NHIỆT LUYỆN – hóa NHIỆT LUYỆN 78 (Cơ học ứng dụng)

CHƯƠNG 4. NHIỆT LUYỆN – HÓA NHIỆT LUYỆN
4.1. Nhiệt luyện thép
4.2. Nhiệt luyện gang
4.3. Hóa bền bề mặt thép

CHƯƠNG 4. NHIỆT LUYỆN – HÓA NHIỆT LUYỆN
Nhiệt luyện thép chiếm địa vị chủ yếu trong nhiệt luyện nói chung và là
một khâu quan trọng, không thể thiếu được trong chế tạo cơ khí, sở dĩ như vậy
vì thép là vật liệu thông dụng nhất được sử dụng chủ yếu và quan trọng nhất
trong số các kim loại đồng thời có thể áp dụng nhiều phương pháp nhiệt luyện
khác nhau để cải biến cơ tính và tính cơng nghệ của nó khi nung nóng và làm
nguội tiếp theo, đó chính là q trình nhiệt luyện và cũng được nhiệt luyện
nhiều nhất.
* Tác dụng của nhiệt luyện là ở 2 điểm sau:
- Làm tăng độ bền, độ cứng, tính chống mài mịn của chi tiết bằng thép (gang),
sẽ kéo dài tuổi thọ, tăng sức chịu tải, giảm kích thước cho chi tiết và kết cấu
máy mà vẫn bảo đảm yêu cầu về độ dẻo và độ dai. Do vậy có thể làm cho chi
tiết chịu được tải trọng lớn hơn hoặc có thể làm nhỏ, gọn hơn, sử dụng được
bền, lâu hỏng hơn.
Trong thực tế sản xuất cơ khí thấy rõ tác dụng này. Nhiều loại thép sau khi nhiệt
luyện bằng cách tôi + ram độ bền, độ cứng tăng lên 2 - 3 lần (tuy độ dẻo dai có
giảm) rất có lợi trong việc hoá bền các chi tiết này, các chi tiết máy chịu ma sát
như bánh răng, trục ... Nếu khơng hố bền bằng nhiệt luyện rất chóng mịn,
hỏng (thời hạn làm việc giảm đi từ hàng chục đến hàng trăm lần). Đối với dao
cắt, khuôn rập tác dụng này của nhiệt luyện lại càng có ý nghĩa quyết định. Các
sản phẩm này nếu khơng qua tơi và ram thì không thể làm việc được. Một trong
những yếu tố quan trọng quyết định chất lượng các sản phẩm cơ khí là trình độ
của nhiệt luyện.
- Cải thiện tính cơng nghệ
Ngồi tác dụng hố bền kể trên, nhiệt luyện cịn có khả năng cải thiện tính cơng
nghệ. Khi thành hình sản phẩm khơng thể khơng chú ý đến tính thích ứng của

thép đối với các phương pháp gia công khác nhau: đúc, rèn hàn, cắt, gọt ... Cải
thiện các tính cơng nghệ đó làm q trình gia cơng chế tạo được thuận lợi và có
thể tiến hành với năng suất cao hơn, góp phần nâng cao suất lao động. Trong
chế tạo cơ khí thường gặp hiện tượng sau khi rèn, thép bị biến cứng một phần
rất khó (có trường hợp khơng thể cắt gọt, trong trường hợp này phải tiến hành
nhiệt luyện bằng phương pháp thích hợp (ủ) độ cứng giảm đi, cắt gọt trở nên dễ
dàng. Đối với thép cacbon thấp, độ cứng của nó ở trạng thái ủ quá thấp cũng
khó cắt gọt phải tiến hành thường hố tăng thêm độ cứng để đảm bảo cắt gọt
dễ. Áp dụng các phương pháp nhiệt luyện thích hợp giữa các khâu gia cơng cơ
khí là một trong những biện pháp nâng cao năng suất lao động trong ngành cơ
khí (nhờ nâng cao tốc độ cắt gọt, khả năng rập sâu ...)

1


Do đó tác dụng quan trọng như vậy nên hầu hết các chi tiết quan trọng các máy
đều được qua nhiệt luyện. Ví dụ chi tiết qua nhiệt luyện trong ô tô - máy kéo
chiếm (70 - 80)% trong máy công cụ (60 - 70)%, tất cả các dụng cụ đều phải
nhiệt luyện.

4.1. Nhiệt luyện thép
4.1.1. Khái niệm về nhiệt luyện:
4.1.1.1.Định nghĩa:
Nhiệt luyện là phương pháp gia công kim loại bằng cách nung nóng kim
loại và hợp kim tới một nhiệt độ xác định, giữ nhiệt tại đó một thời gian thích
hợp sau đó làm nguội với tốc độ nguội xác định để thu được sản phẩm có tổ
chức và cơ tính theo yêu cầu.
0C
Nhiệt độ nung

tgϕ =

dT
= Tốc độ nguội
dτ

(thời gian)

Thời gian giữ nhiệt

Hình 4.1. Đồ thị cơng nghệ tổng quát của nhiệt luyện
Đặc điểm của nhiệt luyện :
- Nhiệt luyện là phương pháp gia công không làm thay đổi hình dáng,
kích thước của sản phẩm mà chỉ thay đổi tổ chức của kim loại dẫn đến thay
đổi cơ tính của sản phẩm.
- Mối quan hệ giữa các yếu tố cơng nghệ và cơ tính của sản phẩm là
mối quan hệ nhân quả.
- Khơng nung nóng đến chảy lỏng hay chảy lỏng bộ phận, trong quá
trình nhiệt luyện kim loại vẫn ở trạng thái rắn.
- Được sử dụng cả trong giai đoạn tạo phôi và giai đoạn gia công kết
thúc.
Phạm vi áp dụng: trong tất cả các nhà máy cơ khí, khoảng 90% các chi
tiết phải qua nhiệt luyện.
4..1.1.2. Phân loại nhiệt luyện:
2


Người ta phân các phương pháp nhiệt luyện chủ yếu của thép ra làm hai
nhóm lớn: Nhiệt luyện sơ bộ và nhiệt luyện kết thúc.
- Nhiệt luyện sơ bộ là Phương pháp nhiệt luyện tiến hành trước khi gia công cơ

khí, khi chi tiết là bán thành phẩm. Thuộc nhóm này có ủ và thường hóa.
- Nhiệt luyện kết thúc : là các phương pháp nhiệt luyện được thực hiện sau khi
gia cơng cơ khí, khi chi tiết đã là thành phẩm. Sau khi nhiệt luyện xong khơng
cịn gia cơng cơ khí tiếp theo nữa. Thuộc nhóm này có Tơi và ram. Đối với thép
các bon thấp thì ủ và thường hóa là nhiệt luyện kết thúc.
4.1.1.3. Các thơng số của quá trình nhiệt luyện
Bất kỳ một quá trình nhiệt luyện nào cũng được đặc trưng bởi b ao gồm ba
thông số cơ bản sau:
- Nhiệt độ nung (t no) : là nhiệt độ lớn nhất mà quá trình nhiệt luyện phải đạt
tới và giữ tại đó một khoảng thời gian xác định.
Vai trị: quyết định sự hình thành tổ chức kim loại ban đầu do đó quyết định
chất lượng và cấu trúc của tổ chức sau nhiệt luyện.
- Thời gian giữ nhiệt ( τgn): là khoảng thời gian giữ sản phẩm ở nhiệt độ nung
nóng.
Vai trị: quyết định sự đồng đều hố về mặt tổ chức trong tồn bộ thể tích của
sản phẩm ở nhiệt độ cao, qua đó đạt được sự đồng đều về cơ tính của sản
phẩm.
Thời gian giữ nhiệt phụ thuộc vào khối lượng, kích thước và bản chất của vật
liệu sản phẩm.
- Tốc độ nguội (V nguội): là tốc độ giảm nhiệt độ của sản phẩm sau khi giữ
nhiệt.
Vai trị: quyết định sự hình thành các tổ chức khác nhau của sản phẩm sau
nhiệt luyện và tạo ra tổ chức hạt phù hợp.
Tốc độ nguội phụ thuộc vào mục đích của nhiệt luyện và bản chất của vật liệu
sản phẩm.
Ngồi ba thơng số trên tốc độ nung nóng cũng có ảnh hưởng đến kết quả nhiệt
luyện nhưng khơng đáng kể nên ta bỏ qua nó. Kết quả của một quá trình nhiệt
luyện được đánh giá bằng các chỉ tiêu sau:
+ Độ cứng: là yêu cầu quan trọng nhất và dễ dàng xác định được, nó liên
quan đến các chỉ tiêu khác như độ bền, độ dẻo, độ dai...Chi tiết khi nhiệt

luyện đều có yêu cầu đạt giá trị nhất định về độ cứng và phải được kiểm tra
theo tỷ lệ quy định.
+ Tổ chức tế vi: Cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hóa bền... Chỉ tiêu
này thường được kiểm tra theo từng mẻ nhiệt luyện.
+ Độ biến dạng, cong vênh: nói chung độ biến dạng, cong vênh khi nhiệt
luyện thường rất nhỏ và nằm trong giới hạn cho phép. Tuy nhiên trong một số
trường hợp yêu cầu rất khắt khe, cần phải kiểm tra chúng.
4.1.1.4. Sơ lược về nhiệt luyện thép:
Trong thực tế có những phương pháp nhiệt luyện chủ yếu sau đây.
Ủ: là phương pháp nung nóng đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt và làm nguội
chậm để nhận được tổ chức gần với trạng thái cân bằng có độ cứng, độ bền
thấp nhất, độ dẻo cao nhất.
3


