Bai giang vat lieu hoc xu li chuong 6 cac phuong phap nhiet luyen

Trường ĐHBK TPHCM, Khoa Cơ khí
Bộ môn: Thiết bị và Công nghệ Vật liệu Cơ khí

Môn học

Vật liệu học & xử lý

TS. Nguyễn Thanh Hải
E-mail:

3/26/16

Vật liệu học & xử lí

1


Nhiệt luyện thép

1.

Mục đích

Xử lý thép bằng nhiệt nhằm mục đích thay đổi cấu trúc và từ đó thu được cơ tính tương ứng với yêu cầu mong
muốn
Thông số quan trọng:
: Nhiệt độ nung
: Thời gian giữ nhiệt
: Tốc độ nguội

Tn

τn
υn

T 0C

Tn

τn
3/26/16

Vật liệu học & xử lí

2

τ


Nhiệt luyện thép



Đánh giá:

•
•
•



Độ cứng.
Mức độ cong vênh, biến dạng.

Ứng dụng:

•
•

3/26/16

Tổ chức tế vi

Nhiệt luyện sơ bộ (trung gian)→ tiếp tục gia công cơ khí.
Nhiệt luyện kết thúc → thực hiện sau gia công cơ khí.

Vật liệu học & xử lí

3


Phân loại nhiệt luyện
Nhiệt luyện:






3/26/16

Ủ: đạt tổ chức cân bằng.
Thường hóa: đạt tổ chức cân bằng hạt nhỏ, cải thiện tính gia công cho thép cacbon thấp, khử lưới Xê.
Tôi: tổ chức không cần bằng, độ cứng đạt cực đại → giòn.
Ram: điều chỉnh cơ tính tổng hợp: độ cứng, độ bền, độ dai va đập.

Vật liệu học & xử lí

4


Phân loại nhiệt luyện
Hóa nhiệt luyện:

•
•
•

Dùng nhiệt nhằm thay đổi thành phần hóa học lớp bề mặt (thấm).
Thấm đơn: thấm C, thấm N
Thấm đa nguyên: thấm C-N…

Cơ nhiệt luyện:
Xử lý thép đồng thời bằng nhiệt luyện và biến dạng dẻo nhằm biến đổi mạnh tổ chức – cơ tính trong phôi.

3/26/16

Vật liệu học & xử lí

5

Chuyển biến khi xử lý nhiệt







3/26/16

Chuyển biến khi nung nóng: P → Aus
Chuyển biến khi làm nguội chậm: Aus → P (ủ)
Chuyển biến khi làm nguội liên tục
Chuyển biến khi làm nguội nhanh: Aus → M (tôi)
Chuyển biến khi nung thép đã tôi: M → P (ram)

Vật liệu học & xử lí

6


Chuyển biến khi nung nóng
Phản ứng:

> AC1
Fe
(
C
)

+
Fe
C

→ Feγ (C ) 0,8% C
[ α
3 ] 0,8% C

Nhiệt độ chuyển biến:

Tn = A1 + 20 ÷ 300 C

Cơ chế chuyển biến: sinh mầm – phát triển mầm với động học quá trình là khuếch tán, thông số quan trọng của
chuyển biến là nhiệt độ và thời gian
Chuyển biến khi giữ nhiệt:

•
•
•

3/26/16

Đồng đều nhiệt độ trong toàn khối thể tích.
Đồng đều thành phần C trong pha Ôs.
Phát triển kích thước hạt.

Vật liệu học & xử lí

7

Chuyển biến khi nguội chậm
Phản ứng:

< Ar1
Feγ (C )0,8% C 
→ [ Feα (C ) + Fe3C ] 0,8%C

Cơ chế chuyển biến: sinh mầm – phát
triển mầm.

3/26/16

Vật liệu học & xử lí

8


Chuyển biến khi nguội liên tục



Bắt đầu phân hủy khi đường tốc độ nguội
bắt đầu gặp đường cong chữ C.



Tổ chức thu được không đồng nhất theo
tiết diện mẫu.



Không hoàn toàn phù hợp với thép hợp
kim.

