ĐK Bách Khoa Vật liệu kỹ thuật Chương 6 Nhiệt luyện

Bài giảng chương 6 (gồm nhiều bài) có lý thuyết cô đọng, chuyên sâu vào nội dung thi Bài giảng của Thầy Trần Khải giảng viên bộ môn Hóa trường Đại học Bách Khoa ĐHQG TP.HCM Bài giảng màu sắc, full HD, 100+ trang, có ghi chú các câu giải thích và lời giảng quan trọng của thầy trong lúc dạy.

CH ƯƠNG 6

NHI ỆT LUYỆN THÉP

I KHÁI NI ỆM VỀ NHIỆT LUYỆN THÉP

1 Khái ni ệm

2 Đặc điểm

3 Tác d ụng của nhiệt luyện trong chế tạo cơ khí

4 Các y ếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện

5 Các ch ỉ tiêu đánh giá sau nhiệt luyện

6 Phân lo ại nhiệt luyện

7 Ứng dụng

NHI ỆT LUYỆN THÉP

II CÁC PH ƯƠNG PHÁP NHIỆT LUYỆN CƠ BẢN

(CÁC CÔNG NGH Ệ CƠ BẢN TRONG XỬ LÍ NHIỆT THÉP)

NHI ỆT LUYỆN THÉP

rồi sau đó làm nguội với tốc độ quy định  để làm thay đổi tổ

chức, do đó nhận được cơ tính và tính chất khác theo ý muốn

I KHÁI NI ỆM VỀ NHIỆT LUYỆN

I KHÁI NI ỆM VỀ NHIỆT LUYỆN

2 Đặc điểm:

I KHÁI NI ỆM VỀ NHIỆT LUYỆN

3 Tác d ụng của nhiệt luyện trong chế tạo cơ khí

a Làm t ăng độ cứng, độ bền và tính chống mài mòn của thép

 Phát huy tri ệt để các tiềm năng của vật liệu về cơ tính: bền hơn, cứng

h ơn mà vẫn đảm bảo về độ dẻo, độ dai  do đó giảm nhẹ kết cấu, tăng tuổi

th ọ…(độ bền, đô cứng tăng lên 3-6 lần, tăng khả năng làm việc và chống mài mòn c ủa chi tiết máy.).

b C ải thiện tính công nghệ:

 Để phù hợp với điều kiện gia công: cần đủ mềm để dễ cắt, cần dẻo để dễ

bi ến dạng

 Ph ương pháp nhiệt luyện thường là ủ và thường hóa (được gọi là nhiệt luy ện sơ bộ).

I KHÁI NI ỆM VỀ NHIỆT LUYỆN

4 Các y ếu tố đặc trưng cho nhiệt

luy ện:

Quá trình nhiệt luyện được đặc

trưng bằng ba thông số quan trọng

sau đây:

 Nhi ệt độ nung nóng T n :

Nhi ệt độ cao nhất mà quá trình

ph ải đạt đến.

 Th ời gian giữ nhiệt τ gn :

Th ời gian cần thiết duy trì kim loại

ở nhiệt nung.

 T ốc độ nguội V ngu ội :

Là độ giảm nhiệt độ sau thời gian

gi ữ nhiệt S ơ đồ quá trình nhiệt luyện đơn giản

I KHÁI NI ỆM VỀ NHIỆT LUYỆN

 Độ cứng: là ch ỉ tiêu quan trọng qua đó biết được độ bền, độ dẻo,độ dai (ki ểm tra100% sản phẩm).

 T ổ chức tế vi: bao g ồm cấu tạo pha, kích thước hạt, chiếu sâu lớp hóa

bền,các vết nứt….là chỉ tiêu gốc, cơ bản nhất.(kiểm tra theo định kỳ và tỉ lệ vì

m ất thời gian).

