Nghiên cứu về giản đồ trạng thái sắt- cácbon

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU
---o0o---

BÀI TIỂU LUẬN
Môn học :

VẬT LIỆU HỌC

GVHD:

PHẠM HẢI ĐỊNH

LỚP:

DHHC6

HỌC KỲ: II

Tháng 04 năm 2013

NĂM HỌC: 2012–2013


GIẢN ĐỒ TRẠNG THÁI SẮT – CACBON
Trong phần này nghiên cứu về giản đồ trạng thái sắt - cácbon, các khái niệm cơ bản về gang thép, các phương pháp nhiệt luyện, hóa - nhiệt luyện, cơ - nhiệt luyện và sơ lược về các thiết bị
nhiệt luyện. Do vậy cần hiểu được các chuyển biến khi nung nóng và làm nguội thông qua
giản đồ trạng thái Fe - C và các giản đồ có liên quan, bản chất của các tổ chức tạo thành, mối
quan hệ giữa các tổ chức.
Cơ sở để nghiên cứu gang - thép và tìm hiểu các tính chất của nó là giản đồ trạng thái Fe - C.

Để nghiên cứu giản đồ trạng thái Fe - C trước hết phải khảo sát các đặc tính của các nguyên
thành phần.

Hình 1: Giản đồ pha sắt – cacbon
1. Giản đồ pha
Theo lý thuyết, giản đồ trạng thái Fe - C phải được xây dựng từ 100% Fe đến 100%C song do
không dùng các hợp kim Fe - C với lượng các bon nhiều hơn 5% nên ta chỉ xây dựng giản đồ
đến 6,67% các bon tức là ứng với hợp chất hóa học Fe3C. Trong thực tế, Fe với C tồn tại ở 3
dạng hợp chất là FeC, Fe2C, Fe3C song xêmentít (Fe3C) ổn định về thành phần hóa học ở mọi
nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy nên dùng Fe3C làm cấu tử.

2


Bảng 1: Tọa độ các điểm
Điểm

%C

Nhiệt độ

Điểm

%C

Nhiệt độ

A

0

1539

E

2,14

1147

H

0,1

1499

C

4,3

1147

J

0,16

1499

F

6,67

1147

B

0,51

1499

R

0,02

727

N

0

1392

S

0,8

727

D

6,67

1600

K

6,67

727

G

0

910

Q

0,006

0

Hình 2: Tọa độ các điểm trong giản đồ pha
2. Các tổ chức của hợp kim
Trên giản đồ, đường ABCD là đường lỏng
Đường AHJECF là đường rắn
a. Tổ chức 1 pha
- Hợp kim lỏng (L): là dung dịch lỏng của cácbon trong sắt, tồn tại ở phía trên đường lỏng
ABCD.
- Xementit (ký hiệu là Xe hay Fe3C): là hợp chất hóa học của sắt với các bon - Fe3C, ứng với
đường thẳng đứng DFK. Nó cứng và giòn, cơ bản là giống gốm ở dạng nguyên chất. Nó tạo

thành trực tiếp trong trường hợp nấu chảy gang trắng. Trong thép cacbon, nó được hình thành
từ quá trình làm lạnh austenite hoặc ủ Martenxit. Tất cả lượng sắt có được chứa trong
3


cementite. Cementite trộn với Ferrite, các sản phẩm khác của Austenite, để tạo thành cấu trúc
phiến mỏng gọi là Pearlite và Bainite.
- Xementit thứ nhất (XeI): là loại kết tinh từ hợp kim lỏng, nó được tạo thành trong các hợp
kim chứa nhiều hơn 4,3% và trong khoảng nhiệt độ (1147 - 1600)0C. Do tạo nên từ pha lỏng và
ở nhiệt độ cao nên XeI có tổ chức hạt to.
- Xementit thứ hai (XeII): là loại được tiết ra từ dung dịch rắn Auxtenit ở trong khoảng nhiệt
độ (727 - 1147)0C khi độ hòa tan của cacbon ở trong pha này giảm từ 2,14% xuống còn 0,8%
do vậy XeII có trong hợp kim với thành phần các bon lớn hơn 0,8%. Do tạo từ pha rắn và ở
nhiệt độ không cao lắm nên XeII có tổ chức hạt nhỏ hơn, do được tiết ra từ Auxtenit nên
thường ở dạng lưới bao quanh Auxtenit.
- Xemetit thứ ba (XeIII): là loại được tiết ra từ dung dịch rắn Ferit ở trong khoảng nhiệt độ
thấp hơn 7270C khi độ hòa tan giới hạn của cácbon trong Ferit giảm từ 0,02% xuống 0,006%.
XeIII có ở trong mọi hợp kim có thành phần C lớn hơn 0,006% nhưng với lượng rất ít. Do tạo
nên từ pha rắn và ở nhiệt độ thấp, khả năng khuếch tán của nguyên tử rất kém nên XeIII
thường ở dạng mạng lưới hay hạt rất nhỏ bên cạnh Ferit.
Các dạng Xementit không khác nhau về bản chất pha, chỉ khác nhau về kích thước hạt và sự
phân bố do điều kiện tạo thành khác nhau.
- Ferit (ký hiệu là F hay α): là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon ở trong Fe(α), có mạng lập
phương thể tâm nên khả năng hòa tan của cacbon ở trong Fe(α) là không đáng kể, vì cấu trúc
BCC có lỗ trống ít hơn nhiều so với cấu trúc FCC, lớn nhất ở 7270C là 0,02% và nhỏ nhất ở
nhiệt độ thường là 0,006%.