3/26/16

Vật liệu học & xử lí

9


Chuyển biến khi nguội nhanh
Tốc độ nguội V > Vth

Chuyển biến:
Aus → M

Vth

3/26/16

Vật liệu học & xử lí

10


Martensite
Mactenxite
dung dịch rắn xen kẽ quá bảo hòa của cacbon trong Feα, có kiểu mạng chính phương tâm khối và có độ cứng

cao.



Khi nguội nhanh:

•
•




3/26/16

Fe (C ) → Feα (C )

Trong đó nồng độ cacbon của hai pha là như nhau.

γ quá bão hòa.
Lượng cacbon trong Feα(C) ở trạng thái

Nguyên tử cacbon hòa tan bằng cách xen kẽ trong lỗ hổng của mạng, thường ở vị trí giữa mặt và giữa
cạnh, dẫn tới ô lập phương bị kéo dài thành ô mạng chính phương tâm khối.
Mạng bị xô lệch mạnh → tăng độ cứng.

Vật liệu học & xử lí

11

Martensite

3/26/16

Vật liệu học & xử lí

12


Đặc điểm chuyển biến Mactenxite




Chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục với tốc độ nguội V ≥ Vth.
Chuyển biến không khuyếch tán: chỉ có sự xê dịch của nguyên tử Fe, nhỏ hơn thông số mạng làm thay đổi
mạnh thể tích.





3/26/16

Tốc độ chuyển biến rất cao.
Chỉ xảy ra trong khoảng nhiệt độ bắt đầu chuyển biến Ms và kết thúc chuyển biến Mf.
Chuyển biến xảy ra không hoàn toàn luôn tồn tại Aus dư.

Vật liệu học & xử lí

13


Trạng thái tổ chức sau khi tôi





Pha M không ổn định.
Pha Aus chưa kịp chuyển biến.
Tồn tại ứng suất tổ chức và ứng suất nhiệt, có xu hướng trở về trạng thái ổn định.

Mactenxit
Mactenxit ram

Austenit dư

3/26/16

[Ferit + Xementit]

Gia nhiệt

Vật liệu học & xử lí

14


Chuyển biến sau khi tôi




0
< 80 C : không có chuyển biến.
0
80 ÷ 200 C : Mactenxit tiết pha dạng cacbit ε.

Feα (C )0,8% →  Feα (C ) 0,25 ÷ 0,4% + Fe2 ÷ 2,4 C 
Mactenxite



Mactenxite ram

0
200 ÷ 260 C




Tiếp tục tiết pha cacbit
Ôs dư → Mactenxit ram.

Feγ (C )0,8% →  Feα (C )0,15÷0,2% + Fe2 ÷ 2,4 C 


3/26/16

Khử hết ứng suất nhiệt

Vật liệu học & xử lí

15


Chuyển biến sau khi tôi (tt)



0
260 ÷ 400 C

Feα (C )0,15 ÷ 0,2% → [ Feα + Fe3C ]
Fe2 ÷ 2,4 C → Fe3C




Khử ứng suất tổ chức
Tạo Troxtit ram, Tr

0
> 400 C






3/26/16

Kết tụ và cầu hóa
0
Tạo Xoocbit ram tại 500 ÷ 650 C, Xr
0
Tạo Peclit ram tại nhiệt độ gần 700 C, Pr
Độ cứng giảm mạnh.

Vật liệu học & xử lí

16


Công nghệ Ủ



Nung thép đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt và làm nguội chậm cùng lò, đạt tổ chức ổn định Peclít, độ
cứng thấp và độ dẻo cao.

Mục đích:







3/26/16

Giảm độ cứng → gia công cắt gọt.
Tăng độ dẻo → gia công áp lực.
Khử ứng suất trong.
Đồng đều hóa thành phần.
Làm nhỏ hạt

Vật liệu học & xử lí

17


Ủ không chuyển pha



Tủ < AC1 → không có chuyển biến P → Aus




Ủ thấp: Tủ ~ 200 ÷ 6000C để giảm hoặc khử ứng suất trong sản phẩm sau cắt gọt hay dập nguội.





3/26/16

Ví dụ: Vật đúc gang (thân máy) ủ ở 450 ÷ 600 0C, từ 1 ÷ 2 giờ.

