Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu ảnh hưởng của hợp kim hóa Cr, V và quá trình xử lý nhiệt tới tổ chức và tính chất của thép 15%Mn

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

136
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án nghiên cứu ảnh hưởng của Cr, V và quá trình xử lý nhiệt đến hình thái tổ chức của và khả năng hóa bền của thép austenite mangan cao làm thay đổi tổ chức, sự phân bố cacbit và giảm kích thước hạt pha nền nhằm mục đích thay đổi cơ tính, tăng tuổi thọ làm việc cho hệ thép austenite mangan cao với hàm lượng Mn là 15%; thăm dò nghiên cứu ảnh hưởng của đất hiếm đến tổ chức và cơ tính của thép austenite mangan cao.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu ảnh hưởng của hợp kim hóa Cr, V và quá trình xử lý nhiệt tới tổ chức và tính chất của thép 15%Mn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN DƯƠNG NAM NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỢP KIM HÓA Cr, V VÀ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NHIỆT TỚI TỔ CHỨC VÀ TÍNH CHẤT CỦA THÉP 15%Mn Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu Mã số: 62520309 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội - 2016
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Nguyen Duong Nam, Le Thi Chieu, Hoang Thi Ngoc Quyen, Pham Mai Khanh (2013), Improvement of properties of High Manganese steel by alloy elements addtion and heat treatment. AFC12 2. Nguyễn Dương Nam, Phạm Mai Khánh, Lê Thị Chiều, Hoàng Thị Ngọc Quyên (02/2014), Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng Cr đến tổ chức và tính chất của thép Mn cao,Tạp chí Khoa học công nghệ kim loại, ISSN 1859-4344, pp44-47. 3. Nguyen Ngoc Huan, Nguyen Duong Nam, Le Thi Chieu, Hoang Thi Ngoc Quyen, Pham Mai Khanh (10/2014), Influence Of Rare-Earth (RE) On Microstructure And Properties Of High Manganese Steel, RCMME, ISBN: 978-604-911-942-2, pp104- 106. 4. Pham Mai Khanh, Nguyen Duong Nam, Le Thi Chieu, Hoang Thi Ngoc Quyen (2015), Effects Of Chromium Content And Impact Load On Microstrucrure And Properties Of High Manganese Steel, Materials Science Forum. ISSN 0255-5476, pp297-300. 5. Nguyen Duong Nam, Le Thi Chieu, Pham Mai Khanh, Pham Huu Kien (02/2015), Effect of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of High Manganese Steel 15Mn2Cr1V, International Journal of Engineering Research And Management (IJERM), ISSN: 2349-2058, Volume-02, Issue-02, pp15-17. 6. Nguyen Duong Nam, Le Thi Chieu, Ta Duc Anh, Doan Minh Duc, Pham Mai Khanh (10/2015), Influence of Intermediating Heating Stage of The Heat Treatment Process On Microstructures and Properties of High Manganese Steel Mn15Cr2V; AFC13; ISBN: 978-604-938-550-6,pp174-179. 7. Nguyen Duong Nam, Le Thi Chieu, Dao Hong Bach, Chu Tien Hung, Pham Mai Khanh (10/2015), Influence of Vanadium Content on the Microstructure and Mechanical Properties of High-Manganese Steel Mn15Cr2; AFC13; ISBN: 978-604-938- 550-6, pp126-130.
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Đào Hồng Bách 2. PGS.TS. Lê Thị Chiều Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của luận án: Thép austenite magan cao là thép hợp kim với hàm lượng Mn cao (trên 10%). Sau khi xử lý nhiệt, trước khi chịu tải, thép có tổ chức austenite với độ dai cao và độ cứng thấp. Trong quá trình làm việc, dưới tải trọng va đập, lớp bề mặt của thép bị biến cứng làm tăng khả năng chịu mài mòn cho chi tiết. Đây là đặc điểm rất đặc trưng, riêng biệt của loại thép này. Trong quá trình làm việc những chi tiết chế tạo từ thép austenite mangan cao sẽ bị chịu đồng thời hai tác động lớn là va đập theo ứng suất pháp và chà xát theo ứng suất tiếp, ban đầu chi tiết chịu tác động va đập, sau đó bị chà xát và dẫn đến chi tiết mòn dần. Họ thép austenite mangan cao đã và đang đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp. Nhiều ngành công nghiệp ứng dụng thép austenite mangan với một lượng lớn như ngành sản xuất xi măng, vật liệu xây dựng, ngành khai khoáng, khai thác đất đá, máy xúc, trong các thiết bị đập nghiền khoáng vật... và rất nhiều ngành khác nữa. Tuy nhiên, hiện nay các nhà sản xuất trong nước hiện đang còn nhiều vấn đề vướng mắc là chất lượng sản phẩm còn thấp, mài mòn nhanh, tuổi thọ làm việc thấp. Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu thép mangan cao và cho đến nay nhiều tác giả vẫn không ngừng nghiên cứu để tìm hiểu bản chất thực sự của quá trình biến cứng nhằm nâng cao chất lượng và mở rộng phạm vi ứng dụng của chúng. Trong một thời gian dài quá trình biến cứng của thép mangan cao được giả thích là do sự chuyển pha từ austenite sang mactenxit dưới tải trọng va đập. Khoảng mười năm gần đây nhiều nhà khoa học nhận thấy rằng với hàm lượng mangan 13% và hàm lượng cacbon trên 1%, austenite rất ổn định, chuyển biến mactenxit hiếm khi xảy ra hoặc chỉ xảy ra ở nhiệt độ âm rất sâu. Nhiều nhà khoa học thiên về quan điểm cho rằng vật liệu được hóa bền do xô lêch, song tinh cản trượt được nhiều nhà khoa học quan tâm. Trên thế giới cũng đã có nhiều thay đổi trong phương pháp tăng bền cho thép Mn cao như: hợp kim hóa kết hợp với xử lý nhiệt, phương pháp đúc hai lớp, phương pháp cấy thanh cacbit tăng khả năng chống mài mòn. Trong luận án này tác giả nghiên cứu phương pháp tăng bền bằng cách hợp kim hóa kết hợp với quy trình xử lý nhiệt hợp lý để tạo ra tổ chức austenite hạt nhỏ với các hạt cacbit nhỏ mịn phân bố bên
2 trong. Tổ chức như vậy vừa tăng độ dai, vừa tăng khả năng chống mài mòn cho thép, đồng thời cũng là tổ chức có khả năng cản trở mạnh sự chuyển động của lệch, dẫn đến biến cứng nhanh chóng và hiệu quả khi chi tiết chịu va đập. Tác giả cũng đã nghiên cứu quá trình biến cứng vật liệu qua va đập để kiểm nghiệm phương pháp xử lý tăng bền đã lựa chọn. Với mong muốn nâng cao chất lượng, tuổi thọ làm việc của thép austenite mangan cao đề tài của luận án được lựa chọn là: “Nghiên cứu ảnh hưởng của hợp kim hóa Cr, V và quá trình xử lý nhiệt tới tổ chức và tính chất của thép 15%Mn”. Các kết quả nghiên cứu đã được áp dụng tại Công ty Cơ khí Đúc Thắng Lợi. Mục đích của đề tài luận án: Nghiên cứu ảnh hưởng của Cr, V và quá trình xử lý nhiệt đến hình thái tổ chức của và khả năng hóa bền của thép austenite mangan cao làm thay đổi tổ chức, sự phân bố cacbit và giảm kích thước hạt pha nền nhằm mục đích thay đổi cơ tính, tăng tuổi thọ làm việc cho hệ thép austenite mangan cao với hàm lượng Mn là 15%. Thăm dò nghiên cứu ảnh hưởng của đất hiếm đến tổ chức và cơ tính của thép austenite mangan cao. Ý nghĩa khoa học của đề tài luận án: * Đã phân tích ảnh hưởng các nguyên tố tạo cacbit Cr, V đối với tăng cơ tính cho thép austenite mangan cao. * Trên cơ sở phân tích quá trình trình tiết và hòa tan cacbit, quá trình làm nhỏ hạt austenite, xác định được quy trình nhiệt luyện hợp lý, tăng khả năng chống mài mòn và tăng độ dai va đập cho thép.... *Trên cơ sở phân tích năng lượng khuyết tật xếp và bằng phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) đã xác định được cơ chế biến cứng cơ học của thép austenite mangan cao Mn15Cr2V dưới tác dụng của lực va đập, từ đó tìm ra phương pháp tăng khả năng biến cứng cho thép. Việc làm nhỏ hạt austenite sẽ có tác dụng tạo nhiều định hướng song tinh dưới tác dụng của tải trọng dẫn đến tăng khả năng hóa bền của thép. Cacbit nhỏ mịn hòa tan phân bố trong nền góp phần tăng tính chống mài mòn cho thép; ngăn cản quá trình chuyển động của lệch. Trong quá trình biến cứng khi chịu va đập, thép Mn15Cr2V không xảy ra chuyển biến mactenxit.
3 * Đã xác định được các phần tử cacbit, austenite trong thép ở kích thước nano và phân tích ảnh hưởng của lớp nano bề mặt trong việc tăng cứng cho thép austenite mangan cao. Phương pháp nghiên cứu: - Tập hợp tài liệu về thép mangan cao trong và ngoài nước. - Sử dụng các phương pháp nghiên cứu như phương pháp tổng hợp, đánh giá phân tích, phương pháp chế tạo mẫu đúc, các phương pháp xử lý kết quả thực nghiệm… Những điểm mới của luận án: 1. Xác định ảnh hưởng của Cr, V và đất hiếm đến tổ chức và cơ tính của thép austenite mangan cao 15%Mn. 2. Đã xác định được hình thái của cacbit Cr7C3 và VC dưới dạng các hạt nano phân tán trên nền austenite và phân tích ảnh hưởng của chúng đến khả năng làm nhỏ hạt austenite khi đúc và khi nhiệt luyện. 3. Đưa ra quy trình xử lý nhiệt hoàn toàn khác với quy trình nhiệt luyện truyền thống đối với mác thép austenite mangan cao Mn15Cr2V. Với quy trình đó cơ tính của thép được cải thiện rõ rệt. 4. Trên cơ sở phân tích năng lượng khuyết tật xếp và bằng phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) đã xác định được cơ chế biến cứng cơ học của thép austenite mangan cao Mn15Cr2V dưới tác dụng của lực va đập, từ đó tìm ra phương pháp tăng khả năng biến cứng cho thép. Việc làm nhỏ hạt austenite sẽ có tác dụng tạo nhiều định hướng song tinh dưới tác dụng của tải trọng dẫn đến tăng khả năng hóa bền của thép. Cacbit nhỏ mịn hòa tan phân bố trong nền góp phần tăng tính chống mài mòn cho thép; ngăn cản quá trình chuyển động của lệch. Trong quá trình biến cứng khi chịu va đập, thép Mn15Cr2V không xảy ra chuyển biến mactenxit. 