳn, nhưng vẫn còn thấp so với các yêu cầu chế tạo cơ khí.
Đó là nguyên nhân người ta không dùng sắt nguyên chất trong chế tạo cơ khí, mà dùng hợp kim của nó vì có cơ tính cao hơn rõ rệt. b) Tính thù hình Sắt có hai kiểu mạng tinh thể tồn tại ở ba khoảng nhiệt độ khác nhau: - Mạng lập phương thể tâm tồn tại ở trong hai khoảng nhiệt độ: dưới 911 oC được gọi là Feα và 1392-1539 oC được gọi là Feδ. Thông số mạng phụ thuộc vào nhiệt độ trong khoảng 2. Đặc biệt Feα có tính sắt từ ở nhiệt độ thấp hơn 768 oC.
Sắt là vật liệu từ mềm. Mật độ của Feα bằng 7. - Mạng lập phương diện tâm tồn tại ở khoảng nhiệt độ 911-1392 oC được gọi là Feγ, với thông số mạng ở 911 oC khoảng 3. Feγ có tính thuận từ và có mật độ 8.
8/29/2022 3) Tương tác giữa Fe-C ❖ Fe và C tương tác với nhau theo hai cách: Fe hòa tan C để tạo thành dung dịch rắn và Fe kết hợp với C thành hợp chất hóa học. ❖ Feα và Feδ với mạng lập phương thể tâm tuy mật độ xếp thấp, có nhiều lỗ hổng, song mỗi lổ hổng lại có kích thước quá nhỏ: r=0.291rFe (lỗ bốn mặt) → Về nguyên lý Feα và Feδ không có khả năng hòa tan cacbon hay độ hòa tan của cacbon trong chúng là không đáng kể. ❖ Feγ với mạng lập phương diện tâm tuy có mật độ thể tích cao hơn, ít lỗ hỏng hơn nhưng lại có loại có kích thước lớn hơn: r=0.414rFe (lỗ tám mặt) Ở lỗ hổng tám mặt này có thể chứa được khối cầu 0.0512 nm, nên có khả năng thu xếp để các nguyên tử cacbon lọt vào bằng cách giản các nguyên tử sắt ra xa. Do vậy chỉ có Feγ mới hòa tan được C nhưng chỉ trên dưới 10%.
8/29/2022 ❖ Khi lượng cacbon đưa vào sắt vượt quá giới hạn hòa tan (phụ thuộc vào dạng thù hình và nhiệt độ), sau khi đi vào các lỗ hổng để tạo nên dung dich rắn xen kẽ, phần C thừa sẽ kết hợp với Fe tạo thành Fe3C gọi là cementit là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp, có thành phần 6. a) cementit màu trắng và perlit màu đen trong cấu trúc tế vi của gang b) Cấu trúc diện tâm và c) Cấu trúc thể tâm. 8/29/2022 9 8/29/2022 Một số đường có ý nghĩa thực tế rất quan trọng như sau: • ABCD là đường lỏng để xác định nhiệt độ chảy lỏng hoàn toàn hay bắt đầu kết tinh • AHJECF là đường rắn để xác định nhiệt độ bắt đầu chảy hay kết thúc kết tinh • ECF (1130 oC) là đường cùng tinh, xảy ra phản ứng cùng tinh (eutectic) • PSK (723 oC) là đường cùng tích, xảy ra phản ứng cùng tích eutectoid • ES giới hạn hòa tan C trong Feγ • PQ giới hạn hòa tan C trong Feα b) Các chuyển biến khi làm nguội chậm ✓ Chuyển biến bao tinh xảy ra ở 1492 oC trong các hợp kim 0.16 (1) 8/29/2022 ✓ Chuyển biến cùng tinh xảy ra ở 1130 oC trong các hợp kim có thành phần C>2.67] (3) ✓ Sự tiết pha Fe3C dư ra khỏi dung dịch rắn của cacbon trong các dung dịch rắn: Feγ theo đường ES và trong Feα theo đường PQ. c) Các tổ chức một pha ✓ Ferit (Feα): - Do tỷ lệ hòa tan của cacbon rất nhỏ cao nhất 0.02% (723 oC), ở nhiệt độ thường 0.006% nên có thể coi là sắt nguyên chất nên có tính chất dẻo, dai, mềm và kém bền - Ferit là một trong hai pha tồn tại ở nhiệt độ thường và khi sử dụng, với tỷ lệ cao nhất (trên dưới 90%) nên nó đóng góp một phần quan trọng trong cơ tính của hợp kim Fe-C.
