Giáo trình Khoa học vật liệu

---------------  ------------




Giáo trình

Khoa học vật liệu

112
112

Chương 4

nhiệt luyện thép

Trong ba chương vừa qua đ trình bày các dạng cấu trúc tinh thể đơn giản
(kim loại), phức tạp (hợp kim), sự phụ thuộc của cơ tính vào cấu trúc. ở chương
này sẽ nghiên cứu những biến đổi về tổ chức và cơ tính tương ứng của thép khi
nung nóng rồi làm nguội tiếp theo, tức khi nhiệt luyện. Thép là vật liệu rất thông
dụng và là hợp kim nhạy cảm nhất với nhiệt luyện và công nghệ này rất phổ biến
trong sản xuất cơ khí. Những dạng nhiệt luyện được áp dụng cho các hợp kim và
vật liệu khác cũng có thể hiểu được thông qua nhiệt luyện thép.
4.1.

Khái niệm về nhiệt luyện thép

4.1.1.

Sơ lược về nhiệt luyện


a.

Định nghĩa

Nhiệt luyện là công nghệ nung nóng kim loại, hợp kim đến nhiệt độ xác
định, giữ nhiệt tại đó một thời gian thích hợp rồi sau đó làm nguội với tốc độ nhất
định để làm thay đổi tổ chức, do đó biến đổi cơ tính và các tính chất khác theo
phương hướng đ chọn trước (nói chung không thể điều chỉnh vô cấp tốc độ nguội,
thường là làm nguội trong một số môi trường như sẽ thấy về sau này).
Nhiệt luyện là phương pháp gia công (treatment) có những đặc điểm riêng.
Sau đây là các điểm phân biệt nguyên công này với các nguyên công gia công cơ
khí khác:
- Khác với đúc, hàn là nó không nung nóng đến trạng thái lỏng, luôn luôn
chỉ ở trạng thái rắn (tức nhiệt độ nung nóng phải thấp hơn đường rắn).
- Khác với cắt gọt, biến dạng dẻo (rèn, dập) khi nhiệt luyện (trừ cơ - nhiệt
luyện) hình dạng và kích thước sản phẩm không thay đổi hay thay đổi không đáng
kể.
- Kết quả của nhiệt luyện được đánh giá bằng biến đổi của tổ chức tế vi và
cơ tính, không thể kiểm tra bằng vẻ ngoài bằng mắt thường.

b.

Các yếu tố đặc trưng cho nhiệt luyện




Hình 4.1.
Sơ đồ của quá trình nhiệt
luyện đơn giản nhất.


Đối với quá trình nhiệt luyện, ít nhất cũng được đặc trưng bằng ba thông số

quan trọng nhất sau (xem sơ đồ quá trình nhiệt luyện đơn giản nhất vẽ ở hình 4.1):


113
113
- Nhiệt độ nung nóng
0
n
T
: nhiệt độ cao nhất mà quá trình phải đạt đến.
- Thời gian giữ nhiệt t
gn
: thời gian ngưng ở nhiệt độ nung nóng.
- Tốc độ nguội V
nguội
sau khi giữ nhiệt.
Ba thông số này đặc trưng tương ứng với ba giai đoạn nối tiếp nhau của quá
trình nhiệt luyện: nung nóng, giữ nhiệt và làm nguội.
Đối với kết quả, nhiệt luyện được đánh giá bằng các chỉ tiêu sau:
+ Tổ chức tế vi bao gồm cấu tạo pha, kích thước hạt, chiều sâu lớp hóa
bền... Có thể nói đây là chỉ tiêu gốc, cơ bản nhất song để thực hiện khá mất thời
gian, nên thường chỉ kiểm tra trong từng mẻ khi sản xuất đ ổn định.
+ Độ cứng là chỉ tiêu cơ tính dễ xác định và cũng có liên quan đến các chỉ
tiêu khác như độ bền, độ dẻo, độ dai. Vì vậy bất cứ chi tiết, dụng cụ nào qua nhiệt
luyện cũng được quy định giá trị độ cứng (tùy trường hợp, phải lớn hơn hay nhỏ
hơn giá trị quy định) và thông thường được kiểm tra theo tỷ lệ (trong một số
trường hợp quan trọng có thể phải kiểm tra cả 100%).
+ Độ cong vênh, biến dạng. Nói chung độ biến dạng khi nhiệt luyện trong
nhiều trường hợp là nhỏ hoặc không đáng kể, song trong một số trường hợp quan
trọng yêu cầu này rất khắt khe, nếu vượt quá phạm vi cho phép cũng không thể sử

dụng được.

c.

Phân loại nhiệt luyện thép

Sơ bộ có thể phân loại các phương pháp nhiệt luyện thép với những đặc
điểm chủ yếu như sau:
Nhiệt luyện,
thường gặp nhất: chỉ dùng cách thay đổi nhiệt độ (không có
biến đổi thành phần và biến dạng dẻo) để biến đổi tổ chức trên toàn tiết diện. Nó
bao gồm nhiều phương pháp:
ủ: nung nóng rồi làm nguội chậm để đạt tổ chức cân bằng với độ cứng,
độ bền thấp nhất, độ dẻo cao nhất.
Thường hóa: nung nóng đến tổ chức hoàn toàn austenit, làm nguội bình
thường trong không khí tĩnh để đạt tổ chức gần cân bằng.
Mục đích của ủ và thường hóa là làm mềm thép để dễ gia công cắt và dập
nguội.
Tôi: nung nóng làm xuất hiện austenit rồi làm nguội nhanh để đạt tổ chức
không cân bằng với độ cứng cao nhất (nhưng cũng đi kèm với độ giòn cao). Nếu
hiệu ứng này chỉ xảy ra ở bề mặt được gọi là tôi bề mặt.
Ram: nguyên công bắt buộc sau khi tôi, nung nóng lại thép tôi để điều
chỉnh độ cứng, độ bền theo đúng yêu cầu làm việc.
Như vậy tôi và ram là hai nguyên công nhiệt luyện đi kèm với nhau (không
tiến hành riêng lẻ mà luôn luôn kết hợp với nhau), mục đích của tôi + ram là tạo cơ
tính phù hợp với yêu cầu làm việc cụ thể.
-
Hóa - nhiệt luyện
: dùng cách thay đổi nhiệt độ và biến đổi thành phần
hóa học ở bề mặt làm vùng này có biến đổi tổ chức và cơ tính mạnh hơn. Thường

tiến hành bằng cách thấm, khuếch tán một hay nhiều nguyên tố nhất định.
Thấm đơn nguyên tố có: thấm cacbon, thấm nitơ...


114
114
Thấm đa nguyên tố có: thấm cacbon - nitơ, thấm cacbon - nitơ - lưu
huỳnh...

Cơ - nhiệt luyện
: dùng cách thay đổi nhiệt độ và biến dạng dẻo để biến
đổi tổ chức và cơ tính trên toàn tiết diện mạnh hơn khi nhiệt luyện đơn thuần.
Thường tiến hành ở xưởng cán nóng thép, tức ở các xí nghiệp luyện kim.
4.1.2.

Tác dụng của nhiệt luyện đối với sản xuất cơ khí
Nhiệt luyện là khâu quan trọng và không thể thiếu được đối với chế tạo cơ
khí vì nó có các tác dụng chủ yếu sau.

a.

Tăng độ cứng, tính chống mài mòn và độ bền của thép

Mục tiêu của sản xuất cơ khí là sản xuất ra các cơ cấu và máy bền hơn, nhẹ
hơn, khỏe hơn với các tính năng tốt hơn. Để đạt được điều đó không thể không sử
dụng những thành quả của vật liệu kim loại và nhiệt luyện, sử dụng triệt để các
tiềm năng của vật liệu về mặt cơ tính.
Bằng những phương pháp nhiệt luyện thích hợp như tôi + ram, tôi bề mặt,
thấm cacbon, thấm cacbon - nitơ... độ bền và độ cứng của thép có thể tăng lên từ
ba đến sáu lần, nhờ đó có thể dẫn tới rất nhiều điều có lợi như sau:

- Tuổi bền (thời hạn làm việc) của máy tăng lên do hệ số an toàn cao,
không gy vỡ (do nâng cao độ bền). Trong nhiều trường hợp máy hỏng còn là do
bị mòn quá mạnh, nâng cao độ cứng, tính chống mài mòn cũng có tác dụng này.
- Máy hay kết cấu có thể nhẹ đi, điều này dẫn đến tiết kiệm kim loại (hạ
giá thành), năng lượng (nhiên liệu) khi vận hành.
- Tăng sức chịu tải của máy, động cơ, phương tiện vận tải (ôtô, toa xe, tàu
biển...) và kết cấu (cầu, nhà, xưởng...), điều này dẫn tới các hiệu quả kinh tế - kỹ
thuật lớn.
Phần lớn các chi tiết máy quan trọng như trục, trục khuỷu, vòi phun cao áp,
bánh răng truyền lực với tốc độ nhanh, chốt..., đặc biệt là 100% dao cắt, dụng cụ
đo và các dụng cụ biến dạng (khuôn) đều phải qua nhiệt luyện tôi + ram hoặc hóa
nhiệt luyện. Chúng thường được tiến hành gần như là sau cùng, nhằm tạo cho chi
tiết, dụng cụ cơ tính thích hợp với điều kiện làm việc và được gọi là nhiệt luyện kết
thúc (thường tiến hành trên sản phẩm).
Như thường thấy, chất lượng của máy, thiết bị cũng như phụ tùng thay thế
phụ thuộc rất nhiều vào cách sử dụng vật liệu và nhiệt luyện chúng. Những máy
làm việc tốt không thể không sử dụng vật liệu tốt (một cách hợp lý, đúng chỗ) và
nhiệt luyện bảo đảm.

b.

