Các nguyên tắc của xử lý nhiệt của các thép

Thép thường được định nghĩa là một hợp kim của sắt và carbon với hàm lượng carbon giữa một vài trăm phần trăm lên đến khoảng 2% khối lượng. Các nguyên tố hợp kim khác có thể tổng số lượng khoảng 5% khối lượng trong các thép hợp kim thấp và cao hơn trong các thép hợp kim cao như thép công cụ, thép không gỉ (> 10,5%) và thép bền nhiệt CrNi (> 18%). Các thép có thể thể hiện một loạt các thuộc tính phụ thuộc vào thành phần hóa học cũng như các phase và cấu trúc micro có mặt, do đó sẽ phụ thuộc vào xử lý nhiệt.

Biểu đồ Phase Fe-C

Cơ sở cho sự hiểu biết về xử lý nhiệt của các thép là giản đồ phase Fe-C (Hình 1). Hình 1 thực sự cho thấy hai biểu đồ; biểu đồ sắt-graphite ổn định (đường đứt nét) và biểu đồ Fe-Fe3C chưa ổn định (gỉa bền). Điều kiện ổn định thường mất một thời gian rất dài để phát triển ổn định, đặc biệt là trong phạm vi nhiệt độ thấp và các-bon thấp, và do đó các biểu đồchưa ổn định được quan tâm hơn. Biểu đồ Fe-C cho thấy các phase được dự đoán ở trạng thái cân bằng (hoặc cân bằng chưa ổn định) cho các sự kết hợp khác nhau của nồng độ cacbon và nhiệt độ.

Chúng ta phân biệt tại ferrite các-bon thấp cuối (α-sắt), trong đó có thể hòa tan nhiều nhất tại 0,028% C, ở 727 °C (1341 °F) và austenite, có thể hòa tan 2.11% khối lượng C tại 1148 °C (2098 °F). Ở phía giàu carbon chúng ta thấy cementite (Fe3C). Ít được quan tâm hơn, ngoại trừ đối với thép hợp kim cao, là δ-ferrite xuất hiện ở nhiệt độ cao nhất.

Giữa các khu vực phase đơn tìm thấy khu vực có hỗn hợp của hai phase, chẳng hạn như ferrite + cementite, austenite + cementite, và ferit + austenite. Ở nhiệt độ cao nhất, khu vực phase lỏng có thể được tìm thấy và bên dưới là hai khu vực phase lỏng + austenite, lỏng + cementite, và lỏng + δ-ferit.

Trong xử lý nhiệt các thép, phase lỏng luôn luôn phải được ngăn ngừa. Một số các ranh giới quan trọng tại các khu vực một phase được đặt tên đặc biệt như sau :

•         A₁, được gọi là nhiệt độ cùng tích, đó là nhiệt độ tối thiểu cho austenite

•         A₃, ranh giới nhiệt độ thấp hơn của khu vực austenite ở các hàm lượng carbon thấp, đó là, g / g + α (ranh giới)

•         A_cm, ranh giới đối chiếu cho các hàm lượng carbon cao, có nghĩa là, g / g + Fe₃C (ranh giới)

Hàm lượng carbon tại nhiệt độ austenite tối thiểu đạt được được gọi là hàm lượng carbon cùng tích (0,77% khối lượng C). Phase Ferrite-cementite hỗn hợp của các thành phần này được hình thành trong quá trình làm nguội có một sự xuất hiện đặc trưng và được gọi là pearlite và có thể được coi là một cấu trúc micro. Nó là một tổng hợp của xen kẽ lá mỏng ferrite và cementite biến tính thành các hạt cementite phân tán với một mạng ferrite sau khi được mở rộng đóng lại tới A1.

Hình 1. Biểu đồ Fe-Fe₃C.

Biểu đồ Fe-C trong Hình 1 có nguồn gốc thực nghiệm. Các kiến thức về các nguyên tắc nhiệt động lực học và dữ liệu nhiệt động lực học mới cho phép các tính toán rất chính xác của biểu đồ này. Điều này đặc biệt hữu ích khi các ranh giới phase phải được suy luận và ở các nhiệt độ thấp mà cân bằng thực nghiệm là rất chậm phát triển.

