Austenite dư là gì?

Austenite dư hay Austenit dư (Retained Austenite - RA) là lượng Austenite không chuyển hóa thành Martensite trong thép sau quá trình làm nguội kết thúc. Tức là quá trình chuyển hóa thành Martensite không hoàn toàn, khi làm nguội gần đến điểm M(f) lượng Martensite sinh ra càng nhiều, nhưng không bao giờ đạt được 100% mà vẫn còn một lượng nhất định Austenite chưa chuyển biến gọi là Austenite dư. Nguyên nhân của hiện tượng này là do khác nhau về thể tích riêng của chúng. Thể tích riêng của VM > Vɣ vì thế khi chuyển biến bị sức ép ngày một tăng đến mức không thể chuyển biến được.

Chuyển biến Austenite sang Martensite chỉ xảy ra trong một khoảng nhiệt độ nhất định từ nhiệt độ bắt đầu chuyển biến M(s) đến nhiệt độ kết thúc M(f). Vị trí hai nhiệt độ này không phụ thuộc vào tốc độ làm nguội, chỉ phụ thuộc vào thành phần cacbon và nguyên tố hợp kim trong thép.

Mối liên hệ giữa thành phần cacbon với điểm nhiệt độ bắt đầu chuyển biển M(s) và điểm nhiệt độ kết thúc chuyển biến M(f).

Lượng Austenite dư trong thép tôi phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Vị trí của điểm M(f) (nhiệt độ kết thúc): Điểm M(f) càng thấp thì lượng dư Austenite càng nhiều, đây là yếu tố quan trọng nhất. Các yếu tố làm giảm M(f) đều làm tăng lượng Austenite dư trong thép sau khi tôi.

- Lượng cacbon trong Martensite càng nhiều thì thể tích riêng của nó càng lớn (do độ chính phương c/a càng lớn) nên lượng Austenite dư càng nhiều.

Tùy thuộc vào thành phần hóa học thép và xử lý nhiệt cụ thể, mức Austenite dư trong trường hợp có thể khác nhau từ hơn 50% cấu trúc đến gần bằng không.

Trong khi một lượng lớn Austenite dư (> 15%) có thể được phát hiện và ước tính bằng kính hiển vi quang học, với lượng Austenite dư ở mức thấp 0,5% ta cần các thiết bị kỹ thuật chuyên biệt chẳng hạn như XRD phương pháp quang phổ nhiễu xạ.

Ảnh hưởng của Austenite dư đến các tính  chất cơ lý của vật liệu?

Austenite [ ký hiệu ɣ, As, Feɣ(C)]: Là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Feɣ có mạng lập phương tâm mặt. Là pha rất dẻo và dai. Nó không có từ tính và không tồn tại ở nhiệt độ < 727°C trong hợp kim sắt cacbon nguyên chất, chỉ tồn tại ở đưới nhiệt độ này trong hợp kim chứa lượng đáng kể Mn, Ni…
Tuy không tồn tại ở nhiệt độ thường nhưng vai trò quyết định trong biến dạng nóng nhiệt luyện thép. Tổ chức của nó là hạt sáng có song tinh

Chính những đặc điểm mang lại cho Austenite nhiều đặc tính độc đáo của nó là những đặc tính chịu trách nhiệm trong hầu hết các ứng dụng. Chúng ta biết Austenite là một pha của thép ở nhiệt độ cao, không phải ở nhiệt độ phòng. Vì vậy Austenite dư tồn tại bên ngoài phạm vi nhiệt độ của nó, nó sẽ không được bền vững. Điều này có nghĩa rằng khi có cơ hội, nó sẽ thay đổi hoặc biến đổi từ Austenite thành Martensite. Ngoài ra, sử chuyển đổi này làm cho thay đổi thể tích (tăng) dẫn đến gây ra sức căng nội bộ trong một thành phần, thường có biểu hiện chính như vết nứt.

Ngược lại với Austenite,Martensite cứng, mạnh và giòn. Trong một số trường hợp, khi kết hợp, hỗn hợp Austenite và Martensite tạo ra một vật liệu tổng hợp sẽ nhận được một số lợi ích trong từng ứng dụng nhất định, bù đắp cho những thiếu sót của cả hai.

Austenite dư ảnh hưởng đến tính chất của thép chịu lực:

Sự ổn định kích thước:

Austenite dư luôn có xu hướng chuyển đổi thành Martensite nếu nhiệt độ giảm đáng kể so với nhiệt độ nó được làm nguội hoặc Austenite chịu áp lực cơ học cao ở nhiệt độ phòng. Khi chuyển hóa Austenite sang Martensite dẫn đến thể tích thay đổi vì V_M > Vɣ    khoảng 4-5% trong cấu trúc vi mô dẫn đến thay đổi kích thước sản phẩm. Nghiêm trọng hơn có thể gây ra các vết nứt.

