Cơ Sở Vật Liệu - Phần 1

Chào các bạn!

Bài viết hôm nay là bài viết đầu tiên trong chuỗi 3 bài viết cơ bản nhất về vật liệu thép cacbon.

Bài 1: Giản đồ pha và cấu trúc vi mô vật liệu

Bài 2: Nhiệt luyện

Bài 3: Cấu trúc vi mô vật liệu

Nội dung bài viết và hình ảnh được tham khảo từ website nguồn:

https://www.lff-group.com/posts/carbon-steel-fundamentals-part-1

Thép cacbon về cơ bản là hợp kim của sắt và cacbon. Ở nhiệt độ phòng, cacbon hầu như không hòa tan trong sắt; độ hòa tan tối đa của cacbon là khoảng 0,008% trọng lượng. Dưới 0,008% trọng lượng, cấu trúc vi mô vật liệu được tạo thành hoàn toàn từ Ferit, có mạng tinh thể lập phương tâm khối, tức là mạng có dạng hình khối với một nguyên tử sắt ở mỗi góc và một nguyên tử ở tâm (Figure 1). Trên 0,008% trọng lượng, bất kỳ cacbon 'dư thừa' nào kết hợp với sắt để tạo thành Cementite, Fe3C. Do đó, ở nhiệt độ phòng, thép cacbon bao gồm hỗn hợp của hai pha, Cementite và Ferit.

Tham khảo Figure 3, ở nhiệt độ dưới vạch A1, thép hypo-eutectoid bao gồm Ferrite và Pearlite (Figure 4); Pearlite là một cấu trúc phiến bao gồm các tiểu cầu của Cementite xen kẽ với nhau qua Ferit. Khi thép được nung nóng đến nhiệt độ trên vạch A1, Cementite hòa tan để tạo thành pha mới Austenite. Pha này có một mạng tinh thể lập phương tâm mặt, tức là một lần nữa, mạng tinh thể ở dạng hình lập phương với một nguyên tử sắt ở mỗi góc, nhưng trong trường hợp này nó có một nguyên tử sắt ở tâm của mỗi mặt (Figure 2).

Độ hòa tan của cacbon trong Austenite xấp xỉ 0,83% trọng lượng (vị trí của Eutectoid trong giản đồ pha sắt-cacbon). Cho đến khi đạt đến nhiệt độ A3, cấu trúc sẽ là hỗn hợp của Ferrite và Austenite. Nếu thép được nung nóng trên nhiệt độ A3, bất kỳ Ferit nào cũng sẽ chuyển thành Austenite và cấu trúc sẽ hoàn toàn là Austenite.

Điều quan trọng cần lưu ý là không nên nhầm lẫn các pha trong thép với cấu trúc vi mô vật liệu. Trong khi có nhiều cấu trúc hoặc hỗn hợp cấu trúc, thì chỉ có ba pha liên quan đến bất kỳ loại thép nào: Ferrite, Cementite và Austenite.

Khu vực được ký hiệu là Austenite trong Figure 3 là khu vực mà trong đó sắt có thể giữ lại nhiều cacbon hòa tan. Quá trình ủ, bình thường hóa và xử lý nhiệt 'làm nguội' bắt đầu bằng cách nung thép lên trên nhiệt độ A3 để hòa tan cacbon trong sắt và tạo ra cấu trúc Austenite hoàn toàn.

Nếu thép được làm nguội chậm từ nhiệt độ trên vạch A3, thì quá trình chuyển đổi sang pha Ferit lập phương tâm khối bắt đầu khi nhiệt độ giảm xuống dưới vạch A3. Khi nhiệt độ tiếp tục giảm, sự biến đổi về cơ bản hoàn thành khi đạt đến vạch A1. Trong quá trình biến đổi này, các nguyên tử cacbon bị loại bỏ khỏi mạng tinh thể vì về cơ bản chúng không hòa tan trong Ferit lập phương tâm khối. Đối với tất cả các quá trình, thép đều trở lại trạng thái như trước khi nó được nung nóng để tạo thành Austenite.