 Độ cong vênh, biến dạng, nứt: ( ph ạm vi cho phép)

T ổ chức tế vi Đo độ cứng Độ cong vênh

I KHÁI NI ỆM VỀ NHIỆT LUYỆN

6 Phân lo ại nhiệt luyện

6 Phân lo ại nhiệt luyện

1.Nhi ệt luyện cơ bản: Thường gặp nhất, chỉ có tác động nhiệt làm

biến đổi tổ chức và tính chất gồm nhiều phương pháp: Ủ, Thường hóa, Tôi, Ram

2.Hóa-nhi ệt luyện: Nhiệt luyện có kèm theo thay đổi thành phần hóa học ở bề mặt rồi nhiệt luyện tiếp theo để cải thiện hơn nữa tính

chất của vât liệu: Thấm đơn hoặc đa nguyên tố: C, N,

3.C ơ -nhiệt luyện: Là biến dạng dẻo thép ở trạng thái γ sau đó tôi và ram để nhận được tổ chức M nhỏ mịn có cơ tính tổng hợp cao nhất,

thường ở xưởng cán nóng thép, luyện kim

I KHÁI NI ỆM VỀ NHIỆT LUYỆN

PHÂN LO ẠI NHIỆT LUYỆN

I KHÁI NI ỆM VỀ NHIỆT LUYỆN

7 Ứng dụng của nhiệt luyện

II CÁC PH ƯƠNG PHÁP NHIỆT LUYỆN CƠ BẢN

(CÁC CÔNG NGH Ệ CƠ BẢN TRONG XỬ LÍ NHIỆT THÉP)

1 CH Ế ĐỘ NHIỆT LUYỆN

B ảng giá trị hệ số k

1 CH Ế ĐỘ NHIỆT LUYỆN

B ảng giá trị hệ số nung nóng a

1 CH Ế ĐỘ NHIỆT LUYỆN

Trong th ực tế nhiệt luyện hay dùng các chế độ nung sau:

- Nung khi lò có nhi ệt độ không đổi Thường dùng cho thép

cacbon và thép hợp kim thấp, hình dáng chi tiết không phức tạp

Tốc độ nung khá lớn

- Nung trong lò có nhi ệt độ cao hơn nhiệt độ nung Tốc độ

nung cao hơn nên chỉ dùng cho thép cacbon thấp khi thấm cacbon, ủ

- Nung cùng lò Năng xuất thấp, tốc độ nung nhỏ

- Nung phân c ấp Tốc độ nung phụ thuộc thời gian phân cấp

Thường dùng cho thép hợp kim cao, hình dáng chi tiết phức tạp

1 CH Ế ĐỘ NHIỆT LUYỆN

Trong th ực tế nhiệt luyện hay dùng các chế độ nung sau:

 Tốc độ nung cho phép phụ thuộc vào hình dáng, kích thước chi tiết và thành phần của thép Khi hàm lượng Cacbon và nguyên tố hợp kim cao phải nung chậm lại Các chi tiết lớn, hình dáng phức tạp thường phải nung chậm với tốc độ nhỏ hơn 2-3 lần so với khả năng nung nóng của thiết bị

 Các khoảng nhiệt độ nguy hiểm khi nung đối với các chi tiết

lớn là 250oC-550oC, có thể gây nứt bên trong vì trong khoảng nhiệt độ này độ dẻo của thép kém Các nhiệt độ gần điểm tới

hạn cũng là các khoảng nhiệt độ nguy hiểm

1 CH Ế ĐỘ NHIỆT LUYỆN

Trong th ực tế nhiệt luyện hay dùng các chế độ nung sau:

 Thời gian giữ nhiệt tính bằng 1/4 -1/5 thời gian nâng nhiệt, hoặc tính theo chiều dày lớn nhất của thành chi tiết chất trong lò Với chiều dày thành lớn nhất của chi tiết dưới 200mm, cứ 25mm giữ nhiệt 1h

 Các d ạng lò nhiệt luyện thường dùng:

- Lò dùng nhiên liệu

- Lò điện

1 CH Ế ĐỘ NHIỆT LUYỆN

2 CÁC T Ổ CHỨC ĐẠT ĐƯỢC KHI NUNG NÓNG & LÀM NGU ỘI THÉP

2.1 Chuy ển biến khi nung nóng - sự tạo thành Austenit

2 CÁC T Ổ CHỨC ĐẠT ĐƯỢC KHI NUNG NÓNG & LÀM NGU ỘI THÉP

2.1 Chuy ển biến khi nung nóng - sự tạo thành Austenit

2 Các t ổ chức đạt được khi nung nóng & làm nguội thép

2.1 Chuy ển biến khi nung nóng - sự tạo thành Austenit

2 CÁC T Ổ CHỨC ĐẠT ĐƯỢC KHI NUNG NÓNG & LÀM NGU ỘI THÉP

2.1 Chuy ển biến khi nung nóng - sự tạo thành Austenit

2.2 M ục đích của giữ nhiệt

2.3 Các chuy ển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit

a) Chuy ển biến đẳng nhiệt Austenit qúa nguội (TTT) của thép cùng tích

Peclit Xoocbit

Trôxtit

Bainit

a)

2.3 Các chuy ển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit

THÉP:

Trước cùng tích sinh ra Ferit (alpha) Sau cùng tích sinh ra Xêmntit II Cùng tích => P=(alpha+xementit II)

2.3 Các chuy ển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit

b) S ự phân hóa γ khi làm nguội

liên t ục

2.3 Các chuy ển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit

2.3 Các chuy ển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit b)

b) S ự phân hóa γ khi làm nguội liên tục

2.3 Các chuy ển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit c)

c) Gi ản đồ TTT của thép khác cùng tích

2.3 Các chuy ển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit

Thuận lợi cho việc chọn phương pháp làm nguội (trong nước, trong dầu, ) dịch sang trái chỉ có thể chọn làm nguội bằng nước với vận tốc nhanh => nguy hiểm

2.4 Chuy ển biến khi nguội nhanh Austenit

A)

Thành ph ầ n C trong Mactenxit = tp C trong ausstenit?

- đ úng vì làm ngu ộ i nhanh, C ko k ị p khu ế ch tán

ra kh ỏ i m ạ ng tinh th ể C nhi ề u gây xô l ệ ch

m ạ ng tinh th ể => Mactenxit r ấ t c ứ ng

tới hạn nguội

Mactenxit > P>F>

độ cứng

=tgian/nhi ệ t độ

B)

C)

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

Giai đoạn I (<200 o C)

2.5 Chuy ển biến xảy ra khi nung thép đã tôi (khi ram)

Giai đoạn II (200-260 o C)

Giai đoạn III (200-400 o C)

2.5 Chuy ển biến xảy ra khi nung thép đã tôi (khi ram)

Giai đoạn IV (> 400 o C)

2.6 C ơ tính của thép sau nhiệt luyện tôi và ram

Tổ chức nhận được sau khi tôi và ram là Mram, Tram và Xram

bao giờ cũng cho các chỉ tiêu cơ tính tốt hơn tổ chức tương ứng

nhận được do sự phân hoá trực tiếp từ γ (Mtôi, Ttôi và Xtôi) Do

vậy, sự kết hợp giữa tôi và ram được ứng dung rộng rãi trong nhiệt luyện để tạo cho thép cơ tính cuối cùng phù hợp với điều

kiện làm việc

2.6.1 Gi ữa M tôi và M ram :

Có độ cứng không khác nhau nhiều lắm Độ cứng của Mram

nhỏ hơn độ cứng của Mtôi khoảng (1-2) HRC Kéo theo đó, độ

bền giảm xong độ dẻo và độ dai của Mram lớn hơn Mtôi

2.6 C ơ tính của thép sau nhiệt luyện tôi và ram

2.6.2 Gi ữa T tôi và T ram :

Với 2 tổ chức này cho thấy tổ chức được khi ram cho giới hạn đàn hồi cao nhất vì trong tổ chức này không có ứng suất dư vì hạt

