Gang và thép là vẫn tiếp tục là hai loại vật liệu phổ biến nhất hiện nay. Trong bài viết này chúng tôi sẽ trình bày khái niệm và phân loại về loại gang thép thông dụng hiện nay.
1.Khái niệm chung về gang thép
Thép và gang là hợp kim của Fe-C (ngoài ra còn có nhiều nguyên tố khác). Thép có thành phần C nhỏ hơn 2.14%, trong khio gang có thành phần C lớn hơn. Một kiến thức quan trọng nhất trong kĩnh vực vật liệu học là giản đồ trạng thái, mô tả mối quan hệ giữa thành phần Fe và C trong vùng gang thép và các tổ chức tạo thành của gang thép theo nhiệt độ. Tùy vào thành phần cacbon và sắt, tại một nhiệt độ nhất định trong điều kiện cân bằng, gang thép sẽ có các pha, và tổ chức (kết hợp của các pha) khác nhau.
Ngoài ra có thể sử dụng giản đồ đơn giản hơn để hiểu các pha có trong thép như hình 2 dưới đây:
Trong thép có các pha chính:
Khái niệm về pha là khái niệm quan trọng nhất đối với tôi khi nghiên cứu vật liệu. Pha là đơn vị nhỏ nhất quan sát trên ảnh tổ chức tế vi của thép, có thể tách dời cơ học.
+ Pha Ferit là dung dịch rắn xen kẽ của C trong sắt với nồng độ hòa tan lớn nhất khi ở nhiệt độ tới hạn (nhiệt độ trước khi chuyển thành pha austenit) 727 oC là 0.02%, ở nhiệt độ thấp chỉ hòa tan khoảng 0.006%. Tìm hiểu sâu hơn về cấu trúc tinh thể có thể thấy, do ở nhiệt độ thấp C có kích thước nguyên tử khá lơn, nên không thể chui vào trong các lỗ hổng của mạng ferrit (mạng lập phương tâm khối), lượng cacbon hòa tan không đáng kể này chủ yếu nằm ở các khuyết tật và biên giới hạt.
+ Pha Austenit là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong sắt với thành phần cao hơn trong ferrit, có thể lên tới 2.14% C. Khác với ferrit, austenit không có tính sắt từ mà lại có tính thuận từ, nó chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao (>727 oC). Do kiểu mạng lập phương tâm mặt có nhiều hệ trượt nên pha austenit này có độ dẻo cao.
Mối quan hệ quan trọng giữa hai pha Austenit và Ferrit là khi nung nóng pha ferrit lên trên đường tới hạn, một phần ferrit sẽ chuyển hóa thành austenit. Nếu làm nguội nhanh sẽ sinh ra pha mactenxit cứng là mục đích khi tôi thép. Nhưng chúng tôi sẽ trình bày sau này.
+ Xementit kí hiệu là Xe hay Fe3C với kiểu mạng phức tạp có thành phần C khoảng 6.67% theo tỷ lệ khối lượng nguyên tử của C trong Fe3C ( %C=12/ (12+56×3)). Như vậy khi hàm lượng cacbon phải đến một giá trị nhất định mới hình thành được hợp chất hóa học giữa Fe và C. Theo quan điểm của tôi, xementit là cabit cơ bản nhất. Do đó tư duy nghiên cứu những cacbit khác cũng tương tự. Đặc điểm của Xe là cứng và giòn, cùng với Ferrit sẽ tạo ra các tổ chức khác nhau của hợp kim Fe-C. Trong Xe chia ra làm bốn dạng:
-Xe thứ nhất: được hình thành từ trạng thái lỏng của thép, nên Xe thứ nhất có kích thước thô và thẳng (quan sát tổ chức tế vi – tổ chức nhìn qua hiển vi phóng đại). Xe thứ nhất được tạo ra từ điểm phải có nồng độ C >4.3%.
-Xe thứ hai: được tạo thành từ đường tới hạn hình thành austenit, từ pha rắn austenit tiết ra. Hàm lượng cabon trong khoảng 0.8 đến 2.14%.
-Xe thứ 3: được tạo thành trong vùng hàm lượng cabon nhỏ, trong vùng đường giới hạn ferrit. Loại ferrit này rất nhỏ mịn, nên khó phát hiện.
-Xe thứ 4: được hình thành do chuyển biến cùng tích austenit thành peclit.