Thường hóa: là phương pháp nung nóng đến tổ chức hồn tồn austenit, giữ
nhiệt và làm nguội ngồi khơng khí tĩnh để nhận được tổ chức gần với trạng
thái cân bằng.
Tơi: là phương pháp nung nóng đến cao hơn nhiệt độ tới hạn, làm xuất hiện tổ
chức austenit giữ nhiệt và làm nguội nhanh để nhận được tổ chức không cần
bằng có độ cứng cao nhất.
Ram: là phương pháp nung nóng thép đã tơi đến thấp hơn nhiệt độ tới hạn,
giữ nhiệt và làm nguội để diều chỉnh các chỉ tiêu cơ tính (độ bền, độ cứng...)
đạt yêu cầu làm việc.
Hóa nhiệt luyện: Là phương pháp bão hịa vào bề mặt chi tiết các nguyên tố
đã cho ở nhiệt độ xác định để làm biến đổi thành phần hóa học, tổ chức và cơ
tính.
Cơ nhiệt luyện: Là phương pháp kết hợp q trình hóa bền bằng nhiệt luyện
và biến dạng dẻo đồng thời trong một ngun cơng. Do đó nhận được hóa bề
mạnh hơn rất nhiều khi nhiệt luyện đơn thuần.

4.1.2. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép
4.1.2.1. Đặc điểm chuyển biến pha thể rắn
Mơ hình: có sự xuất hiện một pha mới trong lòng pha ban đầu (pha mẹ)
nhưng sự thay đổi thể tích của vật thể coi như khơng đáng kể nên coi là q trình
đẳng tích.
Sự thay đổi năng lượng tự do của hệ khi xuất hiện pha mới:
ÄF = - ÄFv + ÄFBM + ÄFđh
Trong đó:
ÄF: Thay đổi năng lượng tự do đẳng tích
ÄFv: Năng lượng tiêu tốn để tạo ra thể tích pha mới
ÄFBM: Năng lượng bề mặt của pha mới được tạo ra
ÄFđh: Năng lượng đàn hồi do sự chèn ép giữa hai pha rắn.
Sự thay đổi năng lượng tự do lớn hơn dẫn đến quá trình chuyển biến xảy ra
chậm hơn so với q trình kết tinh, vì vậy địi hỏi độ quá nung ∆T lớn hơn.
Như vậy, nghiên cứu tạo mầm và lớn lên của mầm pha mới tương tự quá trình
kết tinh và thu được hai đại lượng:
- Tốc độ tạo mầm N (T-1)
- Tốc độ phát triển mầm v (LT-1, L2T-1, L3T-1)
N, v
N
v
Biểu diễn khi nung
v

N
ÄT

4

Hình 4.2. Ảnh hưởng của AT tới N và v
Trên đồ thị ta thấy tồn tại đoạn giảm của N và v theo ÄT, điều này được giải
thích nhờ sự tương tác của hai qúa trình là toả năng lượng và khuếch tán do đó
quy luật này chỉ đúng khi làm nguội. Khi nung sự phụ thuộc của N và v vào độ
quá nhiệt ÄT không tồn tại đoạn giảm của N và v. Do khi ÄT tăng thì ÄF v tăng
và hệ số khuếch tán Do cũng tăng và dẫn đến N và v chỉ tăng.
Công thức xác định lượng pha mới được hình thành (phương trình Jhonson Mehl)
V*
 π

= 1 − exp  − Nv3 τ 4 
V
 3
 (4.1)

Trong đó:
V*: Thể tích pha mới được tạo thành
V: Thể tích ban đầu
N: Tốc độ tạo mầm
v: Tốc độ phát triển mầm
τ: Thời gian chuyển biến.
4.1.2.2. Sự tạo thành Austenit khi nung
Theo lý thuyết ở 7270C thì xảy ra phản ứng:
Nung 7270C

Austenit (γ)

Peclit (P)

Nung 7270C

Ferit (α)

+

Xementit (Xe)

Austenit (γ)

Vấn
đề cần nghiên cứu: 6,67%C
0.02%

- Mầm Austenit đầu tiên tạo ra ở đâu ?
- Quá trình phát triển của Austenit sẽ chiếm hết pha nào trước (α hay
Xe) ?
- Xây dựng đường cong động học chuyển biến ?
a. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp lý thuyết: dựa vào phương trình Jhonson – Mehl – Aravi
bằng cách cho các giá trị N, v tương ứng với các ∆T khác nhau. Lập các dải τ từ
τ1 đến τn (n → ∞), từ đó vẽ được đường cong chuyển biến. Song trên thực tế,
qúa trình nung thép khi nhiệt luyện là rất đa dạng, vì vậy ta sẽ phải thực hiện
một khối lượng tính tốn rất nhiều nên khi sử dụng phương pháp này sẽ trở nên
phức tạp và không thực tế. Thông thường để xây dựng các đường cong động học
chuyển biến, người ta thường dùng phương pháp thực nghiệm.
- Phương pháp thực nghiệm:
Tiến hành chuẩn bị hàng loạt mẫu có cùng kích thước, tổ chức ban đầu
hoàn toàn như nhau và cùng một thành phần các bon là 0,8%. Khi đó tổ chức
ban đầu của các mẫu là 100% Peclit.
5

Nung mẫu trong lị muối hoặc lị có cảm ứng để đảm bảo nung thật nhanh
lên trên nhiệt độ Ac1. Giữ đẳng nhiệt tại nhiệt độ xác định (> Ac 1) với các
khoảng thời gian khác nhau. Sau đó làm nguội và đo lượng chuyển biến. Với mơ
hình như trên, kết quả thực nghiệm cho chúng ta đường cong chuyển biến Peclit
thành Austenit khi nung có dạng như sau:

0C

% Au
1

2

3

Ac1

C

O
O

D

100

a,

B
A
b,

Hình 4.3. Mơ hình nung mẫu (a) và đường cong thực nghiệm (b)
Trên đường cong động học chúng ta thấy có bốn giai đoạn sau:
Đoạn OA: giai đoạn phôi thai, độ dài của giai đoạn này phụ thuộc vào
nhiệt độ nung (hay độ quá nung ÄT), nhiệt độ thực hiện chuyển biến càng cao
(ÄT lớn) thời gian phôi thai càng nhỏ và ngược lại. Đây là giai đoạn khuếch tán
tạo các vùng có %C tương đương %C trong Austenit (0,8%C) và gọi là giai
đoạn tạo sự ba động thành phần.
Đoạn AB: tốc độ chuyển biến tăng dần do tăng quá trình tạo mầm trên
ranh giới hạt pha.
Đoạn BC: giai đoạn tốc độ chuyển biến gần như không đổi do hầu hết các
dạng khuyết tật đã tham gia vào qúa trình tạo mầm pha mới.
Đoạn CD: giai đoạn tốc độ chuyển biến giảm dần và tiến tới bằng không,
do lúc này lượng pha mới tăng lên, pha cũ giảm dần dẫn đến giảm tốc độ chuyển
biến và khi pha cũ hết tốc độ bằng khơng.
Với việc thực hiện qúa trình chuyển biến ở hàng loạt nhiệt độ khác nhau, ta có
một họ đường cong động học chuyển biến Peclit thành Austenit khi nung. Trong
thực tế, vấn đề cần xác định là thời điểm bắt đầu và kết thúc chuyển biến Peclit
thành Austenit cũng như thời gian cần thiết để thực hiện chuyển biến hồn tồn
tại các nhiệt độ khác nhau. Chính vì vậy để thuận tiện cho việc sử dụng ta biến
đổi đường cong thực nghiệm đó thành dạng khác theo hệ toạ độ nhiệt độ - thời
gian. Việc biến đổi được thực hiện bằng cách kẻ các đường đẳng mức (%
Austenit chuyển biến) sang hệ toạ độ nhiệt độ - thời gian, và để đơn giản ta chỉ
cần hai điểm bắt đầu và kết thúc chuyển biến. Nối các điểm bắt đầu và kết thúc
chuyển biến tại các nhiệt độ tương ứng ta được hai đường bắt đầu và kết thúc
chuyển biến Peclit thành Austenit.
6

