Chuyển pha trong thép và nhận biết pha

SỰ CHUYỂN PHA TRONG THÉP VÀ
NHẬN BIẾT PHA
KSC. Phan Anh Tú

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Nội dung

1. Giản đồ pha Fe-C và các dạng thù
hình của sắt
2. Các pha trong thép theo chuyển biến
của austenit khi làm nguội với các
tốc độ khác nhau

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Một số định nghĩa
Vật liệu

Nhiệt luyện

Tổ chức tế vi

Tính chất

Pha:
Là một/nhiều phần của vật liệu được khác biệt về lý tính và hóa tính và được

phân chia bằng các biên giới pha
Tổ chức tế vi, mô tả về vi cấu trúc:
Số lượng các pha, hàm lượng về diện tích hay thể tích, kích thước hình dạng
và phân bố của các hạt
Tổ chức tế vi, mô tả về dưới vi cấu trúc:

Loại mạng tinh thể, hằng số mạng tinh thể, khuyết tật mạng (nguyên tử thêm
vào, nút trống (vacancies), lệch (dislocations), ….

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Giản đồ pha Fe-C và các dạng thù hình của sắt
Sắt có các dạng thù
hình:
Sắt α: tồn tại ở
nhiệt độ <912oC
Sắt ɣ: tồn tại ở
nhiệt độ từ 912oC
đến 1394oC
Sắt δ: tồn tại ở
nhiệt độ từ 1394oC
đến 1538oC
Pha lỏng trên 1538
oC
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

Đường cong nâng nhiệt và làm nguội của sắt sạch

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Cấu trúc tinh thể

Cấu trúc tinh thể của sắt alpha (bên trái, mạng lập phương tâm khối (bcc), C hòa tan
max.: 0,02 % KL ở 723°C, độ hòa tan giảm khi nhiệt độ giảm, TCTV: ferit) và sắt
gamma (bên phải, mạng lập phương tâm mặt (fcc) , C hòa tan max.: 2,14 % KL ở
1147°C, độ hòa tan giảm khi nhiệt độ giảm, TCTV: austenit)

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Cấu trúc tinh thể
Xementit có cấu trúc mạng phức tạp : trực giao (orthorhombic), với kích thước mạng là a=0.452
nm, b=0.509 nm và c=0.674 nm. Ô mạng của cacbit thường có dạng không lập phương.

Carbon-Atom
Iron-Atom

Cấu trúc tinh thể của FeC3 –(hàm lượng C = constant = 6,69 %KL, TCTV: xementit

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim
Ảnh hưởng của các nguyên tố HK
Các nguyên tố tạo Ferit: Cr, Al, Ti, Ta, Si, Mo, V, W
Các nguyên tố tạo Austenit : Ni, Co, C, Mn, N
Tạo cacbit: Mn, Cr, Mo, W, Ta, V, Nb, Ti
Tạo Nitrit: Al, Cr, Zr, Nb, Ti, V

Ảnh hưởng đến khả năng cứng hóa : Mn, Ni, Mo, Cr
MS(℃) = 550 – 350 • C – 40 • Mn – 20 • Cr – 10 • Mo – 17 • Ni – 8 • W
– 10 • Cu + 15 • Co + 30 • Al

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim
Thay đổi nhiệt độ chuyển biến pha

A1 (F )  1333  25  Mn%   40  Si% 
 26  Ni%   42  Cr % 

A3 (F )  1570  323  C %   25  Mn% 

 80  Si%   32  Ni%   3  Cr % 

M s (F )  1042  853  C %   60  Mn% 

 30  Cr %   30  Ni%   38  Mo% 

M f (F )  M s  385

Bs (F )  1526  486  C %   162  Mn% 

 67  Ni%   126  Ni%   150  Mo% 

B f (F )  Bs  216
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Các pha trong thép theo chuyển biến của Austenit khi làm nguội
với các tốc độ khác nhau

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Giản đồ TTT

Bắt đầu chuyển
biến Mactenxit (Ms)

