Cơ Sở Vật Liệu - Phần 2
Chào các bạn!
Bài viết hôm nay là bài viết thứ 2 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/fundamentals-of-carbon-steel-part-2
Nội dung bài viết gồm:
Trong bài viết trước, Happy đã giới thiệu khái niệm về giản đồ pha sắt-cacbon (Figure 1) và giải thích sự hình thành các pha ở nhiệt độ môi trường khi thép được làm nguội từ từ từ nhiệt độ trên dòng A3. Happy đã mô tả sự thay đổi pha diễn ra như thế nào giữa các vạch A3 và A, cách thức các nguyên tử chiếm các vị trí khác nhau trong mạng tinh thể ở nhiệt độ môi trường so với các vị trí mà chúng chiếm giữ ở nhiệt độ trên vạch A3. Happy bắt đầu chia sẻ về ảnh hưởng của thời gian đến quá trình biến đổi và làm thế nào các cấu trúc khác nhau sẽ hình thành nếu không đủ thời gian để Austenite chuyển thành Ferite / Pearlite. Trong bài viết này, Happy giải thích các quy trình xử lý nhiệt nói chung, và tốc độ làm lạnh nói riêng, ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô như thế nào. Điều này rất quan trọng vì nó là cấu trúc vi mô chi phối các tính chất cơ học của thép thành phẩm, tức là độ bền (strength), độ dẻo dai (toughness) và độ cứng (hardness) của nó.
Happy không muốn đi quá chi tiết trong bài viết này, nhưng trước khi thảo luận về ảnh hưởng của tốc độ làm lạnh, Happy cần đề cập đến ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt đối với đường A1 và A3. Hai đường này không cố định. Chúng thay đổi theo tốc độ gia nhiệt và vì tốc độ gia nhiệt được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp nói chung cao hơn so với tốc độ được sử dụng trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm đã được kiểm soát, nhiệt độ A1 và A3 có xu hướng cao hơn một vài độ so với nhiệt độ biến đổi được thể hiện trong (Figure 1).
Nhiệt độ A1 và A3 xảy ra khi nung nóng được gọi là nhiệt độ bắt đầu của Austenite, Ac1, và nhiệt độ kết thúc của Austenite, Ac3. Nhiệt độ Ac1 và Ac3 thường được đề cập đến hơn là nhiệt độ A1 và A3 khi thảo luận về các quy trình xử lý nhiệt.
Quy trình xử lý nhiệt - Đối với quy trình xử lý nhiệt, thép cacbon thường được xử lý ở một trong ba điều kiện nhiệt luyện:
1. Điều kiện ủ: Khi quy định một thành phần phải được xử lý trong điều kiện ủ, điều này thường ngụ ý rằng thép phải được ủ hoàn toàn. Quá trình ủ hoàn toàn thường được thực hiện để loại bỏ các ảnh hưởng của quá trình gia công nguội và liên quan đến việc nung nóng thép đến nhiệt độ cao hơn vạch Ac3 khoảng 15-30 °C (Figure 2) và giữ nó ở đó trong thời gian đủ để cho phép nó biến đổi thành cấu trúc hạt austenit hoàn toàn. Quá trình ủ có thể được chia thành ba giai đoạn (Figure 3):
Phục hồi - Điều này xảy ra ở nhiệt độ dưới vạch Ac1. Nó không làm thay đổi cấu trúc vi mô và bất kỳ thay đổi nào trong các đặc tính cơ học là rất nhỏ. Tác dụng chính của giai đoạn phục hồi là làm giảm ứng suất dư tích tụ trong vật liệu do quá trình gia công nguội. (Lưu ý: về mặt thương mại, xử lý ở nhiệt độ thấp này, nơi vật liệu được giữ trong phạm vi phục hồi, được gọi là ủ giảm căng thẳng (stress-relief) hoặc ủ quá trình. Vì nhiệt độ không vượt quá vạch Ac1, không có sự chuyển đổi pha nên tốc độ làm mát là phi vật chất tức là không ảnh hưởng cấu trúc vi mô của vật liệu).