%A

T1 T2 T3 T4

0C

T5

v2
Austenit
1

T2
T1 quá nung
Ac1
2
0C
T1
T2
P A
T3
1
T4
P quá nung
T5
Ac1

2

P A

v1

Peclit

1
b,
T2 > T1

Austenit

v2 > v1

2

2<1

Peclit

a,

Hình 4.4. Cách xây dựng đường cong động học chuyển biến P → Au (hình a)
và ảnh hưởng của tốc độ nung (hình b)
(1): Đường bắt đầu chuyển biến P → Au
(2): Đường kết thúc chuyển biến P → Au
Khi tốc độ nung càng lớn thì nhiệt độ bắt đầu và kết thúc chuyển biến P
→ Au càng tăng và ngược lại. Vì vậy, khi nhiệt luyện cần phải lưu ý nhiệt độ
chuyển biến thực tế theo tốc độ nung.
b. Cơ chế tạo mầm Austenit

Khi tạo mầm Austenit đầu tiên chúng ta thấy rõ rằng, cần có sự phân bố lại của
nồng độ (thành phần) các bon. Vì vậy mầm ban đầu sẽ được tạo ra nhờ sự
khuếch tán và ba động thành phần. Do đó sự ưu tiên tạo mầm ban đầu sẽ là mặt
phân giới pha giữa Ferit (α) và Xementit (Fe3C), tại mặt phân giới pha giữa Ferit
và Xementit nồng độ các bon có thể lên tới 0,25 %, thuận lợi cho tạo mầm
Austenit (γ) khi có ba động thành phần, đồng thời qúa trình khuếch tán của các
bon tại đây mạnh hơn rất nhiều càng thuận lợi cho việc tạo mầm Austenit. Các
kết quả thực nghiệm cho thấy diện tích mặt phân giới pha giữa Ferit và
7


Xementit lên tới cỡ (2000 ÷ 10000) mm2/1 mm3 thể tích Peclit. Cơ chế tạo mầm
ban đầu trên mặt phân giới pha được gọi là cơ chế Blanter.
Tuy nhiên, với các
nghiên cứu sau này khi
Xe
Xe
tiến hành nung rất nhanh
Peclit hoặc tương ứng là
nhiệt độ chuyển biến rất
cao, khi đó bằng thực nghiệm cho thấy rằng tinh thể Austenit đầu tiên có dạng
hình kim và Austenit ban đầu có quan hệ liên mạng với Ferit, đồng thời nồng độ
các bon trong Austenit ban đầu xấp xỉ nồng độ các bon trong Ferit. Với kết quả
thực nghiệm đó người ta có thể kết luận rằng, khi nung nhanh Peclit thì sự tạo
thành các mầm Austenit không theo cơ chế khuếch tán và ba động thành phần
mà Ferit trực tiếp chuyển thành Austenit do trượt mạng tương tự như qúa trình
biến dạng dẻo. Khi lượng Austenit tăng lên, lúc đó Xementit tiếp tục hoà tan vào
Austenit làm tăng hàm lượng các bon. Như vậy cơ chế tạo mầm Austenit phụ
thuộc vào tốc độ nung khi nhiệt luyện, trong thực tế với các qúa trình nhiệt
luyện thơng thường thì cơ chế Blanter là chủ yếu, tuy nhiên với các dạng nhiệt

luyện đặc biệt (tôi bề mặt ...) khi đó cơ chế trượt mạng lại là chủ đạo.
c. Cơ chế lớn lên của mầm Austenit
Mầm Austenit ban đầu khi mới tạo ra có sự phân bổ nồng độ các bon
không đồng đều, phần tiếp giáp với Xementit có nồng độ các bon cao, ngược lại
phần tiếp giáp với Ferit có nồng độ các bon thấp (đường cong phân bố nồng độ
các bon theo hình). Khi mầm Austenit phát triển, nó liên tục về cả hai phía Ferit
và Xementit. Trong qúa trình đó Xementit liên tục hoà tan vào Austenit để tiến
tới nồng độ các bon của Austenit.
0C

%C

c

T

Fe3C

G

b

b

c
P

a

E

S

Q

x

C/

C/

0,8 C / Fe3C

Hình 4.5. Phân bố nồng độ các bon trong mầm Austenit ban đầu
T: Nhiệt độ thực hiện chuyển biến
a: Nồng độ các bon trong Ferit tại mặt phân giới pha Ferit và Austenit
(Cα/γ)
b: Nồng độ các bon trong mầm Austenit tại mặt phân giới pha (Cγ / α)

8


c: Nồng độ các bon trong Austenit tại mặt phân giới pha Austenit và
Xementit (Cγ / Fe3C).
Từ hình vẽ chúng ta thấy tốc độ phát triển của Austenit phụ thuộc vào khả
năng khuếch tán của các bon trong Ferit và Austenit theo tỉ lệ thuận, đồng thời
cũng phụ thuộc vào độ chênh nồng độ giữa hai điểm (a) và (b) trên đồ thị. Khi
độ chênh càng nhỏ, tốc độ phát triển của Austenit càng nhanh. Ở đây chúng ta
cũng thấy rõ rằng khi nhiệt độ chuyển biến T > 9100C (điểm G trên giản đồ Fe Fe3C) khi đó điểm a và b trùng nhau và Austenit sẽ trực tiếp hình thành từ Ferit
theo cơ chế trượt mạng. Khi Austenit phát triển, tốc độ phát triển của nó về hai

phía Ferit và Xementit sẽ được tính theo các cơng thức sau:
vγ →α

D cγ
= v1 = − K
∆C γ / α

v γ → Fe3C = v 2 = − K

(4.2)
γ
c

D
∆C γ / Fe3C

(4.3)

Trong đó:
K: Hệ số phụ thuộc vào điều kiện chuyển biến
Dcγ: Hệ số khuếch tán của các bon trong Austenit
ÄCγ / α: Độ chênh nồng độ giữa γ và α tại thời điểm tính
ÄCγ / Fe3C: Độ chênh nồng độ giữa γ và Fe3C tại thời điểm tính.
Rõ ràng ta thấy ÄCγ / Fe3C là rất lớn so với ÄCγ / α do đó v1 lớn hơn v2 rất
nhiều, vì vậy khi Austenit phát triển nó sẽ tiến về phía Ferit mạnh hơn về phía
Xementit, do đó Ferit sẽ hết trước Xementit trong qúa trình phát triển của
Austenit. Các kết quả nghiên cứu trên thực nghiệm cũng đã chứng minh sự đúng
đắn hồn tồn của kết luận này.
Tóm lại, ta có thể khái quát các giai đoạn chuyển biến Peclit thành
Austenit khi nung như sau:

Giai đoạn 1: Peclit → Austenit bao gồm tạo mầm, mầm lớn lên và kết
thúc là hết Ferit.
Giai đoạn 2: Xementit lại tiếp tục hoà tan vào Austenit, kết thúc là
Xementit hết và tạo ra một pha Austenit nhưng chưa đồng đều về nồng độ các
bon.
Giai đoạn 3: Đồng đều hoá thành phần các bon nhờ qúa trình khuếch tán.
%C
6,67

chưa đồng đều
0,8
0,02

9
Xe (Fe3C)

Fe3C

Fe3C

đồng đều


Hình 4.6. Sơ đồ các giai đoạn hình thành Austenit
Chuyển biến xảy ra khi nung với thép trước và sau cùng tích:
Các loại thép sử dụng trong kỹ thuật khơng chỉ có thép cùng tích (0,8% C) mà
cịn có các loại thép trước và sau cùng tích, khi đó đường cong động học cần
thêm các q trình hồ tan của Ferit (thép trước cùng tích) và Xementit (với thép
sau cùng tích) vào trong Austenit. Do đó đường cong động học sẽ có thêm các
đường bắt đầu và kết thúc các q trình hồ tan của pha thứ hai.

