Giáo Trình Vật Liệu Kim Loại (BKHN) CHương 4,5,6 Nhiệt luyện

Giáo trình sử dụng trong giảng dạy ở trường ĐHBK Hà Nội . Kiến thức đầy đủ , giáo trình dễ đọc dễ hiểu . Phục vụ các các bạn tự học tại nhà . Tài liệu quan trọng cho các bạn ngành kỹ thuật ( công nghệ chế tạo máy )

Chương 4: NHIỆT LUYỆN THÉP

4.1 Khái niệm về nhiệt luyện thép

Ø Nhiệt luyện là gì à là công nghệ nung nóng kim loại, hợp kim đến

nhiệt độ xác định, giữ nhiệt và làm nguội với tốc

độ thích hợp

Ø Mục đích: à làm biến đổi tổ chức à biến đổi cơ tính của vật liệu

theo hướng mong muốn của con người

Ø Đặc điểm của nhiệt luyện:

- Không làm thay đổi hình hoặc thay đổi không đáng kể dạng kích

thước chi tiết

- Chi tiết vẫn ở trạng thái rắn

- Chi tiết sau nhiệt luyện phải được đánh giá qua tổ chức tế vi và cơ

tính

Sơ đồ quy trình nhiệt luyện đơn giản nhất

à nhiệt độ cao nhất mà quá trình cần đạt đến

t o n

§ Nhiệt độ nung nóng

(t 0

n )

tgn

§ Thời gian giữ nhiệt (tgn )

à thời gian ngưng ở nhiệt độ nung nóng

V ng

§ Tốc độ nguội (V ng )

à tốc độ làm nguội chi tiết sau khi giữ nhiệt

4.1 Khái niệm về nhiệt luyện thép

4.1.2 Các chỉ tiêu đánh giá kết quả nhiệt luyện

1 Tổ chức tế vi

- cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu

lớp hoá bền…

Ảnh tổ chức của thép với sự phân

tán xêmentit trên nền ferit

Xê

F

2 Độ cứng

à biết giá trị độ cứng à ước lượng các

chỉ tiêu cơ tính khác: độ dẻo, độ dai, độ

bền

3 Độ cong vênh, biến dạng chi tiết

4.1 Khái niệm về nhiệt luyện thép

4.2 Phân loại nhiệt luyện thép

Chủ yếu đáp ứng cơ tính cho gia công chi tiết: cắt gọt (cần mềm) hoặc GCAL ( cần dẻo)

Gồm: Các loại ủ, thường hóa…

1 Nhiệt luyện sơ bộ

2 Nhiệt luyện kết thúc

Chủ yếu đáp ứng cơ tính làm việc của chi tiết: VD cần độ cứng cao, chịu mài mòn hay chịu va đập….

Gồm: Tôi + ram…

3 Hoá - Nhiệt luyện:

à dựa vào nhiệt độ để làm biến đổi thành phần hoá học vùng bề mặt chi tiết à nhiệt luyện để đạt được cơ tính như mong muốn

- thấm đơn nguyên tố: thấm C, N, Cr……

- thấm đa nguyên tố: thấm C-N,…

4 Cơ - Nhiệt luyện:

à dựa vào sự biến đổi nhiệt độ + kết hợp biến dạng dẻo à biến đổi tổ chức

4.2 Phân loại nhiệt luyện thép

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-Fe 3 C

Nung chậm ®Chuyển biến cơ bản: P à Austenit

Thép tct: T³A3® P+F ® Austennit

Thép sct: T³Am ® P+Xe II® Austennit

Nhận xét:

- Mọi loại thép sau khi nung lên trên đường GSE (GDP Fe-Fe3C)

à một pha duy nhất Austennit

- Các mác thép khác nhau sẽ nhận được các tổ chức As khác nhau với %C như trong mác thép ban đầu

VD: Thép ct : T³A1 P ® Austennit » Feg(C) 0,8%C

2 Đặc điểm của chuyển biến P à 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

à Vn nung càng nhanh thì nhiệt độ chuyển biến càng cao và thời gian chuyển biến càng ngắn

4.3 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng

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

3 Kích thước hạt Austenit:

Đặc điểm cơ chế của chuyển biến P à Austenit:

Chuyển pha ở trạng thái rắn theo cơ chế:

- Tạo mầm (mầm được tạo trên biên giới pha giữa F và Xe)

- Phát triển mầm ( giống quá trình kết tinh)

Kích thước hạt A phụ thuộc: Ban đầu hạt nhỏ (do biên giới F và

Xe nhiều (tận dụng yếu tố này)

