Chương II:
LÍ THUYẾT VÀ CƠNG NGHỆ XỬ LÍ THÉP.(10 T)
I. CÁC TỔ CHỨC ĐẠT ĐƯC KHI NUNG NÓNG VÀ LÀM NGUỘI
THÉP ( CƠ SỞ LÍ THUYẾT NHIỆT LUYỆN THÉP ).
Hãy xét xem khi nung nóng các thép có thành phần cacbon khác nhau đến các
nhiệt đơ khác nhau rồi làm nguội tiếp theo với các tốc độ khác nhau sẽ được các tổ
chức gì và do đó sẽ biết được cơ tính thay đổi như thế nào. Đó là cơ sở của mọi q
trình nhiệt luyện.
Ta lần lượt xét biến đổi tổ chức của từng q trình một, lấy cơ sở là thép
cacbon.
1. Các chuyển biến xảy ra khi nung nóng thép:
Cơng việc đầu tiên của nhiệt luyện là nung nóng. Phụ thuộc vào thành phần
cacbon của thép và nhiệt độ nung nóng, trong thép sẽ có các chuyển biến khác
nhau.
a) Cơ sở xác định chuyển biến khi nung.
Cơ sở để xác định chuyển biến khi nung nóng
thép là là giản độ trạng thái Fe-C (phần thép, hình
25).
Như thấy rõ từ giản đồ ở nhiệt độ thường
trong tổ chức của 3 loại thép đều có peclit:
+ Thép cùng tích có tổ chức đơn giản hơn
cả: chỉ có peclit.
+ Các thép trước và sau cùng tích có tổ
chức phức tạp hơn: ngồi Peclit ra còn có thêm
Ferit hoặc Xêmentit thứ hai.
Bây giờ nung nóng các thép này lên nhiệt
độ cao. Hãy xem có chuyển biến gì:
- Khi nhiệt độ nung nóng thấp hơn A
C1
( <727
0

C) trong mọi thép vẫn chưa có chuyển
biến gì. Hình 25: GĐTT Fe-C Phần thép.
- Khi nhiệt độ nung nóng đạt đến trên A
C1
tổ chức Peclit (của cả 3 loại thép)
chuyển biến thành austenit theo phản ứng:
[ Fe
∝

(C) + F
e3
C ]
0,8% C
→ Fe
γ
(C)
0,8%C

trong khi đó Ferit và Xêmentit thứ hai của các thép trước và sau cùng tích
chưa chuyển biến.
Vậy nếu mới chỉ nung qua nhiệt độ A
C1
một chút ta thấy:
+ Thép cùng tích đã chuyển biến hồn tồn : có tổ chức hàn tồn là Austenic.
29
900
727
600
T
(°C)

6
5
432
10101010101010.1
Au
P+Au
P
III
II
I
τ
(s )
V
2
V
1
+ Thép trước và sau cùng tích có chuyển biến nhưng chưa hoàn toàn : Có tổ
chức không hoàn toàn là Austenit, tức có tổ chức tương ứng Austenit + Ferit và
Austenit + Xêmentit thứ hai. Đối với hai thép này khi nung nóng từ A
c1
lên đến A
c3
và A
cm
sẽ có quá trình hòa tan Ferit và Xêmentit II còn dư vào Austenit.
Vậy khi nung nóng quá đường GSE mọi thép đều có tổ chức giống nhau là
dung dịch rắn Austenit song với nồng độ cacbon khác nhau phụ thuộc vào thành
phần cacbon của thép.
Trong chuyển biến khi nung nóng vừa kể trên thì chuyển biến Peclit thành
Ausenit là cơ sở. Ta xét kỹ hơn các đặc điểm của chuyển biến này để rút ra các kết

luận cần thiết đối với nhiệt luyện.
b) Đặc điểm chuyển biến của peclit thành auxtenit .
Chú ý hai vấn đề : nhiệt độ chuyển biến và kích thước hạt Austenit tạo thành.
Nhiệt độ chuyển biến.
Như thấy rõ từ giản đồ trạng
thái Fe-C, chuyển biến này xảy ra ở
272
0
C, song điều này chỉ đúng với
khi nung nóng vô cùng chậm (là
điều kiện để xây dựng giản đồ).
Như thấy từ giản đồ chuyển
biến đẳng nhiệt từ peclit thành
austenit của thép cùng tích (hình
26).; nhiệt độ nung càng cao nhiệt
độ bắt đầu chuyển biến càng cao,
thời gian hoàn thành chuyển biến
càng ngắn.
Hình 26: GĐCB đẳng nhiệt của P→Au.
Như vậy tốc độ nung nóng càng cao, chuyển biến peclit thành austenit xảy ra
ở nhiệt độ càng cao song trong thời gian càng ngắn.
Trong thực tế, để đạt được chuyển biến qui định phải nung nóng quá nhiệt độ
tới hạn tương ứng, khoảng 20 - 30
0
C khi nung chậm, hàng trăm độ khi nung
nhanh.
Kích thước hạt austenit
Trong thực tế hạt auxtenit không tồn tại ở nhiệt độ thường song vẫn để ý đến
vấn đề này vì các sản phẩm phân hóa từ các hạt nhỏ austenit bao giờ cũng có độ
đẽo độ dai hơn cao hơn so với các sản phẩm phân hóa từ các hạt austenit lớn. Vì