0C
ATM

0C
ATM
1

AC3
AC1

2

3

1

4

Peclit + Ferit

ACm
AC1

a,

2

3

4

Peclit + Xementit II
b,

Hình 4.7. Đường cong động học chuyển biến khi nung của thép trước cùng
tích (hình a)và sau cùng tích (hình b); ATM: nhiệt độ xảy ra trượt mạng
(3): Đường bắt đầu hoà tan của Ferit hoặc Xementit vào Austenit
(4): Đường kết thúc hoà tan của Ferit hoặc Xementit vào Austenit
d. Độ hạt Austenit
- Ý nghĩa: hạt γ là độ hạt trung gian trong nhiệt luyện vì vậy nó gián tiếp
quyết định độ hạt của tổ chức kim loại sau nhiệt luyện.
- Yêu cầu: thép khi nung không được tạo ra Austenit hạt lớn.
- Phân loại độ hạt:
Hạt ban đầu: Là những hạt đầu tiên tạo thành khi nung. Hạt ban đầu phụ thuộc
chủ yếu tổ chức ban đầu trước khi nung và độ quá nung ÄT. Tổ chức ban đầu
càng nhỏ mịn, hạt ban đầu càng nhỏ, độ quá nung ÄT càng lớn, hạt ban đầu càng
nhỏ. Ý nghĩa của hạt ban đầu là ở chỗ nó là cơ sở để thu được tổ chức hạt nhỏ
khi tiến hành nhiệt luyện.
Hạt thực tế: Là kích thước hạt Austenit thu được trong điều kiện nung
thực tế của quá trình nhiệt luyện và như vậy thông thường hạt thực tế lớn hơn
hạt ban đầu. Hạt thực tế có ý nghĩa vơ cùng quan trọng vì nó trực tiếp ảnh hưởng
đến cơ tính, chất lượng sản phẩm sau nhiệt luyện. Hạt thực tế phụ thuộc vào hạt
ban đầu, nếu hạt ban đầu càng nhỏ mịn và đồng đều thì hạt thực tế càng nhỏ; vào
nhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt, nhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt càng
lớn, hạt thực tế càng có kích thước lớn và hạt thực tế còn phụ thuộc rất mạnh
10


vào thành phần hoá học của thép, do các nguyên tố hợp kim tác động rất mạnh
đến quá trình lớn lên của hạt Austenit.

Hạt di truyền (hạt bản chất): Là kích thước hạt của tất cả các loại thép
được nung trong cùng một điều kiện tiêu chuẩn như nhau. Ví dụ, khi xác định
hạt di truyền cho thép kết cấu nhiệt độ nung là (930 ÷ 950)0C, thời gian giữ
nhiệt là 8 giờ và được nung trong môi trường chất thấm các bon bao gồm 60%
bột than gỗ và 40% muối BaCO3. Việc đo độ hạt sử dụng kính hiển vi với độ
phóng đại 200 lần, hạt Austenit được phân cấp theo bảng phân cấp quốc tế gồm
11 cấp theo thứ tự từ (1 ÷ 11) là từ cỡ hạt lớn đến nhỏ dần, cỡ hạt từ (1 ÷ 4) là cỡ
hạt của hạt di truyền hạt lớn, cỡ hạt từ (5 ÷ 11) là cỡ hạt của hạt di truyền hạt
nhỏ.
Việc nung trong môi trường chất thấm các bon nhằm mục đích tạo ra tổ
chức tương đương nhau giữa thép trước và sau cùng tích, do đó việc xác định
độ hạt Austenit có tính đặc trưng đầy đủ. Hạt di truyền biểu thị xu hướng lớn lên
của hạt Austenit trong các loại thép ở điều kiện nhiệt luyện thông thường. Cần
chú ý là ở đây mới chỉ là xu hướng, chưa phải là thực tế và do đó căn cứ vào loại
thép với hạt di truyền khác nhau, ta có thể áp dụng các biện pháp cơng nghệ phù
hợp để thu được hạt Austenit nhỏ, mịn. Ví dụ với thép các bon, nhiệt độ nung
khi nhiệt luyện nên khống chế nhỏ hơn 920 0C để tránh Austenit hạt lớn hoặc
tiến hành nung nhanh. Tuy nhiên, với thép hợp kim (hạt di truyền hạt nhỏ) ta có
thể tăng nhiệt độ nung tới 9500C mà không sợ hạt Austenit lớn.
Độ hạt

1
Hạt ban đầu

Peclit

2

(Austenit)
Ac1

930 950

0C

Hình 4.8. Xu hướng phát triển hạt Austenit theo nhiệt độ
(1): Thép có hạt di truyền hạt lớn
(2): Thép có hạt di truyền hạt nhỏ
Một điều cần quan tâm là khi nung thép có tổ chức Vidmansted hoặc
Mactenxit với độ quá nung (tốc độ nung) lớn, khi đó Austenit tạo ra có quan hệ
liên mạng với pha cũ, tạo trường ứng suất lớn, mật độ lệch rất cao. Khi đó ở
khoảng nhiệt độ cỡ Ac1 + (100 ÷ 150)0C có hiện tượng kết tinh lại lần I xảy ra,
làm nhỏ hạt Austenit.
4.1.3. Các chuyển biến xảy ra khi làm nguội AUSTENIT
4.1.3.1. Khái niệm chung
11


Theo lý thuyết: tại nhiệt độ Ar1
γ 0 ,8 → [ α 0 , 02 + Xe 6, 67 ]

Qúa trình hình thành Peclit khi làm nguội Austenit phụ thuộc vào nhiệt độ
chuyển biến thực tế, nếu nhiệt độ chuyển biến thực tế giảm thì độ quá nguội
tăng, hạt Peclit sẽ càng nhỏ. Tuỳ theo cấp hạt phân thành các sản phẩm khác
nhau gọi là các sản
Xe
phẩm của sự phân 0C
hố
Austenit khi làm
Austenit

nguội:
A1
700 Peclit
Xoocbit
600
Trustit
550

a, Họ Peclit
Xe

Họ Bainit

Xe

300
MS

Hình 4.9. Sản
Bainit trên
Bainit dưới
phẩm khi làm
Mactenxit
b, Họ Bainit
nguội austenit
4.1.3.2. Chuyển biến Austenit thành Peclit khi làm nguội chậm
a.Đối với thép cùng tích
- Mơ hình thí nghiệm: làm hàng loạt mẫu thép 0,8%C, nung lên nhiệt độ lớn hơn
Ac1 để hoàn toàn tạo thành một pha Austenit, sau đó làm nguội nhanh xuống
dưới nhiệt độ Ar1 và giữ đẳng nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau. Ở mỗi một nhiệt

độ đẳng nhiệt phải kèm nhiều mẫu, mỗi mẫu giữ một thời gian khác nhau. Sau
thời gian giữ nhiệt đem tôi các 0C
mẫu
trong nước, đo chuyển biến và
dựng đường cong theo từngAc1
1
2
3
4 ...
nhiệt độ.
T1
T2

% Peclit
Hình 4.10 Đồ thị
khi làm
T3
nguội chậm austenit
ở các
100%
T7
T5 T4T6
nhiệt độ và thời gian
- Với việc thực hiện ở
nhiều nhiệt độ khác nhau ta sẽ xây dựng được họ đường cong chuyển biến:
Nếu giảm nhiệt độ chuyểnT4 biến
(tăng
độ quá nguội ÄT) lúc đầu thời gian phôi
T3
T2

T1
thai sẽ giảm, nhưng đến một giá trị xác định khi ta tăng ÄT thì thời gian phôi
thai lại tăng lên do số lượng mầm tạo ra quá nhiều gây ứng suất lớn dẫn đến khó
thực hiện chuyển biến.
Ac1

’

T1
T2
T3
T4
T5
T6

(1)

(2)

Peclit
Xoocbit
Trustit
Bainit trên
Bainit dưới

T7
MS

12

Mactenxit


P

Hình 4.12. Đường cong động học chuyển biến γ thành P khi làm nguội đẳng
nhiệt γ ': Austenit quá nguội tồn tại ở nhiệt độ thấp hơn Ac1
(1): Đường bắt đầu chuyển biến Austenit thành Peclit
(2): Đường kết thúc chuyển biến Austenit thành Peclit
b. Với thép trước và sau cùng tích
0C
- Với thép trước cùng tích
Theo lý thuyết: khi nguội xuống dưới Ar 3, γAc3
bắt
đầu tiết ra α. Tiếp tục giảm nhiệt độ, α tiếtAc1 quá
ra
P + Ferit
càng nhiều. %C trong γ tăng lên, khi tới
nhiệt
nguội
X + Ferit
độ Ac1 thì %C trong γ bằng 0,8% và xảy ra
phản
T + Ferit
ứng cùng tích:
B trên
γ 0 ,8 → [ α 0 , 02 + Xe 6 , 67 ]

Và đường cong động học chuyển biến khi Ms
nguội thép trước cùng tích phải có thêm

đường tiết pha Ferit.