- Auxtenit (kí hiệu là As hay γ): là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Fe(γ), có mạng lập
phương diện tâm nên khả năng hòa tan cacbon của Fe(γ) khá lớn, lớn nhất ở nhiệt độ 11470C
với 2,14% và nhỏ nhất ở 7270C với 0,8%C. Austenite là kim loại không từ tính, khi làm lạnh

cấu trúc này bị gảy thành hỗn hợp của ferrite và cementite, hoặc là trải qua một sự biến đổi nhỏ
mạng tinh thể được gọi là biến đổi Martensite. Tỷ lệ hạ nhiệt độ xác định theo quy tắc tam
suất của loại vậy liệu và tính chất cơ học của thép.
4


Auxtenit rất dẻo và dai khi các nguyên tố khác hòa tan vào không những làm độ cứng tăng lên
và độ dẻo độ dai giảm đi đáng kể mà còn làm thay đổi động học chuyển biến do đó ảnh hưởng
lớn tới nhiệt luyện.
Martensite: được hình thành trong thép cacbon bằng cách làm lạnh nhanh Austenite, như vậy
các nguyên tử cacbon không có thời gian khuếch tán ra khỏi cấu trúc tinh thể với lượng lớn để
tạo thành Fe3C. Kết quả là Austenite FCC biến đổi thành Ferrite BCC giãn căng và bão hòa
cacbon.

b. Các tổ chức 2 pha
- Peclit (ký hiệu là P hay [α+Xe]): Peclit là hỗn hợp cơ học cùng tích của Ferit và Xementit
(α + Xe) tạo thành ở 7270C từ dung dịch rắn Auxtenit chứa 0,8%C. Trong Peclit có 88% Ferit
và 12% Xementit. Từ giản đồ trạng thái Fe - C ta thấy trong quá trình làm nguội, thành phần
cacbon của Auxtenit sẽ biến đổi và khi đến 7270C có 0,8%C (các hợp kim có lượng cacbon
nhỏ hơn 0,8% thì thành phần Auxtenit biến đổi theo hướng tiết ra Ferit để làm tăng cacbon còn
các hợp kim có lượng cacbon lớn hơn 0,8% thì thành phần Auxtenit biến đổi theo hướng tiết ra
Xementit làm giảm cacbon, cả 2 trường hợp trên đều đưa đến lượng cacbon trong Auxtenit là
0,8% ở 7270C). Lúc đó, Auxtenit có 0,8% C sẽ chuyển biến thành hỗn hợp cùng tích của Ferit
và Xementit:
5


Tùy theo hình dạng Xêmentit ở trong hỗn hợp, người ta chia ra 2 loại peclit là peclit tấm và
peclit hạt (Peclit tấm Xe ở dạng tấm phiến còn Peclit hạt thì Xe ở dạng hạt). Peclit là hỗn hợp
cơ học nên có tính chất trung gian. Kết hợp giữa tính dẻo, dai của α và cứng, dòn của Xe nên

nói chung P có độ cứng, độ bền cao, tính dẻo dai thấp. Tuy nhiên cơ tính của nó có thể thay đổi
trong phạm vi khá rộng phụ thuộc vào độ hạt của Xe.
- Ledeburit (ký hiệu là Le hoặc [γ+Xe] hay [P+Xe]): Ledeburit là hỗn hợp cơ học cùng tinh,
kết tính từ pha lỏng có nồng độ 4,3%C ở 11470C.
Lúc đầu mới tạo thành nó gồm γ và Xe (trong khoảng 7270C ÷ 11470C). Khi làm nguội xuống
dưới 7270C, γ chuyển biến thành P do vậy Lêdeburit là hỗn hợp cơ học của Peclit và Xementit.
Như vậy cuối cùng Lêdeburit có 2 pha là α và Xe trong đó Xe chiếm tỉ lệ gần 2/3 nên
Leđeburit rất cứng và dòn.
c. Vi cấu trúc
Bainite: Là một vi cấu trúc (không phải một pha) hình thành trong thép ở nhiệt độ 250-550oC,
nó là một một trong các sản phẩm của sự phân hủy có thể hình thành khi austenite được làm
lạnh qua nhiệt độ giới hạn 1000 K.
Spheroidite: (α- Ferrite + Fe3C) Nếu một hợp kim thép có cấu trúc vi mô là pearlitic hoặc
bainitic được làm nóng và trái lại, dưới nhiệt độ cùng tích cho một khoảng thời gian đủ dài, ví
dụ khoảng 700oC từ 18 – 20h, một cấu trúc vi mô được hình thành là Spheroidite.