5. Phân tích tìm kiếm được các hạt nano austenite trên bề mặt của thép dưới tác dụng của lực va đập. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. 1 Đặc điểm của thép austenite mangan cao Thép austenite mangan cao là loại thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao khi làm việc trong điều kiện va đập, dưới tác dụng của ứng suất pháp. 1.2 Phân tích điều kiện làm việc và phá hủy của chi tiết chế tạo từ thép austenite mangan cao 1.2.1 Phân tích điều kiện làm việc của chi tiết chế tạo từ thép austenite mangan cao làm việc trong điều kiện cần độ dai va đập và chống mài mòn cao
4 Thép austenite mangan cao được ứng dụng chính trong chế tạo các chi tiết như búa đập, tấm lót, răng gầu xúc… Các chi tiết này đều làm việc trong điều kiện va đập, chịu mài mòn và bị chà xát. Trong nội dung của luận án, một số vấn đề về điều kiện làm việc có liên quan đến vật liệu đã được đề cập. Từ các phân tích trên có thể thấy, vật liệu làm búa đập phải có thể chịu được tải trọng lớn khi va đập mạnh và có thể chịu được mài mòn trong quá trình bị chà xát. Có nghĩa là vật liệu làm búa đập phải vừa mềm dẻo ở bên trong (để không bị vỡ khi va đập mạnh) lại vừa cứng vững bên ngoài (để ít bị bào mòn bởi hạt quặng). Trong điều kiện làm việc của búa, thép austenite mangan cao do có mangan cao có tổ chức thuần austenite nên rất dẻo và có thể chịu được va đập với các loại quặng cứng. Khi va đập với lực tác động mạnh, bề mặt thép bị biến cứng do có austenite chuyển biến thành mactenxit hoặc tạo ra các song tinh cùng các xô lệch mạng. 1.2.2. Các dạng sai hỏng, nguyên nhân và cách khắc phục 1.3. Các dạng thép austenite mangan cao 1.4. Tình hình nghiên cứu thép austenite mangan cao CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Cơ chế hóa bền thép austenite mangan cao Thép austenite mangan cao với hàm lượng mangan lớn (trên 10%Mn). Mangan là nguyên tố mở rộng vùng γ nên thép thuộc loại austenite (có tổ chức austenite ổn định ở nhiệt độ thường). Với tổ chức austenite, thép có độ dai cao, độ cứng thấp, song khi làm việc dưới áp lực cao và bị va đập, austenite (với mạng A1 rất nhay cảm với hóa bền biến dạng) bị biến dạng dẻo mạnh và biến cứng mạnh. Kết quả là làm tăng mạnh độ cứng và tính chống mài mòn của lớp bề mặt, còn lõi vẫn giữ nguyên tổ chức ban đầu nên duy trì được độ dai. Hiện tượng này của thép austenite mangan cao được gọi là “hóa bền biến dạng”. 2.1.2. Nguyên lý hóa bền thép austenite mangan cao Khi thép mangan cao chịu tải trọng va đập, mạng tinh thể của austenit bị xô lệch, xuất hiện khuyết tật xếp (sự phá hủy cấu trúc theo trật tự cũ, sự thay đổi cấu trúc). Giá trị của năng lượng khuyết tật xếp phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng chủ yếu là yếu tố nội tại, tức là thành phần của thép [22,41]. Năng lượng khuyết tật xếp được tính theo biểu thức Theo OLSON và COHEN trong tài liệu số [22,40]:
5 [2.1] Theo các tác giả [22], [40], và nhiều tác giả khác, năng lượng khuyết tật đóng vai trò quyết định trong việc chịu lực, biến dạng, tổ chức sẽ là song tinh hay mactenxit dạng ε. Tổ chức mactenxit dạng ε chỉ có thể được tạo thành khi năng lượng khuyết tật nhỏ hơn 18mJ/m2, khi đó việc chuyển mạng từ lập phương tâm mặt sang lục giác xếp chặt thuận lợi, trong khi song tinh được tạo ra khi năng lượng khuyết tật có giá trị từ 12-35mJ/m2 [22] còn băng trượt được tạo ra khi năng lượng khuyết tật là 35mJ/m2. Các yếu tổ ảnh hưởng đến năng lượng khuyết tật xếp - Thành phần hóa học Thành phần thép có ảnh hưởng to lớn đến SFE. Cacbon tăng giá trị của SFE ít nhất là 12mJ/m2 ứng với 1%, theo quy luật tuyến tính. Khi cacbon phân bố tại vùng gần khuyết tật, giá trị đó càng lớn hơn (74mJ/m2). Vì vậy thường chỉ quan sát thấy chuyển biến mactenxit trong các thép có hàm lượng cacbon nhỏ hơn 0,6%. Ảnh hưởng của mangan đến SFE rát phức tạp. Trong khoảng từ 0 đến 12%, magan làm giảm SFE theo mức: cứ 1% giảm 5 mJ/m2. Theo hình 2.3 các thép có hàm lượng cacsbon nhỏ hơn 1% mới có năng lượng khuyết tật nhỏ hơn 18mJ/m2 và có khả năng chuyển biến thành mactenxit ε Hình 2.3: Ảnh hưởng của C và Mn đến Hình 2.4: Ảnh hưởng của C và Mn năng lượng khuyết tật xếp đến nhiệt động học chuyển biến 2.1.2 Quá trình hóa bền biến dạng của thép austenite mangan cao theo cơ chế song tinh và xô lệch Từ những năm 2000 trở về đây, dưới sự trợ giúp của thiết bị phân tích hiện đại, nhiều tài liệu trên thế giới đã phát hiện thấy rằng độ cứng của thép ausenite mangan cao tăng lên trong quá trình làm việc không phải do chuyển biến mactenxit, hay ít ra là trong phần lớn các