Nếu các nguyên tố hợp kim được thêm vào hợp kim sắt-carbon (thép), vị trí của ranh giới A₁, A₃, và A_cm và thành phần cùng tích được thay đổi.

1.      Tất cả các nguyên tố hợp kim quan trọng làm giảm hàm lượng carbon cùng tích,

2.      Các nguyên tố ổn định austenite là mangan và niken giảm A, và

3.      Các nguyên tố ổn định ferrite là crom, silic, molypden, và vonfram làm tăng A₁.

Các biểu đồ chuyển hóa

Các khía cạnh động lực học của biến đổi phase quan trọng như các biểu đồ cân bằng để xử lý nhiệt của các thép. Phase martensite chưa ổn định và cấu trúc bainite về hình thái chưa ổn định, đó là những vấn đề cực kỳ quan trọng đối với các thuộc tính của các thép, thường có thể hình thành với làm nguội tương đối nhanh tới nhiệt độ môi trường xung quanh. Đó là khi sự khuếch tán của các carbon và các nguyên tố hợp kim bị kìm chế hoặc được giới hạn trong một phạm vi rất ngắn.

Bainite là phân hủy cùng tích đó là một hỗn hợp của ferrite và cementite. Martensite, thành phần khó khăn nhất, hình thành trong khi tôi mãnh liệt từ austenite quá bão do chuyển biến méo mó. Độ cứng của nó tăng đều đều với hàm lượng carbon lên đến khoảng 0,7% khối lượng. Nếu những kết quả chưa ổn định không bền sau đó được đun nóng đến nhiệt độ vừa phải cao, chúng sẽ phân hủy để phân bố ổn định hơn của ferrite và carbide. Quá trình nung nóng đôi khi được gọi là ram hoặc ủ.

Sự chuyển biến của cấu trúc ở nhiệt độ môi trường như ferrite-pearlite hoặc martensite được ram thành cấu trúc nhiệt độ được tăng cao của austenite hoặc austenite-carbide cũng có tầm quan trọng trong xử lý nhiệt của thép.

Một thuận tiện có thể mô tả những gì đang xảy ra trong quá trình chuyển biến với các biểu đồ chuyển biến. Có bốn loại khác nhau của các biểu đồ như vậy có thể được mô tả. Chúng bao gồm:

1.      Các biểu đồ chuyển hóa đẳng nhiệt mô tả sự hình thành của austenite, sẽ được gọi là các biểu đồ ITh

2.      Các biểu đồ chuyển hóa đẳng nhiệt (IT), còn được gọi là các biểu đồ thời gian - nhiệt độ - chuyển hóa (TTT), mô tả sự phân hủy của austenite

3.      Các biểu đồ chuyển hóa nung nóng liên tục (CRT)

4.      Các biểu đồ chuyển hóa làm nguội liên tục (CCT)

Các biểu đồ chuyển hóa đẳng nhiệt

Đây là loại biểu đồ cho thấy những gì xảy ra khi một thép được giữ tại một nhiệt độ không đổi trong thời gian dài. Sự phát triển của cấu trúc micro với thời gian có thể được cho phép bằng cách giữ mẫu vật nhỏ trong một bể chì hoặc muối và tôi chúng tại một thời điểm sau khi tăng dần thời gian giữ và đo lượng phase hình thành trong cấu trúc micro với sự trợ giúp của kính hiển vi.

Biểu đồ ITh (hình thành của austenite). Trong khi hình thành của austenite từ một cấu trúc micro ban đầu của ferrite và pearlite hoặc martensite được ram, thể tích giảm xuống với sự hình thành của phase austenite dày đặc. Từ các đường cong kéo dài, thời gian bắt đầu và kết thúc cho sự hình thành austenite, thường được định nghĩa như là 1% và 99% chuyển hóa, tương ứng, có thể được chuyển hóa.

