›
›

Bài giảng Vật liệu kim loại - Chương 4: Chuyển pha và nhiệt luyện thép

ppt 91 trang phuongnguyen 1600
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Vật liệu kim loại - Chương 4: Chuyển pha và nhiệt luyện thép", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptbai_giang_vat_lieu_kim_loai_chuong_4_chuyen_pha_va_nhiet_luy.ppt

Nội dung text: Bài giảng Vật liệu kim loại - Chương 4: Chuyển pha và nhiệt luyện thép

  1. CHƯƠNG 4 CHUYỂN PHA VÀ NHIỆT LUYỆN THÉP Từ khố: Transformation; Heat Treatment; Heating; Cooling
  2. 1.CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU 1.1. Phân loại • Các chuyển biến pha trong VL thường gặp: - Kết tinh từ pha lỏng - Nĩng chảy - Chuyển biến thù hình - Các phản ứng tạo pha mới - Tiết pha mới khi đường giới hạn hịa tan thay đổi theo nhiệt độ
  3. 1.2. Nhiệt động học quá trình chuyển pha • Quá trình chuyển pha luơn kèm theo sự thay đổi năng lượng tự do Gibbs của hệ: G= H - TS (F= U - TS)= f (T,p ) • Quá trình chuyển pha sẽ tự xảy ra khi năng lượng tự do của hệ giảm G<0
  4. 1.3.Hai quá trình của sự chuyển pha • Chuyển pha xảy ra nhờ 2 quá trình: - Trong pha cũ xuất hiện những trung tâm của pha mới: mầm - Mầm phát triển thành hạt tinh thể của pha mới
  5. 1.4.Động học quá trình chuyển pha • Mơ tả mối quan hệ giữa lượng pha mới hình thành ở các nhiệt độ và thời gian khác nhau • Động học chuyển pha phụ thuộc vào tốc độ tạo mầm n và tốc độ phát triển mầm v Biểu thức Johnson – Mehl – Avrami: X = 1 – exp [-(kT)n] Trong đó : X – phần thể tích pha mới được tạo thành k – hằng số chuyển pha T – nhiệt độ chuyển pha, (oK)
  6. 1.4.Động học quá trình chuyển pha • Đường cong động học mơ tả quan hệ X= f() ở các nhiệt độ khác nhau (biểu đồ chữ C) • Biểu đồ cĩ dạng 2 đường cong chữ C ứng với thời điểm bắt đầu và kết thúc chuyển biến pha Biểu đồ chữ C cho phép dự đoán được các tổ chức hình thành khi làm nguội, chế độ công nghệ khi nung và làm nguội, xác định tốc độ nguội tới hạn vth
  7. 2. KẾT TINH TỪ PHA LỎNG 2.1. Mở đầu • Phần lớn KL được sản xuất bằng phương pháp nấu chảy rồi đúc thành bán thành phẩm: vật đúc (casting) • Chất lượng vật đúc phụ thuộc vào quá trình chuyển biến từ trạng thái lỏng sang trạng thái tinh thể: quá trình kết tinh
  8. 2.2. Đặc điểm cấu tạo của KL lỏng • Các nguyên tử cĩ xu hướng sắp xếp cĩ trật tự (trật tự gần): - Mỗi nguyên tử luơn giữ khoảng cách nhất định với nguyên tử bên cạnh - Mỗi nguyên tử cĩ một số nhất định với các nguyên tử quanh nĩ • Xu hướng sắp xếp trật tự luơn bị phá huỷ và thay bằng sự sắp xếp trật tự mới
  9. 2.3. Nhiệt độ kết tinh lý thuyết • Gọi: - GL:năng lượng tự do của KL ở trạng thái lỏng - GS: NLTD của KL ở trạng thái rắn • T>Ts: GL GS KL tồn tại ở trạng thái rắn • T = Ts: GL= GS TS: nhiệt độ kết tinh lý thuyết • Ở TS quá trình kết tinh chưa xảy ra được vì KL lỏng và KL rắn ở trạng thái cân bằng động
  10. 2.4. Nhiệt độ kết tinh thực tế • Nhiệt độ kết tinh thực tế (Tkttt) luơn <TS và KL lỏng cĩ thể tồn tại ở T < TS • T= TS-Tkttt: độ quá nguội • T phụ thuộc: - tốc độ nguội - bản chất KL
  11. 2.5.Hai quá trình của sự kết tinh • Sự kết tinh xảy ra nhờ 2 quá trình nối tiếp: - Trong KL lỏng xuất hiện những trung tâm kết tinh: mầm - Mầm phát triển thành hạt tinh thể
  12. 2.6.Sự tạo mầm • Tạo mầm: quá trình xuất hiện các phần tử rắn cĩ cấu tạo tinh thể với kích thước xác định trong KL lỏng • Cĩ 2 loại mầm: - Mầm tự sinh (mầm đồng pha) - Mầm ký sinh (mầm khơng đồng pha)
