Bài giảng Vật liệu học kim loại: Chương 4 - Nhiệt luyện thép

Bài giảng Vật liệu học kim loại: Chương 4 - Nhiệt luyện thép được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Khái niệm về nhiệt luyện thép; Phân loại nhiệt luyện thép; Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng; Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt; Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit;... Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng dưới đây để nắm được nội dung chi tiết nhé!

Chương 4: NHIỆT LUYỆN THÉP

4.1 Khái niệm về nhiệt luyện thép

 Nhiệt luyện là gì

 Mục đích:

 Đặc điểm của nhiệt luyện:

 Các chỉ tiêu đánh giá kết quả nhiệt luyện

4.2 Phân loại nhiệt luyện thép

1 Nhiệt luyện sơ bộ

2 Nhiệt luyện kết thúc

Phân loại nhiệt luyện thép (tiếp theo)

3 Hoá - Nhiệt luyện:

- thấm đơn nguyên tố: thấm C, N, Cr……

- thấm đa nguyên tố: thấm C-N,…

4 Cơ - Nhiệt luyện:

4.3 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng

4.3.1 Chuyển biến xảy ra khi nung nóng - sự tạo thành As

1 Cơ sở: dựa trên giản đồ pha Fe-Fe3C

Nung chậm Chuyển biến cơ bản: P  Austenit Austenit

Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng (tiếp theo)

2 Đặc điểm của chuyển biến P  Austenit

Vấn đề quan tâm: nhiệt độ và kích thước hạt Austenit

* Nhiệt độ chuyển biến: Thực tế nung nhanh (so với GĐP)

T 0 chuyển biến  phụ thuộc vào tốc độ nung

Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt khi nung

Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng (tiếp theo)

* Kích thước hạt Austenit:

Đặc điểm cơ chế của chuyển biến P  Austenit:

Chuyển pha ở trạng thái rắn theo cơ chế:

Kích thước hạt Austenit:

A

Hạt P ban đầu A mới hình thành

4.4 Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt

Như vậy cần:

Giải thích:

T càng cao; hoặc thời gian giữ nhiệt càng dài  hạt ?

Mục đích:

4.5 Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit

 P (7000C): Xe tấm thô

 X (6500C): Xe nhỏ mịn hơn

 T (500-6000C): Xe nhỏ mịn hơn nữa

 B ( 250-4500C): F 0,1%C; Xe có công thứcchưa hẳn Fe3C

Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit (tiếp theo)

Xác định thành phần tổ chức cuối cùng của

các trường hợp sau:

Austenit quá nguội

Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit (tiếp theo)

 Đặc điểm của sự phân hoá As khi làm nguội liên tục

* Tổ chức nhận được hoàn toàn phụ thuộc vào véctơ

nguội trên giản đồ TTT

* Chi tiết có tiết diện lớn: tổ chức sẽ không đồng nhấttrên tiết diện do bên ngoài nguội nhanh, bên trong nguộichậm hơn

* Chỉ nhận được tổ chức hoàn toàn Bainit bằng cách

nguội đẳng nhiệt

Chú ý:

Các điều kiện trên chỉ đúng với thép Cacbon

4.5.3 Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của Austenit quá nguội (thép khác cùng tích)

(0 C ) Vùng  ổn định (A 3 , A cm )

Vùng chuyển biến  Vùng chuyển biến 

- Khi làm nguội đẳng nhiệt

với độ quá nguội nhỏ (hay

nguội chậm liên tục)  sẽ

tiết ra ra F (hoặc Xe) khi gặp

nhánh phụ.

4.5.4 Các công nghệ nhiệt luyện sơ bộ

 Nguội chậm (đẳng nhiệt hay liên tục)  hệ cân bằng(hoặc gần cân bằng)  năng lượng tự do của hệ nhỏ

 cơ tính tương ứng: độ cứng thấp, độ dẻo cao.

 Các công nghệ tương ứng: Ủ và Thường hóa

 Tạo cơ tính đáp ứng yêu cầu gia công tạo hình chitiết (cắt gọt, GCAL….)

