丁、Cấu trúc dung dịch rắn cơ bản
1. Austenit (A [Feγ (C)])
Austenit là dung dịch rắn hình thành do hòa tan carbon và các nguyên tố hợp kim trong γ -Fe. Trong hệ thép hợp kim, nó là cấu trúc ổn định trong đó carbon và các nguyên tố hợp kim khác nhau được hòa tan cùng nhau trong γ -Fe. Đặc điểm nổi bật của nó là độ dẻo tuyệt vời, nhưng độ cứng và giới hạn chảy của nó tương đối thấp, với giá trị độ cứng Brinell thường dao động từ 170 đến 220HB. Nó là vi cấu trúc có thể tích riêng nhỏ nhất trong số các loại thép. Trong điều kiện nhiệt độ cao, austenit có khả năng hòa tan carbon mạnh. Ở 1147°C, lượng carbon hòa tan có thể đạt 2,11%, và khi nhiệt độ giảm xuống 727°C, lượng carbon hòa tan giảm xuống 0,77%. Dưới kính hiển vi kim loại, austenit thể hiện hình dạng đa giác đều do duy trì cấu trúc mạng lập phương tâm mặt của γ -Fe. Vi cấu trúc này mang lại cho thép các đặc tính gia công nguội tuyệt vời. Trong quá trình gia công nóng như rèn và cán, sự hiện diện của austenit giúp biến dạng dẻo của thép.
2. Ferrit (F [Feα (C)])
Ferrit là dung dịch rắn hình thành do hòa tan carbon và các nguyên tố hợp kim trong α -Fe. Hiệu suất của nó tương tự như của sắt nguyên chất, với độ cứng tương đối thấp, khoảng từ 80 đến 100HB, nhưng nó có độ dẻo tuyệt vời. Khi các nguyên tố hợp kim được hòa tan trong ferrit, chúng có thể tăng cường hiệu quả độ bền và độ cứng của thép. Ở 727°C, độ hòa tan của carbon trong ferrit chỉ là 0,022%, và ở nhiệt độ phòng, nó thấp tới 0,008%. Ferrit duy trì cấu trúc mạng lập phương tâm khối của α -Fe và thể hiện các đặc tính kim tương đa diện điển hình của kim loại nguyên chất trong cấu trúc kim tương. Sự hiện diện của ferrit mang lại cho thép độ dẻo dai và khả năng tạo hình nguội tốt, và nó thường được sử dụng trong các bộ phận kết cấu có yêu cầu độ dẻo cao.
二、Hợp chất và cấu trúc hỗn hợp
1. Xêmentit (Fe₃C)
Xêmentit, một hợp chất bao gồm sắt và carbon, còn được gọi là sắt cacbua. Ở nhiệt độ phòng, phần lớn carbon trong hợp kim sắt-carbon tồn tại ở dạng xêmentit. Theo sơ đồ cân bằng sắt-carbon, xêmentit có thể được phân loại thành ba loại dựa trên đường đi và hình thái kết tủa của nó: Xêmentit sơ cấp kết tinh và kết tủa từ chất lỏng dọc theo đường CD, chủ yếu có dạng hình cột; Xêmentit thứ cấp kết tủa dọc theo đường ES từ dung dịch rắn γ và thường xuất hiện ở dạng mạng trắng. Xêmentit bậc ba kết tủa dọc theo đường PQ từ dung dịch rắn α, và cũng chủ yếu là một mạng trắng. Xêmentit có từ tính yếu trong môi trường nhiệt độ thấp. Từ tính của nó biến mất khi nhiệt độ vượt quá 217°C. Điểm nóng chảy của nó là khoảng 1600°C và hàm lượng carbon của nó là 6,67%. Độ cứng của xêmentit cực kỳ cao, vượt xa 700HB, nhưng nó cực kỳ giòn và hầu như không có độ dẻo. Trong thép, hình thái và sự phân bố của xêmentit có tác động đáng kể đến độ bền, độ cứng và khả năng chống mài mòn của thép. Ví dụ, xêmentit dạng hạt có thể tăng cường độ dẻo dai của thép trong khi vẫn duy trì một độ bền nhất định.