6 trường hợp không phải là chuyển biến mactenxit. Nhiều nghiên cứu khẳng định sự tăng độ cứng trong quá trình làm việc của thép austenite mangan cao là do xô lệch xếp chồng, do song tinh, do khuyết tật và do biên giới của austenite tạo ra trong quá trình biến dạng. Quan sát ảnh hiển vi điện tử truyền qua (hình 2.14) có thể dễ dàng nhận thấy các giải song tinh xuất hiện trên bề mặt mẫu, điều này chứng tỏ không có sự chuyển biến từ austenite sang mactenxit. Bề mặt biến dạng dẻo của thép là kết quả của biến dạng song tinh (twin) và khuyết tật sắp xếp (stack fault). Hình 2.14: Ảnh hiển vi điện tử truyền qua của thép austenite mangan cao a) song tinh b) Ảnh vi nhiễu xạ nền austenite [49]. Nghiên cứu của tác giả Yunhua SU và cộng sự tại Học viện kỹ thuật cơ điện tử thuộc trường Đại học Kiến trúc và Công nghệ Xian chỉ ra rằng độ chống mài mòn của thép austenite mangan cao tăng lên đáng kể khi năng lượng tác động lớn, có liên hệ tới sự phát triển của cấu trúc tế vi trong suốt quá trình tác động. Bề mặt biến dạng dẻo của thép là kết quả của biến dạng song tinh (twin) và khuyết tật xếp (stack fault). Sự tương tác giữa chúng và xô lệch mạng gây ra cấu trúc hạt nano austenite bị lồng vào trong cấu trúc vô định hình. Điều đó có lợi trong việc nâng cao cơ tính cùng khả năng chống mài mòn của thép austenite mangan cao [57]. Hình 2.16: Ảnh hiển vi phân giải cao của thép austenite mangan cao sau biến dạng [57]. 2.1.3 Ảnh hưởng của cacbit Các quan điểm trước đây cho rằng khi hợp kim hóa bằng các nguyên tố tạo cacbit thì quá trình biến cứng của austenite sẽ trở nên khó khăn và cacbit có thể gây giòn cho thép khi chịu va đập. Các tác
7 giả theo quan điểm mới cho rằng nếu trong tổ chức có cacbit thì, độ cứng tăng, tính chống mài mòn tăng, tuổi thọ tăng [13,32,38,39]. Cacbit chỉ gây giòn khi tập trung ở biên giới hạt. Nếu bằng quá trình nhiệt luyện, thay đổi sự phân bố cacbit đều trong hạt thì tính chống mài mòn của thép tăng lên nhiều và tuổi thọ của chi tiết tăng lên. 2.1.4. Cơ chế hóa bền thép austenite mangan cao theo cơ chế chuyển biến mactenxit Mặc dù khi tính toán nhiệt động học về chuyển biến mactenxit các nhà khoa học nhận thấy rằng chuyển biến mactenxit chỉ xảy ra khi năng lượng khuyết tật nhỏ hơn 18mJ/m2 ứng với hàm lượng cacbon khá nhỏ (nhỏ hơn 0.6%). Tuy nhiên trong một thời gian dài, chuyển biến từ austenit sang mactenxit dưới tải trọng va đập đã được sử dụng để giải thích về sự hóa bền của thép mangan cao. Một số tác giả cho rằng việc có thể có tổ chức mactenxit là do trong quá trình nung thép không có khí bảo vệ nên thành phần đã bị thoát C và Mn. Các quan hệ về hướng và mặt phẳng ứng xử Hai hình thái khác nhau được quan sát thấy trong vi cấu trúc mactenxit sắt: mactenxit tấm và mactenxit thanh mỏng, như thể hiện trong hình 2.22. Một đặc điểm quan trọng của mactenxit tấm là sự hiện diện của vết nứt tế vi. Những vết nứt này xảy ra khi các tinh thể mactenxit liền kề chạm vào nhau (hình 2.23). Do cơ chế trượt, vận tốc biến đổi của mactenxit có thể tiếp cận 106 mm/s, và do đó tấm mactenxit phát triển có thể đạt được một xung lượng đáng kể. Tác động giữa các tấm di chuyển tạo ra những nứt tế vi. 2.2. Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến thép austenite mangan cao 2.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon và mangan Cacbon là nguyên tố cùng với sắt tạo thành dung dịch rắn hoàn tan có hạn, khi hòa tan trong thép cacbon làm mở rộng vùng austenite. Cacbon làm tăng lượng xementit. Ngoài ra, cacbon có thể kết hợp với một số nguyên tố hợp kim như Cr, W, Mn, Mo, Ti, V, Nb… tạo thành cacbit hợp kim trong thép. Mangan nguyên tố hòa tan lượng lớn vào Feγ dưới dạng nguyên tử thay thế [2,5], gây nên xô lệch mạng, làm tăng bền cho thép. Ngoài ra đóng góp một phần không nhỏ vào việc ổn định austenite bằng cách làm chậm quá trình chuyển biến (nhưng không loại bỏ nó). 2.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng Cr