1 Ủ thép

a Ủ là gì ?

b Mục đích

- Làm giảm độ cứng để

- Làm tăng thêm độ dẻo

- Khử bỏ ứng suất bên trong

- Làm đồng đều thành phần hóa học

- Làm nhỏ hạt

b Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha

T<727 0 C, không có chuyển biến P As

c Các phương pháp ủ chuyển biến pha c.1 Ủ hoàn toàn (thép tct):

Biến đổi tổ chức khi ủ hoàn toàn thép 0,5% C

Ac 1

Ac 3

4.6 Các chuyển biến xảy ra khi nguội nhanh Austenit:

Tôi - Chuyển biến Mactenxit

Austenit quá nguội

4.6.1 Bản chất của Mactenxit

-Kiểu mạng chính

phương tâm khối c/a~

1,001-1,06

4.6.2 Các đặc điểm của chuyển biến Mactenxit

• Chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục A với tốc độ

V > Vth

• Chuyển biến không khuyếch tán

• Quá trình chuyển biến xảy ra liên tục, tốc độ phát triểnnhanh

• Chỉ xảy ra trong khoảng giữa hai nhiệt độ bắt đầu

(Ms) và kết thúc (Mf)

• Chuyển biến xảy ra không hoàn toàn

• Ms, Mf phụ thuộc vào:

- As càng nhiều C và NTHK ( trừ Si,Co, Al)Ms, Mf

càng thấp

- Mf  càng âm  As càng nhiềusau tôi không đạtđược độ cứng max

- Nguyên nhân khác: VM >VAs khi chuyển biến Vtăng, phần As chưa chuyển biến chịu sức ép ngàycàng tăng đến mức không chuyển biến được

4.6.4 Các công nghệ tôi thép

 Nguội nhanh, liên tục  hệ không cân bằng  nănglượng tự do của hệ lớn

 cơ tính tương ứng: độ cứng thấp, độ dẻo cao.

 Các công nghệ tương ứng: Tôi

 Tạo ra dung dịch rắn quá bão hòa C là Mactenxit

– độ cứng cao

 Thép hợp kim: %HK thấp  dựa theo thép C

%HK cao  tra sổ tay NL

 Thép TCTtôi hoàn toàn? Tổ chức nhận

được ?

 Thép SCTtôi không hoàn toàn? Tổ chức

nhận được ?

Tại sao ?

2 Cách chọn môi trường tôi

a Tốc độ tôi tới hạn

c Yêu cầu với môi trường tôi:

 Chi tiết sau tôi phải đạt tổ chức M

 Chi tiết không bị cong vênh, nứt

 Giai đoạn làm nguội nhanh qua vùng 500-6000C

(As kém ổn định nhất – lưng đường chữ “C”)

 Giai đoạn làm nguội chậm trong vùng chuyển biến

Mactenxit 200-3000C  tránh ứng suất nhiệt cho chi tiết

 Các môi trường tôi thông dụng:

nguộinước luôn nguội

- Là môi trường tôi của thép C- Không dùng cho chi tiết

có hình dạng phức tạp

Thay đổi thành phần DD để tăng khả năng tôi:

Dung dịch 10% NaCl+Na2CO3+NaOH

Làm nguội nhanh ở vùng nhiệt độ cao, nguội chậm hơn ởvùng nhiệt độ thấp

 Dầu:

- Làm nguội chậm ở cả 2 khoảng nhiệt độ trên

- Dầu nóng và nguội khả năng tôi giống nhaudùng

dầu nóng (60-800C) để tăng tính linh động

Chú ý: Dầu thông thường Tcháy=1500Cphải làm nguội

- Là môi trường tôi của thép HK và chi tiết có hình dạngphức tạp

Hiện nay dầu có thể tôi đến nhiệt độ cao (200-3000C)

 Các môi trường tôi khác

- Môi trường tôi muối nóng chảy: Áp dụng cho thép HKtôi đẳng nhiệt

- Môi trường tôi Polyme

- Môi trường tôi của lò chân không : Nitơ lỏng

a Tôi trong một môi trường (véc tơ màu đỏ)

Ưu điểm: ?

Nhược điểm: ????

Ms (~

220 0 C)

Mf (~ -50 0 C)

Peclit Xoocbit Trôxtit Bainit

4.7 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng

thép sau tôi - Ram thép

4.7.1 Sự không ổn định của Mactenxit và Austenit:

Là các pha không ổn định (không có trong GĐ pha)

4.7.2.Các chuyển biến khi ram (thép ct- 0,8%C)

 Giai đoạn I (<200 0 C):

- T < 800C:

- 800C < t < 2000C:

M= Fe(C) 0,8  Feα(C) 0,25-0,4 + cácbit ε (Fe 2,0-2,4 C)

 γ chưa chuyển biến

Độ cứng M ram < M tôi 1-2 HRC

 Giai đoạn II (200-260 0 C):