Cải thiện tính công nghệ
Muốn tạo thành chi tiết máy, sản phẩm thép phải qua nhiều khâu, nguyên
công gia công cơ khí: rèn, dập, cắt... Để bảo đảm sản xuất dễ dàng với năng suất
lao động cao, chi phí thấp thép phải có cơ tính sao cho phù hợp với điều kiện gia
công tiếp theo như cần mềm để dễ cắt hoặc dẻo để dễ biến dạng nguội. Muốn vậy
cũng phải áp dụng các biện pháp nhiệt luyện thích hợp: ủ hoặc thường hóa. Ví dụ,
sau khi biến dạng (đặc biệt là kéo nguội) thép bị biến cứng đến mức không thể cắt
gọt hay biến dạng (kéo) tiếp được, phải đưa đi ủ hoặc thường hóa để làm giảm độ
cứng, tăng độ dẻo. Sau xử lý như vậy thép trở nên rất dễ gia công tiếp theo.

Các phương pháp nhiệt luyện tiến hành với mục đích như vậy được gọi là
nhiệt luyện sơ bộ, chúng nằm giữa các nguyên công gia công cơ khí (thường tiến


115
115
hành trên phôi).
Vậy trong sản xuất cơ khí cần phải biết tận dụng các phương pháp nhiệt
luyện thích hợp, không những bảo đảm khả năng làm việc lâu dài cho chi tiết,
dụng cụ bằng thép mà còn làm dễ dàng cho quá trình gia công.

c.

Nhiệt luyện trong nhà máy cơ khí

ở các nhà máy cơ khí với quy mô nhỏ và trung bình, bộ phận nhiệt luyện
không lớn và thường đặt tập trung. Sau khi nhiệt luyện sơ bộ, từ đây phôi thép
được chuyển tới các phân xưởng cắt gọt, dập và sau khi nhiệt luyện kết thúc các
chi tiết máy quan trọng (cần cứng và bền cao) được đưa qua mài hay thẳng đến lắp
ráp. Cách sắp xếp như vậy có nhiều nhược điểm, song không thể khác vì sản lượng
thấp. ở các nhà máy cơ khí có quy mô lớn và rất lớn, các chi tiết máy được gia
công hoàn chỉnh từ khâu đầu đến khâu cuối trên dây chuyền cơ khí hóa hoặc tự
động hóa trong đó bao gồm cả nguyên công nhiệt luyện. Do vậy nguyên công
nhiệt luyện ở đây cũng phải được cơ khí hóa thậm chí tự động hóa và phải chống
nóng, độc để không có ảnh hưởng xấu đến bản thân người làm nhiệt luyện cũng
như cả dây chuyền sản xuất cơ khí. Cách sắp xếp chuyên môn hóa cao như vậy bảo
đảm chất lượng sản phẩm rất tốt và đồng đều, lại không tốn công vận chuyển và có
năng suất cao.
Cũng cần nhấn mạnh, nhiệt luyện là công nghệ tiêu phí nhiều năng lượng
để sinh nhiệt do vậy cần tổ chức sản xuất và lựa chọn phương án tiết kiệm được

năng lượng.
4.2.

Các tổ chức đạt được khi nung nóng và làm
nguội thép

Như đ biết bản chất của nhiệt luyện là biến đổi tổ chức, chuyển pha, vậy
trước tiên hy xét xem khi nung nóng thép có thành phần cacbon nào đó lên đến
các nhiệt độ khác nhau có những chuyển biến pha nào, khi làm nguội tiếp theo với
tốc độ nguội khác nhau, tổ chức vừa tạo thành sẽ biến đổi để thành tổ chức gì và
do đó sẽ biết được cơ tính thay đổi như thế nào. Đó là sự lý giải cho mọi quá trình
nhiệt luyện.
Ta lần lượt xét biến đổi tổ chức cho từng quá trình một. Trước hết lấy cơ sở
là thép tương ứng với giản đồ pha Fe - C (ngoài Fe, C ra không có nguyên tố nào
khác), trong đó đi từ loại thép có tổ chức đơn giản nhất - peclit là thép cùng tích
với 0,80%C rồi mở rộng ra cho các loại thép còn lại (trước và sau cùng tích).
4.2.1.

Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép - Sự tạo
thành austenit

Thao tác đầu tiên của nhiệt luyện là nung nóng. Phụ thuộc vào thành phần
cacbon của thép và nhiệt độ nung nóng, trong thép sẽ có những chuyển biến khác
nhau.

a.

Cơ sở xác định chuyển biến khi nung

Cơ sở để xác định chuyển biến khi nung thép là giản đồ pha Fe - C, song

chỉ giới hạn ở khu vực thép và ở trạng thái rắn (dưới đường rắn) như trình bày ở
hình 4.2. Như thấy rõ từ giản đồ pha, ở nhiệt độ thường mọi thép đều cấu tạo bởi
hai pha cơ bản: ferit và xêmentit, trong đó có peclit là hỗn hợp cùng tích của hai
pha này.


116
116
- Thép cùng tích có tổ chức đơn giản hơn cả, chỉ có peclit.
- Các thép trước và sau cùng tích có tổ chức phức tạp hơn: ngoài peclit ra
còn có thêm ferit hoặc xêmentit thứ hai.
Bây giờ khi nung nóng các thép này lên nhiệt độ cao, hy xem trong chúng
lần lượt xảy ra các chuyển biến gì ?
+ Khi nhiệt độ nung nóng thấp hơn A
c
1
trong mọi thép vẫn chưa có chuyển
biến gì (cho nên sau đó dù làm nguội ra sao tổ chức của thép vẫn không bị biến
đổi, như giản đồ pha).
+ Khi nhiệt độ nung nóng đạt đến A
c
1
, phần tổ chức peclit của mọi loại
thép chuyển biến thành austenit theo phản ứng:
[Fe

+ Fe
3
C]
0,80%C

Fe

(C)
0,80%C

trong khi đó ferit và xêmentit thứ hai của các thép trước và sau cùng tích chưa
chuyển biến.
Vậy nếu chỉ nung nóng quá nhiệt độ A
c
1
một chút ta thấy:
Thép cùng tích đ chuyển biến hoàn toàn: có tổ chức hoàn toàn là
austenit.
Thép trước và sau cùng tích có chuyển biến nhưng chưa hoàn toàn: có tổ
chức không hoàn toàn là austenit, tức có tổ chức tương ứng austenit + ferit và
austenit + xêmentit thứ hai. Tuy nhiên khi nung nóng tiếp tục từ A
c
1
lên đến A
c
3
và
A
c
cm
sẽ có quá trình hòa tan ferit và xêmentit II còn dư vào austenit, làm lượng hai
pha này trong tổ chức ngày một ít đi.
+ Khi nhiệt độ nung nóng cao hơn A
c
3

và A
c
cm
sự hòa tan các pha dư ferit
và xêmentit II vào austenit của các thép trước và sau cùng tích cũng kết thúc và chỉ
còn một pha: hoàn toàn austenit với thành phần đúng như của thép.







Hình 4.2.
Giản đồ pha Fe - C
(phần thép).




Vậy khi nung nóng quá đường GSE mọi thép (dù có cacbon cao, thấp) đều
có tổ chức giống nhau là dung dịch rắn austenit song với nồng độ cacbon khác
nhau và bằng chính thành phần cacbon của thép. Còn khi tiếp tục nung nóng quá
đường này lên đến sát đường rắn, các thép vẫn giữ nguyên tổ chức cùng nồng độ
cacbon, tức không còn chuyển pha nào nữa (nhưng làm hạt austenit lớn lên như sẽ


117
117
nói ở mục b tiếp theo).

Tóm lại cơ sở để xác định tổ chức tạo thành khi nung nóng thép là giản đồ
pha Fe - C (căn cứ vào tọa độ: %C - nhiệt độ nằm ở trong vùng nào, tổ chức sẽ
tương ứng với vùng đó).
Có thể thấy là, trong các chuyển biến khi nung nóng vừa kể ở trên thì
chuyển biến peclit thành austenit là cơ sở và đó cũng là mục tiêu thường phải đạt
tới đối với phần lớn quá trình nhiệt luyện (trừ ram). Hy xét kỹ hơn các đặc điểm
của chuyển biến này để có thể rút ra các kết luận cần thiết chỉ dẫn cho nhiệt luyện.

b.

Đặc điểm của chuyển biến peclit thành austenit

ở đây sẽ xét kỹ hai vấn đề: nhiệt độ chuyển biến và kích thước hạt austenit
tạo thành mà quá trình nhiệt luyện tương ứng phải đạt tới.
Nhiệt độ chuyển biến
Như thấy rõ từ giản đồ pha Fe - C, chuyển biến này xảy ra ở A
1
= 727
o
C,
song điều này chỉ đúng khi nung nóng vô cùng chậm (là điều kiện để xây dựng
giản đồ pha), nên khi nung nóng thực tế (với tốc độ đáng kể) tất nhiên nhiệt độ
chuyển biến phải luôn luôn cao hơn, tốc độ nung càng lớn, nhiệt độ chuyển biến
càng cao. Có thể thấy rõ điều này ở hình 4.3. ở đây người ta dùng cách nung nóng
đẳng nhiệt để xác định thời gian xảy ra chuyển biến ở các nhiệt độ khác nhau và
thấy rằng chuyển biến không tức thời: sau một thời gian mới bắt đầu rồi sau đó
một thời gian nữa mới kết thúc (nung nóng đẳng nhiệt là phương pháp nung đạt
nhiệt độ rất nhanh rồi giữ, ngưng, luôn ở đó bằng cách nhúng những mẩu thép
nhỏ, mỏng vào môi trường, thường là muối lỏng nóng chảy, có nhiệt độ cao cố
định. Để lập nên giản đồ này phải tiến hành nhiều mẫu ở các nhiệt độ khác nhau).

Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt peclit thành austenit của thép cùng tích có dạng
của hai đường cong biểu thị thời điểm bắt đầu và kết thúc chuyển biến đó trên hai
trục nhiệt độ - thời gian. Qua đó thấy rằng nhiệt độ nung (đẳng nhiệt) càng cao,
thời gian bắt đầu và kết thúc (tính bằng khoảng cách từ trục hoành đến hai
đường cong này) và thời gian để hoàn thành chuyển biến này (khoảng cách giữa
hai đường cong) đều ngắn lại.





Hình 4.3.
Giản đồ
chuyển biến đẳng nhiệt
của peclit thành austenit
của thép cùng tích và các
vectơ biểu thị tốc độ
nung V
2
> V
1
.