8 Với hàm lượng cacbon thông thường khoảng 1.15%C, Crom làm tăng ứng suất chảy dẻo (hình 2.25). Cr bổ sung vào thép đem lại cải thiện cơ tính đáng kể; với thép austenite mangan cao, Crom phổ biến nhất là trong mác thép ASTM A128 loại C còn loại B cũng thường có một ít Cr. Việc bổ sung thêm 2% crom ở mác C không làm giảm bớt độ dẻo dai của thép. Tuy nhiên nếu lớn hơn ảnh hưởng của nó tương tự như việc tăng hàm lượng cacbon, là làm giảm tính dẻo do sự gia tăng lượng cacbit trong tổ chức tế vi. 2.2.3. Ảnh hưởng của hàm lượng V V là nguyên tố tạo cacbit mạnh và nó làm cho thép mangan tăng ứng suất chảy bao nhiêu thì làm giảm độ dẻo bấy nhiêu. V được sử dụng trong thép mangan biến cứng phân tán trong phạm vi hàm lượng từ 0.5 đến 2%. Cacbit V là nguyên tố rất ổn định do vậy khi tôi cần thực hiện ở nhiệt độ cao hơn khoảng 1120 đến 1175oC và trước đó cần phải hóa già ở nhiệt độ từ 500 đến 650oC. V có tác dụng làm nhỏ hạt cho thép 2.2.6. Ảnh hưởng của đất hiếm Đất hiếm là những nguyên tố, hiếm có trong lòng đất, bao gồm 17 nguyên tố: scanđi, ytri, lanthan… Các nguyên tố này rất khó tách ra riêng biệt. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng đưa đất hiếm vào thép sẽ có tác dụng làm nhỏ mịn cấu trúc và tăng độ dai va đập cho vật liệu này. 2.3. Đặc điểm điều kiện đúc thép austenite mangan cao 2.3.1. Ảnh hưởng của các thông số nhiệt lý tới tổ chức của hợp kim đúc 2.3.2 Ảnh hưởng của công nghệ đúc rót 2.3.3. Nguồn gốc tạp chất trong thép 2.4. Nhiệt luyện thép austenite mangan cao 2.4.1. Mục đích nhiệt luyện 2.4.2. Sự hòa tan cacbit và đồng đều hóa austenite trong thép austenite mangan cao Sau khi tạo thành, hạt austenite sẽ phát triển bằng cách mở rộng biên giới hạt. Trong quá trình này, vẫn còn 1 số cacbit chưa hòa tan do tốc độ phát triển của austenite là nhanh hơn. Để những cacbit này hòa tan hết vào austenite thì cần phải tăng nhiệt độ hoặc kéo dài thời gian giữ nhiệt đã cho. Việc hòa tan cacbit vào austenite là rất quan trọng trong các loại thép austenite mangan cao.
9 Như vậy, đối với các mác thép austenite mangan cao với các thành phần khác nhau, việc khống chế và điều khiển quá trình tạo mầm và phát triển mầm austenite cũng như phân bố lại các hạt cacbit trong nền austenite là rất quan trọng. Điều này hoàn toàn có thể thực hiện được thông qua việc nghiên cứu xây dựng các quy trình nhiệt luyện hợp lý đối với từng mác thép austenite mangan cao khác nhau. 2.4.3. Sự hòa tan cacbit và đồng đều hóa austenite trong thép austenit mangan cao. 2.4.4. Phân tích quy trình xử lý nhiệt Quy trình nhiệt luyện truyền thống được xây dựng dựa trên yêu cầu cơ tính của các chi tiết và chủ yếu cho thép mangan chỉ có, mangan và cacbon, không có hoặc ít các nguyên tố hợp kim đặc biệt là nguyên tố tạo cacbit mạnh. Thép có tổ chức austenite sau khi tôi sẽ được tăng bền trong quá trình làm việc. Như phần đầu đã phân tích khi cacbit được tạo ra nếu phân bố dọc theo biên giới hạt sẽ gây giòn, giảm cơ tính của thép. Nhưng nếu cacbit tồn tại dưới dạng hạt nhỏ mịn và phân bố đều trong hạt austenite thì sẽ làm tăng mạnh tính chống mài mòn. 2.4.5. Phân tích quy trình xử lý nhiệt CHƯƠNG 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Nội dung nghiên cứu 1. Nghiên cứu cơ chế tăng bền cho thép austenite mangan cao khi làm việc dưới tác dụng của tải trọng va đập để từ đó đưa ra được phương pháp tăng bền cho thép này là hợp kim hóa và xử lý nhiệt. 2. Về hợp kim hóa, luận án tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của Cr, V (một số mẫu có thực hiện biến tính bằng đất hiếm) đến tổ chức và cơ tính của thép austenite mangan cao. Như đã phân tích trong chương 3, phần hợp kim hóa các mẫu có hàm lượng Cr là 0%; 2%; 2.5% và V là 0%; 1% và 2%. 3. Về xử lý nhiệt, luận án tập trung nghiên cứu và đưa ra quy trình xử lý nhiệt phù hợp cho mác thép 15%Mn + 2%Cr + 1%V nghiên cứu các quy trình nhiệt luyện khác nhau, nghiên cứu sự thay đổi tổ chức, sự phân bố và giảm kích thước hạt pha nền, sự thay đổi cơ tính thép austenite mangan cao với hàm lượng Mn là 15% nhằm lựa chọn quy trình hợp lý nhất. 4. Nghiên cứu cơ chế chuyển biến của thép austenite mangan cao dưới tác dụng của tải trọng va đập: luận án tiến hành va đập mẫu (được mô tả ở phần 3.4.3) và xử lý ở nhiệt độ -800C để tìm hiểu bản chất quá trình tăng bền đối với thép austenite mangan cao.