2. Peclit (P)
Peclit là hỗn hợp cơ học của ferrit và xêmentit, và nó là sản phẩm của quá trình chuyển đổi eutectoid của thép carbon với hàm lượng carbon là 0,77%. Vi cấu trúc của nó là cấu trúc dạng phiến với ferrit và xêmentit được sắp xếp xen kẽ. Kích thước của khoảng cách giữa các phiến peclit phụ thuộc vào mức độ quá nguội trong quá trình phân hủy austenit. Mức độ quá nguội càng lớn, khoảng cách giữa các phiến peclit hình thành càng nhỏ. Dựa trên sự khác biệt về khoảng cách giữa các phiến, nó có thể được phân loại thêm thành peclit, sorbit và troostit, nhưng về bản chất, tất cả chúng đều là cấu trúc kiểu peclit. Peclit dạng phiến thô là sản phẩm của quá trình phân hủy austenit trong khoảng nhiệt độ cao 650-700 °C, với độ cứng khoảng 190-230 HB. Các phiến Fe₃C có thể được phân biệt bằng kính hiển vi kim tương thông thường (độ phóng đại dưới 500 lần). Sorbit là sản phẩm của quá trình phân hủy austenit trong khoảng nhiệt độ 600-650 °C, với độ cứng khoảng 240-320HB. Nó yêu cầu kính hiển vi công suất cao (phóng đại 1000 lần) để phân biệt các phiến Fe₃C. Troostit là sản phẩm của quá trình phân hủy austenit ở nhiệt độ cao 550-600 °C, với độ cứng khoảng 330-400 HB. Các phiến Fe₃C chỉ có thể được phân biệt thông qua kính hiển vi điện tử (phóng đại 10.000 lần). Trong các điều kiện xử lý nhiệt cụ thể, chẳng hạn như ủ cầu hóa hoặc tôi luyện nhiệt độ cao, xêmentit có thể được phân bố đồng đều ở dạng hạt trên nền ferrit, tạo thành peclit hình cầu, còn được gọi là peclit dạng hạt. Vi cấu trúc này có thể cải thiện hiệu quả khả năng gia công và độ dẻo dai của thép.
3. Martensit (M)
Martensit là dung dịch rắn quá bão hòa của carbon trong α -Fe. Khi thép trải qua quá trình xử lý austenit hóa nhiệt độ cao và được làm nguội với tốc độ cực nhanh dưới điểm martensit, do cấu trúc không ổn định của γ -Fe trong môi trường nhiệt độ thấp, nó sẽ nhanh chóng biến đổi thành α -Fe. Tuy nhiên, do tốc độ làm nguội cực nhanh, các nguyên tử carbon trong thép không có thời gian để khuếch tán, do đó giữ lại thành phần austenit của pha gốc ở nhiệt độ cao. Do đó, martensit là sản phẩm của quá trình chuyển đổi pha không khuếch tán xảy ra khi thép được làm nguội nhanh dưới điểm martensit sau khi austenit hóa. Martensit ở trạng thái không ổn định. Do sự quá bão hòa của carbon trong α -Fe, mạng lập phương tâm khối của α -Fe bị biến dạng, tạo thành mạng hình vuông tâm khối. Điều này mang lại cho martensit độ cứng cực cao, khoảng từ 640 đến 760HB, nhưng nó cũng làm cho nó có độ giòn cao, với độ dai va đập thấp, và độ giảm diện tích và độ giãn dài gần như bằng không. Do sự biến dạng mạng do carbon quá bão hòa, thể tích riêng của martensit lớn hơn thể tích riêng của austenit. Khi martensit hình thành trong thép, nó sẽ tạo ra ứng suất chuyển đổi pha tương đối lớn. Trong điều kiện quy trình tôi luyện thông thường, martensit thể hiện các cấu trúc hình kim trắng ở một số góc nhất định so với nhau trong cấu trúc kim tương. Tuy nhiên, không phải tất cả các cấu trúc martensit đều cứng và giòn. Ví dụ, thép cường độ cao hợp kim thấp có chứa các nguyên tố hợp kim như mangan, crom, niken và molypden, sau khi tôi và tôi luyện, có vi cấu trúc martensit cacbon thấp đã tôi luyện. Cấu trúc này kết hợp độ bền cao với độ dẻo dai tốt và được sử dụng rộng rãi trong xây dựng, sản xuất cơ khí và các lĩnh vực khác.