B dưới

làm
Mactenxit

Hình 4.12. Giản đồ chữ C thép trước cùng tích
- Với thép sau cùng tích:

13


Tương tự như thép trước cùng tích, với thép sau cùng tích khi nguội xuống dưới
nhiệt độ Acm, bắt đầu có q trình tiết ra Xementit II. Tuy vậy trong thép sau
cùng tích, hàm lượng Xementit II rất
nhỏ, do đó
chủ yếu tiết ra dưới dạng mạng lưới
bao quanh
Acm
XeII
hạt Peclit. Tổ chức này thường gây dịn A1
cho
thép,
chính vì vậy khi nhiệt luyện thép sau
cùng tích,
P + Xe II
thơng thường cần dùng thường hoá để
phá
lưới

X + Xe II
Xementit II.
T + Xe II
B trên
B dưới

Ms
Mactenxit
Hình 4.13: Giản đồ chữ C thép sau
cùng tích
4.1.3.3. Chuyển biến Austenit thành
Peclit khi
làm nguội liên tục
- Khi làm nguội liên tục Austenit thì đường cong động học khơng có nửa dưới

0C

Hình 4.15. Đường cong động học
chuyển
biến Austenit thành Peclit
Ac1
khi nguội đẳng nhiệt ( nét đứt) và liên
tục (nét
liền) của thép cùng tích
- Tổ chức Bainit chỉ thu được
khi làm
nguội đẳng nhiệt.
- Khi làm nguội liên tục, đường
cong
MS

động học dịch sang phải và xuống
dưới.
Đường cong động học chuyển biến γ
thành P
gọi là đường cong chữ “C”
4.1.3.4. Chuyển biến Mactenxit
- Khái niệm: chuyển biến
Mactenxit là chuyển biến xảy ra khi làm nguội Austenit với một tốc độ nguội đủ
lớn. Quá trình chuyển biến xảy ra ở nhiệt độ rất thấp (so với Ar 1), cacbon trong
Austenit không kịp khuếch tán để tạo Xe mà toàn bộ lượng cacbon của Austenit
giữ ngun trong mạng của Fe(α) (có dịch chuyển thì chỉ trên khoảng cách nhỏ
hơn một thơng số mạng) do đó tạo ra dung dịch rắn quá bão hoà của cacbon
trong Fe(α), gọi là tổ chức Mactenxit.
- Đặc điểm chuyển biến Mactenxit:
Với đặc trưng làm nguội của mình, chuyển biến Mactenxit có một số đặc điểm
khác biệt như sau:
+ Chuyển biến Mactenxit là chuyển biến không khuếch tán, Mactenxit thu
được khi nguội nhanh Austenit từ nhiệt độ A1. Do đó thành phần hoá học của
Mactenxit trùng với của Austenit.
+ Chuyển biến Mactenxit chỉ bắt đầu xảy ra ở một nhiệt độ nhất định (M S
là nhiệt độ bắt đầu chuyển biến). Nhiệt độ M S không phụ thuộc vào tốc độ làm
nguội, đồng thời chuyển biến cũng kết thúc khi nguội xuống thấp hơn một nhiệt
14


độ xác định (Mf là nhiệt độ kết thúc chuyển biến), cả M f cũng không phụ thuộc
tốc độ nguội. Đoạn (MS – Mf) là khoảng nhiệt độ chuyển biến Mactenxit.
+ Chuyển biến Mactenxit chỉ xảy ra khi làm nguội liên tục Austenit, khi
nguội đến MS kim Mactenxit bắt đầu hình thành, muốn lượng Mactenxit tăng lên
phải tiếp tục làm nguội. Nếu trong đoạn [M S - Mf], ta dừng lại ở bất kỳ nhiệt độ

nào, chuyển biến lập tức dừng lại. Chuyển biến Mactenxit khơng bao giờ xảy ra
hồn tồn, ln ln có tồn tại một lượng Austenit dư.
+ Chuyển biến Mactenxit là chuyển biến xảy ra tức thời (thời gian phôi
thai bằng không), cứ với nhiệt độ nhỏ hơn MS chuyển biến lập tức xảy ra.
+ Các kim Mactenxit hình thành với tốc độ rất lớn (xấp xỉ 1 km/s), tốc độ
hình thành và phát triển kim Mactenxit hầu như không phụ thuộc vào nhiệt độ
chuyển biến.
+ Giữa mạng tinh thể Mactenxit tạo ra và mạng Austenit ban đầu có mối
quan hệ chặt chẽ. Theo nghiên cứu của Kurdiumov- Zaks ở các thép có %C =
(0,5 ÷ 1,4)% thì mặt (1, 1, 1) của Austenit song song với mặt (1, 1, 0) của
Mactenxit và phương [1,1,2] của Austenit song song với phương [1,0,1] của
Mactenxit, ngoài ra các nghiên cứu của Nishiyama cũng chỉ ra mối quan hệ
phương mạng giữa hai tổ chức. Mặt phân pha khi chuyển biến (gọi là mặt
Habit) luôn cố định theo từng họ hợp kim, với thép cacbon cao là họ mặt {2,2,5}
và {2,5,9} của Austenit, với thép cacbon thấp là họ mặt {1,1,1} của Austenit,
trong hợp kim sắt - niken là họ mặt {3, 10,15} của Austenit.
+ Với những mẫu ban đầu là phẳng, nhẵn, sau chuyển biến Mactenxit,
xuất hiện các gờ nổi trên bề mặt.
Ngày nay chuyển biến Mactenxit còn được phát hiện ở nhiều hệ hợp kim
khác ngoài sắt như hợp kim đồng - nhôm, đồng - kẽm, đồng - thiếc, niken - titan
…
Kết luận: chuyển biến Mactenxit là loại chuyển biến đặc biệt khi làm
nguội Austenit, nó kết hợp sự trượt mạng (A1 → A2) với sự tồn tại của cacbon tại
các lỗ hổng.
- Chú ý:
+ Nhiệt độ MS và Mf phụ thuộc vào thành phần hoá học của Austenit (của thép),
phần trăm của nguyên tố hợp kim càng cao thì MS, Mf càng giảm.
+ Lượng Austenit dư trong Mactenxit phụ thuộc vào thành phần hoá học của
Austenit (thép), phần trăm nguyên tố hợp kim tăng thì Austenit dư tăng, khi đó
phải xử lý để chuyển biến Mactenxit tiếp tục xảy ra.

0C
600
MS

400
Mf
200

0,4

0,8

15

1,2

1,6

%C


Hình 4.16. Sự phụ thuộc của nhiệt độ MS, Mf vào hàm lượng cacbon trong
thép
- Cơ chế của chuyển biến Mactenxit:
+ Sự hình thành ra mạng Ferit và Austenit là do cơ chế trượt mạng, do đó
giữa mạng Austenit và mạng Mactenxit có mối quan hệ xác định
{1,0,0}γ // {1,1,0}M
[1,1,0]γ // [1,1,1]M
+ Cacbon trong chuyển biến Mactenxit gần như không dịch chuyển (nếu

có dịch chuyển thì độ dời ∆x ≤ a) vì vậy khơng tạo được vùng giàu cacbon.
a 2
2

a

Cơ chế Bein:
Cạnh bên: a
a 2
Cạnh đáy: 2
c
a
=
= 2
a a 2
2

Hình 4.17. - - - - Mạng Austenit ; _____ Ô cơ bản Mactenxit
Nguyên tử Fe;
Nguyên tử cacbon
Ưu điểm: giải thích được quan hệ phương, mạng của Mactenxit và
Austenit phù hợp với thực nghiệm.
Nhược điểm: độ chính phương c/a quá lớn
- Tổ chức siêu tế vi của Mactenxit:
+ Tổ chức bên trong của kim Mactenxit:

16


Vệt song tinh

Bó kim Mactenxit

Hình 4.18 Tổ chức bên trong của Mactenxit
+ Sự xắp xếp: các kim Mactenxit tạo thành các bó định hướng bất kì, khoảng
cách từ (3 ÷ 5) µm.
4.1.3.5. Chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép đã tôi ( chuyển biến xảy ra khi
ram)
Sau khi tôi, thu được tổ chức Mactenxit và một lượng Auxtenit dư là hai
pha không ổn định, mức năng lượng tự do cao, tồn tại nhiều khuyết tật và ứng
suất dư vì vậy M ln có xu hướng chuyển về trạng thái ổn định hơn là P. Muốn
vậy phải cấp năng lượng bằng cách nung trở lại M.
Các chuyển biến xảy ra khi nung trở lại M (chuyển biến xảy ra khi ram):
* Giai đoạn 1: nhỏ hơn 2000C
- Khi nung ở nhiệt độ nhỏ hơn 800C, do nhiệt độ thấp, năng lượng cấp cịn
ít, chưa đủ để vượt rào cản năng lượng vì vậy trong thép chưa có chuyển biến gì.
- Khi nung ở khoảng (80 ÷ 200)0C, năng lượng đã đủ để cho cacbon thực
hiện các hành trình xa hơn do đó khử được ứng suất dư nhờ sự phân bố lại
cacbon. Đồng thời nó tạo ra một số vùng giàu cacbon, thuận lợi tạo ra Xe. Do
hàm lượng cacbon chưa đủ lớn nên tạo ra Xe chưa hoàn chỉnh.
Kết quả: M hầu như không giảm độ cứng, độ bền nhưng khử được ứng
suất dư nên ổn định hơn và được gọi là tổ chức M ram.
Ứng dụng khi ram dao cắt gọt kim loại, khuôn …
* Giai đoạn 2: từ (200 ÷ 260)0C
Giai đoạn này cacbon tiết ra khỏi M tương đối nhiều, ứng suất dư giảm
mạnh. Đồng thời Auxtenit dư trong M tiếp tục chuyển biến thành M ram do đó
mẫu, sản phẩm có sự tăng kích thước.
* Giai đoạn 3: từ (260 ÷ 450)0C
Giai đoạn này nhiệt lượng lớn vì vậy cacbon tiết ra gần hết khỏi M, độ
chính phương c/a → 1, tạo thành M nghèo cacbon và tạo thành Xe hoàn chỉnh.