vậy trong bất cứ trường hợp nào cũng phải đạt được tổ chức austenit hạt nhỏ, muốn
vậy phải biết qui luật hình thành hạt auxtenit cũng như sự lớn lên của nó.
30
930
A
c1
Austenit
Peclit
d
A
t°
c
11001000900800700
Hình 23 : Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến KT hạt Aus.
K
T. hạt Aus. tạo thành từ TT L.
1
2
Chuyển biến peclit → austenit cũng theo cơ chế tạo mầm và phát triển mầm
như khi kết tinh. Mầm auxtenit được tạo nên trên bề mặt phân chia giữa hai pha
ferit và xêmentit của peclit (hình ), bề mặt phân chia giữa chúng rất nhiều nên số
mầm tạo thành cũng rất nhiều, do đó hạt auxtenit lúc mới tạo thành rất nhỏ mịn.
Cần ghi nhớ rằng chuyển biến peclit - austenit bao giờ cũng làm nhỏ hạt của
thép. Hiệu ứng này được chú ý lợi dụng trong khi nhiệt luyện.
Hạt auxtenit tạo thành càng nhỏ mịn khi peclit có độ phân tán càng cao (tức
xêmentit trong nó càng nhỏ mịn) và tốc độ nung càng lớn.
Ở nhiệt độ A
c1,
lúc mới tạo thành, hạt austenit rất nhỏ mịn song nếu tiếp tục
nâng cao nhiệt độ và giữ nhiệt lâu hạt sẽ lớn lên. Đây là q trình tự nhiên hạt to

biên giới ít đi để năng lượng dự trữ giảm đi. Khi làm nguội, hạt austenit khơng nhỏ
đi.
- Như vậy, lúc mới tạo thành các hạt austenit là nhỏ và nung nóng tiếp tục
chúng lớn lên, nhưng vấn đề cần quan tâm ở đây là chúng lớn lên như thế nào?
nhanh hay chậm?
Theo đặc tính phát triển của hạt
uxtenit, có thể chia ra 2 loại thép: thép
bản chất (di truyền) hạt lớn và thép có
bản chất hạt nhỏ (hình 27).
Theo bản chất hạt lớn là loại có
hạt auxtenit phát triển nhanh và đều
đặn theo nhiệt độ (đường 1), do đó khi
nung nóng dễ tạo thành hạt austenit
lớn, sau nhiệt luyện thép có khuynh
hướng giòn.
Thép bản chất hạt nhỏ là loại thoạt tiên
hạt austenit phát triển rất chậm theo nhiệt
độ (đường 2), chỉ khi vượt q 930 - 950
0
C nó mới phát triển nhanh, thậm chí rất
nhanh. Do đó trong điều kiện nung nóng bình thường (nhiệt độ thường khơng q
900
0
C, thời gian giữ nhiệt theo qui định) dễ đạt được hạt nhỏ và do đó sau nhiệt
luyện thép có độ bền, độ dẻo, độ dai cao. Vì vậy, người ta ưa chuộng thép có bản
chất hạt nhỏ hơn, song khơng phải là thép có bản chất hạt nhỏ là có cơ tính cao hơn
hạt lớn. Trong thực tế nếu nung nóng nó q lâu, ở nhiệt độ cao (ví dụ trên 950
0
C)
vẫn có khả năng cho cơ tính xấu hơn do hạt lớn hơn so với thép có hạt bản chất lớn,

song trường hợp này ít gặp.
Một câu hỏi đặt ra là: tại sao lại có thép bản chất hạt lớn, hạt nhỏ?
Người ta nhận thấy đơn giản rằng, thép bản chất hạt nhỏ là là loại trong tổ
chức có những yếu tố ngăn cản sự phát triển của hạt, đó là các “hàng rào” thể hiện
bằng các thực tế sau:
31
- Thép được khử ôxy triệt để bằng khử thêm bởi nhôm. Trong tổ chức sau khi
kết tinh đã có các phân tử rắn Al
2
O
3
, AlN nằm ở biên giới hạt như là hàng rào
ngăn trở các hạt auxtenit sát nhập vào nhau. Nhiệt độ cao hơn 930 - 950
0
C các
phần tử rắn này hòa tan đi, tác dụng hàng rào bị biến mất, do đó hạt lớn lên nhanh
đột ngột.
- Thép hợp kim, đặc biệt có chứa nguyên tố tạo thành cachit mạnh như V, Ti
sẽ có cacbit hợp kim. Khi nung nóng một phần cacbit không tan , nằm lại trên biên
giới tạo nên “hàng rào” ngăn cản. Thép có titan có thể giữ được hạt (auxtenit) nhỏ
ngay cả ở nhiệt độ cao hơn 1000
0
C (trong tời gian không dài).
Trong chế tạo cơ khí ưa dùng các loại thép bản chất hạt nhỏ không những vì
để đạt được cơ tính cao mà khi rèn, cán có thể tiến hành và kết thúc ở nhiệt độ cao
mà không sợ hạt lớn, khi nhiệt luyện không bị quá nhiệt.
2. Các chuyển biến xảy ra khi giữ nhiệt:
Tiếp sau nung nóng là giai đoạn giữ nhiệt, trong giai đoạn này không xảy ra
chuyển biến gì mới nhưng rất cần thiết để :
- Làm đều nhiệt độ trên toàn tiết diện, để lõi cũng có chuyển biến như bề mặt.