Sức bền mỏi:

Hàm lượng Austenite dư thấp và kích thước hạt Austenite mịn, tạo ra một cấu trúc vi mô của Austenite dư và Martensite được tôi luyện, ngăn chặn sự tạo mầm của vết nứt mỏi, hoặc làm chậm sự khởi đầu của vết nứt mỏi. Ngược lại, các ứng dụng ứng suất thấp bị gãy, nứt ở chu kỳ thấp có liên quan đến mức Austenite dư cao và kích thước hạt Austenite lớn. Ví dụ, một loại độ bền mỏi được nhiều người dùng quan tâm là mỏi tiếp xúc. Hai khía cạnh của Austenite được giữ lại có thể cải thiện độ bền mỏi khi tiếp xúc. Đầu tiên, độ dẻo vốn có của Austenite giữ lại giúp trì hoãn sự phát triển vết nứt bằng cách làm giảm các mầm của vết nứt khi chúng hình thành. Thứ hai, như các biến đổi Austenite dư trong quá trình làm việc, sức căng nén tăng trong trường hợp này. Những ứng suất nén này làm trì hoãn sự phát triển của vết nứt, chúng hoạt động như một cái kẹp và kẹp vết nứt đóng lại. Những lợi ích này không có khi không có đủ lượng Austenite dư cần thiết.

Va đập:

Độ bền va đập là thước đo khả năng của thép chống gãy khi chịu một cú đánh mạnh. Austenite không chỉ dẻo dai mà còn có độ bền va đập cao hơn Martensite. Độ bền va đập của thép tăng khi tăng hàm lượng Austenite. Độ bền va đập cao hơn có thể cung cấp bảo vệ bổ sung chống lại nứt, do đó, giúp ngăn ngừa các vấn đề như nứt vỡ.

èĐiều quan trọng là phải tìm được sự cân bằng giữa các tính chất cơ học của một thành phần và tỷ lệ phần trăm tối ưu của Austenite dư cho một ứng dụng nhất định.

Austenite đối trong các ngành công nghiệp được xem như thế nào?

Giữ lại Austenite là rất không mong muốn trong các thành phần cho các ngành công nghiệp công cụ và khuôn mẫu. Austenite dư (Retained Austenite - RA) được công nhận là một nguyên nhân chính cho thất bại này. Độ cứng thấp của Austenite cũng không tương thích với hầu hết các ứng dụng đòi hỏi độ cứng tối đa có thể đạt được để chống mài mòn. Các ngành công nghiệp ổ trục và bánh răng có quan điểm thuận lợi hơn đối với việc tồn tại một lượng Austenite dư (5 đến 30% được xác định bằng phương pháp quang học hoặc phương pháp quang phổ nhiễu xạ XRD, thường là so với các tiêu chuẩn đã biết). Các yếu tố tương tự ảnh hưởng đến các ứng dụng công cụ cũng ảnh hưởng đến bánh răng, nhưng có một số khác biệt lớn. Bánh răng thường được làm bằng thép cứng, có độ bền va đập cao. Trong khi hầu hết các công cụ thất bại do mòn hoặc gãy, nhưng nhiều hỏng hóc của bánh răng là kết quả của sự nứt vỡ trong khu vực răng. Sự nứt vỡ xảy ra khi bề mặt của một thành phần kim loại chịu tải trọng tuần hoàn lặp đi lặp lại. Vết nứt hình thành và phát triển cho đến khi một phần nhỏ của bề mặt vỡ ra, làm hỏng bề mặt và thêm các mảnh vụn vào hệ thống. Một lượng Austenite được giữ lại trong một bánh răng để trì hoãn sự khởi đầu của sự nứt vỡ và ngăn chặn sự phát triển vết nứt.

                                          Hình ảnh bánh răng bị hỏng do nứt

Kết Luận:

Bằng cách kiểm soát mức độ Austenite dư, mang lại cho chúng ta nhiều lợi ích hơn so với những tác động tiêu cực mà chúng gây ra. Nhiều ngành công nghiệp đã tìm thấy một điểm thích hợp tồn tại đối với các hàm lượng Austenite dư để đạt được sự cân bằng về sức bền mỏi, độ bền va đập và ổn định kích thước. Để có được mức độ tối ưu của Austenite dư đòi hỏi một sự cân bằng tinh tế giữa các mục như hóa học vật liệu (thành phần hóa học thép, hàm lượng carbon) và quá trình xử lý nhiệt (nhiệt độ, tốc độ làm nguội và nhiệt độ ủ).

Ở phần 2 chúng ta sẽ tìm hiểu phương pháp định lượng Austenite dư có trong sản phẩm!