  13. 2.6.1.Mầm tự sinh • Mầm tự sinh được tạo nên từ chính bản thân KL lỏng • Ở T<TS: trong KL lỏng các nhĩm nguyên tử sắp xếp trật tự cĩ kích thước lớn hơn một giá trị nhất định sẽ cố định lại với kiểu mạng tinh thể của KL và phát triển thành hạt tinh thể
  14. Điều kiện năng lượng của sự tạo mầm tự sinh • Giả sử cĩ 1 cụm nguyên tử với bán kính r, thể tích V, diện tích bề mặt F đang hình thành trong KLL quá nguội. • Năng lượng tự do của hệ sẽ thay đổi một lượng G do 2 nguyên nhân:
  15. Điều kiện năng lượng của sự tạo mầm tự sinh a. Giảm năng lượng tự do thể tích GV - Pha rắn cĩ năng lượng tự do nhỏ hơn pha lỏng năng lượng tự do giảm: GV= - n Gm n-số mol của mầm; n= V/Vmol Gm- ứng với 1 mol KL Gm= Hm - T Sm = Hm - T. H/To Lnc - T.Lnc/T0= Lnc(1-T/T0)= Lnc T/T0
  16. Điều kiện năng lượng của sự tạo mầm tự sinh b. Tăng năng lượng tự do bề mặt GF Xuất hiện pha mới (rắn) cĩ diện tích bề mặt F làm năng lượng tự do tăng: GF= F  - scbm của mầm G= GV+ GF 3 2 = -4 r Lnc T/(3T0Vm) + 4 r  G= f(r)
  17. Điều kiện năng lượng của sự tạo mầm tự sinh • Những mầm cĩ r rth mới cĩ thể phát triển lên được
  18. 2.6.2.Mầm ký sinh • Thực tế, quá trình kết tinh của KLL xảy ra với T nhỏ hơn rất nhiều so với độ quá nguội cần cho mầm tự sinh • Nguyên nhân: do các phần tử rắn cĩ mặt trong KLL • Bằng các tính tốn tương tự, năng lượng cần thiết để tạo mầm ký sinh cĩ rth: ’ 2 G max=(2-3cos+cos ) Gmax/4= c. Gmax -gĩc thấm ướt của mầm lên phần tử rắn
  19. 2.7. Sự phát triển mầm • Sau khi đã tạo mầm, các mầm này phát triển lên thành hạt tinh thể. Đây là quá trình tự phát vì giảm năng lượng tự do • Mơ hình lớp nguyên tử khơng hồn chỉnh • Mơ hình bề mặt nhấp nhơ • Mơ hình mặt lệch xoắn
  20. 2.8.Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc • Vùng 1 (Ngồi cùng): Các tinh thể đẳng trục 4 với kích thước nhỏ. Nguyên nhân: - KL lỏng do tiếp xúc với 1 khuơn nguội → nguội 2 rất nhanh → T rất lớn 3 → hạt nhỏ - Do chất sơn khuơn, thành khuơn nhấp nhơ → hình thành nhiều mầm ký sinh → hạt nhỏ
  21. 2.8.Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc • Vùng 2 (vùng trung gian): vùng tinh thể 4 hình trụ tương đối lớn, hạt dài, thẳng gĩc 1 thành khuơn 2 • Nguyên nhân: T 3 giảm, hướng truyền nhiệt ra ngồi thành khuơn
  22. 2.8.Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc • Vùng 3 (vùng trung tâm): những tinh thể 4 đẳng trục với kích thước lớn 1 • Nguyên nhân: thành 2 khuơn nĩng lên, tốc độ 3 truyền nhiệt qua khuơn chậm → vùng này nhiệt độ hầu như như nhau → gần như kết tinh đồng thời với T nhỏ → hạt lớn đẳng trục
  23. 2.9.Các khuyết tật của vật đúc Lõm co: - Đa số kim loại kết tinh đều giảm thể tích: V < 0 - Phần thể tích chênh lệch đó nếu tập trung lại sẽ tạo ra lõm co
  24. 2.9.Các khuyết tật của vật đúc Rỗ khí :Ở trạng thái lỏng, kim loại hòa tan khí nhiều hơn ở trạng thái rắn. Khi kết tinh, nếu các khí hòa tan không thoát ra kịp, tích tụ lại sẽ tạo ra rỗ khí. Rỗ khí làm giảm mật độ của vật đúc Thiên tích :là sự không đồng đều về thành phần hóa học. Ứng suất đúc : có hai nguyên nhân tạo ra là sự nguội không đồng đều gọi là ứng suất nhiệt và sự sai khác nhau về thể tích riêng của các pha gọi là ứng suất tổ chức. Ứng suất đúc có thể sinh ra nhất thời hoặc tồn tại lâu dài sau khi vật đúc nguội hoàn toàn gọi là ứng suất dư. Ứng suất đúc có thể gây biến dạng, cong vênh và nứt chi tiết. Để hạn chế ứng suất đúc, cần tránh sự thay đổi đột ngột tiết diện vật đúc và làm nguội chậm. Sau khi đúc nên ủ để khử ứng suất dư