 Cacbon tiếp tục tiết ra từ M

 Tổ chức cuối giai đoạn II : M ram

độ cứng nhỏ hơn so với M tôi

 As dư chuyển biến  M ram

Nếu thép (HK cao) sau tôi có nhiều As dư độ cứngchung tăng lênhiện tượng độ cứng thứ 2

M tôi M ram

Tổ chức tế vi của thép sau tôi và sau tôi +ram

 Giai đoạn III ( 260- 400 0 C):

c Ram cao (500-6500C)

- Tổ chức sau ram:

- Cơ tính

- Ứng dụng:

4.8 Các khuyết tật khi nhiệt luyện thép

4.8.2 Oxy hoá và thoát C

- Hiện tượng tạo vảy ôxyt và mất C ở bề mặt chi tiết

Nguyên nhân:

- do có sự xuất hiện của các thành phần dễ gây OXH Fe

và C như: hơi nước, oxy, CO2

Nguyên nhân: nung quá caohạt lớn

Khắc phục  đem thường hóa rồi nhiệt luyện lại vớinhiệt độ nung thấp hơn

Trong đó:

ρ − đιệν trở sυấτ (Ω.cm); μ− Độ từ thẩm (gaus/ơcstεt) ;f- tần số dòng

- Dùng dòng điện có tần số hàng nghìn đến hàng chụcvạn Hz chiều sâu nung mỏng

 Đặc điểm

- Mật độ dòng điện phân bố cao từ ngoài bề mặt vàotrong bên trong chi tiết với chiều sâu Δ được xác địnhtheo công thức:

- Mật độ dòng điện xoay chiều phân bố không đều trêntiết diện chi tiết

(a) Sơ đồ nung cảm ứng

(b) Tôi khi nung toàn bộ bề mặt (c) Tôi - nung liên tục

1 Nung nóng rồi làm nguội toàn bề mặt ngoài (hoặc

BM trong) chi tiết  tôi (dầu hoặc nước)

2 Nung nóng và làm nguội từng phần riêng biệt

3 Nung nóng và làm nguội liên tiếp

 Đặc điểm của thép tôi cảm ứng

4.9.2 Hoá - nhiệt luyện

 Các giai đoạn trong quá trình

Hoá - nhiệt luyện (tiếp theo)

1 Thấm C

Mục đích:

- làm cho bề mặt có độ cứng cao chống mài mòn, chịumỏi tốt (HRC ~ 60-64)

- lõi vẫn đảm bảo độ dẻo dai (HRC ~ 30-40)

 Bão hoà C lên bề mặt thép C thấp (0,1-0,25%C) +tôi và ram thấp 

Ứng dụng:

 Yêu cầu đối với lớp thấm:

Bề mặtLõi

Độ cứng HRC

Một số thiết bị trong quá trình thấm C

VD: thể rắn : 0,1mm chiều sâu/1h nung giữ

thể khí: 0,2mm chiều sâu/1h nung giữ

 Chất thấm :

 Thể rắn: 80-95% than gỗ + Na2CO3, hoặc Ba CO3 (xúctác)

Phản ứng: 2C + O2  2CO ( khi thiếu ôxy)

+ %C : 1,2-1,3

 Nhiệt luyện sau thấm:

 nhất thiết phải Tôi + Ram thấp

 Công dụng của thấm C:

- Thấm cacbon cho cơ tính và công dụng như tôi bềmặt song ở mức độ cao hơn → bảo đảm tính chốngmài mòn và chịu tải tốt hơn

- Cũng tạo nên lớp ư.s nén dư, làm tăng giới hạn mỏi

- Áp dụng cho ct làm việc trong điều kiện nặng hơn

- Áp dụng cho ct hình dạng phức tạp lớp thấm đều

Tổ chức lớp thấm thấm:

Khuôn đùn ép nhôm

Mũi khoan

Lớp thấm Nitơ trên thép SKD11– Thấm 1 giai đoạn thấy

xuất hiện lớp trắng (5μm)  chịu mài mòn cao nhưnggiòn  không mong muốn

Bỏ lớp trắng bằng cách thay đổi phương pháp thấm

d Thấm C-N thể khí:

So với thấm C thể khí có ưu điểm hơn hẳn:

• dùng chung thiết bị với thấm C thể khí ( thêm vào 5-10%

NH3)

• tổ chức lớp thấm Các bit-Nitrit ( 60-65HRC ), tính chống mài mòn tăng ( 50-100%)