Bainit là hỗn hợp của ferrit quá bão hòa và xêmentit được hình thành do sự chuyển đổi pha của austenit quá nguội trong khoảng nhiệt độ trung bình (khoảng 250-450 °C). Bainit có thể được phân loại thêm thành bainit trên và bainit dưới dựa trên sự khác biệt về nhiệt độ hình thành của nó. Bainit trên là một vi cấu trúc được hình thành gần nhiệt độ hình thành peclit. Đặc điểm của nó là các phiến α -Fe được sắp xếp song song theo cùng một hướng trong các hạt bắt đầu từ ranh giới hạt, với các hạt xêmentit xen kẽ giữa các phiến. Trong cấu trúc kim tương, nó xuất hiện giống như lông vũ và có thể đối xứng hoặc không đối xứng. Độ bền của bainit trên thấp hơn so với peclit dạng phiến mịn được hình thành ở cùng nhiệt độ và nó giòn hơn. Bainit dưới là một cấu trúc được hình thành ở khoảng 300°C và xuất hiện dưới dạng các cấu trúc hình kim đen trong cấu trúc kim tương. Cả bainit trên và bainit dưới đều về bản chất là sự kết hợp của ferrit và xêmentit, nhưng chúng khác nhau về hình thái và sự phân bố cacbua. Độ bền của bainit dưới tương tự như của martensit đã tôi luyện ở cùng nhiệt độ và hiệu suất tổng hợp của nó vượt trội hơn so với bainit trên. Trong một số trường hợp, nó thậm chí còn tốt hơn martensit đã tôi luyện. Đối với một số bộ phận yêu cầu sự phù hợp tốt về độ bền và độ dẻo dai, chẳng hạn như các bộ phận trục được làm bằng thép carbon trung bình, việc thu được cấu trúc bainit dưới thông qua xử lý nhiệt thích hợp có thể làm tăng tuổi thọ của các bộ phận.
2. Tổ chức Widmanstatten
Cấu trúc Widmanstatten thường xảy ra trong thép hypoeutectoid. Nó được hình thành do quá nhiệt của thép và sự hình thành của austenit hạt thô. Trong các điều kiện quá nguội cụ thể, ngoài sự kết tủa của α -Fe lớn ở ranh giới của các hạt austenit ban đầu, cũng sẽ có α -Fe dạng tấm phát triển từ ranh giới hạt vào bên trong các hạt. Các α -Fe dạng vảy này có mối quan hệ định hướng tinh thể nhất định với austenit ban đầu, thể hiện trong các hạt dưới dạng các dạng vảy ở một góc nhất định so với nhau hoặc song song với nhau, thường được gọi là cấu trúc Widmanstatten của thép hypoeutectoid. Thép hypoeutectoid quá nhiệt dễ phát triển cấu trúc Widmanstatten ở tốc độ làm nguội tương đối nhanh. Khi cấu trúc Widmanstatten nghiêm trọng, nó sẽ dẫn đến sự giảm đáng kể độ dai va đập và độ giảm diện tích của thép, làm cho thép giòn. Tuy nhiên, thông qua xử lý ủ hoàn toàn, cấu trúc Welmanstatten có thể được loại bỏ và các tính chất của thép có thể được khôi phục. Trong quá trình sản xuất thép, việc kiểm soát nhiệt độ nung và tốc độ làm nguội là chìa khóa để tránh sự hình thành cấu trúc Widmanstatten.