3. Quá trình kết tinh của hợp kim Fe-C
a. Phần phía trên đường rắn AHJECF
- Khu vực có thành phần (0,1 ÷ 0,51) %C:

6


Khi làm nguội đến đường lỏng AB, hợp kim lỏng sẽ kết tinh ra dung dịch rắn δ trước. Khi hạ
nhiệt độ xuống tới 14990C, hợp kim có 2 pha là dung dịch rắn δ chứa 0,1%C và dung dịch lỏng
chứa 0,51%C nên xảy ra phản ứng bao tinh tạo ra dung dịch rắn Austenit chứa 0,16%C.

- Khu vực có thành phần (0,51 ÷ 4,3) %C:
Khi làm nguội hợp kim tới đường lỏng BC nó sẽ kết tinh ra γ. Các hợp kim có thành phần từ
(0,51 ÷ 2,14) %C kết thúc kết tinh bằng sự tạo thành dung dịch rắn γ còn các hợp kim có

thành phần từ (2,14÷ 4,3) %C kết thúc kết tinh bằng sự kết tinh của dung dịch lỏng có thành
phần ứng với điểm C tạo ra 2 pha γ có thành phần ứng với điểm E và Xe ở 11470C.

Hỗn hợp cơ học trên gọi là hỗn hợp cơ học cùng tinh Ledeburit
Khi T > 7270C tổ chức Le gồm [γ + Xe] Khi T < 7270C tổ chức Le gồm [P + Xe]
b. Phần dưới đường rắn AHJECF
Tại 7270C γ có thành phần 0,8%C sẽ chuyển biến thành P là hỗn hợp của 2 pha α và Xe gọi
là hỗn hợp cơ học cùng tích.

3. Phân loại hợp kim Fe - C theo giản đồ trạng thái
Để phân loại hợp kim Fe - C người ta dựa vào hàm lượng của cacbon trong hợp kim đó.
a. Thép
Là hợp kim của Fe với C mà hàm lượng C trong nó nhỏ hơn 2,14%. Do vậy, ta có thể phân ra
làm 3 loại thép.
- Thép trước cùng tích: Thép có hàm lượng cacbon < 0,8%
Tổ chức của thép trước cùng tích là (P + α)

7


- Thép cùng tích: Thép có thành phần cacbon = 0,8%. Tổ chức của thép cùng tích là hỗn hợp
cơ học cùng tích P.

- Thép sau cùng tích: Là thép có hàm lượng cacbon nằm trong khoảng (0,8 ÷ 2,14) %. Tổ chức
của thép sau cùng tích là P + XeII. Lượng XeII ít được tiết ra dưới dạng mạng lưới bao quanh
hạt P nên có tính dòn cao chính vì vậy, trên thực tế người ta chỉ dùng thép có hàm lượng
cacbon nhỏ hơn 1,3%.

b. Gang
Là hợp kim của Fe với C mà hàm lượng C trong nó lớn hơn 2,14% và nhỏ hơn 6,67%. Dựa

vào hàm lượng cacbon và tương tự đối với thép, ta có thể phân ra làm 3 loại gang sau:
- Gang trước cùng tinh là loại gang có hàm lượng cacbon < 4,3%.
Tổ chức của gang trước cùng tinh là P + XeII + Le. Đây là loại gang thường được sử dụng
trong thực tế

8


- Gang cùng tinh là loại gang có hàm lượng cacbon là 4,3% Tổ chức của gang cùng tinh là Le

Gang sau cùng tinh: là loại gang có hàm lượng cacbon lớn hơn 4,3%
Tổ chức của gang sau cùng tinh là Le + XeI

Các loại gang trên được gọi chung là gang trắng, cacbon trong gang trắng đều tồn tại dưới
dạng Xe.
4. Đặc điểm cơ tính của thép và gang theo giản đồ trạng thái
a. Thép
- Thép trước cùng tích, lượng cacbon ít nên lượng Xe cũng ít vì vậy thép có tính dẻo cao.
- Thép sau cùng tích và cùng tích, hàm lượng cacbon tăng nên tỉ lệ pha Xe tăng do vậy làm
tăng độ cứng, tính dòn đồng thời làm độ thắt tỉ đối ψ, độ giãn dài tương đối δ giảm xuống. Vì
những lý do trên mà trên thực tế, người ta không dùng thép có hàm lượng cacbon quá cao (%C
> 1,3%).
b. Gang
Gang sau cùng tích có lượng Xe quá nhiều gây dòn và cứng, không có khả năng cắt gọt do vậy
không được sử dụng. Thực tế, người ta sử dụng gang trước cùng tích có hàm lượng cacbon nhỏ
hơn 3,5%.
5. Các nhiệt độ tới hạn hợp kim Fe - C theo giản đồ trạng thái
9

a. Nhiệt độ phản ứng cùng tinh (T = 11470C)
Với hàm lượng cacbon lớn hơn 2,14% được dùng để xác định chế độ nấu luyện của hợp kim.
b. Nhiệt độ phản ứng cùng tích (T = 7270C)
γ → [F + Xe] (khi làm nguội) và [F + Xe] → γ (khi nung).
Hàm lượng cacbon lớn hơn 0,02% và được áp dụng nhiều trong nhiệt luyện là đường A1.
Trong thực tế, nhiệt độ chuyển biến khi nung nóng và làm nguội bao giờ cũng khác với giản
đồ. Để biểu thị quá trình nung nóng khi có sự chuyển biến pha trên thực tế người ta gọi đó là
đường AC1 và khi làm nguội là đường Ar1