Các biểu đồ IT (phân hủy của austenite). Qui trình bắt đầu ở nhiệt độ cao, thông thường trong phạm vi Austenit sau khi giữ đủ dài để có được austenite đồng nhất mà không có carbide không bị hòa tan (không bị phân hủy), tiếp theo là làm nguội nhanh chóng đến nhiệt độ giữ mong muốn. Làm nguội đã được bắt đầu từ 850 °C (1560 °F). Nhiệt độ A1 và A3 cũng như độ cứng được chỉ định. Trên A3 không có chuyển hóa có thể xảy ra. Giữa A1 và A3 chỉ ferrite có thể hình thành từ austenite.

Các biểu đồ CRT

Trong các tình huống xử lý nhiệt thực tế, nhiệt độ không đổi là không cần thiết, mà là một sự thay đổi nhiệt độ liên tục trong thời gian làm nguội hoặc nung nóng. Vì vậy, tốt hơn là thông tin áp dụng trực tiếp thu được nếu biểu đồ được xây dựng từ dữ liệu dilatometric (Là dụng cụ được sử dụng để xác định các điểm chuyển biến của đông đặc) sử dụng nhiệt độ tăng hoặc giảm liên tục.

Như các biểu đồ ITh, các biểu đồ CRT rất hữu ích trong việc dự đoán ảnh hưởng của austenit hóa thời gian ngắn xảy ra trong tôi bằng cảm ứng và tôi bằng laser. Một câu hỏi điển hình là nhiệt độ bề mặt lớn nhất cao bao nhiêu để đạt được austenit hóa hoàn toàn đối với một tốc độ nung nóng nhất định. Nhiệt độ cao có thể gây ra sự phát triển hạt austenite không mong muốn, vì khi đó tạo ra một cấu trúc micro giòn hơn nhiều.

Các biểu đồ CCT

Đối với các biểu đồ nung nóng, điều quan trọng là phải làm sáng tỏ đường cong làm nguội biểu đồ chuyển hóa được bắt nguồn từ dạng gì. Sử dụng một tốc độ làm nguội không đổi là rất phổ biến trong thực tế thử nghiệm. Tuy nhiên, chế độ này hiếm khi xảy ra trong một tình huống thực tế. Người ta cũng có thể tìm thấy các đường cong được gọi là các tốc độ làm nguội tự nhiên theo định luật của Newton về làm nguội. Những đường cong này mô phỏng diễn biến bên trong của một bộ phận lớn chẳng hạn như tốc độ làm nguội của một thanh Jominy tại một số khoảng cách từ kết thúc tôi cứng.

Gần với bề mặt các đặc tính của tốc độ làm nguội có thể rất phức tạp. Mỗi biểu đồ CCT có chứa một họ của các đường cong đại diện cho các tốc độ làm nguội ở độ sâu khác nhau của một hình trụ với một đường kính 300 mm (12 inch). Tốc độ làm nguội chậm nhất đại diện cho trung tâm của hình trụ. Khi môi trường làm nguội khốc liệt, sự kéo dài về thời gian làm cho các đường cong hình chữ C được thay đổi. M, nhiệt độ không bị ảnh hưởng.

Hình 2. Các biểu đồ CCT (a) và TTT (b).

Tuy nhiên cần lưu ý, các biểu đồ chuyển hóa không thể được sử dụng để dự đoán đáp ứng với lịch sử nhiệt có rất nhiều khác nhau được sử dụng để xây dựng các biểu đồ. Ví dụ, lần đầu tiên làm nguội nhanh phía trên không đáng kể M_s và sau đó nung nóng lại đến một nhiệt độ cao hơn sẽ cho chuyển hóa nhanh hơn so với thể hiện trong biểu đồ IT vì mầm được tăng tốc đáng kể trong thời gian tôi ban đầu. Cũng nên nhớ rằng biểu đồ chuyển hóa rất nhạy cảm với các hàm lượng hợp kim chính xác trong phạm vi thành phần cho phép.

(Dipl.Eng.IWE/EWE-Nguyễn Duy Ninh)