Nghiên cứu hiện tượng giòn ram và ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến tổ chức và tính chất của một số thép có hàm lượng cacbon trung bình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------------

ĐỖ KIM TRANH

NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG GIÒN RAM VÀ ẢNH HƯỞNG
CHẾ ĐỘ XỬ LÝ NHIỆT ĐẾN TỔ CHỨC VÀ TÍNH CHẤT CỦA
MỘT SỐ THÉP CĨ HÀM LƯỢNG CACBON TRUNG BÌNH
Chuyên ngành : Khoa học và kỹ thuật vật liệu kim loại

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU KIM LOẠI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN
TS. TRỊNH VĂN TRUNG

HÀ NỘI - 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân, được hình
thành và phát triển từ những quan điểm của cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn
của TS. Trịnh Văn Trung và có tham khảo thêm các tài liệu đáng tin cậy, có
nguồn gốc rõ ràng. Các số liệu, kết quả trong luận văn là hồn tồn chính xác
và trung thực.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn này.
Tác giả luận văn

ĐỖ KIM TRANH

1


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Trịnh Văn Trung đã trực tiếp hướng dẫn
tôi thực hiện và hồn thành đề tài.
Tơi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy giáo, cô giáo trong Bộ Vật
liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt - Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu. Ngồi
ra, luận văn cịn nhận được sự hỗ trợ từ Phịng thí nghiệm Hiển vi điện tử và
Vi phân tích cho các phép đo trên hệ SEM – Trường Đại học Khoa học Tự
Nhiên Hà Nội , Trung tâm thử nghiệm - kiểm định công nghiệp - Viện Cơ khí
Năng lượng và Mỏ - Vinacomin.
Tác giả luận văn

ĐỖ KIM TRANH

2


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU
CHƯƠNG I.
1.1.

7
CƠ SỞ LÝ THUYẾT

8

Khái quát chung về nhiệt luyện thép và hiện tượng giòn ram……………

8

1.1.1. Nhiệt luyện thép…………………………………………………………

8

1.1.2. Một số công nghệ nhiệt luyện cơ bản………………………………….

8

1.1.3. Giịn ram…………………………………………………………………

13

Tình hình nghiên cứu giịn ram ………………………………………….

14

1.2.

1.2.1. Các q trình có thể xẩy ra khi ram thép………………………………

15

1.2.2. Một số nghiên cứu cụ thể về hiện tượng giịn ram…………………….

20

1.2.3. Tóm lược…………………………………………………………………

31

CHƯƠNG II.

33

CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

2.1.

Sơ đồ các bước nghiên cứu………………………………………………

33

2.2.

Chuẩn bị mẫu……………………………………………………………..

34

2.2.1. Phân tích thành phần hóa học…………………………………………….

34

2.2.2. Gia cơng chuẩn bị mẫu……………………………………………………

34

2.3.

Các quy trình xử lý nhiệt………………………………………………….

23

2.3.1. Tính tốn thơng số cơng nghệ trong quy trình tơi…………………………

37

2.3.2. Tính tốn thơng số cơng nghệ cho quy trình ram thép……………………

39

Các phương pháp phân tích……………………………………………….

40

2.4.1. Xác định độ dai va đập……………………………………………………

40

2.4.2. Xác định tổ chức tế vi của thép……………………………………………

41

2.4.3. Xác định độ cứng của mẫu………………………………………………..

41

2.4.4. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)/EDS……………………………

42

2.4.5. Phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu XRD……………………………

43

2.4.

CHƯƠNG III.

CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU…………..……………. 44

3


3.1.

Tổ chức tế vi của các mẫu nghiên cứu…………………………………….

44

3.1.1. Tổ chức tế vi của thép ở trạng thái cung cấp……………………………… 44
3.1.2. Tổ chức tế vi của thép 40Cr, 42CrMo và C45 sau tôi…………………….. 46
3.1.3. Tổ chức tế vi của thép 40Cr, 42CrMo và C45 sau ram…………………… 48
3.2.

Tổng hợp kết quả thí nghiệm và thảo luận………………………………..

3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và môi trường làm nguội khi ram tới độ cứng

của thép 40Cr , C45 và 42CrMo…………………………………………..
3.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ram và môi trường nguội tới độ dai va đập của
thép C45, 40Cr và 40CrMo……………………………………………….
3.2.3. Kết quả hiển vi điện tử quét và hiển vi quang học………………………..

52
52

55
59

3.2.4. Kết quả phân tích XRD…………………………………………………… 65
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT……………………………………………...

68

TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………….

86

4


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Thành phần hóa học của 3 mác thép nghiên cứu…………………32
Bảng 2.2. Thơng số quy trình ram cho mẫu thép 40Cr, 42CrMo, C45…...…37

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1.

Ảnh tổ chức thép 100Cr sau tơi và ram………………………..

15

Hình 1.5.

Ảnh TEM, SEM của thép C45 khi tôi nước ở 850 oC và ram…
Ảnh OM của thép C45 khi tôi và ram…………………………
Ảnh OM của thép C45 khi và ram, thẩm thực………………...
Hiện tượng giịn ram loại I và loại II …………………………

Hình 1.6.