Kết tinh lại - Khi nhiệt độ đạt đến giới hạn trên của vùng phục hồi, các tinh thể mới bắt đầu xuất hiện trong vi cấu trúc. Những tinh thể mới này có thành phần và cấu trúc mạng giống như các loại hạt hiện có, nhưng có trục tương đương, tức là chúng không kéo dài. Các tinh thể mới thường hình thành ở những phần bị biến dạng nghiêm trọng nhất của hạt, thường là ở ranh giới hạt và mặt phẳng trượt. Các cụm nguyên tử mà từ đó các hạt mới được hình thành được gọi là hạt nhân. Sự kết tinh lại xảy ra thông qua sự kết hợp giữa sự tạo mầm của các hạt không bị biến dạng và sự phát triển của các hạt nhân này cho đến khi toàn bộ vật liệu gia công nguội được hấp thụ.
Thuật ngữ nhiệt độ kết tinh lại không dùng để chỉ nhiệt độ cụ thể mà dưới nhiệt độ mà quá trình kết tinh lại sẽ không xảy ra, mà là nhiệt độ gần đúng mà tại đó vật liệu được gia công lạnh cao sẽ kết tinh lại hoàn toàn trong một giờ. Nhiệt độ bắt đầu kết tinh lại phụ thuộc vào mức độ biến dạng trước đó; biến dạng trước càng lớn thì nhiệt độ bắt đầu kết tinh lại càng thấp. Trong giai đoạn kết tinh lại, độ bền kéo và độ cứng giảm đáng kể và độ dẻo của vật liệu tăng lên đáng kể (Figure 3).
Sự phát triển của hạt - Làm nóng thép đến ngay trên vạch Ac3 ban đầu tạo ra các hạt Austenite nhỏ hơn các hạt Ferite trước đó, nhưng khi vật liệu đạt đến nhiệt độ xử lý nhiệt cuối cùng và được giữ ở đó sự phát triển của hạt xảy ra và cuối cùng các hạt trở lại như ban đầu kích thước (Figure 3). Trong giai đoạn tăng trưởng của hạt, độ bền kéo và độ cứng tiếp tục giảm, nhưng với tốc độ chậm hơn nhiều so với giai đoạn kết tinh lại.
Sau khi được giữ ở nhiệt độ xử lý nhiệt trong thời gian quy định, thép được làm nguội rất chậm để thu được cấu trúc vi mô cân bằng. Để đạt được tốc độ làm nguội cần thiết, thép thường sẽ được giữ trong lò. Lò sẽ được tắt và thép nguội bên trong. Yêu cầu cơ bản là tốc độ làm nguội đủ chậm để đảm bảo rằng Austenite chuyển thành Ferite và Pearlite.
Trong điều kiện ủ hoàn toàn, cấu trúc vi mô giống như dự đoán của giản đồ pha sắt-cacbon ổn định (Figure 1). Ví dụ về cấu trúc vi mô của thép cacbon được ủ được thể hiện trong Figure 6. Như đã nói ở trên, quá trình ủ được sử dụng chủ yếu để loại bỏ các hiệu ứng cứng xảy ra do quá trình gia công nguội. Thép sẽ thể hiện mức độ cứng, độ bền chảy và độ bền kéo cuối cùng tương đối thấp, nhưng mức độ dẻo cao.
2. Điều kiện thường hóa: Quá trình thường hóa tương tự như quá trình ủ ở chỗ nó cũng bao gồm việc nung thép đến nhiệt độ cao hơn 20-50 ° C so với vạch Ac3 (Figure 2) và giữ nó ở đó trong thời gian đủ để cho phép nó biến đổi đến một cấu trúc hạt Austenite hoàn toàn. Tuy nhiên, sự tương đồng chỉ đến đây. Khoảng thời gian mà thép được giữ ở trên dòng Ac3 được gọi là thời gian ngâm. Khi kết thúc thời gian ngâm, thép được lấy ra khỏi lò và để nguội trong không khí. Bởi vì tốc độ làm lạnh nhanh hơn nhiều, quá trình kết tinh lại xảy ra và các hạt Ferite mới hình thành. Cấu trúc vi mô tạo ra được tinh mịn hơn nhiều (tức là kích thước hạt nhỏ hơn) so với trước khi thường hóa. Thép cứng hơn và cứng hơn so với trước khi thường hóa hoặc so với khi được ủ hoàn toàn (Figure 4 & 5).