  25. 3. CHUYỂN BIẾN KHI NUNG NĨNG VÀ LÀM NGUỘI THÉP 3.1. Đại cương về nhiệt luyện thép 3.1.1. Định nghĩa • Định nghĩa về nhiệt luyện: nhiệt luyện là nung nĩng KL đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt với thời gian thích hợp, làm nguội với tốc độ xác định → làm thay đổi tổ chức → làm biến đổi tính chất của KL • Mọi quá trình nhiệt luyện luơn ở trạng thái rắn
  26. 3.1.2.Tác dụng của nhiệt luyện • Làm tăng độ cứng, độ bền, tính chống mài mịn • Cải thiện tính cơng nghệ: điều chỉnh (giảm hoặc tăng) độ cứng để dễ gia cơng cơ khí
  27. 3.1.3. Thí dụ về cơ tính của thép sau nhiệt luyện Mác thép C45 ( 0,45%C) • Thường hĩa: b= 460-480 MPa; 143-179 HB • Tơi: 400-500 HB • Tơi + ram: 0 - Ram 400 C: b= 730-840MPa; 205-235HB 0 - Ram 500 C: b= 680-770MPa; 185-210HB 0 - Ram 600 C: b= 610-680MPa; 170-190HB
  28. 3.2. Các chuyển biến xảy ra khi nung nĩng thép 3.2.1. Cơ sở xác định • Cơ sở xác định các chuyển biến khi nung nĩng thép là GĐTT Fe – C (<2,14%C) • Tổ chức thép ở nhiệt độ thường và <Ac1: - Thép trước cùng tích: P + F - Thép cùng tích: P - Thép sau cùng tích: P + XeII
  29. 3.2.1. Cơ sở xác định • Nung đến Ac1, P trong tổ chức của 3 loại thép trên chuyển biến thành austenit (Aus): - Thép trước cùng tích: Aus + F - Thép cùng tích: Aus - Thép sau cùng tích: Aus + XeII • Nung vượt quá đường GSE, 3 loại thép trên đều cĩ tổ chức : Aus
  30. 3.2.2. Nhiệt độ chuyển biến P→Aus • Theo GĐTT Fe – C, chuyển biến P → Aus xảy ra ở 7270C, nhưng chỉ khi nung vơ cùng chậm • Với tốc độ nung thực tế, chuyển biến xảy ra ở nhiệt độ luơn cao hơn 7270C • Tốc độ nung càng lớn, nhiệt độ chuyển biến càng cao và chuyển biến xảy ra trong một khoảng nhiệt độ
  31. 3.2.3. Kích thước hạt Aus • Thép cacbon và thép hợp kim thấp được sử dụng khơng ở trạng thái Aus mà ở dạng các sản phẩm phân hĩa của nĩ khi làm nguội • Tính chất của các sản phẩm phân hĩa phụ thuộc nhiều vào kích thước hạt Aus • Nếu các sản phẩm phân hĩa cĩ hạt nhỏ → độ bền, độ dẻo cao
  32. 3.2.3. Kích thước hạt Aus • Chuyển biến P → Aus: tạo mầm và phát triển mầm • Các mầm Aus được tạo nên trên biên giới pha F-Xe • Các mầm phát triển lên thành hạt Aus • Do biên giới pha F-Xe rất nhiều → tạo rất nhiều mầm Aus → khi kết thúc chuyển biến hạt Aus nhỏ mịn • Chuyển biến P → Aus luơn làm nhỏ hạt thép
  33. 3.2.3. Kích thước hạt Aus • P cĩ độ phân tán càng cao (Xe càng nhỏ mịn) & tốc độ nung càng lớn → số mầm Aus càng nhiều • Tiếp tục tăng nhiệt độ, hạt Aus phát triển do quá trình sát nhập hạt • Các yếu tố ảnh hưởng sự phát triển hạt Aus: - Tnung càng cao → hạt Aus càng lớn - giữnhiệt càng dài → hạt Aus càng lớn
  34. 3.3. Chuyển biến của Aus khi làm nguội chậm 3.3.1. Khi làm nguội đẳng nhiệt • Dễ xác định khi nghiên cứu • Nguội đẳng nhiệt: nhúng nhanh các mẫu nhỏ, mỏng ở trạng thái Aus vào các mơi trường cĩ nhiệt độ khơng đổi (muối nĩng chảy, dung mơi ) • Xác định mức độ chuyển biến theo thời gian
  35. a. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt (Giản đồ chữ C) • Xác định điểm bắt đầu và kết thúc chuyển biến ở các nhiệt độ khác nhau → xây dựng được giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt • Cĩ dạng 2 chữ C
  36. b. Các sản phẩm của sự phân hĩa đẳng nhiệt thép cùng tích Chuyển biến peclit • T= 727-5000C • Chuyển biến khuếch tán cacbon: Aus (0,8%C) → F (0,02%C) + Xe (6,67%C) • Sau chuyển biến khơng cịn lại pha ban đầu (Aus)
