1.4.4.Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) : Thép và gang là các vật liệu chủ yếu sử dụng trong ngành cơ khí. Cở sở để nghiên cứu và nhiệt luyện chúng là giản đồ pha Fe -C. Vì vậy ta cần phải nghiên cứu kỹ càng giản đồ này. 1-Cấu tử sắt : Sắt là nguyên tố có khá nhiều trong tự nhiên. Hiện tại người ta đã luyện được sắt với độ sạch 99,99999% Fe. Trong thực tế sản xuất người ta thường nghiên cứu với sắt có lượng chứa 99,8 - 99,9%. Sắt n ìy gọi là sắt nguyên chất kỹ thuật (sắt am kô) a- Cơ tính : Sắt là nguyên tố có cơ tính khá cao, cụ thể như sau : -Giới hạn bền kéo : σ = 250 MN/m2 (MPa)-Giới hạn chảy quy ước : σ0,2 = 120MN/m2 -Độ giãn dài tương đối : δ% = 50- Độ thắt tỷ đối : ψ% = 85 - Độ dai va đập : ak = 3000 Kj/m2 - Độ cứng HB = 80 b - Tính đa hình của sắt : Sắt là kim loại có tính đa hình, nó có hai kiểu mạng tinh thể ở các khoảng nhiệt độ khác nhau : - Mạng lập phương tâm khối tồn tại ở nhiệt độ : +Nhỏ hơn911oC gọi là sắt an pha có a = 2,68 Kx. Dưới 768oC có từ tính, cao hơn nhiệt độ này mất từ tính. Tại nhiệt độ cao hơn 768oC gọi là sắt bê ta, có a = 2,90Kx. +Từ 1392oC đến 1539oC gọi là sắt đen ta có a = 2,93Kx. -Mạng lập phương tâm mặt tồn tại ở nhiệt độ : 911oC < to < 1392oC gọi là sắt gamma, có a = 3,56 Kx. c-Khả năng hòa tan các bon của sắt : Hai loại mạng tinh thể của sắt có khả năng hòa tan các bon dưới dạng xen kẽ khác nhau. Đường kính nguyên tử các bon là 1,54Kx. Trong khi đó lỗ hổng lớn nhất trong mạng tâm khối có d = 0,64Kx. Mạng lập phương tâm mặt có số lỗ hổng ít hơn nhưng kích thước lại lớn hơn, d = 1,02Kx. Về nguyên tắc thì sắt không thể hòa tan các bon được. Tuy nhiên trong thực tế sắt an pha hòa tan được 0,02%C ở 727oC, sắt đen ta hòa tan 0,10%C ở 1499oC. Sắt gama hòa tan 2,14%C ở 1147OC. Người ta cho rằng các bon chui vào nơi có nhiều sai lệch mạng nhất. Với sắt gama có thể hòa tan tối đa khoảng 10% nguyên tử sắt.2-Cấu tử các bon : a- Các dạng tồn tại của các bon : Trong tự nhiên các bon tồn tại dưới ba d ạng : than đá (vô định hình), kim cương và graphít (có cấu tạo mạng tinh thể). Trong hợp kim Fe - C các bon chỉ tồn tại tự do ở dạng graphít (trong các loại gang có graphít). b - Tương tác hóa học giữa sắt và các bon : Khi lượng hòa tan của các bon vào sắt vượt quá giới hạn của dung dịch rắn thì sẽ tạo nên các hợp chất hóa học : Fe3C (6,67%C), Fe2C (9,67%C) và FeC (17,67%C). Tuy nhiên trong hợp kim sắt các bon do chỉ sử dụng ở giới hạn khoảng 5%C nên chỉ có Fe3C và hợp chất này có tên là xêmentit. Xêmentit là pha xen kẽ có kiểu mạng phức tạp, nhiệt độ nóng chảy khoảng 1250oC và có độ cứng cao khoảng 800HB. Ở nhiệt độ nhỏ hơn 217oC có từ tính. Lớn hơn nhiệt độ này mất từ tính. Khi hòa tan thêm các nguyên tố hợp kim (Cr, Mn, W...) dưới dạng thay thế ta có xêmentit hợp kim (nguyên tố hợp kim thay vào vị trí của sắt). 3-Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) : a - Dạng tổng quátcủa giản đồ pha Fe - C : Chúng ta chỉ nghiên cứu giản đồ pha chứa 6,67% C nên còn gọi là giản đồ pha Fe - Fe3C. Dạng của giản đồ pha này thoạt nhìn khá phức tạp, tuy nhiên nếu phân tích ra thì nó là tổng hợp của bốn loại giản đồ pha đã nghiên cứu trước đây. Ký hiệu các điểm và tọa độ của chúng đã được quốc tế hóa. Cụ thể như sau : Các đường trên giản đồ pha : -ABCD là đường lỏng. -ẠHECF là đường đặc. - ECF là đường cùng tinh, tại nhiệt độ này xảy ra phản ứng cùng tinh (eutectie) - PSK là đường cùng tích, tại đây xảy ra phản ứng cùng tích (eutectoid). - SE là giới hạn hòa tan của các bon trong sắt gamma. - PQ là giới hạn hòa tan của các bon trong sắt an pha.