Sản phẩm chuyển biến từ hạt nhỏ sẽ có hạt nhỏ ® cơ tính cao

A

Hạt P ban đầu A mới hình thành

4.3 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng

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

4.4 Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt

- Làm đồng đều nhiệt độ trên toàn tiết diện

- Đủ thời gian để hoàn thành các chuyển biến xảy ra khi nung nóng

- Làm đồng đều thành phần hoá học trên toàn bộ Austenit

Như vậy cần:

Giải thích:

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

- Chọn T đúng; thời gian giữ nhiệt đủ à hạt nhỏ

4.5 Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit

Xác định thành phần tổ chức cuối cùng của

các trường hợp sau:

Austenit quá nguội

4.5.2 Sự phân hoá As khi làm nguội chậm liên tục

4.5 Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit

Ø 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 nhất

trên tiết diện do bên ngoài nguội nhanh, bên trong nguội

chậm 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

4.5.2 Sự phân hoá As khi làm nguội chậm liên tục

4.5 Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit

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

- Khi làm nguội đẳng nhiệt

với độ quá nguội nhỏ (hay

4.5.4 Các công nghệ nhiệt luyện sơ bộ

Ø 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.

Ø Các công nghệ tương ứng: Ủ và Thường hóa

Ø Tạo cơ tính đáp ứng yêu cầu gia công tạo hình chi tiết (cắt gọt, GCAL….)

4.5 Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit

- Khử bỏ ứng suất bên trong sinh ra trong quá trình GC

- Làm đồng đều thành phần hóa học trong toàn bộ chi tiết (ủ khuếch tán)

- Làm nhỏ hạt

4.5.4 Các công nghệ nhiệt luyện sơ bộ

4.5 Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit

b Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha

T<7270 C, không có chuyển biến Pà As b.1 Ủ khử ứng suất (200-600 0 C): à làm giảm hoặc

khử bỏ ứng suất bên trong chi tiết (sau đúc, gia công cơ)

§ 200-4000C Khử một phần ưs

§ 400-6000C Khử hoàn toàn ứs Đặc điểm: độ cứng không giảm

b.2 Ủ kết tinh lại (600-7000C cho thép C):

§ Phục hồi tính dẻo cho chi tiết qua BD

§ Nhiệt độ: TKTL = (0,7-0,75) T s

§ Đặc điểm: độ bền cứng giảm, độ dẻo tăng

4.5.4 Các công nghệ nhiệt luyện sơ bộ

4.5 Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit

4.5.4.1 Ủ thép

c Các phương pháp ủ chuyển biến pha

4.5.4 Các công nghệ nhiệt luyện sơ bộ

4.5 Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit

4.5.4.1 Ủ thép

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

Ac 1

Ac 3

c Các phương pháp ủ chuyển biến pha

4.5.4 Các công nghệ nhiệt luyện sơ bộ

4.5 Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit

4.5.4.1 Ủ thép

§ Nhiệt độ nung –giữ dao động quanh A1

c Các phương pháp ủ chuyển biến pha

4.5.4 Các công nghệ nhiệt luyện sơ bộ

4.5 Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit

4.5.4.1 Ủ thép

4.5.4.2 Thường hóa thép

a Thường hóa là gì?

à Nung nóng (đạt hoàn toàn As) + giữ nhiệt + nguội trong không khí tĩnh à nhận tổ chức gần ổn định (P hay X), độ cứng thấp (cao hơn ủ)

b Cách lựa chọn nhiệt độ

- Thép trước cùng tích: T th = A c3 + (30-50 0 C)

- Thép sau cùng tích: T th = A cm + (30-50 0 C)

c Mục đích

- Đạt độ cứng thích hợp cho gia công cắt ( %C ≤ 0.25)

- Làm nhỏ hạt Xe trước khi nhiệt luyện kết thúc

- Làm mất lưới XeII trong thép sau cùng tích

4.5.4 Các công nghệ nhiệt luyện sơ bộ

4.5 Các chuyển biến xảy ra khi nguội chậm Austenit

4.6 Các chuyển biến xảy ra khi nguội nhanh Austenit:

Tôi - Chuyển biến Mactenxit

Austenit quá nguội

- Cacbon sẽ nằm trong các lỗ hổng 8 mặt

- Mactenxit là có độ cứng cao do mức độ gây xô lệch mạng lớn

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, Mf phụ thuộc vào:

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

càng thấp

• Lượng As dư phụ thuộc vào:

- Mf à càng âm à As càng nhiềuàsau tôi không đạt được độ cứng max

- Nguyên nhân khác: VM >VAs® khi chuyển biến V

tăng, phần As chưa chuyển biến chịu sức ép ngày

càng tăng đến mức không chuyển biến được

4.6.2 Các đặc điểm của chuyển biến Mactenxit

4.6 Các chuyển biến xảy ra khi nguội nhanh Austenit: Tôi - Chuyển biến Mactenxit

- Xô lệch mạng lớn, mạng không có khả năng BD dẻo

- Tồn tại ứng suất bên trong lớn ( ưs nhiệt+tổ chức)