  37. Chuyển biến peclit • T<500C: • T= 100-2000C : - F+Xe; Xe ở dạng tấm - Phần lồi của GĐ chữ C cĩ kích thước lớn - Xe ở dạng tấm cĩ kích - Độ cứng của P: 10-15 thước bé hơn nữa: HRC trơtxtit (Troostite) - Độ cứng 40 HRC • T= 50-1000C: • Lưu ý: P, xoocbit, - F+Xe; Xe ở dạng tấm trơxtit: hỗn hợp cơ học cĩ kích thước bé: của F & Xe, nhưng kích xoocbit (Sorbite) thước Xe khác nhau - Độ cứng: 25-35 HRC
  38. Chuyển biến trung gian (500-Mđ) • < 5000C, Aus quá nguội phân hĩa thành F + Xe với cơ chế khác và đặc điểm riêng • Tạo nên tổ chức bainit (Bainite)
  39. Chuyển biến trung gian • Bainit trên: Aus quá nguội phân hĩa ở 500-3500C; cĩ dạng ngịi bút màu tối • Bainit dưới: Aus quá nguội phân hĩa ở 350-2500C; cĩ dạng hình kim • Tính chất: - Độ cứng 45-55HRC - Tổ chức: F+Xe; Xe: dạng tấm rất nhỏ mịn - Chuyển biến xảy ra khơng hồn tồn; cịn Aus dư và cĩ ứng suất dư
  40. c. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của thép khác cùng tích • Cĩ thêm nhánh phụ ở trên đường cong chữ C • (tự đọc)
  41. 3.3.2. Khi làm nguội liên tục • Phần trên của đường chữ C dịch chuyển sang phải và xuống dưới một chút • Về nguyên tắc: cĩ thể sử dụng giản đồ đẳng nhiệt thay cho làm nguội liên tục
  42. Lưu ý • Với tốc độ nguội khác nhau sẽ đạt các tổ chức khác nhau: - Tốc độ nguội rất chậm v1 (nguội cùng lị): nhận được P với tấm Xê thơ to - Tốc độ nguội nhanh hơn v2 (trong khơng khí): nhận được P với tấm Xê nhỏ mịn hơn - Tốc độ nguội v3: xoocbit - v4: trơxtit + martensite - v5: martenxit
  43. Lưu ý • Làm nguội liên tục khơng đạt được tốc độ nguội đồng nhất trên tồn tiết diện → tổ chức nhận được cũng khơng đồng nhất • Làm nguội liên tục làm đường chữ C dịch sang phải → tăng tính ổn định của Aus quá nguội • Làm nguội liên tục khơng thể đạt được tổ chức hồn tồn là bainit, mà chỉ bainit + trơxtit + martensite
  44. 3.4. Chuyển biến của Aus khi làm nguội nhanh • Khi làm nguội Aus đủ nhanh: Aus khơng kịp phân hĩa thành F+Xe, mà Aus sẽ quá nguội đến Mđ và chuyển biến thành Martensite (M) • Tốc độ nguội nhỏ nhất để cĩ chuyển biến này: tốc độ nguội tới hạn vth
  45. 3.4.1. Bản chất của martensite • M là dung dịch rắn xen kẽ quá bảo hịa của C trong Fe cĩ nồng độ C bằng nồng độ C của Aus, với kiểu mạng chính phương thể tâm, cĩ độ cứng rất cao • c/a: độ chính phương • Làm nguội nhanh: Fe(C) → Fe (C) - Tất cả C trong Aus khơng kịp khuếch tán và chuyển tồn bộ sang mạng F - Lượng C trong M được quyết định bởi lượng C trong Aus • Ở trạng thái cân bằng: Fe hịa tan rất ít C → Fe quá bảo hịa C
  46. 3.4.2. Đặc điểm của chuyển biến • Chỉ xảy ra khi làm nguội liên tục và nhanh Aus với vnguội ≥ vth • Chuyển biến khơng khuếch tán: C giữ nguyên vị trí; sắt chuyển từ kiểu mạng lập phương diện tâm sang thể tâm (dịch chuyển khơng hơn 1 thơng số mạng) • Chỉ xảy ra khi làm nguội trong khoảng nhiệt độ giữa 2 điểm Mđ và Mk. • Chuyển biến xảy ra khơng hồn tồn mà bao giờ cũng cịn lại 1 lượng Aus: Aus dư • Tinh thể M cĩ dạng hình kim đầu nhọn
  47. 3.5. Chuyển biến khi nung thép đã tơi • Tổ chức thép sau khi tơi: M và Aus dư • Ram: nung nĩng lại thép đến các nhiệt độ <Ac1 • Ram là nguyên cơng bắt buộc sau khi tơi