Xe ở dạng hạt nhỏ Còn Ttôi tạo thành do  phân hoá trực tiếp nên

tạo ra Xe tấm Giới hạn đàn hồi của thép cao nhất đạt được khi ram ở khoảng 4000C

2.6.3 Gi ữa X tôi và X ram :

Với Xram có sự kết hợp giữa schảy và độ dẻo tốt vì do Xe ở

dạng hạt nên tổ chức này có độ dai cao do vậy chỉ tiêu cơ tính như

độ dai va đập (ak) cao Còn Xtôi thì Xe ở dạng tấm và là pha dòn nên ảnh hưởng xấu đến tính dẻo

Vậy, tổ chức Tram đáp ứng tốt nhất yêu cầu làm việc của các chi tiết đàn hồi còn Xram đáp ứng tốt các chi tiết chịu tải trọng tĩnh

và va đập

3 Ủ THÉP

3.1.2 M ục đích

- Làm gi ảm độ cứng của thép để phù hợp gia công cắt gọt.

- Làm t ăng độ dẻo để dễ gia công áp lực.

- Kh ử ứng suất bên trong sau các nguyên công gia công cơ khí, đúc, hàn.

- Làm đồng đều về nồng độ trong thép.

- Làm nh ỏ hạt thép.

3 Ủ THÉP

Ủ non và ủ kết tinh lại

3 Ủ THÉP

Peclit thành Austenit.

a Ủ thấp (ủ non): là phương pháp ủ tiến hành ở to: (200-600oC),

nhằm làm giảm hay khử ứng suất dư bên trong của vật đúc hay các

sản phẩm thép qua gia công áp lực

b Ủ kết tinh lại: Nhiệt độ ủ kết tinh lại cho các loại thép Carbon

là 600-700oC (thấp hơn Ac 1) Khử biến cứng sau biến dạng dẻo

 Khác với ủ thấp thì ủ kết tinh lại làm giảm độ cứng và thay đổi

kích thước hạt

3 Ủ THÉP

3.2.2 Ph ương pháp ủ có chuyển biến pha

- Là các phương pháp ủ có nhiệt độ cao hơn A 1, có xảy ra chuyển biến Peclit thành Austenit

3.2.2 Ph ương pháp ủ có chuyển biến pha

 Là phương pháp ủ phải nung nóng thép tới trạng thái hoàn toàn austenit, chỉ áp dụng cho thép trước cùng tích và cùng tích

3.2.2 Ph ương pháp ủ có chuyển biến pha

 Là ph ương pháp ủ nung nóng thép tới trạng thái chưa hoàn toàn

là Austenit (Ac1 <to< Acm) Áp d ụng cho thép sau cùng tích để làm

gi ảm độ cứng đến mức có thể cắt gọt được (< 220HB) Không áp dụng cho thép C<0.7% vì làm  độ dai.

Nhi ệt độ ủ t 0 = Ac 1 + (20-30) o C

Ủ không hoàn toàn

Nh ận được

t ổ chức Peclit h ạt

3.2.2 Ph ương pháp ủ có chuyển biến pha

 Ủ cầu hoá:

• Là m ột dạng đặc biệt của ủ không hoàn toàn: trong đó nhiệt độ

nung dao động tuần hoàn trên dưới Ac1 (760-770o C), r ồi làm nguội

xu ống 660-670 o C nhi ều lần sẽ bi ến Xe tấm thành Xe dạng đa

di ện (cầu, hạt).

• T: là 1 chu k ỳ, phải thực hiện số chu kỳ ≥ (2-3)T.

• Th ời gian giữ nhiệt khoảng 5 phút

 Ủ cầu hoá:

3.2.2 Ph ương pháp ủ có chuyển biến pha

 Là ph ương pháp nung nóng thép lên đến nhiệt độ rất cao 1150) 0 C và gi ữ nhiệt độ trong nhiều giờ (10-15h),  để làm tăng