- Có thời gian hoàn thành các chuyển biến xảy ra khi nung.
- Làm đồng đều thành phần của austenit vì lúc đầu hạt austenit có thành phần
không đồng nhất: nơi trước là ferit sẽ ít cacbon, nơi trước là xêmentic sẽ giàu
cacbon. Trong giai đoạn này cacbon (và nguyên tố hợp kim) sẽ khuếch và san bằng
nồng độ.
Thời gian giữ nhiệt cần vừa đủ, dài quá sẽ làm hạt lớn.
3. Các chuyển biến của austenit khi làm nguội chậm:
Mục tiêu của nung nóng và giữ nhiệt là để tạo nên các austenit hạt nhỏ.
Bây giờ hãy xét xem khi làm nguội austenit sẽ chuyển hóa thành các tổ chức
nào với cơ tính ra sau: Điều này quyết định cơ tính của thép khi làm việc hay gia
công tiếp theo: mềm, cứng, bền, dẻo, dai là do giai đoạn này quyết định. Phân
thành 2 trường hợp lớn để xét: nguội chậm và nguội nhanh. Trước tiên xét trường
hợp nguội chậm.
Tổ chức tạo thành khi làm nguội cũng phụ thuộc vào các yếu tố: thành phần,
cách làm nguội Ở đây trước tiên xét cho thép cùng tích có tổ chức hoàn toàn là
austenit thành phần C 0.8% và cho hai trường hợp làm nguội đẳng nhiệt và liên tục.
a) Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của austenit:
Austenit chỉ chuyển biến thành peclit ở nhiệt độ ngay dưới 727
0
C khi làm
nguội rất chậm, điều này không xảy ra trong thực tế.
32
M
k
=-50
M
đ
=240
HRC
Austenit

65
55
45
40
30
15
Mactenxit + Austenit dư
Bainit trên
Bainit dưới
Troxtit t
ôi
54
3
2
Hình 24: GĐCB đẳng nhiệt của Aus. quá nguội.
0
t°c
-200
200
300
400
500
600
10
10
10
1010
0
A
c1

Austenit
quá nguội
Peclit
τ
(s)
700
Xoocbit tôi
Hãy làm quen một
dạng làm nguội ít gặp
trong thực tế nhưng rất
tiện cho việc thí
nghiệm và xác định ảnh
hưởng độ q nguội
đến chuyển biến: đó là
phương pháp làm nguội
đẳng nhiệt. Đó là sự
làm nguội nhanh
auxtenit xuống dưới
nhiệt độ A
C1
, giữ nhiệt
ở đó và đo thời gian bắt
đầu và kết thúc chuyển
biến.
Giản đồ giữ “C”
của thép cùng tích
(hình 28).
Đây là giản đồ rất quan trọng đối với nhiệt luyện, được sử dụng rất nhiều để xác định tổ
chức sau khi làm nguội, cần được học thuộc và nắm vững.
Các sản phẩm của sự phân hóa đẳng nhiệt austenit q nguội

Từ giản đồ thấy rằng khi làm nguội austenit tức thời xuống dưới 727
0
C nó chưa
chuyển biến ngay mà sau đó một thời gian mới chuyển biến. Austenit tồn tại ở thấp hơn
727
0
C (khu vực bên trái của đường cong chữ “C” thứ nhất) gọi là auxtenit q nguội.
Khu vực giữa hai đường cong chữ “C” - Austenit chuyển biến (có 3 pha γ , ∝ và xe).
Khu vực bên phải đường “C” thứ hai - Các sản phẩm phân hóa đẳng nhiệt của auxtemit
q nguội - hỗn hợp ferit + xêmentit. Khu vực dưới đường M
đ
(240
0
C) - Mactenxit và
Austenit dư ( sẽ nói tới vùng này ở mục 4).
Bây giờ hãy xét xem làm nguội đẳng nhiệt với các độ q nguội khác nhau austenit
sẽ phân hóa thành hỗn hợp ferit-Xêmentit với các đặc điểm như thế nào ?
- Khi cho austenit q nguội phân hóa ở sát A
1
(ví dụ ở 700
0
C ), sau thời gian dài
nó mới bắt đầu chuyển biến (sau 100 s) và kết thúc (sau 2000s) chuyển biến. Hỗn hợp
ferit + xêmentit tấm tạo thành rất khơ (to) với khoảng cách s giữa các tấm xêmentit là
khoảng 10
-3
mm (cỡ micrơmét), được gọi là pectit (tấm) với độ cứng thấp, 10-15HRC
(180-220 HB).
-Khi cho auxtemit q nguội phân hóa ở nhiệt độ thấp hơn (ví dụ 650
0

C, ∆T =
75
0
C), nó sẽ bắt đầu, kết thúc chuyển biến sau thời gian ngắn hơn rõ rệt (sau 3 và 100 s).
Hỗn hợp ferit + xêmentit tấm tạo thành sẽ mịn (nhỏ) hơn đến mức khơng thể phân biệt
chúng được trên kính hiển vi quang học. Tổ chức này được gọi là xoocbit với độ cứng
cao hơn, 25-35 HRC.
33
HRC
Austenit
65
55
45
40
30
15
Mactenxit + Austenit dư
Bainit trên
Bainit dưới
Xoocbit tôi
Troxtit t
ôi
54
3
2
0
t°c
-200
200
300