Ảnh SEM phá hủy giịn tinh giới cùng ………………………

21

Hình 1.7.

Ảnh hưởng của giịn ram đến nhiệt độ chuyển biến giịn-dẻo...

22

Hình 1.8.

Ảnh hưởng của tạp chất đến nồng độ Ni ở biên giới………….

23

Hình 1.9.

Hình 1.10.
Hình 1.11.
Hình 1.12.
Hình 1.13.

Mơ tả cơ chế của giòn ram loại I………………………………
Phổ điện tử Auger bề mặt phá hủy của mẫu thép 40CrNi…….
Ảnh điện tử Auger quét các nguyên tố Fe, P, Sb và Ni……….
Độ dai va đập của thép 2,25%Cr-1%Mo phụ thuộc tạp chất…..
Ảnh tổ chức tế vi của mẫu thép giịn và mẫu khơng bị giịn……

25
29
29
30
30

Hình 2.1.

Sơ đồ các bước nghiên cứu của luận án.......................................

33

Hình 2.2.

Bản vẽ mẫu thử va đập………………………………………….

35

Hình 2.3.

Hộp đựng mẫu thí nghiệm………………………………………

36

Hình 2.4.

Lị nung…………………………………………………………

36

Hình 2.5.

Giản đồ CCT: Thép 40Cr và thép C45…………………………

38

Hình 2.6.
Hình 2.7.

Quy trình tơi mẫu 40Cr, 42CrMoC45…………………………..
Ảnh hưởng của nhiệt độ ram đến độ dai va đập của thép………
Quy trình ram mẫu thép 40Cr, 42CrMo, C45…………………..

38
39

Hình 1.2.
Hình 1.3.
Hình 1.4.

Hình 2.8.

5

17
18
19
20

40


Hình 2.9.

Thiết thử độ dai va đập………………………………………….

40

Hình 2.10.

Kính hiển vi quang học AxioCom HRC………………………..

41

Hình 2.11.

Thiết bị đo độ cứng HRC……………………………………….

42

Hình 2.12.

Thiết bị hiển vi điện tử quét (SEM)/EDS……………………….

43

Hình 2.13.

Thiết bị phân tích nhiễu xạ tia X………………………………..

43

Hình 3.1.

Ảnh tổ chức tế vi của các mác thép ở trạng thái cung cấp……...

45

Hình 3.2.

Ảnh tổ chức tế vi của thép 40CrMo sau ủ………………………

46

Hình 3.3.

Ảnh tổ chức tế vi của thép sau tơi………………………………

47

Hình 3.4.

Ảnh tổ chức tế vi của thép 40Cr ram…………………………...

51

Hình 3.5.

Ảnh hưởng của nhiệt độ ram tới độ cứng của thép…………….

53

Hình 3.6.

Ảnh hưởng của nhiệt độ ram tới độ dai va đập của thép……….

56

Hình 3.7.

Ảnh OM bề mặt phá hủy của mẫu 40Cr thử dai va đập……….

59

Hình 3.8.

Ảnh SEM bề mặt phá hủy của mẫu 40Cr thử dai va đập………

60

Hình 3.9.

Ảnh chụp EDS của mẫu 40Cr ram 500 oC……………………..

61

Hình 3.10.

Ảnh chụp mapping của mẫu 40Cr ram 500 oC…………………

62

Hình 3.11.

Ảnh tổ chức tế vi của thép 40Cr khi ram ở 300 oC và 500 oC…

63

Hình 3.12.

64

Hình 3.13.

Ảnh SEM của thép 40Cr khi ram ở 500 oC và 600 oC…………
Phổ XRD của các mẫu thép 40Cr, C45 và 42CrMo……………

Hình 3.14.

Phổ XRD của các mẫu thép 40Cr ở trạng thái ủ, tôi và ram……

66

6

65


LỜI MỞ ĐẦU
Thép với hàm lượng cacbon trung bình như C45, 40Cr và 42CrMo có cơ
tính tổng hợp tốt sau q trình nhiệt luyện hóa tốt (tơi+ram cao) nên được
dùng rộng rãi làm các chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập cao trong cơ
khí chế tạo. Để thay đổi cơ tính của các thép trên theo yêu cầu của từng chi
tiết khác nhau chúng ta thường ram ở các nhiệt độ khác nhau, tuy nhiên khi
ram ở các vùng nhiệt độ 280÷350 oC và 500÷ 600 oC có thể gặp hiện tượng
giịn ram. Giịn ram ở nhiệt độ 280÷350 oC (giịn ram loại I) là khơng thuận
nghịch và khơng sửa chữa được nên trong cơ khí khi nhiệt luyện ta cần tránh
ram thép trên ở khoảng nhiệt độ này. Các thép kể trên thường trải qua công
đoạn nhiệt luyện hóa tốt nên có thể bị giịn ram trong khoảng 500÷ 600oC
(giịn ram loại II). Đây là loại giịn ram thuận nghịch và có thể sửa chữa được.
Do vậy, đề tài này được thực hiện nhằm nghiên cứu sâu hơn về hiện tượng
giòn ram loại II. Luận án này sẽ đi sâu nghiên cứu các vấn đề sau:
• Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường nguội khi ram đến tổ chức thép
và tính chất (độ cứng và độ dai va đập) của một số thép cacbon trung
bình;
• Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường nguội khi ram và các nguyên tố
hợp kim hóa thấp như Cr và Mo đến hiện tượng giòn ram loại II.