(1000-khả năng khuếch tán, làm đồng đều thành phần hóa học trong toàn

bộ thể tích của thép Thường áp dụng cho thỏi đúc hợp kim cao

dẻo hoặc ủ hoàn toàn để làm nhỏ hạt

3.2.2 Ph ương pháp ủ có chuyển biến pha

d Ủ đẳng nhiệt

- Là cách nung thép t ới nhiệt độ ủ, giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh xu ống dưới Ac 1 kho ảng (50-100) o C tu ỳ theo yêu cầu

v ề tổ chức nhận được, giữ lâu nhiệt độ đó trong lò  để

Austenit phân hoá thành hỗn hợp Ferit- Xêmentit

3.2 Các ph ương pháp ủ

Ủ không hoàn toàn

T ổng kết lại:

4 TH ƯỜNG HÓA THÉP

4.1 Định nghĩa: Thường hóa là phương pháp nhiệt luyện bao

gồm nung nóng thép đến trạng thái hoàn toàn là Austenit (cao

hơn Ac3 hay A c m), giữ nhiệt rồi làm nguội trong không khí

tĩnh để Austenit phân hóa thành tổ chức gần ổn định.

Hình: Khoảng nhiệt độ ủ, tôi và thường hóa cho thép carbon

4 TH ƯỜNG HÓA THÉP

4.2 Nhi ệt độ thường hóa:

- Đối với thép trước cùng tích và cùng tích:

t 0th = Ac 3 + (20-30) o C.

- Đối với thép sau cùng tích:

t 0th = Ac cm + (20-30) O C

4.3 M ục đích:

- Thép có độ cứng cao hơn, độ dẻo thấp hơn so với ủ 

để phù hợp cho gia công cắt gọt.

- Làm nh ỏ hạt thép (do nguội nhanh hơn ủ)

- Làm m ất lưới XeII c ủa thép sau cùng tích vì cơ tính rất

x ấu.

5 TÔI THÉP

hơn nhiệt độ tới hạn (Ac1) để làm

xuất hiện Austenit, giữ nhiệt rồi làm

n g uội nhanh để biến nó thành

ổn định khác có độ cứng cao

* M ục đích:

- Tăng độ bền, tăng khả năng chịu tải

của chi tiết

- Nâng cao độ cứng và tình chống mài mòn (%C>0.4)

5 TÔI THÉP

2 Ch ọn nhiệt độ tôi thép

a Đối với thép Cacbon

độ này tất cả ferít hoà tan hết vào austenít, sau làm nguội sẽ không còn ferit dư nên có độ cứng đạt cao nhất

+ Tổ chức đạt được là sau tôi là M + γ dư + ƯS dư;

+ Tôi hoàn toàn;

+ T 0t = Ac 3 + (30÷50 0 C) tạo ra trạng thái hoàn toàn γ;

- Thép 0,2%C : AC 3 = 860 o C; T tôi = 890 ÷ 910 o C

- Thép 0,4%C : AC 3 = 820 o C; T tôi = 850 ÷ 870 o C

- Thép 0,8%C : AC 3 = 730 o C; T tôi = 760 ÷ 780 o C

 Đối với thép sau cùng tích (> 0,8%C)

+ T o

tôi = Ac1 + (30÷50 o C) để tạo ra trạng thái (γ + Xe II )

+ Tổ chức đạt được là sau tôi là M + Xe II + γ dư + ƯS dư;

+ Tôi không hoàn toàn?

N ếu tôi hoàn toàn và làm nguội nhanh sẽ đạt tổ chức máctenxít và austenít d ư, làm giảm độ cứng của thép tôi.

2 Ch ọn nhiệt độ tôi thép

b Đối với thép hợp kim

* Đối với thép hợp kim thấp (tổng lượng hợp kim ≤ 2,5%)

3 T ốc độ nguội tới hạn và độ thấm tôi

3 T ốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi

T ốc độ tôi tới hạn của thép càng nhỏ thì càng dễ tôi, t ức là không cần làm ngu ội nhanh cũng có thể đạt được tổ chứ Mactenxit

a T ốc độ nguội tới hạn

* Các y ếu tố ảnh hưởng tới tốc độ tôi tới hạn:

-A 1 = 727 oC và t0

m > 550 o C có giá tr ị tương đối cố định, song τ m thay đổi

r ất mạnh nó phụ thuộc vị trí của đường cong chữ "C" V ậy mọi yếu tố làm t ăng hay làm giảm tính ổn định của Austenit quá ngu ội đều làm

gi ảm hay tăng giá trị của V t.h

- Thành ph ần hợp kim của Austenit càng cao tính ổn định của Austenit quá

ngu ội càng lớn, Vt.h càng nh ỏ.