Ứng suất dư cả tế vi và thô đại đều giảm gần đến không. Tạo tổ chức ổn định và
hạt tương đối nhỏ do sự lớn lên của kim M chưa cao, tổ chức này được gọi là tổ
chức Trustit ram có σch/σB max, kích thước mẫu, sản phẩm trở về gần với ban
đầu. Ứng dụng khi ram các chi tiết đàn hồi.
17


* Giai đoạn 4: từ (450 ÷ 650)0C
Giai đoạn này có năng lượng lớn, cacbon tiết ra hồn tồn khỏi M, độ
chính phương c/a = 1. Tổ chức M là Peclit và Xe hoàn chỉnh, toàn bộ ứng suất
dư được khử bỏ, mẫu trở về kích thước ban đầu, các hạt bắt đầu lớn lên tạo dạng
đều cạnh và được gọi là tổ chức Xoocbit ram. Đây là tổ chức có cơ tính tổng hợp
cao nhất do đó được áp dụng để ram tất cả các chi tiết máy.
[(HB, σB) giảm; (δ, ψ, aK) tăng và f(HB, σB, σch, σ-1, δ, ψ, aK) tối ưu]
Đồ thị thay đổi kích thước mẫu khi ram:
V (L)
M

O

200 206

450

600

0C

Hình 4.19 Đồ thị thay đổi kích thước của mẫu
4.1.4. Các phương pháp nhiệt luyện thép

Nhiệt luyện là những q trình cơng nghệ bao gồm việc nung nóng, giữ
nhiệt và làm nguội vật phẩm kim loại với mục đích thay đổi tổ chức (cấu trúc)
và tính chất của chúng.
Nhiệt luyện áp dụng cho các thỏi đúc, vật đúc, bán thành phần, mối hàn, chi tiết
máy và dụng cụ các loại.
Các dạng cơ bản của nhiệt luyện bao gồm: ủ,thường hóa, tơi, ram và hố
già. Nếu như do kết quả của tơi ở nhiệt độ 20 ÷ 250C mà giữ được trạng thái
dung dịch rắn ở nhiệt độ cao thì sự hố bền đáng kể của hợp kim trực tiếp sau
khi tôi sẽ không xảy ra, sự hoá bền chủ yếu xảy ra khi nung trở lại ở nhiệt độ
thấp (ram) hoặc là trong thời gian giữ ở nhiệt độ 20 ÷ 250C (hố già tự nhiên).
Với hợp kim có tính chất đặc biệt, tơi có thể làm thay đổi những tính chất (hố
lý) nhạy cảm với sự thay đổi cấu trúc như làm tăng điện trở suất hoặc là lực khử
từ, làm giảm độ bền chống ăn mịn...
Ram và hố già là các phương pháp nhiệt luyện sau khi tơi mà kết quả của nó là
xảy ra sự chuyển pha, đưa tổ chức về gần trạng thái cân bằng.
Thực tế sự kết hợp tôi và ram hay hố già ln ln nhận được các tính chất tốt
hơn (độ cứng, các đặc trưng độ bền, lực khử từ, điện trở suất...) so với trạng
thái ủ.
Phần lớn các hợp kim sau khi tôi nhận được dung dịch rắn quá bão hoà (hoặc
là hỗn hợp các dung dịch rắn) trong trường hợp này quá trình cơ bản xảy ra khi
ram hoặc hoá già là sự phân rã dung dịch rắn q bão hồ đó.
18


Nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt được chọn như thế nào để sau khi gia công đạt
được tổ chức và tính chất như mong muốn mà khơng phải là tổ chức cân bằng
như sau khi ủ. Tốc độ nguội khi ram hay hoá già, trừ một số trường hợp đặc
biệt, khơng ảnh hưởng đến tổ chức và tính chất của hợp kim.
Về nguyên tắc, việc lựa chọn phương pháp nhiệt luyện nào đều có thể dựa trên
cơ sở giản đồ cân bằng pha của hợp kim. Do đó có thể chia thành các nhóm

hợp kim cơ bản sau:
- Các hợp kim khơng có chuyển pha ở trạng thái rắn
- Các hợp kim có độ hồ tan thay đổi ở trạng thái rắn
- Các hợp kim có chuyển biến cùng tích
Bất kỳ một q trình cơng nghệ nhiệt luyện nào cũng bao gồm ba giai đoạn cơ
bản sau: nung nóng, giữ đẳng nhiệt và làm nguội.
4.1.4.1. Ủ và thường hóa thép
4.1.4.1.1. Ủ thép
a. Định nghĩa và mục đích của ủ thép
* Định nghĩa: Ủ thép là phương pháp nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định,
giữ nhiệt rồi làm nguội chậm cùng với lò, để đạt được tổ chức ổn định theo giản
đồ trạng thái với độ bền, độ cứng thấp nhất và độ dẻo cao. Tổ chức đạt được sau
khi ủ thép là Peclit (có thể có thêm Ferrit hay Xe II tuỳ loại thép trước hay sau
cùng tích).
* Đặc điểm:
- Nhiệt độ ủ không quy định theo quy luật chung mà tuỳ thuộc vào từng phương
pháp ủ
- Quá trình làm nguội tiến hành rất chậm, thường là để nguội cùng với lị (với
tốc độ khoảng 10 ÷ 50(0C/h)) để γ phân hoá ở nhiệt độ A1 cho ra P.
* Mục đích của ủ thép:
- Làm giảm độ cứng (làm mềm) thép để dễ tiến hành gia công cắt gọt.
- Làm tăng độ dẻo dai để tiến hành rập, cán vào kéo thép ở trạng thái nguội.
- Làm giảm hay làm mất ứng suất bên trong sau các nguyên cơng gia cơng cơ
khí (mài, quấn nguội, cắt gọt ... )và đúc, hàn.
- Làm đồng đều thành phần hoá học trên tồn tiết diện của vật đúc thép bị thiên
tích
- Làm nhỏ hạt thép nếu nguyên công trước làm hạt lớn
- Tạo tổ chức ổn định chuẩn bị cho nhiệt luyện kết thúc
- Cầu hố Xe để có tổ chức hạt khác với Xe ở dạng tấm.
Với mục đích đa dạng như vậy thì khơng phương pháp ủ nào đạt được cả các

mục tiêu trên. Thông thường mỗi phương pháp ủ chỉ đạt được một hoặc vài
trong số các chỉ tiêu kể trên.
b. Phân loại
Có nhiều phương pháp ủ. Theo chuyển biến pha P → γ khi nung nóng, người ta
chia các phương pháp ủ thành 2 nhóm: ủ có chuyển biến pha và ủ khơng có
chuyển biến pha.
b1. Các phương pháp ủ khơng có chuyển biến pha:

19


Các phương pháp ủ khơng có chuyển biến pha có nhiệt độ ủ thấp hơn Ac 1, khi
đó khơng xảy ra chuyển biến P → γ.
* Ủ thấp (ủ non):
- Đị nh nghĩa: Ủ thấp là phương pháp ủ nung nóng thép tới nhiệt độ nhỏ hơn
Ac1thường nung ở nhiệt độ từ 200 ÷ 6000C để khơng có chuyển biến pha xảy ra.
- Mục đích và đặc điểm : Ủ thấp có tác dụng làm giảm hay khử bỏ ứng suất bên
trong ở các vật đúc hay các sản phẩm thép qua gia cơng cơ khí (cắt gọt, dập
nguội).
+) Nếu ủ ở nhiệt độ thấp (200 ÷ 3000C) chỉ có tác dụng làm giảm một phần ứng
suất bên trong nhưng ở những nhiệt độ cao hơn (450 ÷ 6000C) tác dụng khử bỏ
ứng suất bên trong có thể hồn tồn hơn.
+) Do làm nguội nhanh, không đều, do chuyển pha khi đúc, trong vật đúc tồn tại
ứng suất bên trong. Đối với một số vật đúc có yêu cầu đặc biệt không cho phép
tồn tại ứng suất dư độ. Để khử bỏ hoàn toàn ứng suất dư, người ta tiến hành
nung nóng đến 450 ÷ 6000C, sau đó làm nguội chậm tiếp theo để tránh tạo lại
ứng suất dư. Đối với trường hợp yêu cầu không cao, chỉ cần giảm ứng suất dư
đến mức nhất định, có thể tiến hành bảo quản ở t 0 thường trong khoảng 9 ÷ 12
tháng, q trình này cịn gọi là hố già tự nhiên. Do nhiệt độ ủ thấp nên phương
pháp ủ này khơng làm thay đổi độ cứng và kích thước hạt.

