Vật liệu kim loại ( Hoàng Văn Vương ) - Chương 4. Nhiệt luyện thép potx

Hóa bền vật liệu kim loại... 4.1 Khái niệm về nhiệt luyện thép4.1.1 Sơ đồ nhiệt luyện thép a Định nghĩa: Nhiệt luyện thép là nung nóng thép đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt và làm nguội

Trang 1

Chương 4 Nhiệt luyện thép

Chương 3 Hợp kim và giản đồ pha

4.1 Khái niệm về nhiệt luyện thép

4.2 Các tổ chức đạt được khi nung nóng

và làm nguội thép

4.3 Các công nghệ nhiệt luyện thép

4.4 Hóa bền vật liệu kim loại

Trang 2

4.1.1 Sơ đồ nhiệt luyện thép

a) Định nghĩa: Nhiệt luyện thép là nung nóng thép đến nhiệt độ xác

định, giữ nhiệt và làm nguội với tốc độ thích hợp để thay đổi tổ chức

→ biến đổi tính chất theo yêu cầu

Đặc điểm:

- Không làm nóng chảy, biến dạng chi tiết

- Đánh giá bằng kết quả biến đổi tổ chức tế vi và cơ tính

b) Các yếu tố đặc trưng

- Các thông số chính:

+ Nhiệt độ nung, T

+ Thời gian giữ nhiệt, τgn

+ Tốc độ nguội, Vng

- Các chỉ tiêu đánh giá kết quả

+ Tổ chức tế vi (cấu tạo pha,

chiều sâu lớp hóa bền…)

+ Độ cứng, độ bền, độ dẻo, độ dai

+ Độ cong vênh biến dạng

4.1.1 Sơ đồ nhiệt luyện thép

c) Phân loại nhiệt luyện thép:

- Nhiệt luyện: chỉ dùng tác động nhiệt làm thay đổi tổ

chức, tính chất, bao gồm: ủ, thường hóa, tôi + ram

- Hóa nhiệt luyện: kết hợp thấm các nguyên tố làm thay

đổi thành phần hóa học lớp bề mặt và nhiệt luyện, cải

thiện cơ tính: thấm C, C-N, Al, Co, B…

- Cơ nhiệt luyện: kết hợp biến dạng dẻo ở trạng thái

austenit và nhiệt luyện tạo tổ chức nhỏ mịn, cơ tính tổng

hợp cao nhất

4.1.2 Vai trò của nhiệt luyện trong sản xuất cơ khí

- Tăng độ cứng, tính chóng mài mòn và độ bền của thép:

tăng tuổi thọ, giảm kích thước, khối lượng kết cấu

- Cải thiện tính công nghệ: nhiệt luyện sơ bộ tạo cơ tính

phù hợp với điều kiện gia công

Trang 3

4.2 Các tổ chức đạt được khi nung nóng và làm nguội

4.2.1 Chuyển biến khi nung nóng – sự tạo thành austenit

Dựa vào GĐP Fe-Fe 3 C:

- T < Ac1: không có chuyển biến gì

- T = Ac2: chuyển biến P → γ

[Feα+ Xe]0,8%C→ Feγ(C)0,8%C

- Trên đường GSE: tổ chức một pha γ

Đặc điểm chuyển biến P → γ

- Vnung lớn : Tnungcao

- Tnung cao: τcbngắn

- V2> V1: T bắt đầu và kết thúc chuyển biến cao hơn, thời gian chuyển biến ngắn hơn

Kích thước hạt austenit: Hạt austenit tạo thành càng nhỏ→ các tổ

chức nhận được sau khi nguội càng nhỏ mịn với cơ tính cao hơn

Cơ chế chuyển biển P → γ

- Tạo mầm (mầm được sinh ra trên biên giới pha F và Xe

- Phát triển mầm như trong kết tinh

Chế chuyển biển P → γ làm nhỏ hạt thép

Trang 4

Kích thước hạt austenit phụ thuộc vào:

- Kích thước tổ chức P ban đầu

- Tăng Vnung: hạt nhỏ

- Tăng Tnung: hạt lớn

- Tăng τgn: hạt lớn

- Bản chất của thép: bản chất hạt nhỏ,

bản chất hạt lớn

4.2.2 Mục đích của giữ nhiệt:

- Làm đồng đều nhiệt độ trên toàn bộ tiết diện

- Để chuyển biến xảy ra hoàn toàn

- Làm đồng đều thành phần hóa học của austenit

4.2.3 Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm austenit

a) Chuyển biến đẳng nhiệt A quá nguội

Giản đồ T-T-T của thép cùng tích

[1]: aunstenit ổn định, [2]: austenit quá nguội

[3]: austenit đang chuyển biến

[4]: Hỗn hợp F+Xe, [5]: mactenxit + γdư

- Chuyển biến đẳng nhiệt austenit quá nguội:

+ T = 700 0 C: Peclit, 10-15HRC

+ T = 650 0 C: Xoocbit, 25-35HRC

+ T = 500-600 0 C: Trôxtit, 40HRC

+ T = 250-450 0 C: Bainit, 50-55HRC

- Đặc điểm:

+ P, X, T, B có bản chất giống nhau là hỗn hợp

cơ học cùng tích của ferit và xemantit tấm: độ

quá nguội tăng, số lượng mầm tăng, tấm càng

+ Nguội đẳng nhiệt nhận được

tổ chức đồng đều trên toàn

bộ tiết diện

Trang 5

b) Sự phân hóa austenit khi nguội liên tục

- V1 Æ Peclit

- V2 Æ Xoocbit

- V3 Æ Trôxtit

- V4 Æ Bainit + Mactenxit

- Vth Æ Mactenxit

- V5Æ Mactenxit

Đặc điểm:

- Tổ chức nhận được phụ thuộc vào Vnguội

- Với chi tiết lớn tổ chức nhận được không

đồng nhất

- Chỉ nhận được tổ chức hoàn toàn bainit

bằng cách nguội đẳng nhiệt

c) Chuyển biến đẳng nhiệt A quá nguội

Giản đồ T-T-T của thép khác cùng tích

Đường cong chữ C có thêm nhánh

phụ, dịch sang trái một chút

- Khi nguội đẳng nhiệt với độ quá nguội

nhỏ (nguội chậm liên tục V2) sẽ tiết ra

F(Xê) trước khi gặp nhánh phụ

- Khi nguội đẳng nhiệt với độ quá nguội

lớn (nguội liên tục đủ nhanh, V3) tổ

chức cuối vẫn nhận được xoocbit,

trôxtit, bainit

Trang 6

4.2.4 Chuyển biến (CB) xảy ra khi nhanh austenit-CB M

V > V th : γ → M

a) Bản chất của mactenxit

- Dung dịch rắn quá bão hòa C trong Feα

- Kiểu mạng chính phương tâm khối, c/a =

1,002-1,06

- Xô lệch mạng lớn nên M có độ cứng cao

b) Đặc điểm chuyển biến M:

- Xảy ra khi nguội nhanh và liên tục austenit, V

> Vth

- Chuyển biến không khuếch tán

- Chỉ xảy ra trong khoảng nhiệt độ bắt đầu Mđ

và kết thúc Mf

- Chuyển biến xảy ra không hoàn toàn

4.2.4 Chuyển biến (CB) xảy ra khi nhanh austenit-CB M

c) Cơ tính mactenxit

- Độ cứng: %C tăng, độ cứng tăng

+ %C < 0,2%: < 40HRC

+ %C = 0,4-0,5%: > 50HRC

+ %C > 0,6%: > 60HRC

- M có tính giòn cao, phụ thuộc

vào:

+ Kim M nhỏ mịn, tính giòn thấp

+ Ứng suất dư nhỏ, tính giòn thấp

Trang 7

4.2.5 Chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép đã tôi (ram)

a) Tính không ổn định của mactenxit và austenit

- Tổ chức thép tôi: M + γdư→ F + Xe (ổn định ở nhiệt độ thường) thông

qua tổ chức trung gian, Mram:

(M + γdư ) → Mram→ F + Xe

b) Các giai đoạn của chuyển biến xảy ra khi ram (thép 0,8%C đã tôi)

Giai đoạn I (T < 200 0 C):

- T < 800C chưa có chuyển biến

- 80 < T < 2000C: M tiết ra cacbit ε Fe2,0-2,4C; γdư chưa chuyển biến

- Tổ chức nhận được Mram+ γdư

] )

( [ ) (C 0,8 Fe C 0,250,4 Fe2, 2,4C

Giai đoạn II (200 - 260 0 C)

- Cacbon tiếp tục tiết ra từ M

- Austenit dư chuyển biến thành mactenxit ram:

- Tổ chức Mramcó độ cứng thấp hơn Mtôi

Giai đoạn III (260 - 400 0 C):

- Mramchuyển biến thành hỗn hợp F + Xe

Feα(C)0,15-0,2→ Feα+ Fe3C (hạt)

Fe2,0-2,4(C) → Fe3C (hạt)

] )

( [ ) (C 0,8 Fe C 0,150,2 Fe2,0 2,4C

] )