400
500
600
10
10
10
1010
0
A
c1
Peclit
τ
(s)
700
V
1
V
2
V
3
V
4
V
5
V
6
Hình 25: SP phân hoá của Aus. khi làm nguội liên tục.
- Khi cho auxtemit q nguội phân hóa ở nhiệt độ thấp hơn nữa, ứng với đỉnh lồi
của chữ “C” (lúc auxtemit q nguội kém ổn định nhất) khoảng 500-600
0

C nó sẽ
chuyển biến rất nhanh (sau 0,8 và 8s). Hỗn hợp ferit + xêmentit tấm tạo thành sẽ còn
mịn (nhỏ) hơn nữa (tất nhiên càng khơng thể phân biệt chúng trên kính hiển vi quang
học). Tổ chức này được gọi là trơxtit với độ cứng cao hơn, khoảng 40 HRC.
Khi cho austemit q nhiệt phân hóa ở nhiệt độ thấp hơn nữa, ứng với đoạn dưới
của “C” - 450 - 250
0
C, thời gian chuyển biến có kéo dài ra, cơ chế chuyển biến có thay
đổi chút ít, tạo nên tổ chức bainit. Về cơ bản có thể coi bainit là hỗn hợp ferit +
xêmentit, trong đó xêmentit ở dạng tấm nhỏ mịn hơn cả trong trơxtit, song có các điểm
hơi khác nhau : (nhiều khi có thể bỏ qua).
+ Ferit hơi q bão hòa cacbon một chút (0,1 so với giới hạn 0,006 - 0,02%).
+ Xêmentit (Cacbua sắt) có cơng thức chưa hẳn là Fe
3
C, song rất cần là Fe
x
C trong
đó x = 2,4 ÷ 3.
+ Ngồi hai pha đó còn có một lượng nhỏ austemit (như thấy rõ về sau các đặc
điểm này hơi giống với chuyển biến mactenxit, nên còn gọi chuyển biến bainit là chuyển
biến trung gian - trung gian giữa chuyển biến peclit và chuyển biến mactenxit).
Vậy về cơ bản có thể coi peclit (tấm) xoocbit, trơxtit, bainit có bản chất giống nhau
là hỗn hợp cơ học của ferit và xêmentit tấm, song trong đó xêmentit tấm càng nhỏ mịn
hơn, độ cứng tăng lên.
Có thể giải thích điều đó như sau :
Khi tăng độ q nguội của chuyển biến, số mầm kết tinh tăng lên, do đó xêmentit
nhỏ mịn đi. Mặc dù lượng xêmentit khơng thay đổi (cùng có 0,8%C) khi kích thước
xêmentit nhỏ mịn đi tức
là số phần tử pha rắn này
tăng lên sẽ làm tăng sự

cảm trượt của ferit, do đó
nâng cao độ cứng, độ
bền.
Như vậy khi làm
nguội đẳng nhiệt
austemit, tổ chức nào tạo
thành là ứng với nhiệt
độ giữ đẳng nhiệt đó nằm
ở đoạn nào của đường
cong chữ “C”.
+ Khi ở đoạn trên
sát A
1
ta được peclit
+ Khi ở đoạn lồi ta
được trơxtit
34
+ Khi ở giữa hai đoạn trên ta ta được xoocbit.
+ Khi ở đoạn dưới ta được bainit.
Sau khi làm nguội đẳng nhiệt tổ chức nhận được là đồng nhất trên tiết diện.
b. Sự phân hóa của austenit khi làm nguội liên tục:
Trong thực tế thường dùng cách làm nguội liên tục. Có thể lợi dụng giản đồ chuyển
biến đẳng nhiệt kể trên để xác định tổ chức tạo thành khi làm nguội với tốc độ khác
nhau.
Đặc điểm của sự phân hóa auxtenit khi làm nguội liên tục là :
1. Với các tốc độ nguội khác nhau, austenit bị qúa nguội đến các nhiệt độ khác
nhau (tính tới điểm gặp đường cong chữ “C”) và phân hóa thành các tổ chức khác nhau.
Làm nguội chậm cùng lò biểu thị bằng vectơ V
1
(trên hình 29 ), cắt đường cong chữ

“C” ở sát A
1
: austenit phân hóa ở nhiệt độ cao, ta được peclit tấm. Làm nguội trong gió
biểu thị bằng vectơ V
3
cắt dượng cong chữ “C” ở phần lồi: auxtenit phân hóa thành
trôxtit. Làm nguội trong đầu biểu thị bằng vectơ V
4
chỉ cắt phần lồi của đường cong chữ
“C” thứ nhất, do đó austenit quá nguội chỉ chuyển biến một phần thành trôxtit và phần
còn lại sẽ chuyển thành mactenxit, cuối cùng có tổ chức trôxtit + mactenxit. Làm nguội
trong nước biểu thị bằng vectơ V
5
không cắt đường cong chữ “C”, tức austenit không bị
chuyển biến thành mactenxit.
Như vậy, khi làm nguội liên tục tạo thành tổ chức nào là hoàn toàn tùy thuộc vào vị
trí của vectơ biểu thị tốc độ nguội trên đường cong chữ C.
2. Tổ chức đạt được thường làkhông đồng nhất trên toàn tiết diện, nhất là trong
trường hợp tiết diện lớn. Do ở ngoài bao giờ cung bị nguội nhanh hơn ở trong lõi nên
bao giờ cũng có tổ chức với độ cứng cao hơn.
3. Khi làm nguội liên tục không đạt được tổ chức hoàn toàn là bainit (có thể thấy dễ
dàng về mặt hình học trên giản đồ chữ “C”), trong một số trường hợp có thể đạt được tổ
chức này cùng với trôxtit, mactenxit.
4. Những điều trên chỉ đúng với thép cacbon. Với thép hợp kimvị trí của đường
cong sẽ dịch sang phải nên có thể các đặc điểm trên không còn phù hợp hoàn toàn như :
+ Tốc độ nguội cần thiết để đạt được các tổ chức khác nhau bị giảm đi. Ví dụ khi
làm nguôi cùng lò cũng có thể đạt đạt được xoocbit, trôxtit, khi làm nguội 1 số loại thép
hợp kim trong không khí cũng có thể đạt tổ chức mactenxit.
+ Sự không đồng nhất về tổ chức trên tiết diện sẽ giảm đi.
c. Chuyển biến khi làm nguội của thép khác cùng tích:

Ở trên đã xét các chuyển biến khi làm nguội chậm của thép cùng tích. Bây giờ ta
xét cho thép trước và sau cùng tích, chúng có tổ chức phức tạp hơn.
Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của thép khác cùng tích cũng có dạng hình chữ “C”
như của thép cùng tích nhưng có thêm một nhánh phụ ở phía trên bên trái của đường
cong chữ “C” thứ nhất (hình 30) nó biểu thị sự tiết ra ferit và xêmentit thứ hai trươc khi
ra hỗn hợp ferit + xêmentit, và một đường ngang AC
3
hay Ac
cm
.
Đối với các thép khác cùng tích, ta chú ý tới mấy đặc điểm khác biệt sau đây:
35
Austenit
Hình 26: GĐCB đẳng nhiệt của thép khác cùng tích.
0
t°c
A
c1
τ
(s)
3 cm
Aus + Ferit Hoặc Xê
2
1. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt của thép khác cùng tích có vị trí của đường cong
chữ “C” lệch sang trái, càng xa cùng tích, sự lệch này càng mạnh. Nói khác đi các thép
khác cùng tích có tính ổn định của austenit q nguội kém hơn thép cùng tích. Điều đó
giải thích bằng sự khó đạt được austenit đồng nhất khi nung nóng.
2. Khi làm nguội
đẳng nhiệt với độ làm
nguội nhỏ hay làm nguội

chậm liên tục austenit
q nguội đầu tiên tiết ra
ferit (đối với thép trước
cùng tích) và xêmentit
thứ hai (đối với thép sau
cùng tích) khi vtơ nguội
gặp nhánh phụ, sau đó
mới phân hóa ra hỗn hợp
ferit + xêmentit. Trong
trường hợp này tổ chức
sau khi làm nguội là :
+ P + F đối với thép
trước cùng tích.
+ P + Xe
II
đối với
thép sau cùng tích.
3. Khi làm nguội đẳng nhiệt với độ q nguội lớn hay làm nguội nhanh liên tục,
vectơ biểu diễn sự nguội của chúng khơng gặp nhánh phụ do đó austenit q nguội phân
hóa ngay ra hỗn hợp ferit + xêmentit dưới dạng các tổ chức xoobit, trơxtit, bainit (khi
làm nguội đẳng nhiệt). Đương nhiên các tổ chức này khơng có thành phần đúng 0,8%C
như trong thép cùng tích (vì austenit của thép khác cùng tích có thành phần khác 0,8%C)
và chúng được gọi là cùng tích gia.
4. Chuyển biến của austenit khi làm nguội nhanh - chuyển biến mactexit (khi
tơi)
Nếu làm nguội nhanh austenit với tốc độ thích hợp sao cho vectơ biểu diễn sự
nguội của nó khơng cắt đường cong chữ “C”, thì nó khơng kịp chuyển biến thành hỗn
hợp ferit - xêmtit, mà chỉ có sự chuyển biến thù hình (chuyển mạng tinh thể) của sắt từ
Fe
γ


sang Fe
∝
xảy ra ở nhiệt độ thấp (từ 220 - 250
0
trở xuống). Đó là thực chất của
chuyển biến khi làm nguội nhanh austenit → mactenxit.
Tốc độ làm nguội nhỏ nhất để gây ra chuyển biến này là tốc độ ứng với vectơ tiếp
xúc với đường cong chữ “C” thứ nhất (V
5
–Hình 29) ở phần lồi, được gọi là tốc độ tới
hạn (V
TH
).
36
Vậy khi làm nguội nhanh (liên tục) austenit (với tốc độ bằng hay vượt quá tốc độ
tới hạn) sẽ nhận được mactenxit. Đây là tổ chức đặc trưng của quá trình làm nguội
nhanh và liên tục (tôi).
Trước tiên hãy xét bản chất của mactenxit.
a) Bản chất của mactenxit :
Mactenxit là dung dịch rắn xen kẽ quá bão hòa cacbon ở trong Fe
∝
với nồng độ
cacbon bằng nồng độ cacbon ở trong austenit, có kiểu mạng chính phương thể tâm và có
độ cứng cao.
Có thể giải thích lần lượt các đặc tính trên của mactenxit như sau:
- Do làm nguội nhanh cacbon trong Fe
γ
(austenit) không kịp tiết ra (để tạo thành
xêmentit), khi đạt đến nhiệt độ tương đối thấp chỉ có quá trình chuyển mạng tinh thể của