  48. 3.5.1. Tính khơng ổn định của M và Aus dư • Dưới 7270C: M & Aus khơng ổn định → cĩ xu hướng trở về trạng thái ổn định (F+Xe) • C trong M: quá bảo hịa. Phần C vượt quá giới hạn hịa tan cĩ xu hướng ra khỏi lỗ rỗng kết hợp với sắt tạo nên Xe: Fe (C) → Fe + Fe3C • Aus cĩ xu hướng chuyển sang Fe với lượng C rất thấp và C thừa cũng tạo nên Xe: Fe(C) → Fe + Fe3C • Nung nĩng giúp 2 chuyển biến trên xảy ra dễ dàng hơn
  49. 3.5.2. Các chuyển biến khi ram a. Giai đoạn 1 (<2000C) • T<800C: khơng xảy ra chuyển biến gì • T= 80-2000C: - Một phần C trong M tiết ra dưới dạng cacbit  cĩ thành phần hĩa học gần với Fe3C - M trở nên nghèo C (2000C: 0,25-0,40%C) và c/a giảm • Kết thúc giai đoạn này: M chuyển biến thành hỗn hợp của cacbit  với M nghèo C: M ram • M ram cĩ độ cứng gần như M tơi nhưng cĩ ứng suất nhỏ hơn do sự tiết C làm giảm sai lệch mạng
  50. b. Giai đoạn II (200-2600C) • Tiếp tục tiết ra cacbit  từ M; lượng C trong M cịn 0,15-0,20% ở cuối giai đoạn này • Aus dư chuyển biến thành M ram • Tổ chức cuối giai đoạn này: M ram: cacbit  + M nghèo C • Độ cứng cĩ thể tăng hoặc giảm phụ thuộc lượng Aus dư sau khi tơi. Nếu Aus dư ít: độ cứng giảm nhẹ; Aus dư lớn: độ cứng sẽ tăng
  51. c. Giai đoạn III (260-4000C) • Cĩ 2 quá trình xảy ra: - Tồn bộ C quá bảo hịa tiết hết ra khỏi M dưới dạng cacbit; c/a= 1 → M biến thành F - Cacbit  mất liên kết với mạng Fe và biến thành Fe3C cĩ dạng hạt • Cuối giai đoạn: F + Xê dạng hạt nhỏ mịn & phân tán: trơxtit ram; mất hồn tồn ứng suất • Trơxtit ram cĩ độ cứng thấp hơn & tính đàn hồi tốt nhất
  52. d. Giai đoạn IV (>4000C) • Chỉ cĩ các thay đổi về hình dạng & kích thước của F & Xe • Xe lớn dần lên và dần cĩ dạng cầu; F giảm mật độ lệch, hạt lớn dần lên và cĩ dạng đa cạnh • 500-6500C: F+Xe dạng hạt: xoocbit ram: cơ tính tổng hợp tốt • Sát Ac1: Xe dạng hạt: P hạt • Càng tăng T: độ cứng càng giảm
  53. 4.CƠNG NGHỆ NHIỆT LUYỆN 4.1. Ủ thép (Annealing) 4.1.1. Khái niệm • Định nghĩa: ủ thép là phương pháp nung nĩng thép tới nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt rồi làm nguội chậm để đạt được tổ chức ổn định theo giản đồ trạng thái với độ cứng thấp nhất và độ dẻo cao
  54. Mục đích của ủ 1. Làm giảm độ cứng của thép để dễ tiến hành cắt gọt 2. Làm tăng độ dẻo để tiến hành biến dạng nguội 3. Khử ứng suất bên trong sau các nguyên cơng gia cơng cơ khí, đúc, hàn 4. Làm đồng đều TPHH của vật đúc 5. Làm nhỏ hạt thép
  55. 4.1.2. Ủ khơng chuyển biến pha a. Ủ thấp b. Ủ kết tinh lại • Mục đích: làm • Mục đích: khơi phục giảm hay khử bỏ lại cơ tính như trước ứng suất bên trong khi biến dạng dẻo vật đúc, các sản • T= 600-7000C phẩm đã gia cơng cơ khí • Ít áp dụng cho thép do khĩ tránh tạo hạt • T= 200 – 6000C thơ to • Khơng làm thay đổi độ cứng và kích thước hạt
  56. 4.1.3. Ủ cĩ chuyển biến pha a. Ủ hồn tồn • Định nghĩa: nung nĩng thép tới trạng thái hồn tồn Aus (cao hơn Ac3 hoặc Accm), giữ nhiệt rồi làm nguội chậm • Thường chỉ áp dụng cho thép trước cùng tích với C> 0,30% nhằm mục đích: - Làm nhỏ hạt. Nếu chỉ nung cao hơn Ac3 20- 300C → hạt aus cĩ kích thước nhỏ → nguội chậm cĩ tổ chức F – P hạt nhỏ - Làm giảm độ cứng, tăng độ dẻo để dễ biến dạng nguội và cắt gọt. Độ cứng 160 – 200 HB 0 • T ủ hồn tồn= Ac1 + (20 – 30 C)
  57. b. Ủ khơng hồn tồn • Định nghĩa: nung nĩng thép tới trạng thái chưa hồn tồn Aus (cao hơn Ac1, thấp hơn Ac3 hay Accm), giữ nhiệt rồi làm nguội chậm • Chuyển biến khi nung khơng hồn tồn: - P → Aus - F hoặc XeII vẫn cịn • Thường chỉ áp dụng cho thép gần cùng tích và sau cùng tích với mục đích làm giảm độ cứng để dễ cắt gọt
