chương 4 chuyển pha và nhiệt luyện thép

CHƯƠNG 4
CHUYỂN PHA VÀ
NHIỆT LUYỆN THÉP
Từ khoá: Transformation;
Heat Treatment; Heating; Cooling

1.CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU
1.1. Phân loại
•
Các chuyển biến pha trong VL thường gặp:
- Kết tinh từ pha lỏng
- Nóng chảy
- Chuyển biến thù hình
- Các phản ứng tạo pha mới
- Tiết pha mới khi đường giới hạn hòa tan thay đổi theo nhiệt độ

1.2. Nhiệt động học quá trình
chuyển pha
•
Quá trình chuy n pha luôn kèm theo s thay đ i n ng l ng t do Gibbs c a h :ể ự ổ ă ượ ự ủ ệ
G= H - TS (F= U - TS)= f (T,p …)
•
Quá trình chuy n pha s t x y ra khi n ng l ng t do c a h gi m ể ẽ ự ả ă ượ ự ủ ệ ả ⇔ ∆G<0

1.3.Hai quá trình của sự chuyển pha
•
Chuy n pha x y ra nh 2 quá trình:ể ả ờ
- Trong pha c xu t hi n nh ng trung tâm c a pha m i: m mũ ấ ệ ữ ủ ớ ầ
- M m phát tri n thành h t tinh th c a pha m iầ ể ạ ể ủ ớ

1.4.Động học q trình chuyển pha
•
Mơ t m i quan h gi a l ng pha m i hình thành các nhi t đ và th i gian khác nhauả ố ệ ữ ượ ớ ở ệ ộ ờ
•
ng h c chuy n pha ph thu c vào t c đ t o m m n và t c đ phát tri n m m vĐộ ọ ể ụ ộ ố ộ ạ ầ ố ộ ể ầ
•
Biểu thức Johnson – Mehl – Avrami:
X = 1 – exp [-(kT)
n
]
Trong đó :
X – ph n thể tích pha mới được tạo thành ầ
k – hằng số chuyển pha
T – nhiệt độ chuyển pha, (
o
K)

1.4.Động học q trình chuyển pha
•
ng cong đ ng h c mơ t quan h X= f(Đườ ộ ọ ả ệ τ) các nhi t đ khác nhau (bi u đ ch C)ở ệ ộ ể ồ ữ
•
Bi u đ có d ng 2 đ ng cong ch C ng v i th i đi m b t đ u và k t thúc chuy n bi n phaể ồ ạ ườ ữ ứ ớ ờ ể ắ ầ ế ể ế
•
Biểu đồ chữ C cho phép dự đoán được các tổ chức hình thành khi làm nguội, chế độ công
nghệ khi nung và làm nguội, xác đònh tốc độ nguội tới hạn vth

2. KẾT TINH TỪ PHA LỎNG
2.1. Mở đầu
•
Ph n l n KL đ c s n xu t b ng ph ng pháp n u ch y r i đúc thành bán thành ph m: v t đúc (casting)ầ ớ ượ ả ấ ằ ươ ấ ả ồ ẩ ậ

∀
⇒ Ch t l ng v t đúc ph thu c vào quá trình chuy n bi n t tr ng thái l ng sang tr ng thái tinh th : quá ấ ượ ậ ụ ộ ể ế ừ ạ ỏ ạ ể
trình k t tinhế

2.2. Đặc điểm cấu tạo của KL lỏng
•
Các nguyên t có xu h ng s p x p có tr t t ử ướ ắ ế ậ ự
(tr t t g n):ậ ự ầ
- M i nguyên t luôn gi kho ng cách nh t đ nh ỗ ử ữ ả ấ ị
v i nguyên t bên c nhớ ử ạ
- M i nguyên t có m t s nh t đ nh v i các nguyên ỗ ử ộ ố ấ ị ớ
t quanh nóử
•
Xu h ng s p x p tr t t luôn b phá hu và ướ ắ ế ậ ự ị ỷ
thay b ng s s p x p tr t t m iằ ự ắ ế ậ ự ớ

2.3. Nhiệt độ kết tinh lý thuyết
•
G i:ọ
- GL:n ng l ng t do c a KL tr ng thái l ngă ượ ự ủ ở ạ ỏ
- GS: NLTD c a KL tr ng thái r nủ ở ạ ắ
•
T>Ts: GL<GS ⇒ KL t n t i tr ng thái l ngồ ạ ở ạ ỏ
•
T<Ts: GL>GS ⇒ KL t n t i tr ng thái r nồ ạ ở ạ ắ
•
T = Ts: GL= GS ⇒TS: nhi t đ k t tinh lý thuy tệ ộ ế ế
•
TỞ S quá trình k t tinh ch a x y ra đ c vì KL l ng và KL ế ư ả ượ ỏ
r n tr ng thái cân b ng đ ngắ ở ạ ằ ộ