•

Sản phẩm sau khi gia công cắt gọt, ủ khử ứng suất tại 200 ÷ 450 0C.

Ủ kết tinh lại: thép sau biến dạng nguội để khôi phục tính dẻo.
Tủ ~ 600 ÷ 7000C
Cấu trúc hạt thay đổi → giảm độ cứng.

Vật liệu học & xử lí

18


Ủ có chuyển biến pha



Tủ > AC1 → có chuyển biến P → Aus→ hạt nhỏ.

Ủ hoàn toàn:




0
Tủ = AC3 + (20 ÷ 30 C )
Thường dùng cho thép trước cùng tích 0,3 ÷ 0,65%C.

Mục đích:

•
•

3/26/16

Làm nhỏ hạt
Giảm độ cứng, tăng độ dẻo

Vật liệu học & xử lí

19


Ủ có chuyển biến pha
Ủ không hoàn toàn:






0
Tủ = AC1 + (20 ÷ 30 C)
Thường dùng cho thép cùng tích và sau cùng tích ≥ 0,7%C.
Ủ cầu hóa tạo P hạt.
Sản phẩm là P hạt.

0

750 C
5ph
AC1
0
650 C

3/26/16

5ph

Vật liệu học & xử lí

20


Ủ có chuyển biến pha
Ủ đẳng nhiệt:




0
Tủ = Ar1 - 50 C
Dùng cho thép hợp kim cao.

Ar1
0
50 C

Ủ khuyếch tán:




3/26/16

0
Tủ = 1100 ÷ 1150 C; giữ nhiệt trong 10 – 15h để tăng khả năng khuyếch tán.
Dùng cho thép hợp kim cao sau đúc.

Vật liệu học & xử lí

21


Thường hóa



Nung nóng thép đến nhiệt độ hoàn toàn Aus (AC3 hoặc ACCM) giữ nhiệt và làm nguội ngoài không khí
tĩnh tạo tổ chức P phân tán hoặc Xoócbit.

•

0
Tủ = AC3 + (30 ÷ 50 C) thép trước cùng tích.

•

0

Tủ = ACCM + (30 ÷ 50 C) thép cùng tích và sau cùng tích.

Mục đích:

•
•
•

3/26/16

Tăng độ cứng để dể gia công cắt gọt thép cacbon thấp.
Làm nhỏ hạt Xêmentit trước khi tôi kết thúc.
Làm mất lưới XêII

Vật liệu học & xử lí

22


Tôi



Nung nóng thép lên trên AC1 tạo Aus, giữ nhiệt và làm nguội nhanh thích hợp tạo Mactenxite hoặc các tổ
chức không ổn định khác có độ cứng cao.

Mục đích:

•
•

Nâng cao độ cứng và tính chống mài mòn của chi tiết.
Nâng cao độ bền và sức chịu tải của chi tiết máy.

Nhiệt độ:

•
•

3/26/16

Thép trước cùng tích: Ttôi = AC3 + (30÷500C)
Thép cùng tích và sau cùng tích: Ttôi = AC1 + (30÷500C)

Vật liệu học & xử lí

23


Tôi
Tốc độ tới hạn:

A1 − Tm 0
Vth =
, C/s
tm

A1: Nhiệt độ tới hạn dưới của thép
Tm: Nhiệt độ Ôs quá nguội kém ổn định nhất
tm: Thời gian Ôs quá nguội kém ổn định nhất

Môi trường tôi: nước muối, nước, dầu, không khí. Các môi trường này được xếp theo thứ tự tốc độ nguội giảm
dần.

3/26/16

Vật liệu học & xử lí

24


Tôi



Tôi trong 1 môi trường

•
•



Nguội nhanh thép để đạt tổ chức M.
A1

Không làm chi tiết bị nứt hay biến dạng.

Tôi trong 2 môi trường

•

Nguội nhanh trong môi trường nước đạt 300 ÷

•

Chuyển sang làm nguội trong dầu.

Nhiệt độ

0
400 C

a

b

Thời gian

3/26/16

Vật liệu học & xử lí

25