Đi ểm %C Nhiệt đô oC Điểm %C Nhiệt độ 0C A 0 1539 B 0,50 1499 C 4,30 1147 D 6,67 1250 E 2,14 1147 F 6,67 1147 G 0 911 H 0,10 1499 J 0,16 1499 K 6,67 727 L 6,67 0 N 0 1392 P 0,02 727 Q 0,006 0 S 0,80 727 b - Các chuyển biến xảy ra khi làm nguội chậm : Trong giản đồ pha Fe - Fe3C có đầy đủ các chuyển biến mà ta đã nghiên cứu ở phần trước đây. Khi làm nguội chậm có các chuyển biến sau : - Chuyển biến bao tinh : xảy ra tại nhiệt độ 1499 oC trong các hợp kim có 0,10 ÷ 0,50%C (tương ứng đường HJB). δH + L↔ γ hay δ0,10 + L ↔γ B J 0,50 0,16 Trong thực tế ta không để ý đến chuyển biến này vì nó xảy ra ở nhiệt độ rất cao và hợp kim còn một phần ở trạng thái lỏng, nó không ảnh hưởng gì đến tổ chức thép khi gia công và sử dụng.Chuyển biến cùng tinh : xảy ra ở nhiệt độ 1147 oC trong các hợp kim có lượng các bon lớn hơn 2,14% (tương ứng đường ECF). LC↔ (γ + Fe3CF ) hay L4,3↔ ( + Fe3C6,67) γ E 2,14 -Chuyển biến cùng tích : xảy ra tại nhiệt độ 727 oC, có hầu hết trong các hợp kim (đường PSK). γ S ↔ (α + Fe3CK) hay γ0,8 ↔ (α0,02 + Fe3C6,67) P - Sự tiết ra pha Fe 3C dư ra khỏi dung dịch rắn : Xảy ra trong dung dịch rắn Fe γ theo đường ES và trong Feα theo đường PQ. c - Các tổ chức của hợp kim Fe - Fe3C : - Tổ chức một pha : * Pherit (ký hiệu α, F hay Feα) : là dung dịch rắn xen kẽ của các bon trong Feα, có kiểu mạng lập phương tâm khối. Là pha dẻo, dai, mềm và kém bền, ở nhiệt độ nhỏo hơn 768 C có từ tính, cao hơn nhiệt độ này mất từ tính. Khi hòa tan thêm các nguyên tố hợp kim Mn, Si, Ni... độ bền của nó tăng lên, độ dẻo dai giảm đi và gọi là phe rit hợp kim. Pherit là pha tồn tại ở nhiệt độ thường, chiếm tỷ lệ khá lớn (khoảng ≥ 90%) nên ảnh khá nhiều đến cơ tính của hợp kim. Tổ chức của nó là các hạt sáng, đa cạnh. Gọi là phe rit xuất phát từ tiếng Latinh ferum nghĩa là sắt. '*Austenit ký hiệu γ, As, Feγ(C)] : là dung dịch rắn xen kẽ của các bon trong Feγcó mạng lập phương tâm mặt. Là pha rất dẻo và dai, độ cứng thấp. Nó không có từ tính và không tồn tại ở nhiệt độ thấp hơn 727oC trong hợp kim sắt các bon nguyên chất, chỉ tồn tại ở dưới nhiệt độ này trong các hợp kim chứa một lượng đáng kể Mn, Ni... Tuy không tồn tại ở nhiệt độ thường nhưng có vai trò quyết định trong biến dạng nóng và nhiệt luyện thép. Tổ chức của nó là các hạt sáng có song tinh. Tên gọi austenit để kỷ niệm nhà vật liệu học người Anh : Rôbe Ôsten. *Xêmentit (ký hiệu Xê, Fe3C) : là pha xen kẽ với kiểu mạng phức tạp, chứa 6,67%C và có công thức Fe3C, tương ứng với đường DFKL. Xêmentit là pha cứng, dòn, ở nhiệt o độ nhỏ hơn 217 C có từ tính, cao hơn nhiệt độ này mâ út từ tính. Cùng với ferit, nó tạo nên các tổ chức khác nhau của hợp kim Fe - C. Xêmentít xuất phát từ tên gọi cément có nghĩa là cứng.Ta phân biệt ra bốnloại xêmentit : + Xêmentit thứ nhất : (XêI, Fe3CI) : được tạo thành từ hợp kim lỏng do giảm nồng độ các bon