c. Nhiệt độ đường giới hạn hòa tan của Ferit (α ) trong Auxtenit (γ ) là đường A3
Nhiệt độ giới hạn hòa tan được thay đổi theo hàm lượng cacbon gọi là đường A3. Khu nung
vượt qua nhiệt độ AC3 thì kết thúc quá trình hòa tan của Ferit (α) vào Auxtenit (γ). Đồng thời,
khi làm nguội xuống nhiệt độ nhỏ hơn Ar3 thì bắt đầu tiết ra Ferit (α) từ Auxtenit(γ).
Như vậy: T0Ar3 < T0A3 < T0Ac3
ý nghĩa: Dùng chọn chế độ nhiệt luyện thép trước cùng tích.
d. Nhiệt độ đường giới hạn hòa tan của Xementit (Xe) vào Auxtenit (γ ) là đường Acm
Nhiệt độ giới hạn hòa tan được thay đổi theo hàm lượng cacbon gọi là đường Acm. Khi nung
vượt qua nhiệt độ Accm thì kết thúc quá trình hòa tan của Xementit (Xe) vào Auxtenit (γ).

10


Đồng thời, khi làm nguội xuống nhiệt độ nhỏ hơn Arcm thì bắt đầu có sự tiết ra Xementit (Xe)
từ Auxtenit (γ).
Như vậy: T0Arcm < T0Acm < T0Accm.

11


CÁC CHUYỂN BIẾN XẢY RA KHI NUNG VÀ LÀM NGUỘI

THÉP
6. Khái niệm về nhiệt luyện
a. Định nghĩa
Là phương pháp gia công kim loại bằng cách nung kim loại tới một nhiệt độ xác định, giữ
nhiệt một thời gian và làm nguội với tốc độ nguội được xác định trước nhằm đạt được tổ chức
và tính chất của vật liệu kim loại theo yêu cầu.
Để mô tả công nghệ nhiệt luyện dùng hệ toạ độ T0 - t:

Khi nhiệt luyện không được phép nung nóng kim loại đến trạng thái nóng chảy hay chảy bộ
phận. Trong mọi quá trình nhiệt luyện kim loại luôn luôn ở trạng thái rắn, hình dạng và kích
thước của sản phẩm hầu như không thay đổi hoặc thay đổi rất ít.
b. Các đặc điểm của nhiệt luyện
- Trong quá trình nhiệt luyện thì sản phẩm không thay đổi về hình dáng và kích thước mà chỉ
thay đổi về tổ chức và cơ tính của vật liệu.
- Các thông số công nghệ được xác định nhờ giản đồ trạng thái của các loại hợp kim.
- Sản phẩm sau khi nhiệt luyện phải thu được đầy đủ các thông số của hợp kim.
c. Các yếu tố đặc trưng cho quá trình nhiệt luyện
Các yếu tố quan trọng nhất đặc trưng cho quá trình nhiệt luyện là: nhiệt độ nung, thời gian giữ
nhiệt và tốc độ làm nguội.
- Nhiệt độ nung nóng t0 nung là nhiệt độ cao nhất phải đạt đến khi nung nóng nhiệt.
- Thời gian giữ nhiệt τg.n là thời gian cần thiết duy trì kim loại ở nhiệt độ nung.
- Tốc độ nguội vnguội là độ giảm của nhiệt độ theo thời gian sau khoảng thời gian giữ
12


d. Phân loại nhiệt luyện
Tuỳ theo vị trí của nhiệt luyện trong quá trình gia công cơ khí, người ta phân nó thành 2 nhóm:
- Nhiệt luyện sơ bộ: là những dạng nhiệt luyện mà sản phẩm sau nhiệt luyện còn tiếp tục gia
công cơ khí.
- Nhiệt luyện kết thúc: là dạng nhiệt luyện mà sản phẩm sau nhiệt luyện không tiếp tục gia

công.
7. Các chuyển biến xảy ra khi nung thép
a. Mô tả thí nghiệm
Sử dụng mẫu thí nghiệm là thép chứa 0,8% cacbon, có tổ chức là Peclit (P=[α+Xe]) làm hàng
loạt mẫu có kích thước và hình dáng giống nhau và tiến hành nung tới nhiệt độ lớn hơn nhiệt
độ Ac1. Giữ các mẫu tại nhiệt độ nung với các thời gian khác nhau sau đó tiến hành làm nguội
nhanh. Đo lượng chuyển biến P thành γ theo thời gian.