7

CHƯƠNG I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1.

Khái quát chung về nhiệt luyện thép và hiện tượng giòn ram

1.1.1. Nhiệt luyện thép
Nhiệt luyện là cơng nghệ nung nóng kim loại, hợp kim đến nhiệt độ xác
định, giữ nhiệt tại đó một thời gian nhất định rồi sau đó làm nguội với một tốc
độ thích hợp để làm thay đổi tổ chức, do đó biến đổi cơ tính và các tính chất
khác theo hướng đã định trước.
Nhiệt luyện làm thay đổi tính chất của vật liệu bằng cách thay đổi cấu
trúc bên trong mà không làm thay đổi hoặc thay đổi không đáng kể hình dáng
và kích thước của chi tiết.
Kết quả của nhiệt luyện được đánh giá bằng biến đổi của tổ chức tế vi và
cơ tính.
Nhiệt luyện là khâu quan trọng và thường là không thể thiếu được đối
với chế tạo cơ khí.
1.1.2. Một số cơng nghệ nhiệt luyện cơ bản
a. Ủ thép
Ủ thép là phương pháp nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt
rồi làm nguội chậm cùng lò để đạt được tổ chức ổn định peclit đúng với giản
đồ pha Fe-C. Hai nét đặc trưng của ủ là nhiệt độ khơng có quy luật tổng qt
và làm nguội với tốc độ chậm để đạt tổ chức cân bằng.
Căn cứ theo chuyển biến pha peclit→ austenit xảy ra khi nung nóng,
người ta chia thành hai nhóm ủ là ủ có chuyển biến pha và khơng chuyển biến
pha, trong thực tế thường gặp ủ có chuyển biến pha. Các phương pháp ủ có
chuyển biến pha có nhiệt độ ủ cao hơn Ac1 nên khi đó xảy ra chuyển biến

peclit→ austenit khi nung nóng (thương kèm theo hiệu ứng làm nhỏ hạt nếu ủ

8


với chế độ thích hợp), nên khi làm nguội chậm austenit hạt nhỏ lại chuyển
biến thành peclit với kích thước hạt nhỏ.
b. Tôi thép
Tôi là phương pháp nhiệt luyện bao gồm nung thép lên cao quá nhiệt
độ tới hạn Ac3 để làm xuất hiện tổ chức austenit, giữ nhiệt, sau đó làm nguội
nhanh thích hợp để austenit chuyển biến thành mactenxit hay các tổ chức
không ổn định khác với độ cứng cao. Mục đích chủ ́u của tơi thép là đạt độ
cứng cao nhất sau đó kết hợp với ram ở nhiệt độ thích hợp để làm đạt được
các yêu cầu cơ tính cần thiết.
Đối với thép cacbon trước cùng tích, nhiệt độ tơi phải lấy cao hơn Ac3,
tức là nung nóng tới trạng thái hồn tồn là austenit, cách tơi như vậy gọi là
tơi hồn tồn, nhiệt độ nung được tính theo cơng thức T=Ac3 + (30÷50)oC.
Đối với thép hợp kim thì quyết định nhiệt độ nung phức tạp hơn. Đối với
thép hợp kim hóa thấp (ví dụ như 0,40%C+ 1% Cr), nhiệt độ tơi khi đó xác
định bằng nhiệt độ tôi của thép cacbon tương đương nhưng tăng thêm (10÷20)
o

C.
Một ́u tố cần quan tâm khi tính tốn nhiệt độ nung đó là sự ảnh

hưởng của nhiệt độ nung đến kích thước hạt austenit, do sau tơi thép có tổ
chức hạt lớn sẽ làm tăng tính giịn của thép sau khi nhiệt luyện. Kích thước
hạt lớn nhanh theo nhiệt độ nung, chính vì vậy cần tính tốn nhiệt độ nung sao
cho hạn chế tối đa sự tăng kích thước hạt austenit.
Thời gian giữ nhiệt cần được tính tốn sao cho nhiệt độ đồng đều trên

toàn bộ chi tiết, hồn thành chuyển biến pha và austenit có thành phần đồng
nhất. Cũng như nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt có ảnh hưởng rất lớn đến
kích thước hạt austenit. Do vậy, để tránh hiện tượng lớn hạt người ta thường
lựa chọn thời gian giữ nhiệt nhỏ nhất có thể.

