WesterntechVN – Giản đồ trạng thái Fe-C là công cụ vô cùng quan trọng trong lĩnh vực luyện kim, đặc biệt là trong sản xuất thép và gang. Nó cung cấp “bản đồ” chi tiết về các pha và tổ chức của hợp kim Fe-C ở các điều kiện nhiệt độ và thành phần khác nhau.
Bài viết này sẽ đi sâu vào cấu trúc của giản đồ trạng thái Fe-C, các pha và tổ chức quan trọng, cũng như ý nghĩa của chúng đối với tính chất của thép và gang.
1. Dạng của giản đồ trạng thái Fe-C
- Giới hạn hàm lượng carbon:
- Giản đồ Fe-C thường được biểu diễn với hàm lượng carbon giới hạn ở 6,67% (tương ứng với xêmentit Fe3C).
- Ở hàm lượng carbon cao hơn, hợp kim không còn được coi là hệ Fe-C thông thường.
- Các đường đặc trưng:
- Đường ACB: Đường lỏng, phân biệt pha lỏng hoàn toàn với pha lỏng có tinh thể rắn.
- Đường AECF: Đường đặc, ứng với điểm bắt đầu nóng chảy hoặc hóa rắn hoàn toàn.
- Đường GS (A3), ES (Acm), GP và PQ: Các đường giới hạn chuyển biến pha trong trạng thái rắn.
- Đường PSK (A1): Đường chuyển biến cùng tích, tạo ra hỗn hợp cơ học peclit.
2. Các tổ chức của hợp kim Fe-C
- Xêmentit (Fe3C):
- Hợp chất hóa học của sắt và carbon, có hàm lượng carbon 6,67%.
- Tổ chức rất cứng, giòn, chịu mài mòn tốt.
- Xuất hiện trong nhiều vùng của giản đồ, giảm dần độ giàu xêmentit từ Xe đến Xe1.
- Ôstennit (γ):
- Dung dịch đặc xen kẽ của carbon trong sắt γ (Feγ).
- Lượng carbon hòa tan tối đa là 2,14% ở 1147°C, giảm xuống 0,8% ở 727°C.
- Pha dẻo, dai, dễ biến dạng, chỉ tồn tại ở nhiệt độ trên 727°C.
- Quan trọng trong gia công áp lực nóng và nhiệt luyện.
- Ferit (α):
- Dung dịch đặc xen kẽ của carbon trong sắt α (Feα).
- Lượng carbon hòa tan rất nhỏ, 0,02% ở 727°C, giảm dần khi nhiệt độ giảm.
- Có thể coi là sắt nguyên chất, rất dẻo, mềm, độ bền thấp.
- Peclit (P):
- Hỗn hợp cơ học của ferit và xêmentit (Fe3C).
- Hình thành từ phản ứng cùng tích ở 727°C (điểm S).
- Tính chất cơ học phụ thuộc vào lượng ferit và xêmentit, cũng như hình dạng xêmentit (hạt hoặc tấm).
- Lêđêburit (Lê):
- Hỗn hợp cơ học cùng tinh của ôstennit và xêmentit (Fe3C).
- Hình thành ở 1147°C và 4,43% carbon (điểm C).
- Có độ cứng cao, giòn do chứa nhiều xêmentit.
- Ôstennit trong lêđêburit chuyển thành peclit khi nguội xuống dưới 727°C.
- Graphit (C):
- Carbon ở trạng thái tự do.
- Không được biểu diễn trực tiếp trên giản đồ Fe-C (thiết lập theo hệ Fe-Fe3C).
- Xuất hiện trong một số hợp kim có hàm lượng carbon và silic cao, tốc độ nguội chậm.
- Kém bền, giòn, nở thể tích khi kết tinh.
3. Phân loại hợp kim Fe-C
- Thép:
- Hàm lượng carbon nhỏ hơn 2,14%.
- Chia thành thép trước cùng tích (C < 0,8%), thép cùng tích (C = 0,8%) và thép sau cùng tích (C > 0,8%).
- Gang:
- Hàm lượng carbon lớn hơn 2,14%.
- Chia thành gang trước cùng tinh (C < 4,43%), gang cùng tinh (C = 4,43%) và gang sau cùng tinh (C > 4,43%).
4. Ý nghĩa của giản đồ Fe-C
- Lựa chọn vật liệu:
- Giúp lựa chọn loại thép hoặc gang phù hợp với yêu cầu ứng dụng dựa trên thành phần và tổ chức.
- Thiết kế quy trình nhiệt luyện:
- Xác định nhiệt độ và thời gian nhiệt luyện để tạo ra cấu trúc và tính chất mong muốn.
- Dự đoán tính chất:
- Dự đoán tính chất cơ học, vật lý và hóa học của hợp kim Fe-C dựa trên cấu trúc và pha.
- Nghiên cứu và phát triển:
- Cung cấp cơ sở lý thuyết cho nghiên cứu và phát triển các loại thép và gang mới.
5. Ảnh hưởng của tốc độ nguội
- Tốc độ nguội chậm:
- Các đường trên giản đồ dịch chuyển một ít.
- Tạo điều kiện cho sự hình thành graphit trong gang.
- Tốc độ nguội nhanh:
- Ngăn cản sự khuếch tán carbon, làm thay đổi cấu trúc và tính chất.
- Tạo ra các tổ chức không cân bằng như mactenxit trong thép.
Kết luận
Giản đồ trạng thái Fe-C là công cụ thiết yếu để hiểu rõ cấu trúc và tính chất của hợp kim sắt-carbon. Nó không chỉ giúp lựa chọn vật liệu và thiết kế quy trình công nghệ mà còn là nền tảng cho nghiên cứu và phát triển các loại thép và gang mới.