Tuy nhiên trong thực tế thường dùng cách nung nóng liên tục (nung với tốc
độ), nên để làm rõ trường hợp này người ta đặt lên giản đồ trên hai vectơ biểu thị
tốc độ nguội, chúng sẽ lần lượt cắt các đường bắt đầu và kết thúc ở các điểm tương
ứng. Khi nung nóng với các tốc độ khác nhau, V
2
> V
1

, thấy rõ các nhiệt độ bắt
đầu và kết thúc chuyển biến ở V
2
luôn luôn cao hơn các nhiệt độ cùng loại ở V
1
,
tức là a
2
> a
1
, b
2
> b
1
và thời gian cần để hoàn thành chuyển biến cũng ngắn lại


118
118
tương ứng.
Như vậy, tốc độ nung nóng càng cao chuyển biến peclit thành austenit xảy
ra ở nhiệt độ càng cao trong thờì gian càng ngắn. Trong thực tế, để đạt được
chuyển biến quy định phải nung nóng quá nhiệt độ tới hạn tương ứng ít nhất là 20
ữ 30
o
C khi nung chậm (ủ) và có thể tới hàng trăm
o
C khi nung nhanh (nung cảm
ứng).
Kích thước hạt austenit

Tuy austenit không tồn tại ở nhiệt độ thường song vẫn phải để ý đến cấp
hạt của nó vì các sản phẩm tạo thành từ các hạt nhỏ ausenit bao giờ cũng có độ
dẻo, độ dai trội hơn so với từ hạt lớn austenit. Vì vậy thông thường trong bất kỳ
trường hợp nào cũng yêu cầu phải đạt được tổ chức austenit hạt nhỏ, muốn vậy
phải biết quy luật hình thành hạt austenit cũng như sự lớn lên của nó.
Chuyển biến peclit austenit cũng theo cơ chế: tạo và phát triển mầm như
kết tinh. Mầm austenit được tạo nên giữa hai pha ferit và xêmentit của peclit (hình
4.4) do bề mặt phân chia giữa chúng rất nhiều nên số mầm tạo thành cũng rất
nhiều, vì thế hạt austenit lúc mới tạo thành rất nhỏ mịn (có thể nhỏ hơn cấp 8, tới
cấp 9, 10 như biểu thị ở hình 4.4d) (vì austenit có 0,80%C trung gian giữa ferit -
0%C, và xêmentit - 6,67%C, nên mầm austenit chỉ có thể sinh ra ở vùng giữa hai
pha cơ bản này).
Hình 4.4.
Quá trình tạo mầm và phát triển mầm austenit từ peclit (tấm).

Cần ghi nhớ rằng chuyển biến peclit

austenit bao giờ cũng làm nhỏ hạt
của thép. Hiệu ứng này cần được chú ý, tận dụng triệt để trong nhiệt luyện. Hơn
nữa hạt austenit tạo thành sẽ càng nhỏ mịn hơn khi peclit ban đầu có độ phân tán
càng cao (tức phần tử xêmentit trong nó càng bé) và tốc độ nung nóng càng lớn.
Tuy ở nhiệt độ A
c
1
, lúc mới tạo thành hạt austenit khá nhỏ mịn, song nếu
tiếp tục tăng nhiệt độ hoặc giữ nhiệt lâu sẽ làm cho hạt lớn lên. Đây là quá trình tự
nhiên: hạt to biên giới ít đi làm giảm năng lượng dự trữ. Sự lớn lên của hạt ở đây
theo cơ chế các hạt lớn hơn "thôn tính" hay "nuốt" các hạt bé (hay nói khác đi các
hạt bé bao quanh nhập vào hạt lớn). Khi làm nguội, kích thước hạt austenit không
giảm đi, vẫn giữ nguyên cấp hạt lớn nhất đ đạt trước đó.

Như vậy, lúc mới tạo thành các hạt austenit là nhỏ mịn và khi nung nóng
tiếp tục (hay giữ nhiệt) chúng lại lớn lên; nhưng vấn đề cần quan tâm ở đây là
chúng lớn lên như thế nào ? nhanh hay chậm ?
Theo đặc tính phát triển của hạt austenit, có thể chia ra hai loại thép: thép
bản chất (di truyền) hạt lớn và nhỏ như trình bày ở hình 4.5.
Thép bản chất hạt lớn là loại có hạt austenit phát triển nhanh và đều đặn ở
mọi nhiệt độ (đường II hình 4.5b) do đó khi nung nóng dễ tạo thành austenit lớn,
sau khi làm nguội tạo ra các sản phẩm giòn. Thép bản chất hạt nhỏ là loại có hạt


119
119
austenit phát triển chậm lúc ban dầu, chỉ khi vượt quá 930 ữ 950
o
C hạt mới phát
triển nhanh, thậm chí rất nhanh (đường I hình 4.5b). Do vậy với các dạng nhiệt
luyện thông dụng, nhiệt độ thường thấp hơn 900
o
C, cao nhất cũng chỉ tới 930 ữ
950
o
C (thấm cacbon) thép bản chất hạt nhỏ bao giờ cũng cho ra hạt austenit bé hơn
loại thép bản chất hạt lớn. Vì thế thép bản chất hạt nhỏ cho cơ tính tổng hợp cao
hơn, dễ nhiệt luyện hơn và được đánh giá cao, ưa chuộng hơn. Tuy nhiên nếu nung
nóng ở nhiệt độ rất cao (> 1050 ữ 1100
o
C) - trường hợp quá nhiệt - tình hình có thể
khác đi, thép bản chất hạt nhỏ có thể cho ra hạt austenit lớn hơn loại bản chất hạt
lớn.
Hình 4.5.

Giản đồ pha Fe - C (a) và sơ đồ phát triển hạt austenit
của thép cùng tích (b) trong đó 1. thép bản chất hạt nhỏ, 2. thép
bản chất hạt lớn, 3. hạt bản chất, 4. hạt khi nung nóng để nhiệt
luyện, 5. hạt peclit ban đầu, 6. hạt austenit ban đầu.
Một câu hỏi đặt ra là: tại sao thép lại có loại bản chất hạt nhỏ và lớn,
khuynh hướng phát triển hạt austenit khác nhau ? Đó là do trong thép có tồn tại
những yếu tố cản trở sự phát triển của hạt hay không trên cơ sở của lý thuyết hàng
rào. Đặc tính khử ôxy và thành phần hóa học là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng
đến bản chất hay tính di truyền của hạt của thép. Nếu thép được khử ôxy triệt để,
khử thêm bằng nhôm, sau khi kết tinh sẽ có các phần tử Al
2
O
3
, AlN nằm ở biên
giới như là hàng rào, ngăn cản không cho các hạt austenit "nhập" lại với nhau, loại
thép này có bản chất hạt nhỏ. Thép được hợp kim hóa bằng các nguyên tố tạo
cacbit mạnh và khá mạnh là Ti. V, Zr, Nb, W và Mo sẽ tạo nên các cacbit hợp kim
khó tan cũng là loại thép có bản chất hạt nhỏ. Hai nguyên tố crôm và mangan là


120
120
loại tạo cacbit yếu: crôm làm cản trở hạt phát triển không mạnh, còn mangan và
phôtpho làm hạt phát triển nhanh.
Như vậy các thép cacbon (không hợp kim hóa) nhất là loại không được khử
ôxy tốt (thép sôi) thuộc loại bản chất hạt lớn ở các mức độ khác nhau.
4.2.2.

Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt

Tiếp theo nung nóng là giai đoạn giữ nhiệt, tuy không xảy ra các chuyển
biến mới song lại là cần thiết để:
- Làm đều nhiệt độ trên tiết diện, để cho lõi cũng có chuyển biến như ở bề
mặt.
- Có đủ thời gian để hoàn thành các chuyển biến khi nung nóng.
- Làm đồng đều thành phần hóa học của austenit vì lúc đầu hạt austenit có
thành phần không đồng nhất: nơi trước là ferit sẽ nghèo cacbon, nơi trước là
xêmentit sẽ giàu cacbon. Trong giai đoạn này cacbon (và nguyên tố hợp kim) sẽ
san bằng nồng độ.
Thời gian giữ nhiệt chỉ cần vừa đủ, không nên kéo dài quá mức cần thiết sẽ
làm hạt lớn và được chọn phụ thuộc vào các công nghệ nhiệt luyện cụ thể. Các
công nghệ liên quan đến khuếch tán như hóa - nhiệt luyện, ủ khuếch tán thời gian
này dài, tôi cảm ứng - ngắn (thường là không có).
Giai đoạn nung nóng để tạo ra austenit trong quá trình nhiệt luyện được gọi
là giai đoạn austenit hóa.
4.2.3.

Các chuyển biến của austenit khi làm nguội chậm
Mục tiêu của nung nóng và giữ nhiệt là để tạo nên austenit hạt nhỏ. Bây
giờ hy xét xem khi làm nguội, austenit sẽ chuyển biến thành tổ chức nào với cơ
tính ra sao, điều này quyết định cơ tính của thép khi làm việc hay gia công tiếp
theo: mềm, cứng, bền, dẻo, dai đến mức độ nào và rất khác nhau được quyết định
ở giai đoạn này. Phân thành hai trường hợp lớn để xét: nguội chậm và nguội
nhanh. Trước tiên xét cho trường hợp nguội chậm. Tổ chức tạo thành khi làm
nguội phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: độ quá nguội, thành phần, tổ chức của thép
vv... và cả phương thức làm nguội. Giống như khi nung nóng, ở đây trước tiên
cũng khảo sát làm nguội đẳng nhiệt cho thép cùng tích (0,80%C) là loại có tổ chức
đơn giản hơn cả (tổ chức ban đầu chỉ là peclit).
a. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của austenit quá nguội
(giản đồ T - T - T) của thép cùng tích

Như đ biết từ giản đồ pha Fe - C, khi làm nguội, austenit chỉ chuyển biến
thành peclit ở 727
o
C (tức T
o
= 0) khi làm nguội rất chậm, điều này không xảy ra
trong thực tế. Hy làm quen với một dạng làm nguội ít gặp trong thực tế nhưng lại
rất tiện cho việc xác định ảnh hưởng của độ quá nguội đến chuyển biến, đó là cách
làm nguội đẳng nhiệt: làm nguội nhanh austenit xuống dưới A
r
1
(ở dưới nhiệt độ
này austenit trở nên không ổn định, chỉ tồn tại tạm thời trong một thời gian rồi sẽ
bị chuyển biến), giữ nhiệt ở đó rồi đo thời gian bắt đầu và kết thúc chuyển biến từ
austenit thành hỗn hợp ferit - xêmentit (người ta làm nguội đẳng nhiệt bằng cách
nhúng những mẫu nhỏ, mỏng đ austenit hóa vào các bể muối ở các nhiệt độ khác
nhau).