9


Môi trường làm nguội: Sau khi nung và giữ nhiệt, chi tiết được làm
nguội với tốc độ đủ lớn để khơng có sự phân hóa của austenit thành peclit
(hay các tổ chức gần cân bằng khác). Theo mức độ quan trọng, môi trường tôi
trước hết phải đảm bảo nguội nhanh thép sao cho đạt được tổ chức mactenxit,
đây là yêu cầu tính đến đầu tiên, nhưng đồng thời khơng làm thép bị nứt hay
biến dạng (có thể biến dạng nhỏ trong phạm vi cho phép). Để xác định môi
trường làm nguội, người ta thường dựa vào giản đồ nguội liên tục “CCT” để
xác định tốc độ nguội tới hạn, từ đó xác định được mơi trường làm nguội
thích hợp.
Độ cứng của thép sau khi tôi phụ thuộc vào hai yếu tố chính: đó là độ
cứng của mactenxit và lượng austenit dư.
Mactenxit là dung dịch rắn xen kẽ quá bão hòa của cacbon trong Feα
với nồng độ cácbon như của austenit, có kiểu mạng chính phương tâm khối và
có độ cứng cao. Mactenxit là tổ chức quan trọng được tạo thành khi tơi thép,
qút định cơ tính của thép tơi. Cơ tính nổi bật của mactenxit là cứng và giịn.
Độ cứng cao của mactenxit là do cacbon hòa tan xen kẽ làm xơ lệch mạng
tinh thể của sắt nên nó phụ thuộc vào nồng độ cacbon q bão hịa trong nó.
Khi nhiệt độ tôi càng cao hay thời gian giữ nhiệt càng dài thì lượng cacbit hịa
tan càng nhiều, do đó lượng cacbon tăng và làm tăng độ cứng của mactenxit.
Austenit dư là lượng austenit còn lại sau chuyển biến austenit→
mactenxit, do độ cứng của austenit thấp nên lượng austenit dư càng nhiều thì
độ cứng của thép càng giảm, lượng austenit dư phụ thuộc vào điểm bắt đầu

(Ms) và điểm kết thúc (Mf) của chuyển biến mactenxit. Nếu hàm lượng
nguyên tố hợp kim và cacbon trong austenit trước khi tôi càng cao thì các
điểm này càng thấp, sau khi tơi, lượng austenit dư càng nhiều.

10


c. Ram thép
Sau khi tơi, đạt tổ chức mactenxit có độ cứng cao nhất song khơng thể
đem dùng ngay vì thép rất giòn, kém dẻo, dai với ứng suất bên trong lớn, nên
nếu đem dùng ngay sẽ rất chóng gãy do bị phá hủy giịn. Do vậy, sau tơi thép
sẽ lại được đem đi nung nóng đến một nhiệt độ nhất định (gọi là ram thép) để
giảm ứng suất dư và phân hóa bớt các tổ chức khơng cân bằng nhằm tăng độ
dẻo dai.
Ram là phương pháp nhiệt luyện nung nóng thép đã tơi lên đến nhiệt độ
thấp hơn Ac1, để mactenxit và austenit dư phân hóa thành các tổ chức gần với
trạng thái cân bằng. Ram khử bỏ hoàn tồn ứng xuất bên trong, điều chỉnh cơ
tính cho phù hợp với điều kiện làm việc cụ thể của chi tiết máy và dụng cụ.
Đối với thép cacbon, căn cứ theo nhiệt độ ram, yếu tố quyết định tổ
chức và cơ tính tạo thành, người ta chia làm ba loại ram: ram thấp, ram trung
bình và ram cao.
• Ram thấp: là phương pháp nung nóng thép đã tơi trong khoảng 150÷250 oC,
tổ chức đạt được là mactenxit ram, sau khi ram thấp độ cứng không giảm đi
hoặc giảm đi rất ít, ứng suất bên trong giảm đi đáng kể do đó tính chất dẻo,
dai tốt hơn.
• Ram trung bình: nhiệt độ khi ram trung bình là 300÷450 oC, tổ chức đạt
được là trơxtit ram, sau ram trung bình độ cứng của thép giảm đi rõ rệt,
nhưng vẫn còn khá cứng, ứng suất bên trong được khử hoàn toàn, giới hạn
đàn hồi đạt giá trị cao nhất, độ dẻo, độ dai tăng lên.
• Ram cao: nhiệt độ khi ram cao là 500÷650 oC, tổ chức đạt được là xoocbit

ram. Sau ram cao, độ cứng giảm đi rất mạnh, thép trở lên tương đối mềm,
độ bền giảm nhưng đạt được sự kết hợp tốt nhất của các chỉ tiêu cơ tính độ
bền, độ dẻo, độ dai.