2.4. Nhiệt độ kết tinh thực tế
•
Nhi t đ k t tinh th c t (Tệ ộ ế ự ế kttt) luôn <TS và KL l ng có th t n t i T < Tỏ ể ồ ạ ở S
∀
∆T= TS-Tkttt: đ quá ngu iộ ộ
∀
∆T ph thu c: ụ ộ
- t c đ ngu i ố ộ ộ
- b n ch t KLả ấ

2.5.Hai quá trình của sự kết tinh
•
S k t tinh x y ra nh 2 quá trình n i ti p:ự ế ả ờ ố ế
- Trong KL l ng xu t hi n nh ng trung tâm k t tinh: m mỏ ấ ệ ữ ế ầ
- M m phát tri n thành h t tinh thầ ể ạ ể

2.6.Sự tạo mầm
•
T o m mạ ầ : quá trình xu t hi n các ph n t r n có c u t o tinh th v i kích th c xác đ nh trong KL l ngấ ệ ầ ử ắ ấ ạ ể ớ ướ ị ỏ
•
Có 2 lo i m mạ ầ :
- M m t sinh (m m đ ng pha)ầ ự ầ ồ
- M m ký sinh (m m không đ ng pha)ầ ầ ồ

2.6.1.Mầm tự sinh
•
M m t sinh đ c t o nên t chính b n thân KL l ngầ ự ượ ạ ừ ả ỏ
•
T<TỞ S: trong KL l ng các nhóm nguyên t s p x p tr t t có kích th c l n h n m t giá tr nh t đ nh s ỏ ử ắ ế ậ ự ướ ớ ơ ộ ị ấ ị ẽ

c đ nh l i v i ki u m ng tinh th c a KL và phát tri n thành h t tinh thố ị ạ ớ ể ạ ể ủ ể ạ ể

Điều kiện năng lượng
của sự tạo mầm tự sinh
•
Gi s có 1 c m nguyên t v i bán kính r, th tích V, di n tích b m t F đang hình thành trong KLL quá ả ử ụ ử ớ ể ệ ề ặ
ngu i.ộ
•
N ng l ng t do c a h s thay đ i m t l ng ă ượ ự ủ ệ ẽ ổ ộ ượ ∆G do 2 nguyên nhân:

Điều kiện năng lượng
của sự tạo mầm tự sinh
a. Gi m n ng l ng t do th tích ả ă ượ ự ể ∆GV
- Pha r n có n ng l ng t do nh h n pha l ng ắ ă ượ ự ỏ ơ ỏ ⇒ n ng l ng t do gi m:ă ượ ự ả
∆GV= - n∆Gm
n-s mol c a m m; n= V/Vố ủ ầ mol
∆Gm- ng v i 1 mol KLứ ớ
∆Gm= ∆Hm - T∆Sm = ∆Hm - T.∆H/To
≈ Lnc - T.Lnc/T0= Lnc(1-T/T0)= Lnc ∆T/T0

Điều kiện năng lượng
của sự tạo mầm tự sinh
b. T ngă n ng l ng t do b m t ă ượ ự ề ặ ∆GF
Xu t hi n pha m i (r n) có di n tích b m t F làm n ng l ng t do t ng:ấ ệ ớ ắ ệ ề ặ ă ượ ự ă
∆GF= σF
σ - scbm c a m mủ ầ
⇒
∆G= ∆GV+∆GF
= -4πr
3

Lnc ∆T/(3T0Vm) + 4πr
2
σ
⇒ ∆G= f(r)

Điều kiện năng lượng
của sự tạo mầm tự sinh
•
Nh ng m m có r<rữ ầ th không th phát tri n ể ể
lên đ c do khi r t ng thì ượ ă ∆G c ng t ngũ ă
•
Ch nh ng m m có r>rỉ ữ ầ th m i có th phát ớ ể
tri n lên đ cể ượ

2.6.2.Mầm ký sinh
•
Th c t , quá trình k t tinh c a KLL x y ra v i ự ế ế ủ ả ớ ∆T nh h n r t nhi u so v i đ quá ngu i c n cho m m ỏ ơ ấ ề ớ ộ ộ ầ ầ
t sinhự
•
Nguyên nhân: do các ph n t r n có m t trong KLLầ ử ắ ặ
•
B ng các tính toán t ng t , n ng l ng c n thi t đ t o m m ký sinh có rằ ươ ự ă ượ ầ ế ể ạ ầ th:
∆G
’
max=(2-3cosθ+cos
2
θ) ∆Gmax/4= c.∆Gmax
θ-góc th m t c a m m lên ph n t r nấ ướ ủ ầ ầ ử ắ