Trên cơ sở đo lượng chuyển biến đó, ta xây dựng đường cong phần trăm lượng γ theo thời gian
t:
%γ = f(t)
Đường cong trên chính là đường cong động học chuyển biến P thành γ. OA: giai đoạn phôi
thai, bắt đầu tạo các trung tâm sinh mầm.
AB: giai đoạn bắt đầu chuyển biến P thành γ. ở giai đoạn này, có sự thay đổi năng lượng tự do.
∆G = ∆Gthể tích + ∆Gbề mặt + ∆Gđàn hồi
Do vậy, ta thấy rằng quá trình tạo mầm ở trạng thái rắn là khó khăn và chậm hơn do biến thiên
năng lượng cao hơn.
BC: giai đoạn chuyển biến xảy ra nhanh do lượng mầm tạo ra nhiều và khả năng lớn lên mạnh
do ∆Gđàn hồi chưa quá lớn.
CD: giai đoạn chuyển biến chậm lại do ∆Gđàn hồi lớn

13


b. Nhiệt độ chuyển biến Peclit thành Auxtenit
- Đường cong động học chuyển biến khi nung nóng thép cùng tích
Từ giản đồ trạng thái Fe-C thấy rằng chuyển biến P thành γ xảy ra ở 7270C, nhưng điềunày chỉ
đúng với khi nung nóng bằng tốc độ vô cùng bé. Với tốc độ nung nóng thực tế, nhiệt độ tại đó
xảy ra chuyển biến này luôn luôn cao hơn 7270C, tốc độ nung càng lớn, nhiệt độ xảy ra chuyển
biến càng cao và chuyển biến thực tế xảy ra trong một khoảng nhiệt độ. Điều này được thể

hiện trên giản đồ chuyển biến p thành γ.

14


(1): Đường bắt đầu quá trình chuyến biến P → γ
(2): Đường kết thúc quá trình chuyển biến P → γ
Sử dụng 2 trục tra toạ độ là thời gian và nhiệt độ, ta có thể đặt ở trên đó các đường biểu diễn
tốc độ nung nóng để xét ảnh hưởng của tốc độ nung đến nhiệt độ chuyển biến. Nếu nung nóng
với tốc độ v1 thì thời điểm bắt đầu và kết thúc quá trình chuyển biến là a1, b1 còn nếu nung
nóng với tốc độ v2 lớn hơn v1 đó là điểm a2, b2. Do đó ta thấy rằng tốc độ nung nóng càng
cao, chuyển biến P → γ xảy ra ở nhiệt độ càng cao và với thời gian càng ngắn.
ý nghĩa của việc xảy ra dừng đường cong động học chuyển biến P → γ:
- Tính được nhiệt độ bắt đầu và kết thúc chuyển biến P → γ với các tốc độ nung khác nhau. Từ
đó định ra công nghệ nhiệt luyện.
- Xác định mức độ ổn định của các pha phụ thuộc vào thông số công nghệ
- Đường cong động học chuyển biến khi nung nóng thép và sau cùng tích
- Thép trước cùng tích: Đối với thép trước cùng tích tổ chức bao gồm P + F. Nên để có chuyển
biến hoàn toàn thành γ cần nung thép vượt quá nhiệt độ Ac3. Khi đó đường cong động học có
dạng như sau:

(1): Đường cong bắt đầu quá trình chuyển biến P → γ
(2): Đường cong kết thúc quá trình chuyển biến P → γ
(3) Đường cong bắt đầu hoà tan F → γ
(4): Đường kết thúc hoà tan F → γ

- Thép sau cùng tích: Đối với thép sau cùng tích tổ chức bao gồm P + Xe II. Nên để có chuyển
biến hoàn toàn thành γ cần nung thép tới nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Accm. Khi đó đường cong
động học có dạng như sau:

(1): Đường cong bắt đầu quá trình chuyển biến P → γ
(2): Đường cong kết thúc quá trình chuyển biến P → γ
(3) Đường cong bắt đầu hoà tan XeII → γ
(4): Đường kết thúc hoà tan XeII → γ
b. Cơ chế hình thành γ khi nung
Quá trình nung nóng thép cùng tích là quá trình chuyển hoá
15


P[F0,02 + Xe6,67] → γ0,8
Quá trình này chỉ xảy ra khi có sự ba đông về năng lượng mà ba đông về thành phần hoá học
là nguyên nhân chủ yếu để tạo ra ba đông năng lượng. Quá trình ba đông đó tạo ra những
vùng có thành phần cacbon gần bằng 0,8%. ở ranh giới giữa Xe và F luôn có hàm lượng
cacbon cao nhất nên thuận lợi cho quá trình tạo mầm. Do vậy, mầm γ đầu tiên sẽ xuất hiện trên
ranh giới 2 pha F và Xe. Các mầm γ phát triển, thực hiện quá trình chuyển biến P → γ.