11


Thời gian ram: sau khi tôi nên ram ngay để tránh hiện tượng nứt xảy ra
sau khi tôi và tránh hiện tượng ổn định hóa austenit.
Sau khi tơi tổ chức của thép là mactenxit và autenit dư đều không ổn
định và có khuynh hướng chuyển về hỗn hợp ổn định là ferit-xementit.
Mactenxit khơng ổn định là do q bão hịa cacbon, lượng cacbon dư thừa sẽ
tiết ra ở dạng xementit và phần còn lại mất cacbon trở thành ferit:
Feα(C) → Fe3C + Feα
Autenit tồn tại không ổn định dưới 727 oC cũng có khuynh hướng
chuyển biến thành hỗn hợp ferit-xementit:
Feγ(C) → Fe3C + Feα
• Khi Tram< 80 oC chưa có chuyển biến.
• 80 oC < Tram <200 oC: tiết ra cacbit  (Fe2,0-2,4C) có dạng tấm mịn từ Mtơi, γ
dư chưa chuyển biến. Tổ chức cuối giai đoạn này là Mram và γ dư.
• Khi ram thép từ 200 oC đến 260 oC, giai đọan này cacbon tiếp tục tiết ra
khỏi mactenxit làm hàm lượng cácbon trong dung dịch rắn chỉ còn khoảng
15% đến 20%, autenit dư bắt đầu chuyển biến thành mactenxit ram, kết
thúc giai đọan này thép tôi có tổ chức mactenxit ram gồm cacbit 
(Fe2÷2,4C) và mactenxit nghèo cacbon.
• Khi ram thép từ 260 oC đến 400 oC, cả hai pha mactenxit nghèo cacbon và
cacbit  đều tiếp tục chuyển biến. Tất cả cacbon quá bão hòa được tiết hết
ra khỏi mactenxit dưới dạng cacbit, mactenxit nghèo cacbon trở thành ferit.
Cacbit  (Fe2÷2,4C) ở dạng tấm mỏng biến thành xememtit Fe3C ở dạng hạt.
Cuối giai đọan này, cacbon đã tiết hết ra khỏi mactenxit, thép tôi sau ram

có tổ chức là hỗn hợp ferit-xementit ở dạng hạt rất nhỏ mịn và phân tán
được gọi là trơxtit ram.
• Giai đọan ram thép ở nhiệt độ lớn hơn 400 oC, khi nung nóng liên tục quá
400 oC, trong thép tơi xảy ra q trình kết tụ (sát nhập, lớn lên) của các

12


phần tử xementit ở dạng hạt. Ở 500 oC đến 650 oC được hỗn hợp ferit –
xementit hạt nhỏ mịn và khá phân tán gọi là xoocbit ram.
Đối với thép hợp kim, các giới hạn nhiệt độ trên đều được nâng cao lên.
1.1.3. Giịn ram
Thơng thường trong q trình ram thép, khi tăng nhiệt độ ram, độ dai
va đập tăng lên liên tục nhưng trong một số loại thép ở hai khoảng nhiệt độ
280÷350 oC và 500-600 oC có thể xuất hiện hai cực tiểu về độ dai va đập
tương ứng với hai loại giòn ram (giòn ram loại I và giòn ram loại II).
Giòn ram loại I thể hiện rất rõ trong thép hợp kim khi ram ở khoảng
280÷350 oC, khi đó độ dai va đập rất thấp. Nguyên nhân có thể là do cacbit ε
(Fe2,4C) ở dạng tấm mỏng biến thành Xementit (Fe3C) làm cho thép trở nên
giòn. Đây là loại giịn ram khơng khắc phục được do vậy phải tránh ram ở các
nhiệt độ gây giòn này, nhiệt độ này tùy thuộc vào từng mác thép. Các thép
cacbon cũng bị giòn ram loại này và thường xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn.
Giòn ram lại II chủ yếu xảy ra trong thép được hợp kim hóa bằng Cr,
Mn, Cr-Ni, Cr-Mn khi ram ở khoảng (500-600 oC) với cách làm nguội chậm
thông thường sau khi ram (nguội trong khơng khí). Ngun nhân có thể do
q trình nguội chậm sau khi ram cao thúc đẩy tiết ra ở biên giới hạt các tạp
chất và nguyên tố hay pha gây giòn.
Giòn ram loại II là loại giòn ram thuận nghịch tức là sau khi khắc phục
bằng cách nung ở nhiệt độ cao hơn 600 oC và nguội nhanh nhưng sau đó có
thể bị lại nếu đem ram lần nữa cũng với chế độ ram trong vùng nhiệt độ gây

giòn ram loại II. Đây là loại giịn ram có thể tránh được bằng cách nguội
nhanh hoặc hợp kim hóa với một lượng nhỏ Mo hoặc W.