( [ ) (C 0,8 Fe C 0,150,2 Fe2, 2,4C

Hỗn hợp Feαvà Xe nhỏ mịn phân tán: Trôxtit ram:

Tính đàn hồi lớn nhất Không còn ứng suất dư

Trang 8

Giai đoạn IV (> 400 0 C)

- Xảy ra quá trình kết tụ của hạt Xe

- Ở nhiệt độ 500-6000C tổ chức xoocbit ram: σđh, aklớn nhất

- Gần A1(7270C): hỗn hợp F + Xe hạt thô hơn (tổ chức peclit hạt)

Kết luận:

- Khi ram xảy ra quá trình phân hủy Mtôigiảm độ cứng, giảm ứng suất

bên trong

- Thay đổi nhiệt độ ram có thể đạt được cơ tính khác nhau phù hợp

theo yêu cầu làm việc

4.3.1 Nhiệt luyện sơ bộ

K/n: nhiệt luyện sơ bộ là phương pháp nhiệt luyện nhằm tạo

tổ chức và cơ tính phù hợp cho gia công tiếp theo

a) Ủ thép

Đ/n: nung nóng, giữ nhiệt, nguội chậm cùng lò nhận được tổ

chức cân bằng có độ cứng thấp nhất và độ dẻo cao

Mục đích:

- Giảm độ cứng dễ gia công cắt

- Tăng độ dẻo dễ gia công biến dạng

- Giảm hay mất ứng suất dư

- Làm đồng đều thành phần hóa học

- Làm nhỏ hạt

Phân loại: Hai nhóm: ủ chuyển pha và ủ không có chuyển

biến pha

Trang 9

a) Ủ thép

Phân loại:

- Ủ có chuyển biến pha:

+ T > Ac1: có chuyển biến γ → P làm nhỏ hạt

+ Ủ hoàn toàn: (áp dụng cho thép trước cùng tích)

T = Ac3+ (20-300C)

Tổ chức nhận được F + Ptấm

Mục đích: làm nhỏ hạt, giảm độ cứng (160-200HB), tăng dẻo

+ Ủ không hoàn toàn (áp dụng cho thép %C > 0,7%)

T = Ac1+ (20-300C)

Tổ chức nhận được peclit hạt

Mục đích: giảm độ cứng (< 200HB), không áp dụng cho thép trước

cùng tích (giảm độ dai)

a) Ủ thép

Phân loại:

- Ủ có chuyển biến pha:

+ Ủ cầu hóa: dạng đặc biệt của ủ không hoàn toàn đẩy

nhanh quá trình cầu hóa Xe tạo P hạt

+ Ủ đẳng nhiệt: cho thép hợp kim cao, dù nguội chậm

không nhận được tổ chức P đủ mềm

T = Ac1+ 500C

+ Ủ khuếch tán: làm đồng đều thành phần hóa học thép

hợp kim cao bị thiên tích sau đúc

T = 1100-11500C, 10-15h

Trang 10

a) Ủ thép

Phân loại:

- Ủ không có chuyển biến pha:

+ T < Ac1: không có chuyển biến γ → P

+ Ủ thấp (200-6000C): làm giảm hoặc khử ứng suất bên trong chi tiết

(sau đúc, gia công cơ), không làm giảm độ cứng

+ Ủ kết tinh lại (Tủ> Tktl): khôi phục lại tính chât sau biến dạng dẻo

b) Thường hóa thép

Đ/n:

- Nung nóng đến trạng thái hoàn toàn austenit, giữ

nhiệt, nguội ngoài không khí tĩnh

- Tổ chức nhận được gần ổn định, độ cứng tương

đối thấp, cao hơn ủ

- Nhiệt độ: Thép TCT: T = Ac3+ (30-500C), thép SCT

T = Accm+ (30-500C)

Mục đích:

- Đạt độ cứng cho gia công cơ

(%C <0,25%)

- Làm nhỏ hạt Xe trước khi

nhiệt luyện

- Làm mất lưới XeII của thép

Trang 11

4.3.2 Nhiệt luyện kết thúc

a) Tôi thép

Đ/n: Nung nóng trên đường Ac1 đạt được tổ chức γ,

giữ nhiệt, làm nguội nhanh với tốc độ thích hợp

nhận được tổ chức M hay các tổ chức cân bằng

khác với độ cứng cao hơn

Mục đích:

- Nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn

- Nâng cao độ bền và sức chịu tải

Chọn nhiệt độ tôi:

- Thép trước cùng tích và cùng tích:

Ttôi= Ac3+ (30-500C)