Phụ thuộc:

- Kim M càng nhỏ mịnà giòn càng thấp (àkhi nung As c

ần nhỏ mịn)

- Ưs bên trong càng nhỏ àcàng ít giòn

à thép hạt nhỏ, đúng nhiệt độ tôi, phương pháp tôi

thích hợp

4.6 Các chuyển biến xảy ra khi nguội nhanh Austenit:

Tôi - Chuyển biến Mactenxit

ØNguội nhanh, liên tục ® hệ không cân bằng ® năng lượng

tự do của hệ lớn

® cơ $nh tương ứng: độ cứng cao, độ dẻo thấp.

Ø Các công nghệ tương ứng: Tôi

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

– độ cứng cao

4.6 Các chuyển biến xảy ra khi nguội nhanh Austenit: Tôi - Chuyển biến Mactenxit

4.6.4.1 Tôi thép

Ø Đ/n: Nung nóng + giữ nhiệt + nguội nhanh à nhận

tổ chức M không ổn định với độ cứng cao

§ Thép hợp kim: %HK thấp à dựa theo thép C

%HK cao à tra sổ tay NL

4.6.4 Các công nghệ tôi thép

4.6 Các chuyển biến xảy ra khi nguội nhanh Austenit: Tôi - Chuyển biến Mactenxit

ü Thép TCTàtôi hoàn toàn? Tổ chức nhận

a Tốc độ tôi tới hạn

§ Là tốc độ nguội nhỏ nhất gây nên chuyển

biến As àM

§ Các yếu tố ảnh hưởng:

• Thành phần nguyên tố hợp kim trong As tru

ớc khi tôi (vị trí của đường “C”)

• Sự đồng nhất của As (VD: các phần tử rắn

chưa hoà tan vào As).

4.6.4 Các công nghệ tôi thép

4.6 Các chuyển biến xảy ra khi nguội nhanh Austenit: Tôi - Chuyển biến Mactenxit

b Độ thấm tôi:

à là chiều sâu lớp tôi cứng có tổ chức M Các yếu tố ảnh hưởng: - tốc độ nguội tới hạn.

- tốc độ nguội chi tiết.

Vng < Vth à chi tiêt không được tôi

Vlõi > Vth à chi tiết được tôi thấu

4.6.4.2 Cách chọn môi trường tôi

4.6.4 Các công nghệ tôi thép

4.6 Các chuyển biến xảy ra khi nguội nhanh Austenit: Tôi

- Chuyển biến Mactenxit

c Yêu cầu với môi trường tôi:

§ Chi tiết sau tôi phải đạt tổ chức M

§ Chi tiết không bị cong vênh, nứt

Ø Đường cong nguội lý tưởng:

§ 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 à tránh ứng suất nhiệt cho chi tiết

4.6.4 Các công nghệ tôi thép

4.6 Các chuyển biến xảy ra khi nguội nhanh

Austenit: Tôi - Chuyển biến Mactenxit

Ø Các môi trường tôi thông dụng:

nguộiànước 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

4.6.4 Các công nghệ tôi thép

4.6 Các chuyển biến xảy ra khi nguội nhanh

Austenit: Tôi - Chuyển biến Mactenxit

§ Dầu:

-Làm nguội chậm ở cả 2 khoảng nhiệt độ trên

- Dầu nóng và nguội khả năng tôi giống nhauàdùng

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

Chú ý: Dầu thông thường Tcháy=1500Càphải 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)

Ø Các môi trường tôi thông dụng:

4.6.4 Các công nghệ tôi thép

4.6 Các chuyển biến xảy ra khi nguội nhanh

Austenit: Tôi - Chuyển biến Mactenxit

§ Các môi trường tôi khác

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

- Môi trường tôi Polyme

- Môi trường tôi của lò chân không : Nitơ lỏng

Ø Các môi trường tôi thông dụng:

4.6.4 Các công nghệ tôi thép

4.6 Các chuyển biến xảy ra khi nguội nhanh

Austenit: Tôi - Chuyển biến Mactenxit

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

4.6 Các chuyển biến xảy ra khi nguội nhanh Austenit: Tôi

- Chuyển biến Mactenxit

- Giai đoạn đầu:

nguội nhanh trong

môi trường tôi

mạnh hơn (nước,

dung dịch muối…)

- Giai đoạn sau:

làm nguội trong môi

trường yếu hơn

(dầu…)