13


Các biện pháp phòng tránh giòn ram:
Đối với giòn ram loại I, đây là loại giịn ram khơng khắc phục được. Do
vậy, để tránh giòn ram loại I, tốt nhất là nên tránh ram ở khoảng nhiệt độ này.
Đối với mỗi mác thép cụ thể, khoảng nhiệt độ gây giòn ram loại I thường chỉ
dao động trong khoảng 10÷20 oC xung quanh khoảng nhiệt độ gây giịn nên ta
hồn tồn có thể tránh được bằng cách chọn nhiệt độ ram thích hợp.
Đối với giịn ram loại II, đây là giịn ram có thể khắc phục được. Ta có
thể phịng tránh giịn ram loại II theo các biện pháp sau:
• Với các chi tiết nhỏ và trung bình: làm nguội nhanh trong dầu hoặc
trong nước sau khi ram cao.
• Với các chi tiết lớn: làm nguội như vậy cũng chưa đủ nhanh để làm
mất giòn ram, lúc này phải dùng thép có hợp kim hóa thêm bằng
0,2÷0,5% Mo hoặc 0,5÷1,0% W.
Ngồi ra, thơng thường để kiểm sốt hoặc hạn chế hiện tượng giịn ram,
ta có thể khống chế các ́u tố sau: giảm hàm lượng các nguyên tố tạp chất
như Sb, Sn, P, và As (tập trung chủ yếu vào P); hợp kim hóa bằng các nguyên
tố như Be hay Mo có tác dụng kết cặp với các nguyên tố tạp kể trên, hạn chế
các nguyên tố như Cr và Ni (là các nguyên tố cản trở khả năng hòa tan của
các tạp chất kể trên nên thúc đẩy các tạp chất thiên tích ra biên hạt gây giịn);
tăng khả năng thiên tích các ngun tố có đường kính nhỏ như B, Be và C ra
biên giới (các giải thích chi tiết và sâu hơn sẽ được trình bày trong phần sau
về tình hình nghiên cứu giịn ram trong và ngồi nước;...
1.2. Tình hình nghiên cứu giịn ram
Giịn ram là dạng sai hỏng được các nhà khoa học trên thế giới đặc biệt

quan tâm, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, hiện tượng giòn ram
trong thép được nghiên cứu, xây dựng lý thuyết và tiến hành thực nghiệm
kiểm chứng. Ngồi ra vào những năm gần đây đã có rất nhiều cơng trình

14


nghiên cứu, các bài báo về hiện tượng giòn ram đối với các mác thép khác
nhau khi ram ở các vùng gây giòn ram là 280 đến 300 oC và 500 đến 650 oC,
các kết quả nghiên cứu hầu hết đánh giá mức độ ảnh hưởng của các tạp chất
và nguyên tố gây giòn trong các chi tiết máy tới hiện tượng giịn ram.
1.2.1. Các q trình có thể xẩy ra khi ram thép
Trên hình 1.1 là ảnh tổ chức tế vi của thép 100Cr tôi và ram ở các chế độ
khác nhau. Kết quả cho thấy sau tơi cịn khoảng 40% dư (độ cứng ~760 HV),
khi ram ở 250 oC thì lượng dư vẫn cịn khoảng 40% (độ cứng ~670 HV), khi
ram ở 350 oC thì lượng dư cịn khoảng 20% (độ cứng ~580 HV) và ở 400 oC
thì hầu như khơng cịn dư (độ cứng ~500 HV).
Để quan sát biên giới hạt austenit có thể dùng dung dịch tẩm thực
Vilella’s (picral+HCl).

Hình 1.1. Thép 100Cr sau (a) tơi nước ở 1000 oC, (b) ram 250, (c) ram 350,
và (d) 400 oC, trong 30 phút [1]

15


Khi ram thép, các q trình sau có thể xẩy ra [1]:
a. Tiết cacbon
Cacbon tái phân bố đến nơi (có năng lượng thấp hơn trong mactenxit)
như lỗ trống, lệch, biên giới hạt. Khoảng 90%C trong mactenxit với hàm

lượng %C trong nó lớn hơn 0,2% sẽ tái phân bố lại theo cách này.
b. Tiết cacbit
Các hạt cacbit hình cầu nhỏ ~ 2 nm phân tán đều khi ram thép lớn hơn
0,2%C ở nhiệt độ 100 đến 250 oC, phần còn lại là mactenxit bão hịa 0,2%C.
Đầu tiên là hình thành cacbit  (Fe2,4C) với cấu trúc lục giác xếp chặt. Sau đó
là hình thành cacbit  (M2C). Ở trên 250 oC sẽ hình thành cacbit  và tiếp theo
sẽ hình thành cacbit  (chính là Xementit, Fe3C). Xementit hình thành trước
tiên ở giữa các kim mactenxit.
Cacbit  và  rất khó quan sát trực tiếp trên ảnh tổ chức tế vi. Việc tạo
thành xementit ở nhiệt độ thấp (200-300 oC) cũng chỉ có thể phần nào quan sát
trên ảnh hiển vi điện tử truyền qua TEM (vị trí mũi tên chỉ hình 1.2a và b).
Khi ram ở nhiệt độ trung bình (400-500 oC) thì có thể quan sát xementit bằng
kính hiển vi điện tử quét SEM kết hợp kỹ thuật replica (hình 1.2c và d). Ở
nhiệt độ 400 oC thì xementit có dạng tấm (hình 1.2c) và nhiệt độ càng cao và
thời gian càng dài thì xementit có dạng hạt (hình 1.2e-g). Các hạt xementit có
xu hướng xuất hiện ở biên giới các hạt ferit (hình 1.2f và h) hình thành khi
ram (ở nhiệt độ cao trong quá trình hồi phục và kết tinh lại) hơn là ở biên giới
các hạt austenit định hướng. Xemetit chỉ có thể quan sát bằng kính hiển vi
quang học (OM) khi ram ở nhiệt độ cao khoảng 600 oC (hình 1.3).