Tốc độ phát triển của mầm γ về 2 phía Xe và F là khác nhau

Nhận thấy ∆Cγ/F << ∆Cγ/Xe nên vγ/F > vγ/Xe vỡ vậy F bị hoà tan hết trước sau đó Xe mới bị hoà
tan hết vào γ.
Quá trình trên có thể mô tả bằng hình vẽ bên dưới:

c. Độ hạt của γ và biểu diễn độ hạt trên giản đồ trạng thái
Khi nung nóng đến nhiệt độ AC1 trong thép xảy ra chuyển biến P → γ. Chuyển biến này cũng
có cơ chế như quá trình kết tinh. Tạo mầm và phát triển mầm. Các mầm γ được tạo ra trên bề
mặt phân chia giữa 2 pha Fγ và Xe. Như vậy, biên giới giữa 2 pha F và Xe trong P rất nhiều
nên nảy sinh nhiều mầm γ và khi kết thúc chuyển biến bao giờ cũng có γ nhỏ min. Chuyển
16

biến P → γ bao giờ cũng làm nhỏ hạt. Sau khi thu được γ nhỏ mịn ở nhiệt độ AC1, nếu tiếp tục
nâng cao nhiệt độ, hạt γ sẽ tiếp tục phát triển nhờ quá trình sát nhập các hạt với nhau. Sự phát
triển các hạt γ phụ thuộc vào nhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt. Nhiệt độ nung càng cao, thời
gian giữ nhiệt càng dài thì hạt γ càng lớn.

8. Các chuyển biến xảy ra khi làm nguội thép
Nếu các thép được nung nóng đến nhiệt độ thấp hơn Ac1, trong thép chưa có chuyển biến gì,
do đó khi làm nguội tiếp theo cũng không có chuyển biến gì. Ở đây, chỉ xét trường hợp làm
nguội thép đã được nung tới trạng thái γ (lớn hơn nhiệt độ Ac1) và để đơn giản chỉ xét cho thép
cùng tích. Về phương thức làm nguội được phân ra 2 trường hợp: làm nguội đẳng nhiệt và làm
nguội liên tục.
a. Các chuyển biến xảy ra khi làm nguội đẳng nhiệt Auxtenit
- Mô tả thí nghiệm: Làm thí nghiệm với thép cùng tích (0,8%C)
Làm hàng loạt mẫu có hình dáng và kích thước như nhau. Nung đến trạng thái hoàn toàn γ, giữ
nhiệt để đạt được sự đồng đều toàn bộ thể tích có tổ chức γ. Tiến hành làm nguội xuống dưới
nhiệt độ Ac1, giữ đẳng nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau. Do chuyển biến của γ thành P. Trên cơ sở
đó xây dựng đồ thị lượng chuyển biến theo thời gian.
17


- Ảnh hưởng của độ quá nguội đến chuyển biến
Trên lý thuyết γ → P đối với thép cùng tích là ở 7270C song cũng giống như khi nung nóng,
chuyển biến này không xảy ra ở 7270C mà ở nhiệt độ thấp hơn. Như vậy, chuyển biến xảy ra
với độ quá nguội ∆T = TA1 - TAr1. Tốc độ chuyến biến γ thành hỗn hợp cơ học cùng tích P phụ
thuộc vào các yếu tố sau:
- Sự chênh lệch giữa năng lượng tự do của hỗn hợp F + Xe và γ. Độ quá nguội ∆T càng lớn thì
sự chênh lệch này càng nhiều khi đó γ càng dễ chuyển biến thành hỗn hợp F + Xe.
- Tốc độ khuếch tán của cacbon. Chuyển biến γ thành F và Xe là chuyển biến khuếch tán vì
cacbon phân bố đều ở trong γ phải sắp xếp lại để tạo nên 2 pha có thành phần cacbon rất khác
nhau là F (hầu như không chứa cacbon) và Xe (chứa 6,67% cacbon).

18


- Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của γ quá nguội

(1) Đường bắt đầu xảy ra quá trình chuyển biến γ → P
(2) Kết thúc quá trình chuyển biến γ → P
- Các sản phẩm của sự phân hoá đẳng nhiệt của Auxtenit quá nguội
- Chuyển biến Peclit (500 ÷ 727)0C:
+ Chuyển biến P xảy ra với sự tạo thành hỗn hợp F + Xe ở dạng tấm. Nếu γ quá nguội phân
hoá ở nhiệt độ sát A1 tức ứng với độ quá nguội bé (∆t < 500C) sẽ được hỗn hợp của F + Xe,
trong đó Xe ở dạng tấm có kích thước lớn. Hỗn hợp đó gọi là Peclit.
+ Nếu γ quá nguội phân hoá ở nhiệt độ thấp hơn (với ∆T= 500 đến 1000C) cũng được hỗn hợp
cơ học của F + Xe trong đó Xe ở dạng tấm với kích thước hạt bé. Hỗn hợp này gọi là Xoocbit
(X).
+ Nếu γ quá nguội được phân hoá ở nhiệt độ thấp hơn nữa khoảng 500 ÷ 6000C ứng với nhiệt
độ khi γ quá nguội kém ổn định nhất, khi đó cũng được hỗn hợp cơ học F + Xe trong đó Xe
cũng ở dạng tấm xong bé hơn dạng tấm ở Xoocbit. Tổ chức này gọi là Trutxtit (T).
19


Vậy Peclit, Xoocbit, Trutxtit đều là hỗn hợp cơ học của F + Xe nhưng với độ nhỏ mịn của Xe
khác nhau. Do vậy, khi tăng độ quá nguội, số mầm tạo ra càng nhiều do đó hỗn hợp càng trở
nên nhỏ mịn và độ cứng, độ bền càng cao.
- Chuyển biến trung gian (2400C ÷ 5000C)
Ở dưới 5000C, γ quá nguội phân hoá thành hỗn hợp cơ học của F và Xe với cơ chế và đặc điểm
riêng. Chuyển biến này gọi là chuyển biến trung gian tạo nên tổ chức Bainit (B). Người ta
phân ra thành 2 loại Bainit là: Bainit trên (Bt) và Bainit dưới (Bd) trong đó Bt được tạo ra từ
(350 ÷ 500)0C còn Bd được tạo ra từ (240 ÷ 350)0C.