121
121
Giản đồ T - T - T

Tiến hành như trên cho thép cùng tích (sau khi xác định thời gian bắt đầu
và kết thúc chuyển biến ở các nhiệt độ, đánh dấu chúng trên biểu đồ hệ trục nhiệt
độ - thời gian, cuối cùng nối các điểm bắt đầu với nhau, các điểm kết thúc với
nhau) ta được giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của austenit quá nguội cho thép này
như biểu diễn ở hình 4.6. Giản đồ còn có tên đơn giản và thông dụng là giản đồ T -

T - T vì nó biểu thị sự chuyển biến (transformation) của austenit phụ thuộc vào
nhiệt độ (temperature) và thời gian (time).

Giản đồ có hai đường cong hình chữ
"C", trong đó chữ "C" đầu tiên (bên trái) biểu thị sự bắt đầu, còn chữ "C" thứ hai
biểu thị sự kết thúc của chuyển biến austenit thành hỗn hợp cùng tích ferit -
xêmentit (vì thế trong sách kỹ thuật của Nga người ta gọi nó là giản đồ chữ "C").
Đây là giản đồ rất quan trọng đối với nhiệt luyện thép và được sử dụng rất nhiều
để xác định tổ chức sau khi làm nguội austenit, cần nắm vững.
Hình 4.6.
Giản đồ T- T- T của thép cùng tích.


Các sản phẩm của sự phân hóa đẳng nhiệt của austenit quá nguội
Từ giản đồ T - T - T thấy rằng khi austenit bị nguội (tức thời) xuống dưới
727
o
C nó chưa chuyển biến ngay, điều đó có nghĩa austenit còn tồn tại một thời
gian nhất định trước khi chuyển biến, phân hóa và được gọi là austenit quá nguội,
không ổn định, khác với austenit tồn tại ở trên 727
o
C là loại ổn định.
Trên giản đồ có năm khu vực rõ rệt:
- ở trên 727
o
C là khu vực tồn tại của austenit ổn định,
- bên trái chữ "C" đầu tiên - austenit quá nguội,


122

122
- giữa hai chữ "C" - austenit chuyển biến (tồn tại cả ba pha , F và Xe),
- bên phải chữ "C" thứ hai - các sản phẩm phân hóa đẳng nhiệt của austenit
quá nguội là hỗn hợp ferit - xêmentit với mức độ nhỏ mịn khác nhau,
- dưới đường M
s
(~ 220 ữ 240
o
C) - mactenxit + austenit dư (sẽ nói tới vùng
này ở mục 4.2.4).
Bây giờ hy xét xem làm nguội đẳng nhiệt austenit với các mức độ quá
nguội khác nhau sẽ phân hóa thành các hỗn hợp ferit - xêmentit với các đặc điểm
như thế nào.
+ Khi giữ austenit quá nguội ở sát A
1
(trên dưới 700
o
C, T
0
nhỏ, khoảng
25
o
C), sau thời gian dài (~ 100s) nó mới bắt đầu phân hóa và tiếp theo (sau ~
2000s) nó mới kết thúc chuyển biến. Hỗn hợp ferit - xêmentit tấm tạo thành rất thô
to với khoảng cách d giữa các tấm vào khoảng 10
-3
mm (cỡ micrômet) được gọi là
peclit (tấm) với độ cứng thấp nhất, HRC 10 ữ 15 (HB 180 ữ 220).
+ Khi giữ austenit quá nguội ở nhiệt độ thấp hơn (trên dưới 650
o

C, T
0
lớn
hơn, khoảng 75
o
C), nó sẽ bắt đầu và kết thúc phân hóa sau thời gian ngắn hơn rõ
rệt (sau gần 3 và 100s). Hỗn hợp ferit - xêmentit tấm tạo thành sẽ mịn (nhỏ) hơn
đến mức không thể phân biệt được chúng trên kính hiển vi quang học (khoảng
cách d khoảng 0,25 ữ 0,30
à
m). Tổ chức này được gọi là xoocbit (hay xoocbit tôi)
với độ cứng cao hơn, cỡ HRC 25 ữ 35.
+ Khi giữ austenit quá nguội ở nhiệt độ thấp hơn nữa, ứng với đỉnh lồi chữ
C (tức lúc austenit quá nguội kém ổn định nhất, khoảng 500 ữ 600
o
C), nó sẽ
chuyển biến rất nhanh (sau khoảng 0,5 ữ 0,8 và 8s). Hỗn hợp ferit - xêmentit tấm
tạo thành sẽ còn nhỏ mịn hơn nữa, càng không thể phân biệt được dưới kính hiển
vi quang học (khoảng cách d vào khoảng 0,10 ữ 0,15
à
m). Tổ chức này được gọi là
trôxtit (hay trôxtit tôi) với độ cứng cao hơn nữa, cỡ HRC 40. Người ta gọi ba
chuyển biến trên đều là chuyển biến peclit, còn xoocbit, trôxtit được coi là các
dạng phân tán của peclit.
+ Khi giữ austenit quá nguội ở nhiệt độ thấp hơn nữa, ứng với đoạn dưới
của chữ "C", khoảng 450 ữ 250
o
C, thời gian chuyển biến lại kéo dài ra, cơ chế
chuyển biến có thay đổi chút ít, tạo nên tổ chức gọi là bainit. Một cách gần đúng
có thể coi bainit cũng là hỗn hợp ferit - xêmentit ở dạng tấm như trên song còn

mịn hơn nữa (hơn cả trôxtit) với độ cứng cao hơn, cỡ HRC 50 ữ 55, song có điểm
hơi khác nhau (nhiều khi có thể bỏ qua) như sau:
ferit hơi quá bo hòa cacbon (0,10% so với giới hạn bo hòa là 0,006 ữ
0,02%),
cacbit sắt ở đây có công thức chưa hẳn là Fe
3
C song khá gần là Fe
x
C với
x = 2,4 ữ 3,0,
ngoài hai pha đó ra còn một lượng nhỏ austenit (dư).
Như thấy rõ về sau, các đặc điểm này hơi giống với chuyển biến mactenxit
nên còn gọi chuyển biến bainit là chuyển biến trung gian (với nghĩa trung gian
giữa chuyển biến peclit và chuyển biến mactenxit).
Vậy về cơ bản có thể coi peclit (tấm), xoocbit, trôxtit và cả bainit có bản
chất giống nhau là hỗn hợp cơ học cùng tích của ferit và xêmentit tấm song trong
đó theo thứ tự tấm càng nhỏ mịn hơn và độ cứng càng cao hơn.
Có thể giải thích điều đó như sau. Giống như quá trình kết tinh, khi tăng độ
quá nguội của chuyển biến, số mầm kết tinh tăng lên do đó xêmentit (cacbit) nhỏ


123
123
mịn đi. Mặc dù lượng xêmentit không thay đổi (cùng có 0,80%C với 12%Xe +
88%F), nhưng khi kích thước xêmentit nhỏ đi tức là số các phần tử rắn này tăng
lên sẽ làm tăng sự cản trượt đối với ferit, nâng cao độ cứng, độ bền.
Như vậy sau khi làm nguội đẳng nhiệt austenit, tổ chức nào tạo thành là
ứng với nhiệt độ giữ đẳng nhiệt đó nằm ở nhánh nào của chữ "C":
+ khi ở nhánh trên sát A
1

được peclit,
+ khi ở đoạn ứng với phần lồi được trôxtit,
+ khi ở giữa hai mức trên được xoocbit,
+ khi ở nhánh dưới được bainit.
Sau khi làm nguội đẳng nhiệt tổ chức nhận được là đồng nhất trên tiết
diện.

b.

Sự phân hóa của austenit khi làm nguội liên tục

Trong thực tế thường dùng cách làm nguội liên tục. Cũng có thể xây dựng
giản đồ chuyển biến của austenit khi làm nguội liên tục với các tốc độ nhanh chậm
khác nhau, với mỗi tốc độ nguội xác định các nhiệt độ tại đó austenit quá nguội
bắt đầu và kết thúc phân hóa ra hỗn hợp ferit - xêmentit, rồi nối các điểm tương
đông với nhau lại như biểu diễn ở hình 4.7. Xây dựng các thí nghiệm như vậy khá
phức tạp và khó đạt được mức độ chính xác cần thiết. Song để đơn giản có thể lợi
dụng giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt (hình 4.6) kể trên để xác định tổ chức tạo
thành khi làm nguội với tốc độ khác nhau, như biểu diễn ở hình 4.8.