trong hợp kim lỏng theo đường DC khi nhiệt độ giảm. Nó chỉ có trong các hợp kim chứa > 4,3%C. Do tạo thành từ trạng thái lỏng và ở nhiệt độ cao nên có dạng thẳng, thô to. + Xêmentit thứ hai : (XêII, Fe3CII) : được tạo thành do giảm nồng độ các bon trong austenit theo đường ES khi hạ nhiệt độ từ 1147oC đến 727oC, nó sinh ra trong các hợp kim có > 0,80%C và thấy rõ nhất trong các hợp kim chứa từ 0,80 đến 2,14%C. Do tạo thành ở nhiệt độ không cao lắm và từ trạng thái rắn nên kích thước nhỏ mịn, thường có dạng lưới bao quanh hạt peclit (austenit).cùng tích + Xêmen tit thứ ba : (XêIII,, Fe3CIII) : được tạo thành khi giảm nồng độ các bon trong ferit theo đường PQ khi hạ nhiệt độ từ 727oC, thấy rõ nhất trong các hợp kim nhỏ hơn 0,02%C. Do tạo thành ở nhiệt độ rất thấp nên kích thước rất nhỏ mịn, số lượng không đáng kể, trong thực tế ta bỏ qua nó. +Xêmentit cùng tích : được tạo thành do chuyển biến cùng tích austenit thành péc lit, nó có vai trò rất quan trọng trong các hợp kim sắt các bon.-Các tổ chức hai pha : *Peclít [ký hiệu P hay (Feα +Fe3C)] : là hỗn hợp cơ học cùng tích của phe rít và xêmentit được tạo ra từ chuyển biến cùng tích của austenit tại 7270C. Trong péc lít có 88% F và 12% Xê. Péc lít khá bền và cứng nhưng cũng đủ độ dẻo dai đáp ứng được các yêu cầu của vật liệu kết cấu và dụng cụ. Tùy thuộc hình dạng của xêmentít, péc lít được chia ra làm hai loại là péc lít tấm và péc lít hạt. Nếu xêmentit ở dạng tấm gọi là péc lít tấm, có độ cứng cao hơn, đây là dạng thường gặp trong thực tế. Nếu xêmentit ở dạng hạt gọi là péc lit hạt, độ cứng thấp hơn, dễ cắt gọt, kém ổn định. Péc lít hạt ít gặp trong thực tế, chỉ nhận được trong các điều kiện cụ thể (ủ cầu hóa). Péc lít hạt có tính ổn định cao hơn péc lít tấm. Tên gọi péc lít xuất phát từ peard có nghĩa là vằn hay màu xà cừ. γ0,80→ (α0,02 + Fe3C6,67)*Lêđêburit [Lê hay ( γ + Fe3C), (P +Fe3C)] : là hỗn hợp cơ học cùng tinh của austenit và xêmentit được t ûo thành từ hợpü kim lỏng chứa 4,30%C tại 1147oC. Khi làm nguội dưới 727oC do chuyển biến γ→ P nên tổ chức của lêđêburit gồm (P + Fe3C). L4,30→ (γ2,14 + Fe3C6,67 ) Lêđêburit có dạng hình da báo, rất cứng và dòn nên thường gọi là tổ chức da báo. Tên gọi lêđêburit làđể kỷ niệm nhà luyện kim người Đức : Lêđêbua. d-Một số quy ước : -Thép và gang : *Thép là hợp kim của sătõ và các bon với hàm lượng các bon nhỏ hơn 2,14%. Ngoài ra còn có thêm một số ít các nguyên tố khác : Mn, Si, P, S ... *Gang là hợp kim của sắt và các bon với hàm lượng các bon lớn hơn 2,14%. Ngoài ra còn có thêm một số ít các nguyên tố khác : Mn, Si, P, S...Gang có tổ chức tương ứng với giản đồ pha Fe-C gọi là gang trắng (mặt gãy của nó có màu sáng trắng, đó là màu của xêmentit). Gang trắng rất cứng và dòn, không thể gia công cắt gọt được. Ra nhgiới để phân chia thép và gang là điểm E trên giản đồ pha Fe-C. Căn cứ vào hàm lượng các bon có trong gang và thép ta phân chia chúng thành nhiều loại khác nhau. Thép được chia ra làm ba loại : +Thép trước cùng tích : là loại thép có hàm lượng các bon nhỏ hơn 0,80%C, tổ chức cân bằng gồm phe rit và péc lit. +Thép cùng tích : là loại thép có hàm lượng các bon bằng 0,80%C, tổ chức cân bằng là péc lit. +Thép sau cùng tích : là loại thép