Thường hóa thường được thực hiện để loại bỏ các tác động của các hoạt động tạo hình (tức là làm việc nóng và lạnh) và để đạt được mức độ bền và độ dẻo dai xác định. Nó cũng được thực hiện để đảm bảo cấu trúc hạt Austenite đồng nhất khi gia nhiệt để làm nguội hoặc ủ hoàn toàn. Tùy thuộc vào thành phần của thép, kết quả cấu trúc vi mô sẽ là Pearlite hoặc Pearlite với Ferite hoặc Cementite dư thừa. Cấu trúc vi mô khác với cấu trúc được tạo ra bằng cách ủ; đối với thép có cùng hàm lượng carbon, sẽ có ít Ferite hoặc Cementite dư thừa và Pearlite sẽ mịn hơn. Đây là kết quả của tốc độ làm lạnh nhanh hơn. Ví dụ về cấu trúc vi mô của thép cacbon thường hóa được thể hiện trong Figure 7. Vì cấu trúc vi mô bị ảnh hưởng bởi tốc độ làm nguội, các đặc tính cơ học của thép thường hóa có thể thay đổi đáng kể khi có sự khác biệt về độ dày mặt cắt của các hình dạng được thường hóa.
3. Làm nguội và ủ: Làm nguội và ủ được thực hiện trong hai giai đoạn. Đầu tiên thép được làm cứng để tạo ra một cấu trúc vi mô cung cấp độ bền cao, nhưng độ dẻo dai thấp. Sau đó, thép được tôi luyện để có được sự cân bằng mong muốn về độ bền và độ dẻo dai.
Làm nguội - Thép có thể được làm cứng bằng cách được nung nóng đến nhiệt độ xấp xỉ 15-30 ° C trên vạch Ac3 (Figure 2), được giữ ở đó đủ lâu để đảm bảo rằng nhiệt độ của thép là đồng đều và cấu trúc hoàn toàn là Austenit (cách tương tự như ủ), sau đó làm lạnh nhanh (làm nguội). Thép hoạt động khác nhau tùy thuộc vào mức độ nghiêm trọng của quá trình làm mát (tốc độ làm mát). Một công cụ hữu ích để dự đoán biến đổi của thép là biểu đồ thời gian-nhiệt độ-biến đổi (TTT).
Figure 8 cho thấy một sơ đồ TTT điển hình. Biểu đồ TTT rất hữu ích vì nó trình bày một bức tranh tổng thể về hành vi biến đổi của Austenite. Nó cho phép nhà luyện kim giải thích phản ứng của thép có thành phần hóa học nhất định đối với quá trình xử lý nhiệt cụ thể, tức là ủ, thường hóa hoặc làm nguội và tôi. Nó đặc biệt hữu ích trong việc xác định xem có thể đạt được tốc độ làm mát cần thiết để có được cấu trúc vi mô mong muốn hay không. Happy đã bao gồm Figure 8 trong bài viết này chỉ để giúp chứng minh tầm quan trọng của tốc độ làm mát trong quá trình làm nguội. Các phương pháp tạo sơ đồ TTT và các yếu tố chi phối hình dạng của chúng khá phức tạp và sẽ được thảo luận chi tiết trong bài viết sau.
Như Happy đã giải thích trong bài viết trước, nếu làm nguội đủ nhanh, các nguyên tử cacbon không thể khuếch tán qua mạng tinh thể, do đó Austenite không thể chuyển thành Ferite / Pearlite. Tham khảo Figure 8, nếu nhiệt độ có thể được giảm xuống dưới vạch MS trước khi Austenite có thể biến đổi, Martensite sẽ bắt đầu hình thành (tức là nhiệt độ giảm đủ nhanh để đường cong làm mát bỏ qua mũi của đường cong S).
Miễn là tốc độ làm mát đủ nhanh và nhiệt độ cuối cùng nằm dưới vạch MF, cấu trúc vi mô tạo thành sẽ hoàn toàn là Martensite. (Lưu ý: MS là nhiệt độ bắt đầu Martensite; đó là nhiệt độ tại đó Martensite bắt đầu hình thành. MF là nhiệt độ kết thúc Martensite và là nhiệt độ dưới đó Martensite sẽ không còn hình thành nữa. Đường MF thực sự chỉ là mối quan tâm khi nó dưới nhiệt độ môi trường xung quanh; trong trường hợp này, có thể có một lượng đáng kể Austenite chưa biến đổi hoặc giữ lại, xen lẫn với Martensite. Bởi vì Austenite giữ lại tồn tại bên ngoài phạm vi nhiệt độ bình thường của nó, nó có thể di căn. Điều này có nghĩa là nếu có cơ hội, nó sẽ biến đổi thành Martensite. Sự biến đổi này đi kèm với sự thay đổi thể tích gây ra ứng suất bên trong cao, thường có thể dẫn đến các vết nứt.).