Hình 4.7.
Các đường bắt đầu và kết thúc chuyển biến austenit thành ferit -
xêmentit thô và mịn tương ứng với các tốc độ làm nguội chậm (35
o
C/s) và nhanh
(140
o
C/s) đối với thép cùng tích.
Đặc điểm của sự phân hóa austenit khi làm nguội liên tục là:
1) Với các tốc độ nguội khác nhau, austenit bị quá nguội đến các nhiệt độ



124
124
khác nhau (tính tới điểm gặp các đường cong chữ "C") và phân hóa thành các tổ
chức tương ứng với các nhiệt độ đó. Làm nguội chậm cùng lò biểu thị bằng vectơ
V
1
trên hình 4.8, nó cắt các đường cong chữ "C" ở sát A
1
: austenit quá nguội phân
hóa ở nhiệt độ cao được peclit tấm với độ cứng thấp nhất. Làm nguội trong không
khí tĩnh biểu thị bằng vectơ V
2
, nó cắt các đường cong chữ "C" ở phần giữa của

nhánh trên: austenit quá nguội phân hóa thành xoocbit. Làm nguội trong không
khí nén biểu thị bằng vectơ V
3
, nó cắt các đường cong chữ "C" ở phần lồi: austenit
quá nguội phân hóa thành trôxtit. Làm nguội trong dầu biểu thị bằng vectơ V
4
, nó
chỉ cắt phần lồi của đường cong chữ "C" thứ nhất, austenit quá nguội chỉ chuyển
biến một phần thành trôxtit và phần còn lại sẽ chuyển biến thành mactenxit, cuối
cùng có tổ chức trôxtit + mactenxit (hay còn gọi là bán mactenxit). Làm nguội
trong nước lạnh biểu thị bằng vectơ V
5
, nó không cắt đường cong chữ "C" nào, tức
austenit không chuyển biến chút nào thành hỗn hợp ferit - xêmentit, phần lớn
austenit quá nguội chuyển thành mactenxit. Như vậy, khi làm nguội liên tục tạo
thành tổ chức nào là hoàn toàn tùy thuộc vào vị trí của vectơ biểu thị tốc độ nguội
trên đường cong chữ "C".





Hình 4.8.
Giản đồ T - T - T của
thép cùng tích và các vectơ biểu thị
tốc độ nguội V
1
< V
2
< V

3
< V
4
< V
5
.



2) Tổ chức đạt được thường là không đồng nhất trên toàn tiết diện nhất là
trong trường hợp tiết diện lớn. Do ở ngoài bao giờ cũng bị nguội nhanh hơn trong
lõi nên thường có tổ chức với độ cứng cao hơn.
3) Không đạt được tổ chức hoàn toàn bainit (về mặt hình học có thể dễ
dàng thấy điều này từ dạng của chữ "C"), trong một số trường hợp có thể đạt được
tổ chức này cùng với trôxtit và mactenxit. Chỉ đạt được hoàn toàn bainit bằng cách
làm nguội đẳng nhiệt như đ trình bày.
4) Những điều trên chỉ đúng với thép cacbon. Với thép hợp kim vị trí của
các đường cong chữ "C" dịch sang phải với các mức độ khác nhau nên có thể các
đặc điểm trên không còn phù hợp hay không hoàn toàn phù hợp:
+ Tốc độ nguội cần thiết để đạt được các tổ chức trên sẽ giảm đi một cách
tương ứng. Ví dụ khi làm nguội cùng lò (V
1
) cũng có thể đạt được xoocbit, trôxtit;
với một số loại thép hợp kim cao khi làm nguội trong không khí (V
2
, V
3
) cũng có
thể đạt tổ chức mactenxit.
+ Sự không đồng nhất về tổ chức trên tiết diện giảm đi thậm chí có thể đạt

được đồng nhất ngay với tiết diện lớn.


125
125

c.

Giản đồ T - T - T của các thép khác cùng tích

Căn cứ chủ yếu đầu tiên để xét tổ chức tạo thành khi làm nguội thép nào đó
là giản đồ T - T - T của chính thép đó. Ta mới nói đến thép cùng tích song phần
lớn các thép dùng là trước cùng tích và ít hơn là sau cùng tích thì như thế nào?
Các thép trước và sau cùng tích cũng có dạng của giản đồ T - T - T như
thép cùng tích song có phần phức tạp hơn, tức cũng có dạng của hai chữ C
nhưng có thêm nhánh phụ ở phía trên, bên trái của chữ "C" thứ nhất (hình 4.9) để
biểu thị sự tiết ra ferit hoặc xêmentit II (tùy thuộc vào là thép trước hay sau cùng
tích) trước khi phân hóa thành hỗn hợp ferit - xêmentit và một đường ngang A
3

hay A
cm
.
Ta chú ý tới ba đặc điểm khác biệt sau đây.
1) Vị trí của các đường cong (chữ "C" và nhánh phụ) dịch sang trái một
chút, càng xa cùng tích sự lệch này càng nhiều. Nói khác đi các thép càng khác
cùng tích có tính ổn định của austenit quá nguội kém hơn thép cùng tích đôi chút.
Điều đó giải thích bằng sự khó đạt được austenit đồng nhất khi nung nóng.

Hình 4.9.
Hình dạng tổng quát của
giản đồ T -T - T của thép khác cùng
tích.




2) Khi làm nguội đẳng nhiệt với độ quá nguội nhỏ (đường 1 hình 4.10) hay
làm nguội chậm liên tục (đường 2), thoạt tiên austenit quá nguội sẽ tiết ra ferit (đối
với thép trước cùng tích) và xêmentit II (đối với thép sau cùng tích) trước (khi
vectơ nguội gặp nhánh phụ), sau đó mới phân hóa ra hỗn hợp ferit - xêmentit.
Trong trường hợp này tổ chức đạt được sau khi nguội:







Hình 4.10.
Sự tiết ra ferit hay
xêmentit II khi làm nguội đẳng
nhiệt với độ quá nguội nhỏ (1)
và chậm liên tục (2).

126
126


+ đối với thép trước cùng tích là F + P (đôi khi F + xoocbit),
+ đối với thép sau cùng tích là P + Xe
II
(đôi khi xoocbit + Xe
II
).
3) Khi làm nguội đẳng nhiệt với độ quá nguội đủ lớn hay làm nguội (liên
tục) đủ nhanh để vectơ biểu diễn quá trình nguội của chúng không gặp nhánh phụ,
austenit quá nguội phân hóa ngay ra hỗn hợp ferit - xêmentit dưới dạng xoocbit,
trôxtit, bainit (riêng bainit chỉ khi làm nguội đẳng nhiệt). Đương nhiên các tổ chức
không có thành phần đúng 0,80%C như trong thép cùng tích và chúng được gọi là
cùng tích giả.
Đối với thép hợp kim ngoài ảnh hưởng của cacbon như trên giản đồ còn
chịu ảnh hưởng mạnh của các nguyên tố hợp kim, dưới tác dụng này các đường
cong chữ "C" dịch rất mạnh sang phải, làm tăng tính ổn định của austenit quá
nguội (tỉ mỉ được trình bày ở chương sau, mục 5.1.2d).
4.2.4.

Chuyển biến của austenit khi làm nguội nhanh -
Chuyển biến mactenxit
(khi tôi)
Nếu làm nguội nhanh austenit với tốc độ thích hợp sao cho vectơ biểu diễn

quá trình nguội của nó không cắt đường cong chữ "C", thì nó không kịp chuyển
biến thành hỗn hợp ferit - xêmentit, mà chỉ có chuyển biến thù hình (chuyển kiểu
mạng tinh thể) của sắt từ Fe

sang Fe

(tức không có sự tập trung của cacbon để
tạo nên xêmentit Fe
3
C) xảy ra ở nhiệt độ thấp (từ 250 ữ 220
o
C trở xuống). Đó là
thực chất của chuyển biến khi làm nguội nhanh austenit mactenxit, xảy ra khi
tôi.





Hình 4.11.
Giản đồ T - T - T
và tốc độ tôi tới hạn V
th
(t
m
và
0
m
T
- thời gian và nhiệt độ

ứng với austenit kém ổn định
nhất).

Tốc độ làm nguội nhỏ nhất để gây ra chuyển biến này là tốc độ ứng với
vectơ tiếp xúc với đường "C" thứ nhất ở phần lồi, được gọi là tốc độ tôi tới hạn
(hay còn gọi là tốc độ làm nguội tới hạn) V
th
(hình 4.11). Vậy khi làm nguội nhanh
liên tục austenit (với tốc độ bằng hay vượt quá tốc độ tôi tới hạn) sẽ nhận được
mactenxit. Đây là tổ chức đặc trưng của quá trình làm nguội nhanh liên tục (tôi).
Trước tiên hy xét bản chất của mactenxit.
a. Bản chất của mactenxit

Mactenxit là dung dịch rắn xen kẽ quá bo hòa của cacbon trong Fe

với
t
m


127
127
nồng độ cacbon như của austenit, có kiểu mạng chính phương tâm khối và có độ
cứng cao.
Có thể giải thích lần lượt các đặc tính trên của mactenxit như sau.
- Do làm nguội nhanh, cacbon trong Fe

(austenit) không kịp tiết ra (để tạo
thành xêmentit), khi đạt đến nhiệt độ tương đối thấp chỉ xảy ra quá trình chuyển
mạng của Fe

(tâm mặt) sang Fe

(tâm khối):
(austenit) Fe

(C) Fe

(C) (mactenxit)
vì thế nồng độ cacbon trong hai pha này luôn luôn bằng nhau.
- Với nồng độ cacbon thông thường (ví dụ 0,80%) trong Fe

sẽ là quá bo
hòa ở trong Fe

vì độ hòa tan cacbon trong dạng thù hình này rất thấp (0,006 ữ
0,02%).
- Nguyên tử cacbon hòa tan trong Fe

bằng cách xen kẽ vào các lỗ hổng
của mạng này. Qua nghiên cứu thấy rằng nguyên tử cacbon sẽ nằm ở trong lỗ hổng
tám mặt tức là ở giữa các mặt bên hay ở giữa các cạnh của ô cơ sở (hình 4.12).
Như thấy rõ lỗ hổng này là không đối xứng nên quả cầu cacbon một khi lọt vào sẽ
làm gin các nguyên tử Fe ra xa không đều, kéo dài một cạnh ra mạnh hơn so với
hai cạnh kia, làm cho mạng từ lập phương tâm khối (của Fe

) chuyển sang chính
phương tâm khối. Tỷ số c/a được gọi là độ chính phương của mactenxit, có giá trị
thay đổi trong khoảng 1,001 ữ 1,06 (cần chú ý rằng đây chỉ là tỷ lệ trung bình cho
các ô cơ sở, vì cacbon không thể đi vào tất cả mọi lỗ hổng của austenit cũng như

mactenxit, xem lại mục 3.1.2c và 1.4.1a).










Hình 4.12.
ô cơ sở của
mạng tinh thể mactenxit.