2.7. Sự phát triển mầm

•
Sau khi đã t o m m, các m m này phát tri n lên thành h t tinh th . ây là quá trình t phát vì gi m n ng l ng ạ ầ ầ ể ạ ể Đ ự ả ă ượ
t doự
•
Mô hình l p nguyên t không hoàn ch nhớ ử ỉ
•
Mô hình b m t nh p nhôề ặ ấ
•
Mô hình m t l ch xo nặ ệ ắ

2.8.Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc
•
Vùng 1 (Ngoài cùng): Các tinh th đ ng tr c v i ể ẳ ụ ớ
kích th c nh . Nguyên nhân:ướ ỏ
- KL l ng do ti p xúc v i khuôn ngu i ỏ ế ớ ộ →
ngu i r t nhanh ộ ấ → ∆T r t l n ấ ớ → h t nhạ ỏ
- Do ch t s n khuôn, thành khuôn nh p nhô ấ ơ ấ →
hình thành nhi u m m ký sinh ề ầ → h t nhạ ỏ
4
1
2
3

2.8.Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc
•
Vùng 2 (vùng trung gian): vùng tinh th hình ể
tr t ng đ i l n, h t dài, th ng góc thành ụ ươ ố ớ ạ ẳ
khuôn
•
Nguyên nhân: ∆T gi m, h ng truy n nhi t ả ướ ề ệ

ra ngoài thành khuôn
4
1
2
3

2.8.Cấu tạo tinh thể của thỏi đúc
•
Vùng 3 (vùng trung tâm): nh ng tinh th đ ng ữ ể ẳ
tr c v i kích th c l nụ ớ ướ ớ
•
Nguyên nhân: thành khuôn nóng lên, t c đ ố ộ
truy n nhi t qua khuôn ch m ề ệ ậ → vùng này
nhi t đ h u nh nh nhau ệ ộ ầ ư ư → g n nh k t ầ ư ế
tinh đ ng th i v i ồ ờ ớ ∆T nh ỏ → h t l n đ ng ạ ớ ẳ
tr cụ
4
1
2
3

2.9.Các khuyết tật của vật đúc
•
Lõm co:
- a số kim loại kết tinh đều giảm thể tích: Đ ∆V < 0
- Phần thể tích chênh lệch đó nếu tập trung lại sẽ tạo ra lõm co

2.9.Các khuyết tật của vật đúc
•
Rỗ khí :Ở trạng thái lỏng, kim loại hòa tan khí nhiều hơn ở trạng thái rắn. Khi kết tinh, nếu

các khí hòa tan không thoát ra kòp, tích tụ lại sẽ tạo ra rỗ khí. Rỗ khí làm giảm mật độ của vật
đúc
•
Thiên tích :là sự không đồng đều về thành phần hóa học.
•
Ứng suất đúc : có hai nguyên nhân tạo ra là sự nguội không đồng đều gọi là ứng suất nhiệt
và sự sai khác nhau về thể tích riêng của các pha gọi là ứng suất tổ chức.
•
Ứng suất đúc có thể sinh ra nhất thời hoặc tồn tại lâu dài sau khi vật đúc nguội hoàn toàn gọi
là ứng suất dư. Ứng suất đúc có thể gây biến dạng, cong vênh và nứt chi tiết. Để hạn chế ứng
suất đúc, cần tránh sự thay đổi đột ngột tiết diện vật đúc và làm nguội chậm. Sau khi đúc nên
ủ để khử ứng suất dư

3. CHUYỂN BIẾN KHI NUNG NÓNG
VÀ LÀM NGUỘI THÉP
3.1. Đại cương về nhiệt luyện thép
3.1.1. Định nghĩa
•
nh ngh a v Đị ĩ ề nhi t luy nệ ệ : nhi t luy n là nung nóng KL đ n nhi t đ xác đ nh, gi nhi t ệ ệ ế ệ ộ ị ữ ệ
v i th i gian thích h p, làm ngu i v i t c đ xác đ nh ớ ờ ợ ộ ớ ố ộ ị → làm thay đ i t ch c ổ ổ ứ → làm bi n đ i ế ổ
tính ch t c a KLấ ủ
•
M i quá trình nhi t luy n luôn ọ ệ ệ ở tr ng thái r nạ ắ