Tổ chức chính trong thép Fe-C:
Trước hết cần hiểu khái niệm tổ chức, tổ được tạo ra từ sự kết hợp của các pha. Trong Fe-C ở trạng thái cân bằng (làm nguội và nung nóng chậm), tổ chức của thép là sự tổ hợp của hai pha chính ferrit và xementit.
+Tổ chức Peclit: Kí hiệu P = F + Fe3C
Peclit là hỗn hợp cùng tích của ferit và xementit được tạo thành từ austenit với 0.8%C và ở nhiệt độ 727 oC chuyển biến thành. Trong tổ chức này chiến 88% là ferrit và 12% khối lượng, nhờ kết hợp pha dẻo F và pha cứng Xe nên tổ chức này khá bền. Peclit có các dạng biến thể là xoocbit, truxit, bainit, với mức độ mịn của hạt khác nhau. Tùy vào hình dạng của peclit người ta chia làm peclit tấm và peclit hạt.
+Tổ chức Lêđêburit: Kí hiệu Le, hay Au + Xe hay P + Xe
Là tổ chức được tạo thành từ pha lỏng với thành phần cacbon khoảng 4.3%. Pha này xuất hiện trong gang.
Như vậy, tất cả các thép với hàm lượng cacbon, tổ chức và cơ tính rất khác nhau, nhưng khi được nung nóng lên trên đường tới hạn đề tạo pha austenit dẻo cao, dễ biến dạng. Chính vì vậy thép được coi là vật liệu dẻo, được cung cấp dưới dạng bán thành phẩm là cán nóng (dây, thanh, tấm, hình…). Các thép ít cacbon mền dẻo và có khả năng biến dạng nguội. Tính đúc của thép nói chung là thấp (do nhiệt độ nóng chảy cao, không có tổ chức cùng tinh) và ít được sử dụng để chế tạo vật đúc.
Ngược lại với thép, khi nung nóng gang không đạt được tổ chức một pha Austneit, mà bao giờ cũng có xementit nên không thể đem biến dạng nguội lẫn nóng. Nhưng ngược lại có nhiệt độ chảy thấp hơn, trong tổ chức có cùng tinh, khả năng điền đầy khuôn cao. Chính vì vậy gang là vật liệu đúc, chỉ được cung cấp dưới dạng đúc (các sản phẩm như chi tiết phức tạp: thân bệ, hộp, vỏ…). Gang có thành phần càng gần cùng tinh càng dễ đúc.
2. Phân loại gang thép cabon theo giản đồ pha
Căn cứ vào giản đồ pha chúng ta phân thành ba loại thép và ba loại gang khác nhau.
Thép: Tương ứng với giản đồ pha là hợp kim của Fe với C có thành phần nhỏ hơn 2.14%, và thành phần nguyên tố khác không đáng kể gọi là thép cacbon hay thép thường. Thép thường chia làm ba loại sau:
- Thép trước cùng tích: là thép có lượng cacbon biến đổi từ 0.1 đến 0.7%, tức là bên trái điểm cùng tích. Tổ chức tế vi gồm hai pha ferrit sáng và peclit tôi. Khi tăng thành phần cabon thì pha tối peclit tăng lên.
- Thép cùng tích: thép có thành phần cacbon khoảng 0.8%, tức là ứng với điểm S có tổ chức chỉ gồm peclit.
- Thép sau cùng tích: với thành phần >0.9% C( thường chỉ tới 1.5% C) tức là bên trái điểm cùng tích. Có tổ chức gồm peclit và xementit 2.
Khi phân loại về thép người ta trước hết phân thành thép cacbon, thép hợp kim. Hoặc tùy theo công dụng của thép để phân loại
Gang: tương ứng giản đồ pha Fe-C (fe-Fe3C) là gang trắng, rất ít được sử dụng vì quá giòn, không thể gia công được. Trong thực tế Gang được gồm gang xám, gang crom, gang trắng, gang cầu. Tìm hiểu về phân loại các mác gang tại đây: Phân loại các mác Gang
Theo sự khác nhau về tổ chức ta gặp ba loại gang trắng:
- Gang trắng trước cùng tinh với thành phần C nhỏ hơn 4.3% (thành phần C tại điểm cùng tinh). Tổ chức gồm P + XeII+ Le
- Gang trắng cùng tinh có thành phần C bằng 4.3% ứng với điểm cùng tinh, với tổ chức chỉ gồm Le
- Gang trắng sau cùng tinh là gang có thành phần lớn hơn 4.3%