Fe
γ
(diện tâm) sang Fe
∝
(thể tâm).
(austenit) Fe
γ
(C) → Fe
∝
(C) (mactenxit).
Vì thế cacbon trong 2 pha này là bằng nhau.
- Với nồng độ cacbon cao như vậy trong Fe
γ
sẽ là quá bão hòa ở trong Fe
∝
, vì độ
hòa tan cacbon trong dạng thù hình này rất thấp (0,006 - 0,02% so với trên dưới 0,8%).
- Nguyên tử cacbon hòa tan trong Fe
∝
bằng cách xen kẽ vào các lổ hổng của mạng
này. Qua nghiên cứu thấy rằng các nguyên tử cacbon sẽ nằm ở trong các lổ hổng 8 mặt
tức là ở giữa các mặt bên hay ở giữa các cạnh của khối cơ sở . Lổ hổng này không đối
xứng nên quả cầu cacbon lọt vào làm giãn các nguyên tử Fe ra xa không đều, kéo dài
một cạnh ra mạnh nhất nên làm cho mạng từ lập phương thể tâm (của Fe
∝
) chuyển sang
chính phương thể tâm. Tỷ số
c
a
được gọi là độ chính phương của mactenxit, có giá trị

trong khoảng 1,001 - 1,06.
- Nguyên tử cacbon chui vào lổ hổng của Fe
∝
làm cho mạng tinh thể của sắt bị xô
lệch, khó biến dạng dẽo và do đó có độ cứng cao nhất (cao hơn cả bainit, trôxit gồm 2
pha Fe + Xe trong đó Fe dẻo biến dạng được).
b) Các đặc điểm của chuyển biến mactenxit.
Khác với chuyển biến của peclit, chuyển biến mactenxit có những đặc điểm sau
đây:
1. Chỉ xảy ra khi làm nguội liên tục và nhanh austenit với tốc độ lớn hơn hay bằng
tốc độ tôi tới hạn v
t.h
. Chuyển biến mactenxit không xảy ra khi làm nguội đẳng nhiệt.
2. Chuyển biến không khuếch tán : cacbon hầu như giữ nguyên vị trí , còn nguyên
tử Fe chuyển dời vị trí để tạo ra kiểu mạng mới là chính phương thể tâm, nhưng sự
chuyển dời không lớn quá một thông số mạng. Giữa mạng của austenit và mactenxit có
mối quan hệ định hướng xác định: các mặt và phương dầy đặc nhất của chúng song song
với nhau.
37
3. Là quá trình tạo ra không ngừng các tinh thể mới với tốc độ phát triển rất lớn, tới
hàng nghìn m/s. Tinh thể mactenxit có dạng hình kim đầu nhọn làm thành với nhau các
góc 60
0
,
120
0
.
4. Chỉ xảy ra trong khoảng giữa 2 nhiệt độ (điểm) bắt đầu M
đ
và kết thúc M

K
.
Nngoài khoảng đó austenit quá nguội không chuyển biến thành mactenxit.
Vị trí của hai điểm này không phụ thuộc vào tốc độ nguội mà chỉ phụ thuộc vào
thành phần cacbon và nguyên tố hợp kim của austenit (chứ không phải của thép
*
)
Nói chung austenit càng nhiều cacbon và nguyên tố hợp kim (trừ Si, Co và Al), các
điểm này càng thấp. Một số thép chứa cabon và nguyên tố hợp kim cao có 2 điểm này
khá thấp.
5. Chuyển biến xảy ra không hoàn tòan. Thực nghiệm cho thấy rằng khi làm nguội
cần gần đến điểm M
k
. lượng mactenxit tạo thành càng nhiều song không bao giờ đạt
được tỷ lệ 100% mactenxit , mà vẫn
còn lại một lượng nhất định pha ban
đầu là austenit không chuyển biến
được gọi là austenit dư. Đường cong
trên hình 31 biểu diễn lượng
mactenxit tạo thành khi làm nguội. Từ
đó thấy rõ rằng khi điểm M
K
< nhiệt
độ thường (20
0
C) - điều thường xảy ra
vì điểm M
K
của các thép đều ở nhiệt
độ âm - bằng cách làm nguội thông

thường không thể được lượng
mactenxit tối đa. Nếu điểm M
k
thấp Hình 31: Đường cong Aus. dư.
hơn 20
0
C quá nhiều, khi làm nguội thông thường (chỉ đến 20
0
C) vẫn còn quá nhiều
Austenit dư, làm độ cứng sau khi tôi không đạt được giá trị cao nhất.
Nguyên nhân tồn tại austenit dư cùng với mactenxit là do sự khác nhau về thể tích
riêng của 2 pha này: v
m
> v
γ
, vì thế khi chuyển biến austenit → mactenxit thể tích tăng
lên, do vậy phần austenit chưa chuyển biến bị sức ép ngày càng tăng lên đến mức không
thể chuyển biến hết được.
Lượng austenit dư trong thép tôi phụ thuộc vào các yếu tố sau:
+ Vị trí của điểm M
k
điểm M
k
càng thấp dưới 20
0
C lượng austenit dư càng nhiêu.
Đây là yếu tố quan trọng nhất. Các yếu tố làm giảm điểm M
k
như tăng lượng nguyên tố
hợp kim trong austenit, cũng đều làm tăng lượng austenit dư của thép tôi.