  58. b. Ủ khơng hồn tồn • Nếu ủ hồn tồn: tổ chức là P tấm (độ cứng > 220HB) → khĩ cắt gọt • Khi ủ khơng hồn tồn: - Tổ chức sau khi nung: Aus và XeII (chưa tan hết) - Khi làm nguội, những phần tử XeII chưa tan hết đĩng vai trị tâm mầm kết tinh → tạo nên P hạt • Độ cứng sau ủ: khoảng 200HB → dễ cắt gọt • Nhiệt độ ủ khơng hồn tồn cho thép C: Ac1 + (20 – 300C) = 750 – 7700C
  59. c. Ủ cầu hố • Nung dao động tuần hồn nhiều lần trên dưới A1: - Nung 750 – 7700C - Làm nguội đến 650 – 6800C • Cầu hố được cả Xe của P và XeII (thường ở dạng lưới)
  60. d. Ủ khuếch tán • Định nghĩa: nung thép đến nhiệt độ 1100 – 11500C, giữ nhiệt trong nhiều giờ (10 – 15h), làm nguội chậm để khắc phục hiện tượng thiên tích (khơng đồng nhất về thành phần hĩa học) của thép hợp kim cao
  61. e. Ủ đẳng nhiệt • Định nghĩa: nung thép đến nhiệt độ ủ (hồn tồn hoặc khơng hồn tồn), giữ nhiệt rồi làm 0 nguội nhanh xuống dưới A1 khoảng 50 – 100 C, giữ nhiệt lâu trong lị ở nhiệt độ đĩ để Aus phân hĩa thành F + Xe • Áp dụng cho thép hợp kim cao: tính ổn định của Aus quá lớn nên khi nguội chậm cùng lị cũng khơng đạt được độ cứng thấp
  62. 4.2. Thường hĩa (Normalizing) 4.2.1. Định nghĩa • Nung nĩng thép đến trạng thái hồn tồn Aus (cao hơn Ac1 hoặc Accm), giữ nhiệt, làm nguội trong khơng khí tĩnh để Aus phân hĩa thành P phân tán hoặc xoocbit cĩ độ cứng tương đối thấp • Nhiệt độ thường hĩa: 0 Ac3 hoặc Accm + (20 – 30 C)
  63. 4.2.2. Mục đích • Đạt độ cứng thích hợp để gia cơng đối với thép C thấp ( 0,25%C): - Nếu ủ hồn tồn, độ cứng < 140HB → thép rất dẻo, khĩ gia cơng - Độ cứng sau thường hĩa: 140-180HB • Làm nhỏ Xe để chuẩn bị cho nhiệt luyện cuối cùng: - Tạo tổ chức P phân tán hoặc xoocbit với Xe kích thước bé → khi nung để tơi nhận được Aus hạt nhỏ • Làm mất XeII dạng lưới của thép sau cùng tích
  64. 4.3. Tơi thép (Quenching) 4.3.1. Mở đầu • Định nghĩa: Nung thép cao hơn Ac1 (xuất hiện Aus), giữ nhiệt, làm nguội nhanh thích hợp để Aus chuyển biến thành M hoặc các tổ chức khơng ổn định khác (bainit, trooxtit) với độ cứng cao • Mục đích: - Nâng cao độ cứng và tính chống mài mịn của thép - Nâng cao độ bền của thép
  65. 4.3.2. Chọn nhiệt độ tơi a. Cho thép cacbon • Thép trước cùng tích và cùng tích: - Phải tơi hồn tồn: nung thép đến trạng thái hồn tồn Aus 0 - Ttơi= Ac3 + (30 – 50 C) - Nếu chỉ nung: Ac3>Ttơi>Ac1 → tổ chức Aus + F → khi làm nguội nhanh: M + F → thép cĩ những điểm mềm (F)
  66. a. Cho thép cacbon • Thép sau cùng tích: - Nhiệt độ tơi: Accm>Ttơi>Ac1 → tổ chức Aus + XeII 0 0 - Ttơi= Ac1 + (30 – 50 C)= 760 – 780 C - Nếu nung cao hơn Accm: tất cả XeII hịa tan hết vào Aus → hàm lượng C trong Aus cao + hạt Aus to (do nhiệt độ cao) → làm nguội nhanh: M với C cao + lượng Aus dư nhiều và M thơ to → cơ tính thép khơng cao
  67. b. Cho thép hợp kim • Với thép hợp kim thấp (NTHK= 1-2%): xác định nhiệt độ tơi như thép C cĩ cùng hàm lượng C • Với thép hợp kim trung bình và cao (NTHK 5%): - Tổ chức tế vi khơng phù hợp GDTT Fe-C → nhiệt độ tơi khơng thể lấy như thép C tương đương - Phải tra các sổ tay nhiệt luyện
  68. 4.3.3. Độ thấm tơi • Khi làm nguội, tốc độ nguội khơng đều nhau trên tiết diện của chi tiết: bề mặt nguội nhanh hơn lõi → trên tiết diện thép cĩ thể nhận được các tổ chức khác nhau • Thường gặp: lớp bề mặt: M cứng; lõi: troxtit, xoocbit mềm hơn • Độ thấm tơi: chiều dày lớp được tơi cứng cĩ tổ chức M và M+trooxtit