3. Mô tổ chức dạng dải
Cấu trúc dạng dải là một đặc điểm vi cấu trúc của thép kết cấu carbon thấp sau khi gia công nóng, biểu hiện cụ thể là cấu trúc dạng dải trong đó ferrit và peclit được phân bố theo các lớp song song với hướng gia công. Vi cấu trúc này sẽ khiến các tính chất cơ học của thép thể hiện tính dị hướng. Có sự khác biệt về hiệu suất của thép theo hướng song song và vuông góc với hướng dải, và nó cũng sẽ làm giảm độ dai va đập và độ giảm diện tích của thép. Trong quá trình cán thép, bằng cách kiểm soát nhiệt độ cán cuối cùng, tốc độ làm nguội và tỷ lệ cán hợp lý và các thông số quy trình khác, sự hình thành cấu trúc dạng dải có thể được giảm hoặc tránh.
4. Pha δ
Pha δ là một lượng nhỏ ferrit có trong thép không gỉ crom-niken, đặc biệt là những loại có chứa các nguyên tố như niobi và titan. Trong thép không gỉ austenit, pha δ đóng một vai trò quan trọng. Nó có thể ngăn chặn hiệu quả sự hình thành các vết nứt tinh thể trong mối hàn thép không gỉ, giảm xu hướng ăn mòn giữa các hạt và ăn mòn ứng suất, đồng thời tăng cường độ bền của thép không gỉ. Tuy nhiên, khi lượng ferrit δ vượt quá một giới hạn nhất định (ví dụ, hơn 8%), nó sẽ làm tăng xu hướng rỗ của thép không gỉ. Hơn nữa, trong điều kiện nhiệt độ cao, pha δ dễ biến đổi thành pha σ, và sự biến đổi này có thể gây ra giòn kim loại. Khi thiết kế thành phần của thép không gỉ và xây dựng quy trình xử lý nhiệt, cần phải kiểm soát chính xác hàm lượng của pha δ để cân bằng các tác động có lợi và có hại của nó.
5. Pha σ
Pha - σ được phát hiện là một pha hợp kim khi nghiên cứu hiện tượng giòn của hợp kim Fe-Cr. Ở nhiệt độ phòng, pha σ không có từ tính và có đặc điểm là cứng và giòn. Khi pha σ tồn tại trong hợp kim, đặc biệt là khi nó được phân bố dọc theo ranh giới hạt, nó sẽ làm giảm đáng kể độ dẻo và độ dẻo dai của thép. Pha σ thường yêu cầu môi trường nhiệt độ cao từ 550-900 °C trong một thời gian tương đối dài để dần hình thành, và quá trình hình thành của nó sẽ dẫn đến sự suy giảm hiệu suất của vật liệu trong quá trình sử dụng. Sự hình thành của pha σ có liên quan đến nhiều yếu tố của thép, chẳng hạn như thành phần của nó (bao gồm hàm lượng của các nguyên tố như crom và niken), vi cấu trúc, nhiệt độ nung, thời gian giữ và biến dạng trước. Trong thép không gỉ crom cao và niken-crom, hàm lượng crom càng cao thì càng dễ hình thành pha σ. Ngoài ra, ferrit δ trong thép austenit dễ biến đổi thành pha σ, và quá trình biến dạng nguội cũng thúc đẩy sự hình thành pha σ, khiến khoảng nhiệt độ mà pha σ hình thành dịch chuyển xuống dưới. Trong quá trình sản xuất và ứng dụng thép không gỉ, cần theo dõi chặt chẽ sự hình thành của pha σ và tránh các tác động bất lợi của nó đối với các tính chất của vật liệu thông qua kiểm soát quy trình hợp lý.
Người liên hệ: Ms. Coco
Tel: +86 13377773809
Vietnamese