- Thép sau cùng tích:

Ttôi= Ac1 + (30-500C)

- Thép hợp kim: HK thấp theo thép C, HK cao theo

sách tra cứu

a) Tôi thép

Tốc độ nguội tới hạn: tốc độ nguội nhỏ nhất Vthxảy ra chuyến biến γ → M

- Tốc độ tôi tới hạn càng nhỏ càng dễ tôi thấu, đạt độ cứng cao, biến

dạng nhỏ và không bị nứt

m

m th

T A

V

τ

−

= 1 Tm, τmnhiệt độ và thời gian ứng

với austenit kém ổn định nhất

- Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc

độ tôi tới hạn:

+ Thành phần nguyên tố hợp kim

của austenit, giảm Vth

+ Sự đồng nhất của γ, giảm Vth

+ Kích thước hạt γ lớn, giảm Vth

+ Các phần tử rắn chưa hòa tan

hết vào γ, tăng Vth

Trang 12

a) Tôi thép

Độ thấm tôi: chiều sâu lớp tôi cứng có tổ chức: 50%M +

50%T

- Biểu thị khả năng hóa bền của vật liệu

- Các yếu tố ảnh hưởng:

+ Tốc độ nguội tới hạn

+ Tốc độ làm nguội chi tiết

a) Tôi thép

Tính thấm tôi và tính tôi cứng

- Tính thấm tôi: %ntHK càng cao thì tính thấm tôi càng cao

- Tính tôi cứng: %C càng cao tính tôi cứng càng lớn

Trang 13

a) Tôi thép

Các phương pháp tôi thể tích và công dụng

Tôi trong một môi trường:

+ Làm nguội nhanh trong một môi trường thích hợp

+ Tổ chức sau tôi là M

+ Chi tiết không bị bị cong vênh

+ Kinh tế và an toàn

Tôi trong hai môi trường: Làm nguội trong hai môi trường khác nhau

+ GĐ I: nguội nhanh trong môi trường tôi mạnh hơn (nước, dung dịch

muối…) đến 300-400 0 C

+ GĐ II: nguội chậm trong môi trường yếu hơn (dầu, không khí…)

+ ƯĐ: ít gây biến dạng, nứt chi tiết

+ NĐ: Khó xác định thời điểm chuyển tiếp

a) Tôi thép

Tôi phân cấp:

+ Muối nóng chảy có nhiệt độ cao hơn điểm

MS khoảng 50-100 0 C rồi làm nguội trong

không khí để chuyển biến M

+ ƯĐ: khắc phục được khó khăn về xác định

chuyển môi trường, đạt độ cứng cao, ứng

suất bên trong nhỏ, ít biến dạng;

+ NĐ: năng suất thấp chỉ áp dụng chỉ áp

dụng cho thép có Vthnhỏ và với chi tiết

nhỏ: mũi khoan, taro, dao phay…

Tôi đẳng nhiệt:

+ Khác tôi phân cấp, giữ nhiệt lâu hơn

+ Tùy thuộc nhiệt: 250-400 0 C: bainit,

500-600 0 C: trôxtit

+ Sau tôi đẳng nhiệt không cần ram

Trang 14

a) Tôi thép

Gia công lạnh (khử austenit dư)

Áp dụng cho hợp kim, %C cao, có điểm Msvà Mfthấp,

lượng austenit dư nhiều

Gia công lạnh (khử austenit dư)

Làm nguội không triệt để

a) Nhiệt độ cao b) Nhiệt độ thấp

Cơ nhiệt luyện

- Kết hợp: biến dạng dẻo và tôi

ngay

- Nhiệt độ cao: biến dạng T > A3

- Nhiệt độ thấp: T < Tktl

b) Ram thép

K/n:

- Nguyên công bắt buộc cho thép sau tôi

- Nung nóng thép đến nhiệt độ xác định

(< Ac1), làm nguội ngoài không khí

Mục đích:

- Giảm hoặc khử bỏ hoàn toàn ứng suất

tránh cho thép bị giòn sau tôi

- Điều chỉnh cơ tính phù hợp với điều

kiện làm việc

Các phương pháp ram:

- Ram thấp (150-2500C):

+ Tổ chức M ram

+ Độ cứng giảm ít so với M tôi

+ Ứng dụng cho các chi tiết cần độ cứng,

tính chống mài mòn cao

Trang 15

b) Ram thép

- Ram trung bình (300-4500C), áp dụng cho thép %C = (0,55-0,65%)