Happy đã giải thích tầm quan trọng của các dòng MS và MF trong sơ đồ TTT, nhưng có một đường khác cũng quan trọng không kém trong hoạt động tôi và ủ; đó là đường BS. Đường BS cho biết nhiệt độ tại đó Bainite bắt đầu hình thành. Như Happy đã thảo luận trong bài viết trước, với thép cacbon thông thường, nơi yêu cầu độ bền cao và độ dẻo dai tốt thì cấu trúc vi mô tối ưu là Bainite (Figure 9).
Vì cả Martensite và Bainite đều rất giòn, nên thép hiếm khi được sử dụng trong điều kiện làm nguội. Nó được xử lý nhiệt thêm.
Tôi luyện - Tôi luyện là một kỹ thuật xử lý nhiệt áp dụng cho thép cứng để đạt được độ dẻo dai cao hơn bằng cách giảm độ bền / độ cứng của nó. Quá trình ủ bao gồm việc nung nóng thép đến nhiệt độ thấp hơn vạch Ac1 (Figure 2) và giữ nó ở đó trong một thời gian xác định trước. Nhiệt độ và thời gian ủ chính xác phụ thuộc vào các đặc tính mong muốn và mục đích sử dụng thép. Nếu yêu cầu độ bền / độ cứng cao, nhiệt độ ủ cần thấp; nếu yêu cầu độ dẻo dai tốt, nhiệt độ ủ cần cao.
Figure 10 cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ tôi lên độ cứng kết quả của thép cacbon đã cứng hoàn toàn. Tuy nhiên, đối với bất kỳ nhiệt độ nào thì thời gian ủ cũng rất quan trọng. Như Figure 11 chứng minh, độ cứng giảm nhanh chóng khi đạt đến nhiệt độ ủ, sau đó tiếp tục giảm chậm hơn theo thời gian. Trong khi Figure 11 gợi ý rằng thép chỉ cần được giữ ở nhiệt độ ủ trong vài phút, thời gian ủ ngắn nói chung là không mong muốn và nên tránh. Thực tế tốt nhất cần ít nhất ½ giờ (hoặc tốt nhất là 1 đến 2 giờ) ở nhiệt độ ủ [1].
Tốc độ làm nóng và làm lạnh được sử dụng trong quá trình ủ phần lớn là phi vật chất. Tuy nhiên, nên tránh tốc độ gia nhiệt quá cao vì nó có thể tạo ra các gradient nhiệt dốc trong vật liệu, có thể gây ra biến dạng hoặc trong trường hợp nghiêm trọng là nứt. Tốc độ làm nguội là không ảnh hưởng trừ khi thép bị giòn do nhiệt độ tôi; trong trường hợp đó thép nên được làm nguội từ nhiệt độ tôi.
Trong bài viết này, Happy đã mô tả ba quy trình xử lý nhiệt cơ bản được áp dụng cho thép cacbon cơ bản để kiểm soát cấu trúc vi mô / tính chất cơ học của chúng. Happy đã thảo luận về cách thức, tùy thuộc vào tốc độ làm lạnh, các cấu trúc vi mô khác nhau xảy ra như thế nào, tức là Ferrite/Pearlite, Bainite và Martensite. Trong bài viết tiếp theo, Happy sẽ giải thích cách thức những cấu trúc vi mô này hình thành do sự phân hủy của Martensite.
Chúc các bạn cuối tuần vui vẻ! See you next week!
References 1. THOMAS G. DIGGES & SAMUEL J. ROSENBERG, Heat Treatment and Properties of Iron and Steel, National Bureau of Standards Monograph 18, Issued October 3, 1960 2. EDGAR C. BAIN, Functions of the alloying elements in steel, Am. Soc. Metals, Novelty, Ohio (1939) 312 pages