  69. 4.3.4. Mơi trường tơi • Thường làm nguội khi tơi bằng cách nhúng chi tiết vào một mơi trường lỏng nào đĩ • Mơi trường tơi phải cĩ khả năng làm nguội thép với v>vth
  70. Các mơi trường tơi • Nước: Là mơi trường tơi mạnh, thường dùng cho thép C • Dung dịch nước với muối ăn hoặc xút: MTT mạnh hơn • Dầu: Mơi trường tơi yếu; ít gây nứt, cong vênh. Dùng tơi thép hợp kim hoặc thép C cĩ thành mỏng • Dung dịch chất dẻo: MTT trung gian giữa nước và dầu • Khơng khí nén
  71. 4.3.5.Các phương pháp tơi thể tích a. Tơi trong một mơi b. Tơi trong 2 mơi trường trường • Tận dụng được ưu điểm • Nung thép đến nhiệt độ của 2 MTT là nước và tơi, giữ nhiệt, làm nguội dầu: trong một mơi trường - Ở T cao, thép được làm • Phổ biến do đơn giản nguội trong nước - Đến gần nhiệt độ chuyển biến M, chuyển sang làm nguội trong dầu • Phù hợp cho thép C • Khĩ xác định thời điểm chuyển chi tiết từ nước sang dầu
  72. 4.3.5.Các phương pháp tơi thể tích c. Tơi phân cấp d. Tơi đẳng nhiệt • Làm nguội: • Giữ nhiệt trong muối - Mơi trường làm nguội 1: nĩng chảy với thời gian đủ lâu để Aus phân hĩa muối nĩng chảy T= Mđ + (50-1000C) hồn tồn thành F + Xe - Mơi trường làm nguội 2: (bainit hoặc trooxtit) cĩ độ khơng khí: chuyển biến M cứng tương đối cao và đủ xảy ra trong khơng khí dẻo, dai • Ưu điểm: Ứng suất bên • Sau khi tơi khơng cần trong thấp ram • Phạm vi sử dụng: các chi • Phạm vi sử dụng: các tiết cĩ tiết diện nhỏ bằng chi tiết cĩ tiết diện nhỏ bằng thép HK cĩ vth nhỏ thép HK cĩ vth nhỏ
  73. 4.3.5.Các phương pháp tơi thể tích
  74. 4.3.5.Các phương pháp tơi thể tích e. Tơi bộ phận f. Tơi tự ram • Một số chi tiết yêu cầu: • Làm nguội phần cần cứng với mức độ nguội một bộ phận cứng, các phần cịn lại: cần dẻo, dai nhất định đủ để chuyển biến thành M; các phần • Các phương pháp tơi bộ cịn lại nhiệt độ vẫn cịn phận: cao - Tơi bề mặt • Khi dừng làm nguội, các - Nung nĩng và làm nguội phần cịn lại sẽ nung bộ phận nĩng phần đã được tơi: - Nung nĩng tồn bộ, làm tự ram nguội bộ phận • Thường tơi cho các dụng cụ nhỏ, cầm tay: đục, búa
  75. 4.4. Ram thép 4.4.1. Mở đầu • Định nghĩa: Ram là nung thép đã tơi (tổ chức: M và Aus dư) lên đến nhiệt độ thấp hơn Ac1 để M và Aus dư phân hĩa thành các tổ chức phù hợp với điều kiện làm việc • Mục đích: - Làm giảm hoặc mất ứng suất bên trong - Tạo cho thép cĩ tổ chức cĩ cơ tính phù hợp - Cải thiện khả năng gia cơng cắt gọt
  76. 4.4.2. Các phương pháp ram a. Ram thấp • Nhiệt độ ram: 150 – 2500C • Tổ chức: M ram • Độ cứng khơng đổi hoặc giảm chút ít (1-3 HRC) • Giảm một phần ứng suất bên trong • Cơng dụng: các chi tiết cần độ cứng cao (56-64 HRC) và tính chống mài mịn cao: dụng cụ cắt KL, dụng cụ đo, khuơn dập nguội
  77. b. Ram trung bình • Nhiệt độ ram: 300 – 4500C • Tổ chức: troxtit ram • Độ cứng khá cao: 40-45 HRC; độ dẻo, dai tăng lên • Ứng suất bên trong giảm mạnh • Giới hạn đàn hồi đạt giá trị cao nhất • Cơng dụng: các chi tiết cần tính đàn hồi cao: lị xo, nhíp, khuơn biến dạng nĩng
  78. c. Ram cao • Nhiệt độ ram: 500 – 6500C • Tổ chức: xoocbit ram • Độ cứng giảm mạnh: 15-25 HRC; độ dẻo, dai tăng mạnh • Ứng suất bên trong biến mất • Các chỉ tiêu cơ tính khơng đạt giá trị cao nhất, nhưng đều khá cao • Cơng dụng: các chi tiết cần độ bền cao, chịu va đập: trục truyền, trục khuỷu, bánh răng • Độ cứng đạt được khơng đủ để chống mài mịn → khắc phục: tơi bề mặt sau khi ram cao