4.6.4.3 Các phương pháp tôi thể tích

4.6.4 Các công nghệ tôi thép

4.6 Các chuyển biến xảy ra khi nguội nhanh Austenit: Tôi

- Chuyển biến Mactenxit

4.6 Các chuyển biến xảy ra khi nguội nhanh Austenit: Tôi

- Chuyển biến Mactenxit

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)

M à dd rắn a quá bh g® không tồn tại ở T thường

® chuyển biến

Mactenxit: Fea(C) à Fe3C + Fea

Austenit: Feg(C) à Fe3C + Fea

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

à 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 cứng chung tăng lên®hiện tượng độ cứng thứ 2

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

4.7 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép sau tôi Ram thép

-M tôi M ram

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

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

4.7 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép sau tôi Ram thép

-Ø Giai đoạn III ( 260- 4000C):

à hỗn hợp Feα và Xe nhỏ mịn phân tán à Trôxtit Ram

Tổ chức hai pha Cacbit e và M ram đồng thời chuyển

biến:

Fea(C)0,15-0,2 à Fea + Fe3C (dạng hạt)

Fe2,0-2,4(C) à Fe3C (dạng hạt)

Đặc điểm của Trôxtit Ram:

- Độ cứng giảm đi so với M ram (~45HRC)

- Tăng mạnh tính đàn hồi σđh=max

- Không còn ứng suất bên trong vật liệu

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

4.7 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép sau tôi

-Ram thép

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

4.7 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép sau tôi Ram thép

-4.7.3 Công nghệ Ram thép

® Nung nóng thép sau tôi đến nhiệt độ xác định (< A1) + giữ nhiệt àlàm nguội ngoài không khí

® Là nguyên công bắt buộc sau khi tôi

4.7.3.1 Mục đích của ram

Ø Giảm hoặc khử bỏ hoàn toàn ứng suất bên trong chi tiết sinh ra sau tôi, tránh chi tiết bị giòn

Ø Điều chỉnh cơ tính cho phù hợp với yêu cầu riêng

của từng chi tiết

4.7 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép sau tôi - Ram thép

4.7.3.2 Các phương pháp ram

a Ram thấp (150-250 0 C)

- Tổ chức sau ram: M ram (chủ yếu)

- Độ cứng giảm bớt (1-2HRC) so với M tôi (với thép HK cao ® độ cứng có thể tăng do As dư chuyển biến )

- Dẻo dai cao hơn, ưs giảm

® ứng dụng cho các dụng cụ cắt và ct máy chịu mài mòn……

4.7.3 Công nghệ Ram thép

4.7 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép sau tôi Ram thép

-b Ram trung bình (300-450 0 C):

- Áp dụng với thép có 0,55-0,65%C

- Tổ chức sau ram: Truxtit ram

- Độ cứng giảm rõ rệt (40-45HRC) so với M tôi, σ đàn hồi đạt giá trị lớn nhất (σđh= max)

- Khử bỏ hoàn toàn được ứng suất bên trong

- Ứng dụng cho các chi tiết làm việc cần độ cứng tương đối cao và

độ đàn hồi cao: lò xo, nhíp, khuôn rèn, dập nóng……

4.7.3.2 Các phương pháp ram

4.7.3 Công nghệ Ram thép

4.7 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép sau tôi Ram thép

-b Ram trung bình (300-450 0 C):

4.7.3.2 Các phương pháp ram

4.7.3 Công nghệ Ram thép

4.7 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép sau tôi Ram thép

-c Ram cao (500-650 0 C)

- Tổ chức sau ram: Xoocbit ram

- Độ cứng giảm mạnh (15-25HRC) , độ dẻo độ dai tăng mạnh

- Ứng dụng cho các CTM chịu va đập: trục, bánh răng…

4.7.3.2 Các phương pháp ram

4.7.3 Công nghệ Ram thép

4.7 Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép sau tôi Ram thép

-4.8 Các khuyết tật khi nhiệt luyện thép

4.8.1 Biến dạng và nứt

Nguyên nhân: sinh ra do ưs ( ưs nhiệt + ưs tổ chức)

ƯS >σbànứt àhỏng, không khắc phục được

ƯS >σch àcong vênhànắn, sửa

Phòng tránh:

- tốc độ nung hợp lý

- làm nguội hợp lý, theo đúng các quy tắc: nhúng thẳng đứng,phần dày của chi tiết xuống trước, mỏng sau

- có thể ép các vật mỏng trong khuôn trước khi tôi

- tận dụng tôi phân cấp

Khắc phục: biến dạng vừa phải có thể mang nắn

nguội