16


Hình 1.2. Ảnh TEM của thép C45 khi tơi nước ở 850 oC và ram ở (a) 200 oC
trong 30 phút. 20000x (b) 300 oC trong 30 phút.20000x; Ảnh SEM của thép
C45 khi tôi nước ở 850 oC và ram ở (c)400 oC, (d) 500 oC, (e) 600 oC, (f) 700
o
C trong 30 phút.10000x; (g) 600 oC trong 5 phút và (h) 600 oC trong
16h.2000x.[1]

17


Hình 1.3. Ảnh OM của thép C45 khi tơi nước ở 850 oC và ram ở 600 oC trong
30 phút, ở độ phóng đại (a) 250X và (b) 1000X.[1]
c. Phân hóa ausetenit dư
dư sẽ bị phân hóa tạo thành ferit và xementit khi ram ở trong khoảng
200-300 oC. Sản phẩm của q trình phân hóa dư rất khó phân biệt với sản
phẩm của q trình phân hóa mactenxit.
d. Q trình hồi phục và kết tinh lại
Quá trình hồi phục xảy ra chủ yếu ở nhiệt độ ram trên 400 oC. Khi đó bắt
đầu hình thành các hạt ferit có thể quan sát trên kính hiển vi điện tử SEM
(hình 1.2c-f).
Để quan sát bằng kính hiển vi quang học các hạt ferit hình thành trong
q trình ram ta có thể sử dụng dung dịch tẩm thực bisulfate sẽ rõ hơn so với
tẩm thực bằng nital (hình 1.4).
Quá trình kết tinh lại của nền ferit xẩy ra ở khoảng 600-700 oC.
Tất cả các hiện tượng này xẩy ra phụ thuộc thời gian và xảy ra cả khi
ram đẳng nhiệt hay trong quá trình nâng nhiệt.

18


Hình 1.4. Ảnh OM của thép C45 khi tơi nước ở 850 oC và ram ở 200, 400,
500, và 700 oC trong 30 phút, dùng dung dịch tẩm thực nital (a, c, e, g) so với
dung dịch bisulfate (b, d, f, h).1000x.[1]

19

1.2.2. Một số nghiên cứu cụ thể về hiện tượng giịn ram
Hiện tượng giịn có thể đặc trưng bởi giá trị độ dai va đập thấp. Có thể kể
đến một số loại giòn như giòn mactenxit, giòn bainit ram (tempered bainite
embrittlement (TBE)) [2], giòn mactenxit ram (giòn ram loại I), giòn ram
(giòn ram loại II), giòn do chiếu xạ (radiation embrittlement) [3], giịn hydro
[4], giịn thủy ngân [5],... trong đó hay được đề cập nhất là hiện tượng giòn
ram loại I và loại II (hình 1.5).

Hình 1.5. Hiện tượng giịn ram loại I (ở khoảng 250-400 oC) và loại II (ở
khoảng 450-650 oC)
Phát triển vết nứt khi giịn:
Trong q trình phá hủy giịn, vết nứt có thể phát triển dọc theo biên
hạt/tinh giới (Intergranular fracture) hay ngang/xuyên qua hạt (Transgranular
fracture) như trên hình 1.6. Phá hủy ngang hạt thơng thường do bản chất vật
liệu giịn, khi đó các liên kết nguyên tử bị bẻ gãy hoặc các mặt phân chia
trong hạt. Phá hủy biên hạt do các quá trình làm yếu liên kết giữa các hạt gây
nên.

20


(a)

(a)

(b)

(b)

(c)

(c)

Hình 1.6. (a) Phá hủy dẻo, (b) phá hủy giịn ngang hạt và (c) phá hủy giòn
tinh giới cùng với các ảnh SEM bề mặt vết phá hủy tương ứng
Phá hủy dẻo (ductile fracture) theo cơ chế sát nhập các vết nứt tế vi (hình
1.6a) - microvoid coalescence (MVC). Phá hủy giịn (brittle cleavage): có thể
theo cơ chế ngang hạt (hình 1.6b) hoặc tinh giới (hình 1.6c), vật liệu càng
giịn thì xu hướng phá hủy theo tinh giới - intergranular (IG) càng tăng.
Khi giòn ram làm tăng nhiệt độ chuyển biến giịn-dẻo (transition
temperature) của thép như trong hình 1.7.