  79. 4.5. Các phương pháp hĩa bền bề mặt 4.5.1. Tơi bề mặt • Nung thật nhanh một lớp bề mặt đến nhiệt độ xác định rồi làm nguội nhanh → lớp bề mặt cĩ độ cứng cao, lõi vẫn dẻo, dai • Các phương pháp tơi bề mặt: - Nung bằng dịng điện cảm ứng cĩ tần số cao (tơi cao tần) - Nung bằng ngọn lửa - Nung tiếp xúc - Nung trong chất điện phân
  80. a. Tơi cao tần (High Frequency Induction Heating) • Cho dịng điện xoay chiều chạy qua vật dẫn → xuất hiện từ trường biến thiên xung quanh • Đặt trong từ trường 1 chi tiết KL → sinh ra sức điện động cảm ứng → dịng điện cảm ứng nung nĩng chi tiết • f= 2.000 – 300.000 Hz • Dịng cảm ứng cĩ mật độ lớn nhất ở lớp bề mặt và giảm nhanh về phía tâm → nung nĩng nhanh lớp bề mặt
  81. a. Tơi cao tần
  82. b. Tơi bề mặt bằng ngọn lửa (Flame Hardening) • Nung bề mặt bằng mỏ đốt của thiết bị hàn hơi, cắt hơi (LPG-oxy hoặc acetilen-oxy) • Nhiệt độ của ngọn lửa rất cao → bề mặt chi tiết được nung rất nhanh, trong khi lõi vẫn nguội
  83. 4.5.2. Hĩa nhiệt luyện • Hĩa nhiệt luyện là phương pháp nhiệt luyện làm bảo hịa lớp bề mặt thép bởi một hoặc nhiều nguyên tố → làm thay đổi thành phần hĩa học → thay đổi tổ chức và tính chất lớp bề mặt • Tăng độ cứng, tính chống mài mịn và độ bền mỏi của chi tiết: thấm C, nitơ, cacbon- nitơ, bo • Nâng cao tính chống ăn mịn điện hĩa và hĩa học: thấm nhơm, silic, crơm
  84. a. Thấm cacbon (Carburizing) • Là p/p nhiệt luyện làm khuếch tán cacbon vào bề mặt của thép cacbon thấp (0,10 – 0,25%C) để tơi và ram thấp bề mặt đạt độ cứng cao, cịn lõi vẫn dẻo, dai • Chiều dày thấm: 0,5 – 1,8 mm • Lớp thấm phải cĩ nồng độ cacbon 0,8 – 1,0% • Tổ chức sau khi nhiệt luyện: - Bề mặt: M & các phần tử cacbit nhỏ mịn phân bố đều - Lõi: M và khơng cĩ F - Hạt nhỏ
  85. Thấm thể rắn • Đã cĩ từ rất lâu; hiện ít được sử dụng • Chất thấm: than gỗ (80-90%); các chất xúc tác (Na2CO3, K2CO3, BaCO3 ); các chất phụ gia khác • Hỗn hợp thấm và chi tiết thấm được cho vào hộp và hộp được bịt kín; nung nĩng đến nhiệt độ thấm • Thời gian thấm rất dài (5 – 15 h) • Khĩ cơ khí hố, tự động hố • Điều kiện vệ sinh kém Ít sử dụng
  86. Thấm ở thể lỏng • Mơi trường thấm: - Muối nĩng chảy: 75-87% Na2CO3 + 10-15% NaCl + 6-10% SiC ( phân ly thành Cntử) - Nhiệt độ: 840 – 8600C • Ưu điểm: - Thời gian thấm nhanh (4 – 6 h) - Nung nĩng và thấm đồng đều • Nhược điểm: - Khĩ điều chỉnh nồng độ C ở lớp thấm - Điều kiện lao động nặng nhọc - Khơng thấm được chi tiết lớn • Ít được sử dụng
  87. Thấm cacbon thể khí • Mơi trường thấm: - Khí CO và các khí khác cĩ chứa cacbon cĩ thể phân hố thành Cntử (hydrocacbon). Thí dụ: CH4 → Cntử + 2H2 - Nếu chỉ dùng CO, CH4, các hydrocacbon khác thì nồng độ C trong lớp thấm rất cao → đưa vào một lượng nhất định các thành phần khí khác: CO2, H2, N2 - Cĩ thể dùng hỗn hợp khí từ dầu hoả phân huỷ để làm mơi trường thấm: CO, CO2, H2, C2H2n, C2H2n+2 , N2, O2 Điều chỉnh lượng C ở lớp thấm bằng cách điều chỉnh lượng nhỏ giọt
  88. Thấm cacbon thể khí • Dễ điều chỉnh hàm lượng C và chiều dày lớp thấm → chất lượng tốt • Thời gian thấm ngắn • Dễ cơ khí hố, tự động hố • Điều kiện lao động tốt Phổ biến
  89. Nhiệt luyện sau khi thấm C
  90. b. Thấm nitơ (Nitriding) • Là p/p nhiệt luyện làm bảo hồ nitơ trên bề mặt thép với mục đích: - Nâng cao độ cứng & tính chống mài mịn (tốt hơn thấm C) - Chống ăn mịn tốt trong khí quyển • Chỉ thấm thể khí 0 • Mơi trường thấm: khí NH3; T= 480 – 650 C - NH3 → 3H + Nntử - Nntử hấp thụ và khuếch tán vào bề mặt thép