Trong trường hợp bình thường, Austenite không thể tồn tại ở nhiệt độ phòng trong thép cacbon. Tuy nhiên, tốc độ làm nguội thép cacbon từ dải Austenite có ảnh hưởng sâu sắc đến cấu trúc vi mô ở nhiệt độ phòng và các tính chất cơ học của nó.

Khi thép nguội nhanh chóng, các nguyên tử cacbon không thể khuếch tán qua mạng tinh thể và bị giữ lại gây ra sự biến dạng của mạng tinh thể. Sự biến dạng này làm gia tăng độ cứng và / hoặc độ bền. Nếu làm nguội đủ nhanh, một cấu trúc mới gọi là Martensite sẽ được hình thành.

Martensite không phải là một giai đoạn. Nó là một cấu trúc vi mô cụ thể trong pha Ferrite. Martensite được hình thành khi thép được làm nguội nhanh chóng từ trên nhiệt độ A3 để các nguyên tử cacbon không có thời gian khuếch tán qua mạng tinh thể để tạo thành Cementite và khóa mạng tinh thể Austenite trong một cấu trúc mạng tinh thể có dạng một tứ diện với một nguyên tử sắt ở mỗi góc và một nguyên tử ở tâm (Figure 5). Vì vậy, Martensite nên được coi là tập hợp của Ferrite và Cementite. Một cấu trúc vi mô Martensite điển hình được thể hiện trong Figure 6.

Ở tốc độ làm nguội chậm hơn một chút, một cấu trúc khác được gọi là Bainite có thể hình thành (Figure 7). Khả năng thay đổi cấu trúc của thép cacbon bằng cách xử lý nhiệt là cực kỳ hữu ích và cho phép kỹ sư lựa chọn sự cân bằng phù hợp về độ bền, độ dẻo dai và độ cứng (khả năng chống mài mòn) tùy thuộc vào mục đích ứng dụng. Đối với hầu hết ứng dụng cho đường ống process piping, do cách ứng suất cho phép được xác định, cấu trúc vi mô tối ưu là Ferrite hoặc Pearlite; cấu trúc này có tỷ lệ độ bền chảy so với độ bền kéo tương đối thấp, có nghĩa là vật liệu có độ dẻo tự nhiên. Để đảm bảo nó có đủ độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp, điều quan trọng là nó phải có cấu trúc hạt mịn (Figure 8) và vì lý do này, vật liệu thường sẽ được đặt ở điều kiện nhiệt luyện bình thường, tức là thép được nung ở trên nhiệt độ A3 và làm lạnh trong không khí.

Đối với các ứng dụng đường ống, trong đó ứng suất cho phép được quy định bởi ứng suất chảy và tỷ lệ độ bền chảy so với độ bền kéo không quá quan trọng; đối với rèn thép carbon thông thường, cấu trúc vi mô tối ưu là Bainitic (Figure 7). Điều này mang lại sự kết hợp tuyệt vời giữa độ bền và độ dẻo dai, đạt được bằng cách nung thép lên trên nhiệt độ A3 và làm nguội nhanh trong nước. Có khả năng là trong quá trình hoạt động này, một lớp mỏng Martensite sẽ được tạo ra trên bề mặt, nhưng lớp này sẽ không ăn sâu vào thép và có khả năng bị loại bỏ trong quá trình gia công rèn tiếp theo.

Có thể thấy rằng xử lý nhiệt và chủ yếu là tốc độ làm mát là rất quan trọng để có được cấu trúc vi mô cần thiết trong thép cacbon. Cách tiếp cận đơn giản nhất để giải thích ảnh hưởng của tốc độ làm mát đối với việc tái cấu trúc là xem xét đường cong thời gian-nhiệt độ-chuyển đổi (time-temperature-transformation), đây sẽ là chủ đề cho bài viết tiếp theo.

Hẹn gặp lại các bạn vào 19h thứ 7 tuần sau nhé. Chúc các bạn có ngày nghỉ cuối tuần vui vẻ bên gia đình và bạn bè của mình.

References:

1. W. Callister, Materials Science and Engineering - An Introduction, Utah, John Wiley & Sons Inc, 2000

2. Martensite Photomicrograph Copyright © British Steel; Used with permission, Courtesy of Corus.