21


Hình 1.7. Ảnh hưởng của giịn ram đến nhiệt độ chuyển biến giòn-dẻo của
thép [6]
Giòn ram với vết gãy ngang/xuyên hạt thường xuất hiện trong thép ít tạp
chất và liên quan đến sự hình thành các cacbit từ sự phân hóa austenit dư nằm
ở giữa các kim mactenxit trong quá trình ram [7]. Trong khi đó, giịn ram với
vết gãy theo biên thường xẩy ra trong thép thông thường (độ sạch thương mại
- commercial-purity) liên quan đến hiệu ứng kết hợp giữa việc thiên tích các
tạp chất P hay S trong giai đoạn tơi (austenit hóa) và việc cùng thiên tích Cr,
Ni hoặc tạo thành cacbit trong q trình ram ở biên giới hạt austenit sơ cấp
[8]. Nồng độ tạp chất như P, Sb, và Sn ở biên giới càng cao thì nồng độ của
Ni cùng thiên tích (co-segregation) với các tạp chất ra biên giới càng lớn
(hình 1.8a) và nhiệt độ chuyển biến giịn-dẻo càng tăng (hình 1.8b) và hiện
tượng giòn càng lớn trong thép Cr-Ni. Động lực của q trình cùng thiên tích
này là giữa các ngun tố hợp kim như Ni với các nguyên tố tạp chất tương
tác đủ mạnh với nhau sẽ hạn chế khả năng hòa tan của chúng trong mạng tinh

thể của kim loại nền và do đó xu hướng chung sẽ cùng tiết ra ở biên giới hạt
[6].

22


(a)

(b)

Hình 1.8. Ảnh hưởng của tạp chất đến (a) nồng độ Ni ở biên giới và (b) nhiệt
độ chuyển biến giòn-dẻo[6]
Giòn ram loại I:
Giòn ram loại I (giòn mactenxit ram TME - tempered martensite
embrittlement) còn gọi là giòn ram xanh (blue embrittlement) hay giòn ram
350 do màu của lớp oxit tạo thành trên bề mặt phá hủy khi khi ram ở khoảng
350

o

C là loại giịn ram khơng thuận nghịch (Irreversible temper

embrittlement), giòn ram một bước (one-step embrittlement).
Loại giòn ram này thường xảy ra ở biên giới hạt austenit, bắt đầu từ biên
giới các hạt cacbit có sự có mặt của P, Mn, Si và N. Nitơ được cho là nguyên
tố tạp đóng vai trị lớn hơn các ngun tố tạp khác trong hiện tượng giòn ram
loại I [6]. Tốc độ nguội khi ram hầu như không ảnh hưởng đến hiện tượng
giịn ram loại I. Vết phá hủy thường theo hình thức phá hủy theo biên giới hạt
austenit/tinh giới (Intergranular fracture). Giịn ram loại I có mặt trong hầu hết
các thép. Do vậy, trong thực tế nên tránh ram ở vùng nhiệt độ gây giòn ram

loại I.

23


Giòn ram loại I cũng được cho là do quá trình phân hóa mactenxit tạo
thành cacbit như Fe3C (dưới dạng màng mỏng) ở biên giới hạt và các cacbit
này trở nên thơ hóa và gây giịn [9]. Khi ram ở nhiệt độ cao hơn thì các màng
mỏng cacbit này biến mất và không thể khôi phục nếu ram lại trong vùng
nhiệt độ gây giòn (250-400 oC) nên gọi là giòn ram không thuận nghịch
(Irreversible temper embrittlement). Si trong thép hợp kim thấp được cho là
có thể ngăn cản giịn ram loại I vì nó ngăn cản q trình phân hóa mactenxit.
Trong thép cacbon thấp, sau tơi hầu như khơng có dư nên hiện tượng
giòn ram loại I chủ yếu do sự sắp xếp lại của cacbon trong mactenxit (cacbit
) tới biên giới hạt và siêu hạt để tạo ra xementit.
Trong thép cacbon cao, sau tơi có độ q bão hịa của cacbon trong
mactenxit và lượng lớn dư nên khi ram ở khoảng 200 oC thì có thể tạo ra sự
chuyển biến ’→ mactenxit ram làm tăng độ dai nhưng sau đó khi nhiệt độ
ram tăng lên 250 oC thì austenit bắt đầu chuyển biến thành bainit làm suy
giảm độ dai va đập. Quá trình này kết thúc ở 350 oC trong thép cacbon và 400
o

C trong thép hợp kim.
Trong thép cacbon trung bình, thì 2 quá trình trên đồng thời xẩy ra cạnh

tranh nhau, đó là sự sự sắp xếp lại của cacbon trong mactenxit tới biên giới
hạt và cả q trình phân hóa austenit thành bainit, nhưng do lượng austenit ít
nên suy giảm độ dai của q trình 1 mạnh hơn sự tăng độ dai của quá trình 2
nên nói chung là độ dai sẽ giảm [10].
Giịn ram loại I có thể là sự kết hợp đồng thời của 3 cơ chế khác nhau

bao gồm: tiết cacbit, austenit không ổn định và sự thiên tích các tạp chất [11].
Vết gãy của giịn ram loại I có thể theo vết tách ngang hạt theo biên giới của
kim mactenxit (hình 1.9a và b), hay theo vết nứt theo biên hạt (hình 1.9c).

24