Bainit cũng gần 2 pha là F và Xe, nhưng trong đó Xe có dạng tấm rất nhỏ mịn. Đặc điểm của
chuyển biến này là xảy ra không hoàn toàn, tức là sau chuyển biến vẫn còn một lượng γ dư. Cơ
tính của 2 loại Bainit cũng khác nhau Bd có độ cứng, độ bền cao hơn đồng thời vẫn có đủ độ
dẻo, độ dai nên được dùng nhiều hơn.
- Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt γ quá nguội của thép trước cùng tích và sau cùng tích

b. Chuyển biến γ → P khi làm nguội liên tục
Trong thực tế, nhiệt luyện hay dùng cách làm nguội liên tục, tức là nhiệt độ luôn luôn giảm
theo thời gian. So với loại giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt, phần trên của đường cong chữ "C"
của loại giản đồ làm nguội liên tục dịch chuyển sang phải và xuống dưới một chút. Do vậy, về
nguyên tắc có thể sử dụng giản đồ đằng nhiệt thay cho trường hợp làm nguội liên tục mà
không bị sai số lớn. Khi làm nguội liên tục có các đặc điểm sau:
+ Với các tốc độ nguội khác nhau sẽ đạt được các tổ chức khác nhau.

20


Giả sử làm nguội với tốc độ v1 thì γ sẽ phân hoá thành F + Xe ở nhiệt độ cao nên Xe có dạng
tấm thô. Khi làm nguội với tốc độ v2 thì γ vẫn phân hoá thành F + Xe ở nhiệt độ thấp hơn nên
Xe thu được sẽ nhỏ mịn hơn. Còn khi làm nguội với tốc độ v3 sẽ thu được tổ chức Truxtit
xong không hoàn toàn sau đó γ biến thành Mactenxit.
+ Tính ổn định của γ quá nguội tăng do đường cong chữ "C" dịch sang bên phải.
+ Tổ chức Bainit chỉ đạt được khi làm nguôi đẳng nhiệt.
* Ý nghĩa: Xác định tốc độ nguội hợp lý nhằm thu được các tổ chức sau nhiệt luyện theo yêu
cầu của sản phẩm.
* Cơ chế hình thành Peclit
P-ban đầu có dạng hình cầu (tạo các quả cầu Peclit)
Nếu giữ nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau, quả cầu P phát triển và có thể tạo thành các dạng tấm
lớn P, tấm nhỏ X, hay dạng kim T.
c. Chuyển biến của γ khi làm nguội nhanh - chuyển biến Mactenxit

- Khái niệm:
Khi tiến hành làm nguội thật nhanh γ xuống nhiệt độ thấp. Cacbon không kịp khuếch tán nên
toàn bộ cacbon trong γ giữ lại trong mạng của Ferit (γ0,8% → α0,8%) gọi là chuyển biến
Mactenxit.
Theo giản đồ trạng thái, %C trong α lớn nhất là 0,02% nên khi %C trong α là 0,8% sẽ tạo ra tổ
chức quá bão hoà cacbon trong α do vậy tạo ra tổ chức không cân bằng của α gọi là tổ chức
Mactenxit (M).
21


- Tốc độ nguội tới hạn để xảy ra chuyển biến Mactenxit

Tốc độ nguội nhanh để chuyển biến M phải lớn hơn hay bằng một giá trị tới hạn, tức ứng với
các đường biểu diễn không cắt đường cong chữ "C"

tth: là thời gian kém ổn định nhất của γ quá nguội
T0: là nhiệt độ ứng với thời gian tới hạn
T1: là nhiệt độ nung
Với mỗi loại thép xác định thì có một tốc độ nguội tới hạn xác định. Với mọi vng > vng.t.h đều
cho chuyển biến Mactenxit.
- Đặc điểm của chuyển biến Mactenxit
- Chỉ xảy ra khi tốc độ nguội lớn hơn một tốc độ nguội xác định
- Chỉ xảy ra khi làm nguội liên tục trong một khoảng nhiệt độ xác định với nhiệt độ bắt đầu M s
và kết thúc là Mf. Ở trong khoảng Ms ÷ Mf nếu ta dừng làm nguội thì chuyển biến M bị dừng
lại.
Vị trí của hai điểm Ms và Mf của chuyển biến M chỉ phụ thuộc vào thành phần cacbon và
nguyên tố hợp kim trong γ, ngoài ra không phụ thuộc vào các yếu tố khác kể cả tốc độ nguội
nhanh hay chậm. Auxtenit càng chứa nhiều cacbon và nguyên tố hợp kim (Si, Al, Co) thì các
điểm Ms và Mf càng hạ thấp.