10 3.2. Chế tạo mẫu nghiên cứu Các mẫu được chia thành 3 nhóm hợp kim theo mục đích nghiên cứu như sau: Các hợp kim nhóm 1: Gồm các mẫu ký hiệu từ 1 đến 3 là các mẫu thép mangan cao với hàm lượng mangan là khoảng 15% hàm lượng crôm được thay đổi là 0%; 2% và 2.5%. Các hợp kim nhóm 2: Gồm các mẫu ký hiệu từ 4 đến 6 là các mẫu thép mangan cao với hàm lượng mangan là khoảng 15%, hàm lượng crôm là khoảng 2%, hàm lượng V được thay đổi là 0%; 1% và 2%. Các hợp kim nhóm 3: Là mẫu thép mangan cao với hàm lượng mangan là 15%; hàm lượng Cr là 2%; hàm lượng V là 1%; mẫu được hợp kim hóa thêm 1% fero đất hiếm. 3.3. Nhiệt luyện các mẫu nghiên cứu Mẫu sau đúc được thực hiện xử lý nhiệt ở các quy trình sau (như hình 3.3): 3.4. Phương pháp nghiên cứu 3.4.1. Xác định thành phần hóa học Thành phần hóa học của các mẫu nghiên cứu được phân tích bằng phương pháp quang phổ phát xạ trên máy ARL-3460 của hãng Fisons Thụy Sỹ tại Viện tên lửa – Viện Khoa học và công nghệ Quân sự. 3.4.2. Nghiên cứu tổ chức Cấu trúc tế vi được quan sát và chụp trên kính hiển vi quang học (HVQH) Leica 4000 và kính hiển vi quang học Axiovert 25A (Hình 3.5 và 3.6) có độ phóng đại tối đa là 1000 lần với phần mềm phân tích IPwin32. 3.4.3. Nghiên cứu va đập mẫu
11 Sau khi nhiệt luyện để đồng đều tổ chức Austenite, tiến hành cho mẫu va đập dưới tải trọng xác định để nghiên cứu quá trình chuyển biến. Quá trình va đập dùng quả tải có trọng lượng 100N thả từ độ cao 60cm đối với mẫu không biến tính và 65cm đối với mẫu biến tính. Số lần đập mẫu là: 1000 và 3000 lần. 3.4.4. Nghiên cứu đánh giá quá trình mài mòn Độ mài mòn của mẫu được kiểm tra trên máy Tribotech 3.4.5. Nghiên cứu quá trình phá hủy mẫu do va đập 3.4.6. Xác định độ cứng Độ cứng của mẫu được xác định theo phương pháp HB trên máy ATKF 1000 của hãng Mitutoyo 3.4.7. Xác định tổng hàm lượng cacbit Tổng hàm lượng cácbit được phân tích trên phần mềm image Pro- Plus, là phần mềm cài trên thiết bị hiển vi quang học Axiovert 25. 3.4.8 Phân tích rơnghen Xác định thông số mạng hợp kim. Xác định các thông số mạng của các pha tạo ra. 3.4.9 Phương pháp chụp ảnh hiển vi điện tử quét Xác định tổ chức hợp kim ở mức độ phóng đại cao. Quan sát được các tổ chức và các pha tạo thành không quan sát được dưới hiển vi quang học thông thường. 3.4.10 Phương pháp EDS và mapping Phương pháp EDS. Mục đích: Xác định tổ chức hạt. Xác định phân bố nguyên tố hợp kim trong hạt và tại biên hạt theo điểm. Mức độ tạp chất trong hạt và biên hạt theo điểm Phương pháp mapping: Mục đích: Xác định phân bố nguyên tố hợp kim trong hạt và tại biên hạt bằng quét phân bố bề mặt. 3.4.11 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua Phân tích cấu trúc tế vi của thép: tổ chức sau va đập và xử lý ở nhiệt độ âm, phân tích hạt cacbit sử dụng phương pháp hiển vi điện tử truyền qua. CHƯƠNG 4 ẢNH HƯỞNG CỦA NGUYÊN TỐ Cr VÀ V 4.1 Ảnh hưởng của hàm lượng Cr (0%; 2% và 2.5%) đến tổ chức và cơ tính của thép austenite Mn cao với hàm lượng Mn là khoảng 15%.
12 Các mẫu nghiên cứu có thành phần trên bảng 4.1. Hàm lượng Cr có các giá trị 0%; 2% và 2.5%. Sau khi đúc tất cả các mẫu đều được nhiệt luyện theo quy trình được trình bày trên hình 4.2 (được ký hiệu là quy trình số 3a theo chương 2). 4.1.1 Ảnh hưởng của Cr đến tổ chức tế vi sau nhiệt luyện của thép Ảnh tổ chức của ba mẫu có thành phần Cr khác nhau được trình bày trên hình 4.3. Hình 4.3 cho thấy tổ chức sau nhiệt luyện đều có nền là austenite, mẫu không hợp kim hóa Cr (hình 4.3.a) có kích thước hạt austenite thô, khoảng trên 100 đến 120µm. Khi có mặt Cr, kích thước hạt trong thép nhỏ mịn hơn. Kích thước hạt lúc này giảm còn khoảng 40 - 50µm (hình 4.3.b và c). Việc tạo ra ra austenite hạt nhỏ khi có mặt Cr là kết quả của khâu nung trung gian ở 650oC. Các hạt cacbit nhỏ mịn được tiết ra phân tán trong tổ chức có vai trò như những cái chốt, ngăn