- Công dụng của ủ thấp : dùng cho các vật đúc lớn như thân máy cắt gọt, xéc
măng sau khi mài, lị xo sau khi uốn nguội…Phương pháp này khơng làm thay
đổi độ cứng của thép. Đối với gang độ cứng có thể giảm một ít do q trình
graphit hóa.
* Ủ kết tinh lại:
- Định nghĩa: Ủ kết tinh lại là phương pháp ủ nung nóng thép tới nhiệt độ nhỏ
hơn Ac1(thường ủ ở nhiệt độ 600 ÷ 7000C) để khơng có chuyển biến pha xảy ra.
- Mục đích và đặc điểm: Ủ kết tinh lại được tiến hành cho các thép qua biến
dạng nguội bị biến cứng cần khôi phục lại tính dẻo, độ cứng trước khi gia cơng
cơ khí.
+) Nhiệt độ ủ kết tinh lại cho thép cacbon là từ 600 ÷ 7000C tức là thấp hơn
nhiệt độ Ac1. Loại ủ này làm thay đổi được kích thước hạt và giảm độ cứng,
nhưng rất ít áp dụng cho thép vì khó tránh tạo nên hạt lớn.
+) Đối với kim loại đa tinh thể, do không đồng nhất về phương mạng giữa các
hạt nên ứng suất tác dụng và độ biến dạng phân bố không đều, phần thép bị biến
dạng với mức độ tới hạn sau khi ủ có kích thước lớn, làm dịn thép. Để tránh
hiện tượng này, thường dùng các phương pháp ủ có chuyển biến pha.
b2. Các phương pháp ủ có chuyển biến pha:
Các phương pháp ủ có chuyển biến pha có nhiệt độ ủ cao hơn Ac 1, khi đó có xảy
ra chuyển biến P → γ.
* Ủ hoàn toàn:
- Định nghĩa: Ủ hoàn toàn là phương pháp ủ gồm nung nóng thép tới trạng thái
hoàn toàn γ, tức là phải nung cao hơn nhiệt độ Ac3 hoặc Accm.
- Mục đích và đặc điểm:
20


+) Làm nhỏ hạt. Nếu chỉ nung quá nhiệt độ Ac3 khoảng 30 ÷ 500C ứng với nhiệt
độ ủ trong khoảng 780 ÷ 8600C, hạt γ nhận được vẫn giữ được kích thước bé,
sau đó làm nguội chậm có tổ chức F + P hạt nhỏ. Tổ chức này có độ dai tốt.

+) Làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo, dễ cắt gọt và rập nguội. Do làm nguội
chậm, γ phân hoá ra tổ chức F + P (tấm) có độ cứng trong khoảng 160 ÷ 200HB,
bảo đảm cắt gọt tốt và dẻo, dễ rập nguội. Như vậy nhiệt độ ủ hồn tồn là T 0ủ hồn
0

TAc
+ (30 ÷ 50)0C.
tồn =
- Cơng dụng : Loại ủ này chỉ áp dụng cho thép trước cùng tích có hàm lượng cacbon
lớn hơn hoặc bằng 0,3 ÷ 0.65%.
* Ủ khơng hồn tồn:
- Định nghĩa: Là phương pháp ủ gồm nung nóng thép tới trạng thái chưa hoàn
toàn là γ, nhiệt độ cao hơn Ac1 nhưng thấp hơn Ac3 hay Accm.
- Mục đích và đặc điểm:
+) Làm giảm độ cứng đến mức có thể cắt gọt được, sự chuyển biến pha ở đây là
khơng hồn tồn chỉ có P → γ cịn F hoặc XeII vẫn cịn (do vậy khi làm nguội
khơng làm thay đổi kích thước hạt của 2 pha đó).
+) Đối với thép trước cùng tích, loại thép có u cầu độ dai cao vì khơng làm
nhỏ được hạt F nên không áp dụng dạng ủ này. Do vậy, ủ không hoàn toàn
thường được áp dụng chủ yếu cho thép cùng tích và sau cùng tích với hàm
lượng cacbon > 0,7%.
+) Đối với thép có hàm lượng cacbon > 0,7% mà chủ yếu là thép cùng tích và
sau cùng tích (thép có độ cứng khá cao, khó cắt gọt). Nếu tiến hành ủ hoàn toàn
thép này, tổ chức nhận được là P tấm, độ cứng có thể lớn hơn 220HB gây cho
việc cắt gọt gặp khó khăn. Nếu tiến hành ủ khơng hồn tồn, thì ở nhiệt độ nung
do đạt được tổ chức γ và các phần tử XeII chưa tan hết nên khi làm nguội, `acác
phần tử này như là những mầm giúp cho tạo nên P hạt. Sau khi ủ khơng hồn
tồn, thép có tổ chức P hạt với độ cứng thấp hơn (khoảng 200HB) nên đảm bảo
cắt gọt tốt hơn.
Vậy nhiệt độ ủ khơng hồn tồn cho thép cacbon có hàm lượng C > 0,7%

T0ủ.k.h.t = T0Ac1 + (30 ÷ 500C)
* Ủ cầu hóa :Dạng đặc biệt của ủ khơng hồn tồn, trong đó nhiệt độ nung dao
động tuần hồn trên dưới A1: nung đến 750 ÷ 7700C giữ nhiệt khoảng năm phút,
rồi lại làm nguội xuống 650 ÷ 6800C giữ nhiệt trong khoảng năm phút, cứ thế
trong nhiều lần. Với cách làm như vậy, nhiều lần tạo ra q trình cầu hóa
Xementit nên nhận được hồn tồn l Peclit.
3

0C
làm nguội cùng lò

30500C
30500C

Ac1

21

t


Hình 4.20 Ủ cầu hóa
* Ủ khuếch tán:
- Định nghĩa: Là phương pháp ủ gồm nung nóng thép đến nhiệt độ rất cao 1100
÷ 11500C và giữ nhiệt trong nhiều giờ (khoảng 10 ÷ 15h) tăng khả năng khuếch
tán làm đồng đều thành phần hóa `học trong vùng của hạt.
- Mục đích và đặc điểm:
+) Tạo ra hạt quá lớn do nung lâu ở nhiệt độ cao, vì vậy chỉ áp dụng cho vật đúc
trước khi gia công áp lực. Nếu không qua biến dạng dẻo để làm nhỏ hạt thì sau
đó phải ủ lại bằng cách ủ hồn tồn để làm nhỏ hạt.

+) Làm đều thành phần của thép do hiện tượng thiện tích gây ra. Cách ủ này áp
dụng cho các thỏi đúc bằng thép hợp kim cao, thường có hiện tượng khơng đồng
nhất về thành phần hố học.
- Công dụng : dùng cho vật đúc thép hợp kim cao do hiện tượng thiên tích. Sau
khi ủ khuếch tán hạt rất to nên phải tiến hành ủ thường hay cán nóng để làm nhỏ
hạt thép.
* Ủ đẳng nhiệt:
- Định nghĩa: là phương pháp ủ gồm nung nóng thép tới nhiệt độ ủ (xác định
theo là ủ hoàn toàn hay khơng hồn tồn), giữ nhiệt rồi làm nguội nhanh xuống
dưới Ac1 khoảng 50 ÷ 1000C tuỳ theo yêu cầu về tổ chức nhận được.
- Mục đích và đặc điểm:
+) Việc giữ nhiệt lâu trong lò ở nhiệt độ dưới A1 để γ phân hoá thành phần hỗn
hợp F + Xe
+) Thời gian giữ nhiệt tuỳ thuộc vào tính ổn định γ quá nguội của thép ủ ở nhiệt
độ giữ đẳng nhiệt (thường giữ hàng giờ)
+) Giảm độ cứng để thu được độ cứng thấp nhất ứng với tổ chức của P. Khá
nhiều thép hợp kim cao, do tính ổn định củaγ quá nguội quá lớn nên làm nguội
chậm cùng lị khi ủ cũng khơng đạt được độ cứng thấp do vậy phải làm cho tốc
độ nguội chậm hơn nữa nhưng rất khó khăn nên khống chế tính ổn định của γ
quá nguội bằng độ quá nguội.
-Công dụng : dùng cho thép hợp kim để rút ngắn thời gian ủ.
4.1.4.1.2. Thường hóa thép
a. Định nghĩa
Thường hố là phương pháp nhiệt luyện gồm nung nóng thép đến trạng thái
hồn tồn γ (cao hơn Ac3 hoặc Accm); giữ nhiệt rồi làm nguội tiếp theo trong
khơng khí tĩnh ( thơng thường sau khi giữ nhiệt xong chi tiết kéo ra để nguội ở
trên sàn xưởng) để γ phân hoá thành P phân tán hay X oocbit với độ cứng tương
đối thấp.
Nhiệt độ thường hoá là :T = T0 (Ac3 hay Accm) + (30 ÷ 50)0C
b. Đặc điểm của thường hoá thép