22


- Chuyển biến M xảy ra theo dạng bùng nổ: Cùng một lúc tạo ra hàng loạt các kim M và phát
triển với tốc độ rất nhanh (108cm/s). Sự va đập của các kim M tạo ra các vết nứt tế vi trong tổ
chức M.
- Chuyển biến M xảy ra ở nhiệt độ thấp (thường < 2000C), cacbon hầu như không khuếch tán
nên giữ nguyên vị trí hoặc nếu có dịch chuyển thì độ dịch chuyển ∆x < a
Mạng γ chuyển thành mạng α tương ứng là mạng A1 chuyển thành mạng A2 theo cơ chế trượt
mạng gây xô lệch mạng nên bị biến cứng. Các nguyên tử cacbon đi vào lỗ hổng khối 8 mặt của
mạng α làm giãn chiều cao của mạng tạo ra mạng M là mạng chính phương thể tâm. Giữa
mạng γ và M có mối quan hệ
- Mặt (110) của M // mặt (100) của γ
- Mặt (111) của(M) // mặt (110) của γ
Cơ chế trượt mạng:

23


Cacbon đứng sẵn ở lỗ hổng khối 8 mặt làm giãn chiều cao
của mạng tạo mạng chính phương thể tâm.
* Chuyến biến M là chuyển biến không hoàn toàn:
Khi kết thúc quá trình chuyển biến, trong tổ chức M bao giò cũng còn một lượng γ dư. (γ dư: là
tổ chức γ tồn tại trong M ở nhiệt độ thường).
Nguyên nhân: Do thể tích riêng của M lớn hơn thể tích riêng của γ mà cụ thể là

Nên khi γ chuyển biến thành M sẽ tạo trường ứng suất dư quá lớn do vậy chuyển biến dừng lại
và tồn tại γ dư.

Lượng γ dư trong thép phụ thuộc vào các yếu tố sau:

+ Vị trí điểm Mf. Điểm Mf càng thấp dưới 200C thì lượng γ dư càng nhiều. Vậy mọi yếu tố
hàm hạ thấp điểm Mf đều làm tăng lượng γ dư.
+ Thành phần hoá học của γ: Ta biết rằng lượng cacbon trong 2 pha γ và M là bằng nhau khi
hàm lượng cacbon của M càng cao thì độ chính phương c và thể tích a
riêng càng lớn nên càng nhiều γ không chuyển biến được do vậy càng nhiều γ dư.
* Nhiệt độ bắt đầu và kết thúc chuyển biến:
M thay đổi theo thành phần hoá học của thép với thép cacbon và các nguyên tố hợp kim thì M s
và Mf nhỏ.
- Cơ tính của M
* Độ cứng của M:
24


Mactenxit là dung dịch rắn quá bão hoà của cacbon trong α, do vậy độ cứng của M chỉ phụ
thuộc vào lượng cacbon ở trong nó. Cacbon càng cao, độ chính phương của M càng lớn, mạng
tinh thể càng xô lệch, độ cứng càng cao, khả năng chịu mài mòn tốt.
Thép có lượng cacbon quá thấp (%C < 0,25%) thì M được tạo ra không thể đạt được độ cứng
cao, không đủ chống mài mòn. Thông thường dùng thép có hàm lượng cacbon lớn hơn 0,4%
thì M tạo ra có độ cứng cao mới đủ khả năng chống mài mòn xong với thép có %C > 0,6% thì
lượng γ dư sau chuyển biến M nhiều, lúc này độ cứng của thép là độ cứng chung chủ yếu là
của M và γ dư do đó sẽ thấp hơn độ cứng của bản thân pha M.

* Độ dòn của M:
Nhược điểm của M là tính dòn cao, đặc điểm này có liên quan đến độ cứng và ứng suất dư
trong nó. Tuy nhiên, tính dòn của M cũng dao động trong một phạm vi khá rộng phụ thuộc vào
một số yếu tố sau:
+ Độ cứng của M càng cao thì tíh dòn càng lớn, do vậy M càng chứa nhiều cacbon thì càng
cứng và càng dòn. Tuy nhiên, với cùng thành phần cacbon như nhau, độ cứng như nhau nhưng
tính dòn có thể khác nhau nếu kích thước hạt M khác nhau.
+ Ứng suất dư tạo thành có ảnh hưởng lớn đến tính dòn gồm có ứng suất nhiệt (do thay đổi

nhiệt độ xuất hiện khi nung và làm nguội) và ứng suất tổ chức (do sự chuyển biến tổ chức).
9. Chuyển biến khi nung thép đã tôi
Sau khi tôi, đạt được tổ chức M và một lượng γ dư do vậy, người ta phải nung nóng lại đến các
nhiệt độ thấp hơn Ac1. Nguyên công này được gọi là ram. Mục đích của việc làm trên là đưa tổ
chức sau khi tôi về tổ chức ổn định hơn.
a. Tính không ổn định của M và γ dư
Theo giản đồ trạng thái Fe - C, từ nhiệt độ thường đến 7270C tổ chức ổn định của thép là hỗn
hợp α + Xe (gọi chung là P), như vậy M và γ dư là hai pha không ổn định và có xu hướng trở
về trạng thái tổ chức ổn định kể trên.
25