- Nguyên tử cacbon chui vào lỗ hổng của Fe

làm cho mạng tinh thể của
sắt bị xô lệch, trở nên khó biến dạng dẻo và do đó có độ cứng cao nhất (cao hơn cả
bainit, trôxtit..., chúng chỉ là hỗn hợp ferit - xêmentit, trong đó ferit dẻo, vẫn có
thể biến dạng dẻo được).


128
128
b.
Các đặc điểm của chuyển biến mactenxit

Khác với chuyển biến peclit, chuyển biến mactenxit có những đặc điểm
sau.
1) Chỉ xảy ra khi làm nguội nhanh và liên tục austenit với tốc độ lớn hơn
hay bằng tốc độ tôi tới hạn V
th
. Chuyển biến mactenxit không xảy ra khi làm
nguội đẳng nhiệt.
2) Chuyển biến là không khuếch tán: cacbon hầu như giữ nguyên vị trí, còn
sắt chuyển dời vị trí để tạo kiểu mạng mới là lập phương tâm khối, nhưng sự
chuyển dời này không vượt quá một thông số mạng. Giữa mạng của austenit (A1)
và mactenxit (gần như A2) có mối quan hệ định hướng xác định sao cho các mặt
và phương dày đặc nhất của chúng song song với nhau.
3) Là quá trình tạo ra không ngừng các tinh thể mới với tốc độ phát triển
rất lớn, tới hàng nghìn m/s. Tinh thể mactenxit có dạng hình kim, đầu nhọn làm
với nhau các góc 60 hay 120
o
.
4) Chỉ xảy ra trong khoảng giữa hai nhiệt độ (điểm) bắt đầu M
s
và kết thúc
M
f
(với các nghĩa s - start - bắt đầu, f - finish kết thúc). Ngoài khoảng đó austenit
quá nguội không chuyển biến thành mactenxit. Vị trí của hai điểm này không phụ
thuộc vào tốc độ nguội mà chỉ phụ thuộc vào thành phần cacbon và hợp kim của
austenit (mà không phải lúc nào cũng đồng nghĩa với thành phần cacbon của thép)

[trong trường hợp ở trạng thái nung nóng thép có tổ chức nhiều pha (ví dụ austenit
và cacbit), rõ ràng là thành phần austenit khác với thành phần thép, chỉ khi nung
nóng tới trạng thái hoàn toàn austenit thì thành phần pha này mới trùng với thành

phần của thép]. Nói chung austenit càng nhiều cacbon và nguyên tố hợp kim (trừ
Si, Co và Al), các điểm này càng thấp. Một số thép chứa cacbon và nguyên tố hợp
kim cao có hai điểm này khá thấp.
5) Chuyển biến xảy ra không hoàn toàn. Thực nghiệm cho thấy khi làm
nguội càng gần tới điểm M
f
, lượng mactenxit tạo thành càng nhiều song không bao
giờ đạt được tỷ lệ 100% mactenxit, mà vẫn còn lại một lượng nhất định pha ban
đầu (austenit) không thể chuyển biến, được gọi là austenit dư.








Hình 4.13.
Đường cong động
học chuyển biến mactenxit.


Đường cong động học chuyển biến mactenxit trên hình 4.13 cho biết lượng
cũng như tốc độ tạo thành mactenxit khi giảm nhiệt độ. Qua đó có thể thấy rằng
khi điểm M
f
< nhiệt độ thường (~20
o
C) - điều này thường xảy ra vì M
f

của các thép
đều ở nhiệt độ âm - bằng cách làm nguội thông thường không thể đạt được lượng


129
129
mactenxit tối đa, đặc biệt khi M
f
quá thấp (ví dụ -100
o
C) lượng austenit có thể khá
cao (20 ữ 30%) ảnh hưởng mạnh đến độ cứng. Nguyên nhân tồn tại austenit dư
cùng với mactenxit là do sự khác nhau về thể tích riêng của hai pha này: V
M
> V


(vì mactenxit là Fe

(C), Fe

có mật độ thể tích thấp hơn Fe

nên sẽ có thể tích
riêng lớn hơn), vì thế khi chuyển biến austenit mactenxit thể tích sẽ tăng lên, do
vậy phần austenit chưa chuyển biến bị sức ép ngày một tăng đến mức không thể
chuyển biến hết được. Lượng austenit dư tồn tại trong thép tôi phụ thuộc vào các
yếu tố sau:
+ Vị trí của điểm M
f

: điểm M
f
càng thấp dưới 20
o
C lượng austenit dư càng
nhiều. Đây là yếu tố quan trọng nhất. Các nhân tố làm giảm điểm M
f
như tăng
lượng nguyên tố hợp kim trong austenit, cũng đều làm tăng lượng austenit dư của
thép tôi.
+ Lượng cacbon trong mactenxit càng nhiều thể tích riêng của nó càng lớn
(do sự tăng của độ chính phương c/a) làm lượng austenit dư càng nhiều.

c.

Cơ tính của mactenxit

Mactenxit là tổ chức quan trọng nhất được tạo thành khi tôi thép, quyết
định cơ tính của thép tôi. Cơ tính nổi bật của nó là cứng và giòn.
Độ cứng
Độ cứng cao của mactenxit là do cacbon hòa tan xen kẽ làm xô lệch mạng
tinh thể của sắt, nên nó chỉ phụ thuộc nồng độ cacbon quá bo hòa trong nó: đại
lượng này càng cao, xô lệch mạng càng mạnh (tỷ số c/a càng lớn), độ cứng càng
cao (hình 4.14). Như thế:
- mactenxit chứa ít cacbon, 0,25%, độ cứng không cao chỉ khoảng
HRC 40,
- mactenxit chứa cacbon trung bình, 0,40 ữ 0,50%, độ cứng tương đối cao,
HRC 50,
- mactenxit chứa cacbon cao, 0,60%, độ cứng cao, HRC 60.
ở đây cần phân biệt độ cứng của pha mactenxit và độ cứng của thép tôi vì

hai đại lượng này không phải lúc nào cũng đồng nhất với nhau. Thực ra độ cứng
của thép tôi bao giờ cũng là độ cứng tổng hợp của hỗn hợp mactenxit + austenit
dư, đôi khi cả cacbit (xêmentit

II) nữa và tuân theo quy luật kết hợp hay trung bình
cộng như đ trình bày ở mục 3.2.8b. Như đ biết austenit có độ cứng thấp, nếu nó
tồn tại với tỷ lệ đáng kể (> 10%) làm độ cứng của thép tôi nhỏ hơn độ cứng của
pha mactenxit tức chưa đạt đến giá trị cao nhất, còn với tỷ lệ không đáng kể (vài
%) thì độ cứng của thép tôi chính là độ cứng của mactenxit tức đạt được giá trị cao
nhất. Với thép cacbon thấp và trung bình, do điểm M
f
cao, thể tích riêng của
mactenxit chưa lớn, austenit dư thấp, không ảnh hưởng đến độ cứng của thép tôi.
Chỉ với thép cacbon cao và hợp kim cao làm tăng thể tích riêng của mactenxit và
hạ thấp mạnh M
f
mới làm tăng mạnh lượng austenit dư, ảnh hưởng đến độ cứng
của thép tôi (hạ thấp từ vài, ba đến 10 đơn vị HRC so với khi không có austenit
dư).
Độ cứng cao dẫn đến nâng cao tính chống mài mòn là ưu điểm của pha
mactenxit, song cần nhớ là ưu điểm này chỉ phát huy được ở những thép có
0,40%C.
Tính giòn

Trái lại, tính giòn là nhược điểm của mactenxit vì khi tính giòn cao hoặc


130
130
quá cao làm hạn chế sử dụng thậm chí không thể dùng được. Mactenxit giòn cũng

là do xô lệch mạng như nguyên nhân gây ra độ cứng, ngoài ra còn do tồn tại ứng
suất dư (hay ứng suất bên trong) trong nó. Thường là độ cứng càng cao tính giòn
cũng càng cao, song ngoài ra tính giòn cũng có thể biến động trong phạm vi khá
rộng phụ thuộc vào các yếu tố sau đây:
Hình 4.14.
Sự phụ thuộc của độ chính phương c/a (a)
và độ cứng mactenxit (b) vào nồng độ cacbon trong nó

+ Kim mactenxit càng nhỏ tính giòn càng thấp, muốn đạt được điều này
hạt austenit khi nung nóng phải nhỏ.
+ ứng suất bên trong càng nhỏ tính giòn càng thấp.
Do vậy để vừa bảo đảm được hai tính chất đối lập nhau là độ cứng cao và
tính giòn thấp ở các thép kết cấu và dụng cụ người ta phải sử dụng các thép bản
chất hạt nhỏ, khống chế đúng nhiệt độ tôi và dùng các phương pháp tôi thích hợp
để giảm ứng suất bên trong như tôi phân cấp, đẳng nhiệt và ram ngay tiếp theo.
4.2.5.

Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi
(khi ram)
Sau khi tôi đạt được mactenxit và một lượng nhất định austenit dư, thép có
độ cứng cao song với tính giòn lớn, tồn tại ứng suất bên trong, tổ chức không ổn
định chưa phù hợp với điều kiện làm việc, cần phải có thêm sau đó một nguyên
công chỉnh - nung nóng lại, được gọi là ram.
a.
Tính không ổn định của mactenxit và austenit
Theo giản đồ pha Fe - C, từ nhiệt độ thường đến 727
o
C tổ chức ổn định của
thép là hỗn hợp ferit - xêmentit tức peclit. Do vậy hai pha mactenxit và austenit dư
đều là các pha không ổn định, có khuynh hướng chuyển biến thành hỗn hợp trên.

Như đ biết, mactenxit không ổn định là do quá bo hòa cacbon, lượng
cacbon thừa sẽ tiết ra ở dạng xêmentit và phần còn lại mất hết cacbon trở thành
ferit:
Fe

(C) Fe
3
C + Fe


còn austenit, nó không tồn tại ổn định dưới 727
o
C và cũng có khuynh hướng
chuyển biến thành hỗn hợp ferit - xêmentit:
Fe

(C) Fe
3
C + Fe


Cần chú ý:
- Mactenxit và austenit có khuynh hướng biến thành hỗn hợp ferit -
xêmentit, song ở nhiệt độ thường chuyển biến này xảy ra rất chậm đến mức khó
nhận thấy, vì thế trong thực tế ta phải nung nóng để thúc đẩy quá trình chuyển


131
131
biến này.