Tổ chức tế vi có dạng hạt sáng, mịn, đa cạnh (hình 4). 8/29/2022 ✓ Austenit (Feγ) - Không có tính từ, nó chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao (>723 oC) nên không có khả năng sử dụng của hợp kim nhưng lại có vai trò quyết định trong nhiệt luyện - Với tính dẻo rất cao và rất mềm ở nhiệt độ cao nên biến dạng nóng (dạng chủ yếu để tạo phôi hoặc bán thành phẩm) thép bao giờ cũng được thực hiện ở trạng thái austenit đồng nhất (hình 5) ✓ Cementit (Fe3C) - Là pha xen kẽ có kiểu mạng phức tạp. Đặc tính của cementit là cứng và giòn, cùng với ferit nó tạo nên các tổ chức khác nhau của hợp kim Fe-C (hình 6) - Người ta phân biệt bốn loại cementit: Cementit thứ nhất: Được tạo thành do giảm nồng độ C trong hợp kim lỏng theo đường DC khi hạ nhiệt độ (>4. Do tạo thành ở nhiệt độ cao (>1130 oC) nên cementit thứ nhất có dạng thẳng, thô to.
Cấu trúc tế vi của ferit Hình 5. Cấu trúc tế vi của austenit Hình 6. Cấu trúc tế vi của peclit trong đó dải màu đen là cementit 8/29/2022 Cementit thứ hai: Được tạo thành do giảm nồng độ cacbon trong austenit theo đường ES khi hạ nhiệt độ, thường thấy rõ hợp kim có 0. Do tạo thành ở nhiệt độ tương đối cao nên cementit thứ 2 với lượng đủ lớn sẽ tạo thành lưới liên tục bao quanh các hạt austenit tạo ra khung giòn, làm giảm mạnh tính dẻo và dai của hợp kim.
Tổ chức tế vi của thép sau cùng tích Fe3C 8/29/2022 Cementit thứ ba: Tạo ra do giảm nồng độ C trong ferit theo đường PQ khi hạ nhiệt độ, với số lượng (tỷ lệ) rất nhỏ nên rất khó phát hiện trong tổ chức tế vi và thường được bỏ qua. Cementit cùng tích: Được tạo thành do chuyển biến cùng tích austenit- peclit. Loại cementit này có vai trò rất quan trọng. Graphit: Được tạo thành trong hợp kim Fe-C cao và chứa lượng đáng kể Si, là pha quan trọng trong tổ chức của gang.
d) Các tổ chức hai pha Peclit (P, [Feα +Fe3C]): Là hỗn hợp cùng tích của ferit và cementit được tạo thành từ austenit với 0.8%C và ở 723 oC như phản ứng (3). - Trong peclit có 88% ferit và 12% cementit phân bố đều trong nhau - Peclit là tổ chức khá bền, cứng nhưng cũng đủ dẻo, dai đáp ứng nhu cầu của vật liệu kết cấu và công cụ - Peclit và các biến thể của nó (xoocbit, troxit, bainit) có mặt trong hầu hết các hợp kim Fe-C. - Người ta phân biệt hai loại peclit tấm và peclit hạt. Tổ chức tế vi của peclit tấm (a) và peclit hạt (b) 8/29/2022 Peclit tấm: Thường gặp hơn cả, có cấu trúc tấm.
Các vạch tối mỏng với lượng ít hơn là cementit, vạch sáng dày (với lượng nhiều hơn, gọi là nền) là ferit nên tổng thể có dạng vân. Peclit hạt: Ít gặp hơn, có cấu trúc hạt cementit phân bố đều trên nền ferit Ledeburit: Là hỗn hợp cùng tinh của austenit và cementit tạo thành từ pha lỏng với 4.3% C ở 1130 oC nhờ phản ứng (2). Khi làm nguội tiếp tục có phản ứng cùng tích (3) để austenit chuyển biến thành peclit nên tổ chức tế vi cuối cùng quan sát được (hình 9) là hỗn hợp của peclit tấm (các hạt tối nhỏ) trên nền cementit sáng. Ledeburit cứng và giòn vì có quá nhiều cementit và chỉ tồn tại trong gang trắng.
Cấu trúc tế vi của Ledeburit 8/29/2022 5) Phân loại a) Khái niệm chung về thép và gang Thép và gang đều là hợp kim của Fe-C, trong đó phân biệt ít hơn 2.14% là thép, nhiều hơn 2. b) Các loại thép, gang theo gian đồ pha Fe-C Thép tương ứng với giản đồ pha Fe-C là loại hợp kim với Fe và C<2.14% ra chỉ chứa một lượng không đáng kể các nguyên tố khác được gọi là thép cacbon hay thép thường, gồm ba loại nhỏ sau đây: - Thép trước cùng tích, 0.70%C tương ứng với bên trái điểm S - Thép cùng tích với 0.8% C tổ chức gồm chỉ có peclit - Thép sau cùng tinh với %C>=0.90 tức ở bên phải điểm S có tổ chức peclit+cementit 8/29/2022 Hình 10. Tổ chức tế vi của thép trước cùng tích a) 0.60% 8/29/2022 Gang tương ứng với giản đồ pha Fe-C là gang trắng, rất ít được sử dụng do quá cứng và giòn: - Gang trắng trước cùng tinh với thành phần C<4.3% bên trái điểm C, có tổ chức peclit +cementit hai + ledebuit (hình 11a) - Gang trắng cùng tinh, 4.3% có cấu trúc ledeburit (hình 9) - Gang trắng sau cùng tinh với thành phần C>4.3% ở bên phải điểm C, có tổ chức ledeburit +cementit thứ nhất (hình 11b).