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


TCTV-Ferit, độ cứng ≈ 100HV

Các pha và TCTV của thép trước cùng
tích (<0,8 % C) khi làm nguội chậm
TCTV-Ferit+Peclit, độ cứng ≈ 150HV

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Các pha và TCTV của thép cùng
tích (0,8 % C) khi làm nguội chậm
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

Ảnh trên: sơ đồ phát triển của Peclit; ảnh
dưới: TCTV-Peclit, độ cứng ≈ 250HV


Các pha và TCTV của thép sau cùng tích (>0,8 % C) khi làm nguội
chậm. Mũi tên chỉ phim Fe3C ở biên hạt austenite nguyên thủy,
độ cứng ≈ 250HV
VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Tổ chức Bainit
Bainit là hỗn hợp của dung dịch
rắn bão hòa cacbon trong α-Fe và
xêmentit. Chuyển biến austenite
thành bainit chiếm khoảng trung
gian giữa chuyển biến khuếch tán
A→P và chuyển biến không
khuếch tán A→M.
Tùy thuộc nhiệt độ tạo thành có
thể chia bainit thành bainit trên và

bainit dưới.

Sơ đồ mô tả sự lớn lên và phát triển
của bainit trên và bainit dưới

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)


Tổ chức Bainit
Ở nhiệt độ cao, Chuyển biến bainit bắt đầu khi các mầm ferit quá bão hòa C ở
biên hạt lớn lên thành các phiến mỏng. Cacbon bị đẩy ra vùng austenite xung
quanh, hàm lượng C tăng liên tục và khi đạt đến giới hạn, các phiến xêmentit
mỏng hình thành trong vị trí kề với phiến ferit (không còn cacbit trong ferit).
Khoảng cách giữa hai pha và hệ số khuếch tán giảm dần khi nhiệt độ hạ thấp.
Ở giai đoạn nhiệt độ phía trên này sự hình thành bainit có gì đó giống với sự
hình thành của peclit.
Ở nhiệt độ thấp, sự khuếch tán C ra ngoài từ phiến ferit quá bão hòa C giảm đi
và không thể kết thúc, dẫn đến tiết cacbit cả ở không gian giữa các phiến và cả
bên trong phiến ferit. Trên KHV quang học có thể khó phân biệt bainit với các
thành phần pha khác khi bainit thay đổi hình dạng tùy theo nhiệt độ hình thành
của nó và thành phần hóa học của thép.
Có thể nói rằng bainit trên giòn hơn peclit và bainit thấp dai hơn mactenxit. Sự
chuyển biến bainit có gì đó vừa giống chuyển biến peclit cũng như chuyển biến
mactenxit.

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

Tổ chức bainit. Nguội từ 850°C xuống 100°C trong 78 giây

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

17


Tổ chức mactenxit
Mactenxit là hỗn hợp của dung dịch rắn quá bão hòa cacbon trong α-Fe, có
mạng tinh thể chính phương thể tâm (tài liệu nước ngoài còn gọi là body
centered tetragonal-bct). Tùy theo hàm lượng C mà M có dạng kim (lath)
và/hay tấm (plate), cũng như lượng austenite dư còn lại sau khi nhiệt luyện.

Cấu trúc tinh thể của mactenxit

Ảnh hưởng của hàm lượng C tới nhiệt độ bắt
đầu chuyển biến Mactenxit và hình dạng của nó

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

18


Tổ chức mactenxit

Nhiệt độ bắt đầu và kết thúc chuyển biến mactenxit (hình trái) và lượng
austenit dư như là hàm số của nồng độ cacbon.

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

19


Tổ chức mactenxit

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

20


Tổ chức mactenxit
Hình trên:
Mactenxit kim
Độ cứng:

 600HV
Hình dưới:

50% mactenxit tấm và 50%
austenit dư
Độ cứng:
 750HV

VIỆN KHOA HỌC VẬT LIỆU (IMS)
TRUNG TÂM ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG VẬT LIỆU (COMFA)

21