có hàm lượng cácbon lớn hơn 0,80%C, tổ chức cân bằng gồm péc lit và xêmentít thứ hai.Gang trắng được chia ra làm ba loại : +Gang trắng trước cùng tinh : là loại gang có hàm lượng các bon nhỏ hơn 4,30%C, tổ chức cân bằng gồm có peclit,xêmentit thứ hai và lêđêburit. +Gang trắng cùng tinh : là loại gang có hàm lượng các bon bằng 4,30%C, tổ chức cân bằng là lêđêburit. +Gang trắng sau cùng tinh : là loại gang có hàm lượng các bon lớn hơn 4,30%C, tổ chức cân bằng gồm xêmentit thứ nhất và lêđêburit. -Các điểm tới hạn : Các nhiệt độ ứng với các chuyển biến pha ở trạng thái rắn trong hợp kim sắt các bon (chủ yếu dùng cho thép) gọi là các điểm tới hạn, chúng được ký hiệu bằng chữ A (viết tắt từ tiếng Pháp arêt có nghĩa là dừng vì khi có chuyển biến pha nhiệt độ bị dừng lại) kèm theo các số thứ tự 0, 1, 2, 3, 4 và cm. Gồm có các điểm tới hạn sau đây : *A0 - (217oC) là nhiệt độ chuyển biến từ của xêmentit, thấp hơn nhiệt độ này xêmentit có từ tính, cao hơn nhiệt độ này xêmentit mất từ tính. *A1 - (727oC) ứng với đường PSK là nhiệt độ chuyển biến austenit ↔ peclit có trong tất cả các loại thép. *A2 - (768oC) còn gọi là điểm Curi, ứng với đường MO, là điểm chuyển biến từ của phe rit, thấp hơn nhiệt độnày phe rit có từ tính, cao hơn nhiệt độ này mất từ tính . *A3 - ứng với đường GS (911oC ÷ 727oC) là đường bắt đầu tiết ra phe rit từ austenit khi làm nguội và kết thúc hòa tan phe rit vào austenit khi nung nóng, chỉ có trong thép trước cùng tích. *Acm - ứng với đường ES (1147oC÷ 727oC) là đường bắt đầu tiết ra xêmentít từ austenit khi làm nguội và kết thúc hòa tan xêmentit vào austenit khi nung nóng, có trong thép sau cùng tích và gang. *A4 - ứng với đường NJ (1499 ÷ 1392oC) ứng với chuyển biến δ↔ γ Trongtất cả các điểm tới hạn trên thì các điểm A1, A3 và Acm được sử dụng nhiều nhất và chủ yếu khi nhiệt luyện thép. Tuy nhiên các giá trị về nhiệt độ nêu trên chỉ đúngtrong trạng thái cân bằng (nung nóng hay làm nguội vô cùng chậm, tốc độ nung nóng hay làm nguội→0). Trong thực tế tốc độ nung nóng hay làm nguội thường có giá trị xác định nên không phù hợp. Tương tự như hiện tượng quá nguội (khi kết tinh) hay quá nung (khi nóng chảy) các điểm tới hạn này cũng thấphơn hay cao hơn khi làm nguội hay nung nóng, sự khác biệt này càng lớn khi tốc độ càng cao. Để phân biệt cùng một điểm tới hạn cho hai trường hợp khi làm nguội và nung nóng ta thêm vào chữ r (refroidissement) khi làm nguội và c (chauffage) khi nung nóng. Với một loại thép nhất định bao giờ ta cũng có : A r1 < A1 <Ac1 và Ar3 < A3 < Ac3 .... các giá trị A tính theo giản đồ pha, Ar phụ thuộc vào tốc độ nguội, Ac phụ thuộc tốc độ nung. -Tính gần đúng hàm lượng các bon của thép trước cùng tích qua tổ chức cân bằng : Đối với thép trước cùng tích trong một vài trường hợp cần thiết ta có thể tính gần đúng lượng các bon có trong thép qua tổ chức cân bằng của nó. Ví dụ : trong tổ chức tế vi của một loại thép ta thấy phần tối (péclit) chiểm 3/4 diện tích, còn phần sáng (phe rit) chiếm 1/4 thì lượng các bon trong đó tính như sau : *Lượng các b n có trong phe rit : 25% x 0,006% = 0,015 % ≈ 0% *Lượng các bon có trong peclit : 75% x 0,80% = 0,60%C Vậy lượng các bon có trong thép này gần đúng bằng 0,60%C