+ Tổ chức sau ram: trôxtit ram

+ Độ cứng giảm rõ rệt so với M tôi nhưng giới hạn đàn hồi đạt giá giá trị

lớn nhất

+ Khử bỏ hoàn toàn được ứng suất bên trong

+ Ứng dụng cho chi tiết cần độ cứng tương đối cao và độ đàn hồi cao

b) Ram thép

- Ram cao (500-6500C), áp dụng cho thép %C = 0,3-0,5%

+ Tổ chức sau ram: Xoocbit ram

+ Cơ tính tổng hợp cao nhất (nhiệt luyện hóa tốt)

+ Ứng dụng cho chi tiết cần giới hạn bền, giới hạn chảy và

độ dai va đập cao

1400 55

22 450

720 Tôi 850 0 C + ram 650 0 C

300 12

8 720

1100

Tôi 850 0 C + ram 200 0 C

500 40

15 320

650

Thường hóa 850 0 C

900 50

32,5 280

530

Ủ 840 0 C

aK, kJ/m 2

ψ, %

δ, %

σ0,2, MPa

σb, MPa

Cơ tính Dạng nhiệt luyện

Thép 0,45%C ở các dạng nhiệt luyện khác nhau

Trang 16

4.3.3 Các khuyết tật xảy ra do nhiệt luyện

a) Biến dạng và nứt:

- Nguyên nhân:

+ Ứng suất nhiệt khi làm nguội, nung nóng

+ Ứng suất tổ chức khi chuyển biến

- Ngăn ngừa:

+ Nung nóng và làm nguội với tốc độ hợp

lý

+ Làm nguội theo nguyên tắc: nhúng

thẳng đứng, phần dày hơn thì tôi trước

+ Đối với vật mỏng cần ép trong khuôn

trước khi tôi

- Khắc phục: biến dạng vừa phải có thể

nắn, ép nóng hoặc nguội

4.3.3 Các khuyết tật xảy ra do nhiệt luyện

b) Oxy hóa và thoát cacbon

- Nguyên nhân:

+ Môi trường nung có chứa các chất oxy hòa Fe và C: O2, CO2, H2O

- Ngăn ngừa:

+ Chi tiết phủ than hoa

+ Dùng khí bảo vệ, khí trung tính: Ar, N2; CO2/CO, H2O/H2, H2/CH4

+ Nung trong môi trường chân không 10-2-10-4 mmHg

- Khắc phục: thấm lại C cho chi tiết

c) Độ cứng không đạt

- Độ cứng quá cao: khi ủ, thường hóa thép với tốc độ nguội lớn

- Độ cứng quá thấp: nhiệt độ không đạt, thời gian giữ nhiệt ngắn, làm

nguội không đủ nhanh, thoát C

d) Tính giòn cao

- Do nung quá nhiệt (hạt lớn) tính giòn cao

→ Đem thường hóa và nhiệt luyện lại

Trang 17

4.4 Hóa bền bề mặt kim loại

4.4.1 Tôi cảm ứng

a) Nguyên lý:Chi tiết được đặt trong từ trường

biến thiên sẽ xuất hiện dòng cảm ứng nung

nóng chi tiết

b) Đặc điểm:Mật độ dòng Fuco phân bố không

đều trên tiết diện của chi tiết, chủ yếu tập trung

ở bề mặt, chiều sâu

Δ = 5030√(ρ/μf), cm; ρ: điện trở suất, μ: từ độ, f:

tần số dòng điện

c) Tổ chức và cơ tính của thép tôi cảm ứng:

+ Thép có %C = 0,35-0,5%

+ Tổ chức: Lõi có tổ chức xoocbit ram (nhiệt

luyện hóa tốt; bề mặt tổ chức M hình kim nhỏ

mịn (tôi + ram thấp)

d) Ưu điểm, nhược điểm:

+ Năng suất cao

+ Chất lượng tốt

+ Dễ cơ khí hóa, tự động hóa

+ Khó thực hiện với chi tiết có hình dạng phức

tạp

4.4 Hóa bền bề mặt kim loại

4.4.2 Hóa nhiệt luyện

- Đ/n: là phương pháp thấm, bão hòa nguyên tố hóa học (C, N…)

vào bề mặt thép bằng cách khuếch tán các nguyên tử hòa học từ

môi trường thấm ở nhiệt độ thích hợp

- Mục đích:

+ Nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn, độ bền mỏi của thép

+ Nâng cao tính chống ăn mòn cho vật liệu: thấm Cr, Al, Si…

- Các giai đoạn thấm:

1 Giai đoạn phân hóa

2 Giai đoạn bão hóa

3 Giai đoạn khuếch tán

Định dạng
Số trang	20
Dung lượng	1,26 MB