+ Lượng cabon trong mactenxit càng nhiều thể tích riêng của nó càng lớn (do sự
tăng của
c
a
) nên lượng austenit dư càng nhiều.
*
Hai khái ni m n y không ng nh t. Trong tr ng h p tr ng thái nung nóng thép có nhi u pha (ví d austenit v cacbit), thì ệ à đồ ấ ườ ợ ở ạ ề ụ à
cacbon v nguyên t h p kim phân b v o c trong hai pha n y do ó n ng c a chúng trong các pha l khác v i trong thép. à ố ợ ố à ả à đ ồ độ ủ à ớ
38
30
40
50
60
70
0.2
0.4
0.6
0.8 1.0 1.2
1.4
HRC
%C
c) Cơ tính của mactenxit.
Mactenxit là tổ chức quan trọng nhất được tạo thành khi tôi thép, quyết định cơ tính
của thép tôi. Cơ tính nổi bật của nó là cứng và giòn.
Độ cứng
Độ cứng cao của mactenxit là do cacbon làm xô lệch mạng tinh thể của sắt nên nó
chỉ phụ thuộc vào nồng độ cabon qua bão hòa trong nó: cabon càng nhiều, xô lệch mạng
càng mạnh (tỷ số
c
a

càng lớn) độ cứng càng cao (hình 32).
Ở đây còn phân biệt độ cứng của pha và độ cứng của thép tôi.
Độ cứng của thép tôi là độ cứng tổng hợp của hỗn hợp mactenxit + austenit. Với
thép cabon thấp và trung bình do điểm M
k
cao, thể tích riêng của mactenxit chưa lớn,
lượng auxtenit dư còn ít nên độ cứng của thép tôi là (trùng với) độ cứng của mactenxit.
Trong khi đó với thép cacbon cao do điểm M
k
< 20
0
C V
M
lớn , có nhiều austenit dư nên
độ cứng của thép tôi thấp hơn độ cứng của mactenxit, sự chênh lệch này càng lớn khi
lượng cabon của thép càng cao và khi đó tổ chức của thép tôi là mactenxit + austenit dư
(hình 31).
Tính giòn
Nếu độ cứng cao là điều mong muốn thì
tính giòn là điều không mong muốn, nó hạn
chế ứng dụng của mactenxit.
Tính giòn của mactenxit là do nó không
có khả năng biến dạng dẻo vì mạng bị xô lệch
và do có tồn tại ứng suất bên trong. Tuy nhiên
tính giòn của mactenxit có thể biến động trong
phạm vi khá rộng phụ thuộc vào các yếu tố sau
đây : Hình 32: Độ cứng của Mactenxit.

Độ cứng mactenxit càng cao tính giòn càng lớn, do đó thép có cacbon càng cao,
nguy cơ giòn càng mạnh.

Kim mactenxit càng nhỏ tính giòn càng thấp, muốn đạt được điều này hạt austenit
khi nung nóng phải nhỏ.
Ưng xuất bên trong càng nhỏ tính giòn càng thấp.
Do vậy để vừa bảo đảm được hai tính chất đối lập nhau là độ cứng cao và tính
giòn thấp ở các thép kết cấu và dụng cụ người ta phải dùng các thép bản chất hạt nhỏ,
khống chế đúng nhiệt độ tôi và dùng các phương pháp tôi thích hợp để giảm ứng suất
bên trong như tôi phân cấp, đằng nhiệt và ram ngay tiếp theo.
5. Chuyển biến khi nung nóng thép đã tôi (khi ram):
39
Sau khi tôi đạt được mactenxit và một lượng nhất định austenit dư, thép có độ
cứng cao, tính giòn lớn với ứng suất bên trong, tổ chức không ổn định do đó chưa phù
hợp vói điều kiện làm việc, phải có thêm sau đó một nguyên công điều chỉnh nung nóng
lại gọi là ram.
Tính không ổn định của mactenxit và austenit :
Theo giản đồ trạng thái Fe-C, từ nhiệt độ thường đến 727
0
C, tổ chức ổn định của
thép là hỗn hợp ferit + xêmentit (peclit). Do vậy hai pha mactenxit và austenit đều là các
pha không ổn định có khuynh hướng chuyển biến thành hỗn hợp này.
Mactenxit không ổn định là do quá bảo hòa cacbon, lượng cacbon thừa sẽ tiết ra ở
dạng xêmentit và phần còn lại hết cacbon trở thành ferit :
Fe
α
(qúa bão hoà C)→ Fe
α
(C)+ Fe
3
C
Còn austenit, nó không tồn tại ổn định dưới 727
o

C, nó cũng có khuynh hướng
chuyển biến thành hỗn hợp ferit + xêmentit.
Fe
γ
(C) → Fe
α
(C )+ Fe
3
C
Cần chú ý :
Mactenxit và austenit có khuynh hướng biến thành hỗn hợp ferit + xêmentit, song
ở nhiệt độ thường chuyển biến này rất chậm đến mức khó nhận thấy, vì thế trong thực tế
ta phải nung nóng để thúc đẩy quá trình chuyển biến.
Hai pha Mactenxit và austenit dư không trực tiếp tạo thành hỗn hợp ferit +
xêmentit mà phải qua tổ chức trung gian là mactenxit ram theo sơ đồ sau :
Mactenxit
Mactenxit ram → (ferit + xêmenit).
Auxtenit
Các chuyển biến xảy ra khi ram:
Theo sự tăng của nhiệt độ nung nóng, thép đã tôi với tổ chức mactenxit – austenit
có các chuyển biến sau :
Giai đoạn I (<200
o
C)
Dưới 80
o
C trong thép tôi chưa có chuyển biến gì, tức vẫn có mactenxit – austenit
dư.
Từ 80 đến 200
o