cản sự lớn lên và sát nhập của austenite trong quá trình nung tôi. Hình 4.6: Ảnh TEM mẫu 2%Cr Kết quả phân tích EDS đã chỉ ra rằng trong thành phần của hạt màu đen phân bố trong hạt austenite có đủ các nguyên tố hợp kim: Mn, Cr và C, với thành phần Mn (15,7); Cr (3,3%) và C(6,3%), Khi phân tích nhiễu xạ Xray tổ chức thép sau khi tôi ở 1050oC nhận thấy bên cạnh nền austenite còn có mặt các hạt cacbit Cr như Cr7C3 phân tán bên trong nền austenite (hình 4.5). Tiếp tục phân tích sâu hơn bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Trên ảnh TEM ở hình 4.6 cacbit Cr có hình tròn, vô cùng nhỏ mịn, có kích thước khoảng 50nm có thể được nhận diện. 4.1.2 Ảnh hưởng của hàm lượng Cr đến độ cứng và tính chống mài mòn của mẫu
13 Từ kết quả độ cứng thấy rõ: khi lượng Cr tăng độ cứng của mẫu tăng lên: Mẫu 0% Cr có độ cứng 160HB, mẫu 2% Cr có độ cứng 182HB và mẫu 2,5% Cr độ ứng là 185HB. Kết quả khi cùng một chế độ thử mài mòn như đã trình bày trong phần thực nghiệm: mẫu khi được hợp kim hóa thêm Cr, khối lượng hao mòn có giảm đi so với mẫu không được hợp kim hóa. Mẫu không hợp kim hóa hao mòn 14.2% còn mẫu hợp kim hóa lượng hao mòn là 10.9%. 4.1.3 Ảnh hưởng của hàm lượng Cr đến độ dai va đập Bảng 4.4 trình bày kết quả đo độ dai va đập của mẫu 0% Cr và 2% Cr. Kết quả thử nghiệm độ dai va đập cho thấy: Khi được hợp kim hóa Cr và với quy trình xử lý nhiệt (quy trình số 3a – như hình 4.1) giá trị độ dai va đập thu được là 84J/cm2 cao hơn hẳn so với giá trị độ dai va đập của mẫu không được hợp kim hóa Cr. 4.2 Ảnh hưởng của hàm lượng V đến tổ chức và cơ tính của thép Trong luận án này, tác giả tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của V với các thành phần V được thay đổi với các giá trị 0%V; 1%V và 2%V trên nền thép có 15%Mn và 2%Cr. Mẫu sau đúc được xử lý theo quy trình 3b 4.2.1 Ảnh hưởng của V đến tổ chức tế vi 4.2.1.1 Ảnh hưởng đến tổ chức sau đúc Tổ chức các mẫu đều bao gồm nền austenite với cacbit phân bố ở biên giới. Ở hình 4.11a không có V, (0%V), kích thước hạt trung bình theo bảng chuẩn ASTM là cấp hạt số 4. Ở hình 4.11b hàm lượng V là 1%V sau đúc kích thước hạt trung bình theo bảng tiêu chuẩn ASTM ở cấp hạt số 5. Tuy nhiên, khi tăng hàm lượng V lên 2%, kích thước hạt của mẫu 2%V sau đúc được xác định cấp hạt theo bảng ASTM ở cấp hạt 4, cacbit nhiều và phân bố trên các đường biên giới hạt. 4.2.1.2 Ảnh hưởng của V đến tổ chức tế vi mẫu sau nhiệt luyện dưới kính hiển vi quang học
14 Kích thước hạt của austenite mẫu 0%V kích thước trung bình của hạt là : 3,910µm2. Với độ phóng đại của kính hiển vi quang học, mẫu 1%V (hình 4.12b), sau nhiệt luyện theo chế độ 3b chỉ nhìn thấy austenite đồng nhất, không nhìn thấy cacbit dư chưa tan hết. Kích thước hạt austenite là: 1,950µm2. Kích thước trung bình của hạt austenite strong mẫu 2% vanadi là 3,910µm2. 4.2.1.3 Phân tích SEM, EDS, mapping và TEM Hình 4.18: Ảnh TEM các hạt phân tán của mẫu 1%V Trong thép mangan được hợp kim hóa 2%Cr + 1%V pha đó chỉ có thể là pha cacbit (hình 4.18). Các pha cacbit có kích thước rất nhỏ nằm trên biên giới hạt austenite cũng rất nhỏ, đó chính là các hạt cacbit “chốt” kìm hãm sự phát triển của austenite trong suốt quá trình nung và giữ nhiệt . 4.2.2 Ảnh hưởng của V đến độ cứng và khả năng chịu mài mòn Hình 4.19: Giá trị độ cứng của mẫu sau đúc và sau nhiệt luyện khi thay đổi hàm lượng V Khi thép không được hợp kim hóa bằng V (0%V), giá trị độ cứng của mẫu sau nhiệt luyện là 180HB. Được hợp kim hóa bằng vanadi 1%V ,kết quả thu được thay đổi theo trạng thái xử lý như sau: Giá trị độ cứng của mẫu sau đúc là 175HB, độ cứng của mẫu sau khi nhiệt luyện là 223HB. Khi hợp kim hóa với hàm lượng 2%V, giá trị độ cứng của mẫu sau đúc lớn hơn giá trị độ cứng của mẫu sau nhiệt luyện. Mẫu 6 không biến tính sau đúc có độ cứng là 216HB giá trị độ cứng của mẫu sau nhiệt luyện là 186HB.