- S ự đồng nhất của Austenit: Austenit càng đồng nhất thì dễ biến thành

Mactenxit Khi Austenit càng không đồng nhất, ở những vùng giàu Cacbon

d ễ biến thành Xêmentit, những vùng nghèo Cacbon dễ biến thành Ferit Nâng cao nhi ệt độ tôi sẽ giúp hòa tan và đồng đều hóa Cacbon nâng cao tính đồng nhất của Austenit, làm giảm V t.h.

- Các ph ần tử rắn chưa tan hết vào Austenit thúc đẩy chuyển biến tạo thành

h ỗn hợp Ferit-Cacbit, làm tăng V t.h.

- Kích th ước hạt Austenit càng lớn, biên giới càng ít, càng khó chuyển biến

thành h ỗn hợp Ferit + Xêmentit, làm giảm V t.h.

 T ốc độ tôi & môi trường tôi

Đây là yếu tố quyết định đến kết quả tôi Cần phải căn cứ vào

từng loại thép, hình dáng chi tiết, mục đích yêu cầu đề ra mà

chọn môi trường tôi và tốc độ nguội sao cho thích hợp

Hình: Đường cong nguội lý tưởng khi tôi

  M

M k

- C họn vùng không được cắt đường cong chữ “C” Vn g

càng nhỏ càng tốt

- Môi trường tôi thường là nước, dầu, không khí…

 Làm nguội nhanh trong khoảng 500o C÷600 o C để Austenite (γ) không phân

h o á t h à n h f e r í t ( F ) v à Xêmentít (Xê) Muốn vậy

phải có Vng lớn hơn Vth để đạt được Máctenxít

 Làm nguội chậm trong

k h oảng t = 3 0 0o C ÷ 2 0 0 o C

n hằm giảm ứng suất khi chuyển biến, ít gây cong vênh

  M

M k

 T ốc độ tôi & môi trường tôi

MÔI TR ƯỜNG TÔI THÉP

Yêu c ầu với môi trường tôi:

- Môi tr ường tôi phải tạo được chuyển biến Mactenxit Muốn vậy, môi

tr ường tôi phải có khả năng làm nguội thép với tốc độ lớn hơn hay bằng tốc

độ tôi tới hạn Giảm được tốc độ chuyển biến để tránh biến dạng và ứng suất

d ư Làm nguội chậm thép ở trong khoảng nhiệt độ trên 600 o C và d ưới 500 o C đặc biệt là trong khoảng nhiệt độ chuyển biến Mactenxit (dưới 300 o C), t ốc

độ nguội càng chậm càng tốt vì chuyển biến này gây ra ứng suất tổ chức lớn Đạt được yêu cầu này sẽ đảm bảo thép tôi không bị nứt và ít cong vênh.

- Để thu được tổ chức Mactenxit và tránh tạo ứng suất dư ta cần chú ý là trong kho ảng 550-650 o C nên làm ngu ội nhanh và khoảng 200-300 o C c ần làm ngu ội chậm.

- Ngoài 2 yêu c ầu quan trọng bên trên, cần chú ý các yêu cầu khác đối với môi tr ường tôi như: dễ kiếm, sử dụng an toàn, không có tương tác hóa học, điện hóa, có độ bám vào bề mặt cao để môi trường tiếp xúc đều với chi tiết.

Yêu c ầu về môi trường tôi

1 N ƯỚC:

Đặc điểm:

+ Là môi trường tôi dễ kiếm, rẻ tiền và an toàn

+ Có tốc độ nguội nhanh

+ Dễ phá áo hơi và độ linh động cao

+ Dễ gây nứt, cong vênh do tốc độ nguội ở vùng chuyển biến Matenxit lớn