C : austenit dư chưa chuyển biến , mactenxit chuyển biến bằng
cách cacbon tập trung lại, tiết ra ở dạng các phần tử cacbit ( với công thức Fe
2
C (có tài
liệu là Fe
2,4
C) ở dạng tấm mỏng, lượng cacbon còn lại trong mactenxit còn khoảng 0,25
– 0,40% với tỉ số c/a giảm đi. Hỗn hợp mactenxit ít cacbon và cacbit ( đó được gọi là
mactenxit ram. Có thể trình bày chuyển biến trong giai đoạn này dưới dạng sơ đồ sau :
Fe
α
(C )
0,8
( Feα ( C)
0,25 – 0,4%
+ Fe
2-2,4
C)
40
Mactenxit (tôi) mactenxit ram
(auxtenit dư) Fe
γ
( C)
0,8
Fe
γ
( C)
0,8
(auxtenit dư) (không chuyển
biến).

Cuối giai đoạn này thép tôi có tổ chức mactenxit ram và auxtenit dư.
Giai đoạn II : (200 – 260
O
C )
Trong giai đoạn này có sự tiết ra cacbon khỏi mactenxit, hàm lượng cacbon trong
dung dịch rắn chỉ còn 0,15-0,20%, song nét đặc biệt là có chuyển biến mới :
Auxtenit dư thành mactenxit ram :
(auxtenit dư) Fe
γ
( C)
0,8
( Feα ( C)
0,15 – 0,2%
+ Fe
2-2,4
C) (Mactenxit
ram).
Cuối giai đoạn này thép tôi có tổ chức mactenxit gồm cacbit và mactenxit nghèo
cacbon (0,15 – 0,20%).
Mactenxit ram là tổ chức cứng không kém gì (nếu có thì chút ít) mactenxit (tôi)
song ít giòn hơn do giảm được ứng suất bên trong (do cacbon tiết bớt ra khỏi dung dịch
rắn, giảm xô lệnh mạng).
Đối với các thép tôi bình thường, khi ram đến đây độ cứng vẫn giữ nguyên hoặc
chỉ giảm đi chút ít (khoảng 1-2 HRC). Song ở một số thép sau khi tôi có lượng austenit
dư lớn, khi ra đến đây độ cứng lại có thể tăng lên (thêm 2-3 HRC) do hiệu ứng tăng độ
cứng do chuyển biến austenit dư thành mactenxit ram mạnh hơn hiệu ứng giảm độ cứng
do cacbon tiết ra khỏi dung dịch rắn. Hiện tượng này gọi là độ cứng thứ hai.
Giai đoạn III (260 400
o
C)

Kết thúc giai đoạn II thép có tổ chức mactenxit ram gồm hai pha: mactenxit nghèo
cabon (0,15 – 0,20%) và cacbit ( (Fe
2-2,4
C), đến giai đoạn này cả hai pha đều chuyển
biến.
Tất cả cacbon quá bảo hòa được tiết hết ra khỏi mactenxit ở dưới dạng cacbit, độ
chính phương không còn (c/a = 1), mactenxit nghèo cacbon trở thành ferit .
Cacbon (ở dạng tấm mỏng biến thành Fe
3
C có dạng hạt.
Sơ đồ chuyển biến trong giai đoạn này như sau :
Fe
α
(C)
0,15 – 0,2
Fe + Fe
3
C
Fe
2- 2,4
C Fe
3
C
Cuối giai đoạn này thép tôi có tổ chức là hỗn hợp ferit + xêmentit dạng hạt rất nhỏ
mịn và phân tán, được gọi là trôxtit ram.
Do cacbon tiết hết ra khỏi mactenxit nên đến giai đoạn này :
+Độ cứng giảm đi rõ rệt song vẫn còn tương đối cao.
+Mất hoàn toàn ứng suất bên trong, tăng mạnh tính đàn hồi.
Vậy trôxtit là tổ chức khá cứng và có giới hạn đàn hồi cao.
41

Giai đoạn IV (> 400
0
C)
Khi nung nóng đến > 400
o
C thép đã tôi không có chuyển biến pha gì mới, chỉ có
quá trình kết tụ (sáp nhập lớp trên) của các phần tử xêmentit ở dạng hạt.
Ở 500 – 650
o
C được hỗn hợp ferit + xêmentit hạt phân biệt được dưới kính hiển
vi quang học, gọi là peclit hạt .
Do xêmentit kết tụ nên khi nung nóng đến giai đoạn này, độ cứng của thép tôi
giảm đi mạnh, thép trở nên mềm, dễ gia công cắt.
Khi nung thép đã tôi lên quá AC
1
sẽ xuất hiện austenit ổn định, mà tùy thuộcvào
tốc độ làm nguội tiếp theo nó sẽ phân hóa thành các tổ chức khác nhau như đã khảo sát ở
mục 4.
Các giới hạn nhiệt độ kể trên cho từng giai đoạn là ứng với thép cacbon. Đối với
thép hợp kim, các giới hạn nhiệt độ đều cao hơn.
Sau khi đã khảo sát các chuyển biến pha khi nung nóng và làm nguội, ta xét bản
chất, cách tiến hành và công dụng của các phương pháp nhiệt luyện.
42