- Hai pha này không chuyển biến ngay thành hỗn hợp ferit - xêmentit mà
phải qua tổ chức trung gian là mactenxit ram theo sơ đồ:
mactenxit
mactenxit ram [ferit + xêmentit].
austenit dư
b. Các chuyển biến xảy ra khi ram
Theo sự tăng của nhiệt độ nung nóng, thép cùng tích (0,80%C) đ tôi với tổ
chức mactenxit + austenit dư lần lượt qua các giai đoạn với các chuyển biến như
sau.
Giai đoạn I (< 200
o
C)
- < 80
o
C trong thép tôi chưa có chuyển biến gì, tức vẫn có mactenxit +
austenit dư.
- Từ 80 đến 200
o
C: austenit dư chưa chuyển biến, chỉ có mactenxit chuyển
biến bằng cách cacbon trong nó tập trung lại, tiết ra ở dạng các phần tử cacbit với
công thức Fe
x
C (x thay đổi trong phạm vi 2,0 ữ 2,4) ở dạng tấm mỏng và rất phân
tán, lượng cacbon còn lại trong mactenxit giảm đi từ 0,80% xuống còn khoảng
0,25 ữ 0,40% với tỷ số c/a giảm đi. Hỗn hợp mactenxit ít cacbon và cacbit đó
được gọi là mactenxit ram [giữa hai pha trên có cấu trúc liền mạng (coherent),
mạng tinh thể biến đổi liên tục, đều đặn, không thay đổi đột ngột và không có ranh
giới pha rõ ràng].
Có thể trình bày chuyển biến trong giai đoạn này dưới dạng sơ đồ sau:
(mactenxit tôi)

Fe

(C)
0,8
[Fe

(C)
0,25
ữ
0,40
+ Fe
2
ữ
2,4
C] (mactenxit ram)
Vậy cuối giai đoạn này thép tôi có tổ chức mactenxit ram và austenit dư.
Giai đoạn II (200 ữ 260
o
C)
Trong giai đoạn này cacbon vẫn tiếp tục tiết ra khỏi mactenxit làm hàm
lượng cacbon trong dung dịch rắn chỉ còn khoảng 0,15 ữ 0,20%, song nét đặc biệt
là có chuyển biến mới - austenit dư thành mactenxit ram:
(austenit dư) Fe

(C)
0,8
[Fe

(C)

0,15
ữ
0,20
+ Fe
2
ữ
2,4
C]
(
mactenxit ram
)

Cuối giai đoạn này thép tôi có tổ chức mactenxit ram gồm cacbit và
mactenxit nghèo cacbon (0,15 ữ 0,20%).
Mactenxit ram là tổ chức cứng không kém (nếu có thì chỉ là chút ít)
mactenxit tôi, song lại ít giòn hơn do giảm được ứng suất bên trong (do cacbon tiết
bớt ra khỏi dung dịch rắn giảm chút ít xô lệch mạng).
Đối với các thép tôi bình thường, khi ram đến đây độ cứng vẫn giữ nguyên
hoặc chỉ giảm chút ít (khoảng một, cùng lắm là hai đơn vị HRC). Song ở một số
thép sau khi tôi có lượng austenit dư lớn (hàng chục %), khi ram đến đây độ cứng
có thể tăng lên (thêm 2 ữ 3, cá biệt có thể tới 10 đơn vị HRC) do hiệu ứng tăng độ
cứng nhờ chuyển biến austenit dư thành mactenxit ram mạnh hơn hiệu ứng giảm
độ cứng do cacbon tiết ra khỏi dung dung dịch rắn. Hiện tượng này được gọi là độ
cứng thứ hai.
Giai đoạn III (260 ữ 400
o
C)
Kết thúc giai đoạn II thép tôi có tổ chức mactenxit ram gồm hai pha:
mactenxit nghèo cacbon (0,15 ữ 0,20%) và cacbit (Fe
2

ữ
2,4
C), đến giai đoạn III
này cả hai pha đều chuyển biến:
- Tất cả cacbon quá bo hòa được tiết hết ra khỏi mactenxit dưới dạng


132
132
cacbit, độ chính phương không còn, c/a = 1, mactenxit nghèo cacbon trở thành
ferit.
- Cacbit

(Fe
2
ữ
2,4
C) ở dạng tấm mỏng biến thành xêmentit Fe
3
C ở dạng
hạt.
Sơ đồ chuyển biến trong giai đoạn này như sau:
Fe


(C)
0,15
ữ
0,20
Fe

+ Fe
3
C
hạt
hỗn hợp
Fe
2
ữ
2,4
C Fe
3
C
hạt
ferit- xêmentit
Cuối giai đoạn này thép tôi có tổ chức là hỗn hợp ferit - xêmentit ở dạng
hạt rất nhỏ mịn và phân tán, được gọi là trôxtit ram. Do cacbon đ tiết hết ra khỏi
dung dịch rắn (mactenxit) nên đến giai đoạn này:
- Độ cứng giảm đi rõ rệt song vẫn còn tương đối cao (HRC 45 với thép
cùng tích).
- Mất hoàn toàn ứng suất bên trong, tăng mạnh tính đàn hồi.
Vậy trôxtit ram cũng như trôxtit tôi là tổ chức khá cứng và có giới hạn đàn
hồi cao nhất.
Giai đoạn IV (> 400
o
C)
Khi tiếp tục nung nóng đến > 400
O
C thép tôi không có chuyển biến pha gì
mới, chỉ có quá trình kết tụ (sát nhập, lớn lên) của các phần tử xêmentit ở dạng

hạt.
- ở 500 ữ 650
o
C được hỗn hợp ferit - xêmentit hạt nhỏ mịn và khá phân tán
được gọi là xoocbit ram với đặc tính là có giới hạn chảy cao và độ dai va đập tốt
nhất.
- ở gần A
1
(727
o
C) được hỗn hợp ferit - xêmentit hạt có thể phân biệt được
dưới kính hiển vi quang học, được gọi là peclit hạt.
Do xêmentit kết tụ nên khi nung nóng đến giai đoạn này độ cứng của thép
tôi giảm đi mạnh, thép càng trở nên dễ gia công cắt. Còn khi nung thép tôi lên quá
Ac
1
sẽ xuất hiện austenit ổn định mà tùy thuộc vào tốc độ làm nguội tiếp theo nó
sẽ phân hóa thành các tổ chức khác nhau như đ khảo sát ở mục trên (4.2.4),
không còn trong phạm vi của nguyên công ram nữa. Do vậy khi ram không được
nung nóng quá A
1
.
Tóm lại, ram là quá trình phân hủy mactenxit, làm giảm độ cứng cao, ứng
suất bên trong đạt được khi tôi, tuy nhiên tùy thuộc vào nhiệt độ tiến hành có thể
đạt được các yêu cầu cơ tính khác nhau phù hợp với các điều kiện tải trọng tác
dụng rất đa dạng trong chế tạo cơ khí.
Các giới hạn nhiệt độ kể trên cho từng giai đoạn là ứng với thép cacbon.
Với các thép trước và sau cùng tích mức độ giảm độ cứng khi ram so với trạng thái
mới tôi của chúng cũng theo quy luật tương tự như đối với thép cùng tích đ trình
bày. Đối với thép hợp kim, các giới hạn nhiệt độ đều được nâng cao lên, tức quá

trình ram xảy ra khó hơn.
Sau khi đ khảo sát hết các kiểu chuyển biến pha khi nung nóng và làm
nguội, ta chuyển sang xét bản chất, cách tiến hành và công dụng của các phương
pháp nhiệt luyện cụ thể.
4.3.

ủ
và thường hóa thép

Có thể nói vắn tắt là ủ và thường hóa là các phương pháp thuộc nhóm nhiệt
luyện sơ bộ, làm mềm thép, chuẩn bị tổ chức cho gia công (cắt, dập nguội, nhiệt


133
133
luyện) tiếp theo, tuy nhiên chúng có các đặc điểm và phạm vi công dụng riêng
biệt.
4.3.1.

ủ
thép


a.

Định nghĩa và mục đích

Định nghĩa
ủ thép là phương pháp nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định (tùy thuộc
từng phương pháp, nhiệt độ có thể biến đổi rất rộng từ 200 ữ 300 cho đến trên

1000
o
C), giữ nhiệt lâu rồi làm nguội chậm cùng lò để đạt được tổ chức ổn định
peclit (tức đúng với giản đồ pha Fe - C) với độ cứng thấp nhất và độ dẻo cao. Hai
nét đặc trưng của ủ là nhiệt độ không có quy luật tổng quát và làm nguội với tốc
độ chậm để đạt tổ chức cân bằng.
Mục đích
Có nhiều phương pháp ủ mà mỗi phương pháp chỉ đạt được một, hai hay ba
trong số năm mục đích sau đây.
1) Giảm độ cứng (làm mềm) thép để dễ tiến hành gia công cắt.
2) Làm tăng độ dẻo để dễ tiến hành biến dạng (dập, cán, kéo) nguội.
3) Làm giảm hay làm mất ứng suất bên trong gây nên bởi gia công cắt,
đúc, hàn, biến dạng dẻo.
4) Làm đồng đều thành phần hóa học trên vật đúc bị thiên tích.
5) Làm nhỏ hạt thép.
Theo chuyển biến pha peclit austenit xảy ra khi nung nóng, người ta
chia ra hai nhóm ủ: có và không có chuyển biến pha.
b.
Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha
Các phương pháp ủ này có nhiệt độ ủ thấp hơn A
c
1
nên không có chuyển
biến peclit austenit khi nung nóng, do đó không làm biến đổi tổ chức của thép.
Có hai phương pháp ủ không có chuyển biến pha là ủ thấp và ủ kết tinh lại.
ủ thấp
ủ thấp hay ủ non được tiến hành ở các nhiệt độ 200 ữ 600
o
C với mục đích
làm giảm hay khử bỏ ứng suất bên trong ở vật đúc hay sản phẩm qua gia công cơ