15 Từ kết quả ở bảng 4.7 cho thấy: Mẫu chỉ được hợp kim hóa bằng Cr hao mòn 0.9g còn mẫu được hợp kim hóa thêm V lượng hao mòn là 0,35g. 4.2.3 Ảnh hưởng của V đến độ dai va đập Mẫu không có V (mẫu số 4) độ dai va đập chỉ đạt được 75 J/cm2. Mẫu 1%V (mẫu số 5) có kết quả độ dai va đập cao nhất (115 J/cm2). Mẫu được hợp kim hóa 2%V (mẫu số 6) có giá trị độ dai va đập thấp nhất (26 J/cm2). 4.3 Ảnh hưởng của đất hiếm đến tổ chức và cơ tính của thép austenite mangan cao 4.3.1 Phân tích tổ chức tế vi Tổ chức tế vi của mẫu thép sau đúc khi không biến tính và có biến tính bằng đất hiếm. Mẫu có hàm lượng V là 1%, không biến tính có kích thước hạt sau đúc tương đương cấp 5 theo ASTM, kích thước hạt trung bình là 3.910μm2. Hình 4.21 là ảnh tổ chức các mẫu sau khi nhiệt luyện. Có thể thấy rằng cả các mẫu biến tính và không biến tính, các hạt cacbit đều đã hòa tan hoàn toàn vào trong nền austenite và kích thước hạt austenite đều đạt cấp 6 theo ASTM. Tuy nhiên mẫu biến tính có tổ chức đồng đều hơn so với mẫu không biến tính. Khi sử dụng TEM mới phát hiện ra rằng trong hạt austenite có tồn tại các hạt cacbit. 4.3.2 Ảnh hưởng của biến tính đến kết quả độ cứng, độ dai va đập và mài mòn Phân tích giá trị độ cứng cho thấy mẫu có biến tính cho giá trị độ cứng cao hơn so với mẫu không thực hiện biến tính (240HB so với 223HB). Kết quả độ dai va đập cho thấy khi thực hiện biến tính bằng đất hiếm với quy trình xử lý nhiệt như ở trên giá trị độ dai va đập thu được là 132 J/cm2 cao hơn so với 115 J/cm2 của mẫu không được biến tính. Điều này cho thấy, vai trò của chất biến tính trong việc làm nhỏ hạt và nâng cao cơ tính của thép. Mẫu khi được biến tính bằng đất hiếm khối lượng hao mòn có giảm đi so với mẫu không được biến tính. Mẫu không được biến tính hao mòn 7.5% còn mẫu hợp kim hóa lượng hao mòn là 3%. CHƯƠNG 5 ẢNH HƯỞNG CỦA QUY TRÌNH XỬ LÝ NHIỆT ĐỐI VỚI THÉP Mn15Cr2V 5.1 Trạng thái đúc của thép 5.1.2 Tổ chức tế vi
16 Tổ chức của thép gồm hai thành phần chính: nền austenite và cacbit. Theo bảng tiêu chuẩn ASTM, kích thước hạt của austenite sau đúc trên hình 5.1 được xác định cấp hạt ở cấp hạt 5 kích thước trung bình của hạt là: 3,910µm2. Trong tổ chức sau đúc của có mặt rất nhiều hạt cacbit, phân bố xung quanh biên giới hạt vói kích thước khá lớn. 5.1.3 Phân bố và tỷ phần cacbit Hình 5.3a chỉ sự phân bố cacbit của mẫu sau đúc và hình 5.3b là đánh giá tỷ phần cacbit. Trong mẫu đúc, tỷ phần cacbit là 6.12%. 5.2 Sự tiết cacbit khi nung mẫu đúc dưới nhiệt độ austenite hóa Kết hợp các phương pháp nghiên cứu: tổ chức tế vi trên kính hiển vi quang học (hình 5.4), phân tích: Ảnh SEM BSED (hình 5.5), phân tích đường nồng độ các nguyên tố khi quét qua hạt, EDS Line (hình 5.6) và Phân tích EDS điểm (hình 5.7) có thể đi đến kết luận rằng tại nhiệt độ xử lý ở 650oC từ austenite sau đúc, các hạt cacbit của Cr, V hoặc dạng cacbit phức được tiết ra. Kích thước các hạt này rất nhỏ, khoảng cách giữa chúng cũng rất nhỏ.
17 Trong quá trình nung tôi tiếp theo, các hạt cacbit có vai trò như những chốt ngăn chặn quá trình lớn hạt khi nung lên đến nhiệt độ austenite hóa là trên 1000oC. 5.3 Giới thiệu các quy trình nhiệt luyện 5.3.1. Giản đồ trạng thái 5.3.2 Kết quả nghiên cứu khi xử lý mẫu theo quy trình 1 Ảnh tổ chức tế vi cho thấy là với thép Mn15Cr2V, do trong thành phần có chứa các nguyên tố tạo cacbit như Cr, V nên khi nhiệt luyện theo quy trình 1 các nguyên tố tạo cacbit mạnh như Cr, Ti, Mo,…làm chậm quá trình chuyển biến austenite và tạo cacbit. Vì vậy mặc dù sau khi tôi, lượng cacbit trong mẫu đã giảm nhưng tổ chức không khác nhiều so với sau khi đúc, vẫn còn một số carbit chưa hòa tan và đặc biệt có một số phân bố dọc theo biên giới hạt austenite. 5.3.3 Kết quả nghiên cứu khi xử lý mẫu theo quy trình 2 Ảnh tổ chức tế vi cho thấy: Ở biên giới hạt, cacbit không còn thô và tập trung liên tục nhưng vẫn còn một số hạt phân tán nằm trên biên giới. Ở biên giới hạt các hạt nghi ngờ là cacbit ở trên ảnh quang học khi phân tích EDS thấy xuất hiện các nguyên tố V, Cr. Đây là những nguyên tố tạo cacbit mạnh. 5.3.4 Nhiệt luyện theo quy trình 3 Khác hẳn với quy trình 1 và 2 quy trình 3 được thực hiện theo các bước: mẫu sau đúc, được nung ở nhiệt độ thấp hơn austenite hóa gọi là nung trung gian, sau đó mới nung đến nhiệt độ austenite hóa. 5.3.4.1 Lựa chọn nhiệt độ xử lý nhiệt trung gian Để chọn chế độ nung trung gian trước khi thực hiện khâu nung tôi ở 1100oC luận án đã tiến hành nung trung gian ở các nhiệt độ khác nhau. Các nhiệt độ thử nghiệm để lựa chọn là: mẫu 5a được nung ở 600oC, mẫu 5b nung 650oC, mẫu 5c nung 700oC, tiếp theo các mẫu được tiến hành nung ở nhiệt độ austenite hóa là 1100oC. Các kết quả về tổ chức tế vi và cơ tính cho thấy ở chế độ nung trung gian 650oC sau đó nung tiếp đến 1100oC cho kết quả là tốt