22


- So với ủ thép, thường hoá kinh tế hơn do khơng phải làm nguội trong lị do vậy
thường được áp dụng.
- Đạt được độ cứng thích hợp để gia công cắt cho thép các bon thấp ≤ 0,25%C,
đối với thép này nếu ủ độ cứng quá thấp phoi sẽ rất dẻo khó gãy, khó cắt gọt.
- Tốc độ nguội ngồi khơng khí tĩnh lớn hơn tốc độ nguội trong lò khi ủ, tốc độ
nguội tăng tức là độ quá nguội ∆T càng lớn do vậy hạt thu được có kích thước
nhỏ hơn so với khi ủ làm cho cơ tính được tăng lên.
- Tăng năng suất của q trình cơng nghệ.
- Làm nhỏ XeII chuẩn bị cho q trình nhiệt luyện kết thúc. Khi thường hóa sẽ
tạo ra tổ chức peclit phân tán hay xoocbit trong đó kích thước của Xementit nhỏ
mịn nên khi nung nóng nhận được austenit nhỏ mịn.
- Với thép sau cùng tích thì phá được lưới Xe II và tạo ra tổ chức phù hợp trước
khi nhiệt luyện kết thúc. Trong thép sau cùng tích Xe II thường ở dạng lưới rất
cứng và giịn. Vì vậy khi gia cơng cắt gọt khó nhận được bề mặt nhẵn bóng cao.
Khi thường hóa do làm nguội nhanh hơn ủ nên XeII không kịp tiết ra ở dạng lưới
nữa.
- Với thép có hàm lượng cacbon trung bình (%C = 0,35 ÷ 0,5%) thì thường hố
tạo ra tổ chức P có độ cứng tương đối cao (24 ÷ 28HRC) nên có thể dùng làm
nhiệt luyện kết thúc thay tơi và ram với chi tiết không quan trọng.
c. Các trường hợp áp dụng của thường hóa
Trên cơ sở phân tích các đặc điểm của thường hố, ta có thể thấy sử dụng
thường hố có thể đạt được các mục đích yêu cầu sau:
- Đạt độ cứng thích hợp để gia công cắt gọt với thép cacbon thấp (%C < 0,25%)
Đối với thép có hàm lượng cacbon > 0,3% thường tiến hành ủ cịn đối với thép
có hàm lượng cacbon thấp cần tiến hành thường hố. Thép có hàm lượng cacbon
thấp như vậy nếu đem ủ hoàn toàn sẽ cho độ cứng rất thấp (nhỏ hơn 140HV),
thép dẻo, phơi khó gẫy, quấn lấy dao, khi thường hoá sẽ cho độ cứng cao hơn

(khoảng 140 ÷ 180HB), thích hợp với các chế độ gia cơng cắt gọt.
Như vậy, để đảm bảo tính gia cơng cắt gọt, với thép có hàm lượng cacbon <
0,25% phải thường hố, từ 0,3 ÷ 0,65% cần ủ hồn tồn và thép có hàm lượng >
0,7% cần ủ khơng hồn tồn (ủ cầu hố).
- Làm nhỏ Xe để chuẩn bị cho nhiệt luyện kết thúc.
Khi thường hoá tạo ra tổ chức P phân tán hay X với Xe có kích thước bé. Mặt
khác, Xe àng nhỏ biên giới hạt càng nhiều, do vậy khi γ hoá sẽ tạo ra nhiều mầm
γ, nhận được hạt γ nhỏ mịn và chuyển biến xảy ra nhanh. Yêu cầu này rất cần
thiết đối với trường hợp tôi bề mặt.
- Làm mất XeII ở dạng lưới của thép sau cùng tích
Nhiều trường hợp sau khi làm nguội chậm sau khi ủ thép sau cùng tích hay bề
mặt thép thấm cacbon, trong tổ chức xuất hiện Xe II ở dạng lưới liên tục bao
quanh P làm thép rất dòn và ảnh hưởng đến độ nhẵn bóng khi gia cơng cắt gọt.
Thường hố có thể khắc phục được trạng thái này, do làm nguội nhanh hơn, Xe
không kịp tiết ra ở dạng liền nhau mà ở dạng đứt rời. Các xa nhau làm thép ít
dịn hơn, bề mặt đạt được độ nhẵn bóng cao hơn.
d. Nhiệt độ ủ và thường hoá thép theo giản đồ trạng thái
23


Hình 4.21.Nhiệt độ ủ và thường hóa của thép
4.1.4.2. Tơi thép
Trong tất cả các nguyên công nhiệt luyện tôi thép là phương pháp quan
trọng vì nó tạo ra cho chi tiết độ bền, độ cứng và tính chống mài mịn cao nhất.
a. Định nghĩa
Tôi thép là phương pháp nhiệt luyện nung nóng thép lên cao quá nhiệt độ tới
hạn (Ac1) hoặc AC3 tùy thuộc vào loại thép để làm xuất hiện tổ chức γ, sau đó
giữ nhiệt chi tiết rồi làm nguội nhanh thích hợp để γ chuyển biến thành M hay
các tổ chức không ổn định khác với độ cứng (như B, T khi tơi đẳng nhiệt) tính
chống mài mòn cao, và độ bền cao.

b. Đặc điểm
- Nhiệt độ tôi thấp nhất của các loại thép cũng phải cao hơn A C1 tức là
phải nung tới trạng thái austenit.
- Phải làm nguội trong các mơi trường có tốc độ nguội phù hợp (vng > vng.tới hạn)
- Tổ chức thu được sau khi tôi là tổ chức không ổn định nên phải kết hợp với
ram để tạo tổ chức ổn định hơn.
- Tốc độ làm nguội nhanh, do đó khơng những ứng suất tổ chức mà ứng suất
nhiệt cũng rất lớn, điều này dễ dẫn tới nứt, cong, vênh sản phẩm nên phải thận
trọng khi làm nguội.
- Độ cứng của sản phẩm sau khi tôi phụ thuộc vào hàm lượng cacbon trong thép
và tốc độ nguội (môi trường hay phương pháp làm nguội).
- Các tổ chức tạo thành sau khi tơi đều có độ cứng cao.
c. Mục đích của tơi
- Nâng cao độ cứng và tính chống mài mịn của thép do đó kéo dài được thời
gian làm việc của các chi tiết chịu mài mòn. Độ cứng của thép tơi phụ thuộc vào
lượng cacbon. Thép có lượng cacbon q thấp < 0,25% khi tơi có độ cứng
24


khơng cao, khơng đủ chịu mài mịn. Vậy, muốn đạt được mục đích này thép tơi
phải có hàm lượng cacbon trung bình và cao từ 0,3% cacbon trở lên.
- Nâng cao độ bền do đó nâng cao được sức chịu tải của chi tiết máy. Nhờ tính
chất này mà người ta tiến hành tôi thép cho các chi tiết máy quan trọng (chịu tải
nặng, chóng mịn và gẫy), các chi tiết quyết định khả năng làm việc lâu dài của
máy. Ngun cơng tơi thép đóng vị trí quan trọng đặc biệt trong nhiệt luyện vì
các lý do sau:
+)Cùng với ram, nó quyết định cơ tính của thép phù hợp với điều kiện làm việc
do vậy quyết định tuổi thọ của chi tiết máy.
+) Là một trong những nguyên công gia cơng cuối cùng, chi tiết đã ở dạng thành
phẩm vì thế hư hỏng ở khâu này sẽ gây ra lãng phí cơng sức của các khâu gia

cơng trước.
+ Rất dễ gây nứt, cong, vênh trong q trình gia cơng.
Phương pháp tôi không những dùng cho các hợp kim trên cơ sở sắt thép, gang
mà còn dùng cho hợp kim màu. Đối với hợp kim màu, phương pháp tôi nhằm
đạt được dung dịch rắn quá bão hòa để chuẩn bị cho hóa già hoặc gia cơng áp
lực, vì dung dịch rắn quá bão hòa dẻo hơn tổ chức hai pha ( dung dịch rắn + pha
dư).
Chất lượng của tôi phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Nhiệt độ nung, thời gian giữ
nhiệt, tốc độ làm nguội, thời gian giữ nhiệt….
d. Tốc độ tôi tới hạn và độ thấm tôi
d1. Tốc độ tôi tới hạn
- Định nghĩa: Là tốc độ nguội nhỏ nhất cần thiết để γ chuyển biến thành M với
từng loại thép khác nhau.
A1 − To 0
( C / s)
t g .h

vng.tới hạn =
A1: nhiệt độ tới hạn dưới của thép
T0: nhiệt độ cứng với γ quá nguội kém ổn định nhất
Tgh: thời gian kém ổn định nhất của γ.

25