khí (cắt gọt hay dập nguội). Nếu nhiệt độ ủ chỉ là 200 ữ 300
o
C chỉ khử bỏ một
phần (tức chỉ làm giảm), còn ở nhiệt độ cao hơn, 450 ữ 600
o
C sẽ khử bỏ hoàn toàn
ứng suất bên trong. Lĩnh vực áp dụng: các chi tiết máy quan trọng chỉ đòi hỏi làm
giảm hay khử bỏ ứng suất bên trong. Có thể nêu vài ví dụ.
- Vật đúc gang quan trọng như thân máy cắt, yêu cầu phải khử bỏ phần lớn
(70 ữ 80%) ứng suất bên trong để không làm cong, biến dạng sống trượt, thường
được tiến hành bằng hai cách sau:
+ Để lâu trong kho hay ngoài trời (ở nhiệt độ thường), ứng suất bên trong
được giảm dần nhưng phải sau khoảng một năm mới đạt đến giá trị nhỏ cho phép,
không gây ra biến dạng về sau. Cách làm này tuy đơn giản nhưng lại quá tốn thời
gian, gây lng phí, ứ đọng sản phẩm, dễ gây mất đồng bộ sản xuất.
+ ủ ở 450 ữ 600
o
C trong 1 ữ 2h sẽ khử bỏ được hầu như hoàn toàn ứng
suất bên trong. Đây là cách thường được áp dụng vì nó tiết kiệm được kho, bi,
không gây lng phí (khi vật đúc hỏng sẽ biết ngay sau khi gia công cơ khí, do đó
tìm cách khắc phục kịp thời), không gây ra mất đồng bộ sản xuất, tuy có tốn kém


134
134
thêm.
- Sau khi gia công cơ ứng suất bên trong sẽ tăng lên ảnh hưởng xấu đến
khả năng làm việc của sản phẩm như xecmăng sau khi mài, cắt gọt, lòxo sau khi
quấn nguội..., phải được ủ khử ứng suất từ 200 đến 450
o

C (đôi khi còn gọi là ram
vì trùng với nhiệt độ ram).
Cách ủ này không làm thay đổi độ cứng của thép [đối với gang xám bị biến
trắng sau khi ủ thấp (sát A
1
) độ cứng có thể giảm do grafit hóa].
ủ kết tinh lại
ủ kết tinh lại được tiến hành cho các thép qua biến dạng nguội, bị biến
cứng cần khôi phục tính dẻo, độ cứng ở mức như trước bị biến dạng. Như đ trình
bày ở chương 2 (mục 2.3.2b), nhiệt độ kết tinh lại của sắt là 450
o
C. Đối với thép
cacbon, ủ kết tinh lại được tiến hành ở 600 ữ 700
o
C. Khác với ủ thấp, ủ kết tinh lại
làm giảm độ cứng và làm thay đổi kích thước hạt. Nói chung phương pháp ủ này
không được áp dụng cho thép vì phần bị biến dạng tới hạn (2 ữ 8%) sau khi kết
tinh lại sẽ có hạt rất lớn, thép bị giòn

(đối với thép ủ kết tinh lại chỉ áp dụng cho
thép kỹ thuật điện, để giảm tổn thất từ cần hạt lớn). Để tránh thiếu sót này đối với
thép người ta áp dụng các phương pháp ủ có chuyển biến pha. (Riêng đối với các
kim loại, hợp kim không có chuyển biến thù hình như nhôm, đồng với mục đích
tương tự chỉ có thể áp dụng ủ kết tinh lại).
c. Các phương pháp ủ có chuyển biến pha
Trong thực tế thường gặp loại ủ có chuyển biến pha. Các phương pháp ủ
này có nhiệt độ ủ cao hơn A
c
1
nên có xảy ra chuyển biến peclit austenit khi

nung nóng với hiệu ứng làm nhỏ hạt, nên khi làm nguội chậm austenit hạt nhỏ lại
chuyển biến thành peclit với kích thước hạt nhỏ. Có các phương pháp ủ có chuyển
biến pha sau.
ủ hoàn toàn
ủ hoàn toàn là phương pháp ủ áp dụng cho thép trước cùng tích với lượng
cacbon trong khoảng 0,30 ữ 0,65% với đặc điểm nung nóng thép tới trạng thái
hoàn toàn là austenit, tức là phải cao hơn A
c
3
:

0
u
T
= A
c
3
+ (20 ữ 30
o
C)
Mục đích của ủ hoàn toàn là:
- Làm nhỏ hạt: nếu chỉ nung quá A
c
3
khoảng 20 ữ 30
o
C thì hạt austenit
nhận được vẫn nhỏ, nên khi làm nguội tiếp theo tổ chức ferit - peclit nhận được
cũng có hạt nhỏ.
- Làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo để dễ cắt gọt và dập nguội với độ cứng

đạt được là HB 160 ữ 200.
Khi nung nóng để ủ hoàn toàn ta được austenit đồng nhất nên khi làm
nguội sẽ phân hóa ra tổ chức ferit - peclit, trong đó peclit ở dạng tấm.
ủ không hoàn toàn và ủ cầu hóa
ủ không hoàn toàn là phương pháp áp dụng cho thép dụng cụ có thành
phần cacbon cao 0,70%, tức tất cả các thép cùng tích, sau cùng tích và thép
trước cùng tích với 0,70%C, với đặc điểm nung nóng thép tới trạng thái không
hoàn toàn là austenit tức cao hơn A
c
1
nhưng phải thấp hơn A
c
cm
:

0
u
T
= A
c
1
+ (20 ữ 30
o
C) = 750 ữ 760
o
C
tức mọi thép kể trên đều có nhiệt độ ủ hầu như giống nhau.


135

135
Tổ chức tạo thành khi ủ không hoàn toàn là peclit hạt chứ không phải là
peclit tấm. Đấy là lý do tại sao với thép cacbon cao như vậy chỉ đem ủ không hoàn
toàn mà không được ủ hoàn toàn. Nếu ủ hoàn toàn tức nung quá A
c
cm
sẽ được
austenit đồng nhất, khi làm nguội chậm tiếp theo sẽ chuyển biến thành peclit tấm
có độ cứng HB > 200 ữ 220 và xêmentit II ở dạng lưới làm thép có tính giòn cao.
Khi ủ không hoàn toàn do chỉ được nung thấp (chỉ quá A
c
1
một chút) bản thân
austenit tạo thành chưa kịp tiến hành đồng đều hóa thành phần hoặc vẫn còn các
phần tử xêmentit của peclit chưa chuyển biến xong hoặc xêmentit II. Sự không
đồng nhất như vậy làm cho sự tạo thành peclit hạt dễ dàng và độ cứng HB < 220
dễ gia công cắt hơn. Ngược lại phương pháp này không áp dụng cho thép trước
cùng tích có C 0,65% vì đây là nhóm thép kết cấu có yêu cầu cao về độ dai va
đập nếu qua ủ không hoàn toàn sẽ không làm nhỏ được ferit, làm ảnh hưởng xấu
đến độ dai.
ủ cầu hóa là dạng đặc biệt của ủ không hoàn toàn, trong đó nhiệt độ nung
dao động tuần hoàn trên dưới A
c
1
: nung lên 750 ữ 760
o
C giữ nhiệt khoảng 5min
(phút) rồi làm nguội xuống 650 ữ 660
o
C giữ nhiệt khoảng 5min..., với lặp đi lặp

lại nhiều lần nó sẽ xúc tiến nhanh quá trình cầu hóa xêmentit để tạo thành peclit
hạt.
ủ đẳng nhiệt

Đối với thép hợp kim cao do austenit quá nguội có tính ổn định quá lớn
(đường cong chữ "C" dịch sang phải rất mạnh), nên làm nguội chậm cùng lò cũng
không đạt được tổ chức peclit mà ra các tổ chức cứng hơn như peclit - xoocbit,
xoocbit, xoocbit - trôxtit... nên thép không đủ mềm để gia công cắt (xem lại phần
giản đồ T - T - T, mục 4.2.3a). Muốn đạt mục đích này, tiện lợi hơn cả là làm
nguội đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấp hơn A
r
1
khoảng 50
o
C (thường dùng loại lò có
khống chế nhiệt độ quy định) trong thời gian nhất định (xác định theo giản đồ T -
T - T của chính thép đó), sẽ nhận được tổ chức peclit.
Lĩnh vực áp dụng: cho thép hợp kim cao để rút ngắn thời gian ủ.
Như vậy ủ đẳng nhiệt khác với hai phương pháp ủ trên ở phương thức làm
nguội: ở đây là làm nguội đẳng nhiệt, ở trên là làm nguội liên tục. Còn nhiệt độ ủ
có thể là nhiệt độ của ủ hoàn toàn nếu là thép trước cùng tích (sau khi ủ được
peclit tấm) hoặc của ủ không hoàn toàn nếu là thép sau cùng tích và cùng tích (sau
khi ủ được peclit hạt).
ủ khuếch tán

ủ khuếch tán là phương pháp ủ với đặc điểm nung nóng thép lên đến nhiệt
độ rất cao 1100 ữ 1150
o
C trong nhiều giờ (10 ữ 15h) để làm tăng khả năng khuếch
tán, làm đều thành phần hóa học giữa các vùng trong bản thân mỗi hạt.

Lĩnh vực áp dụng: thép hợp kim cao khi đúc bị thiên tích phải làm đều
thành phần. Tuy nhiên sau khi ủ khuếch tán hạt trở nên rất to nên sau đó phải đưa
đi cán nóng hoặc ủ lại theo một trong ba phương pháp ủ làm nhỏ hạt kể trên.
Cần chú ý: đối với mọi trường hợp của ủ có chuyển biến pha, chỉ cần làm
nguội trong lò đến 600 ữ 650
o
C, lúc đó sự tạo thành peclit đ hoàn thành nên có
thể kéo vật phẩm ra khỏi lò, để nguội ngoài không khí và nạp mẻ khác vào ủ tiếp.
4.3.2.

Thường hóa thép