Nghiên cứu ứng xử cơ học của thép chuyển pha do biến dạng dẻo họ MnSi dưới điều kiện xử lý Cơ - Nhiệt - Đinh Văn Hiến

Cơ học & Điều khiển thiết bị bay Đ.V. Hiến, Đ.B. Trụ, N.V. Chúc, “Nghiên cứu ứng xử cơ học điều kiện xử lý cơ- nhiệt.” 276 NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA THÉP CHUYỂN PHA DO BIẾN DẠNG DẺO HỌ MnSi DƯỚI ĐIỀU KIỆN XỬ LÝ CƠ - NHIỆT Đinh Văn Hiến1*, Đinh Bá Trụ2, Nguyễn Văn Chúc1 Tóm tắt: Thép 0,22% C-1,4% Mn-1,6% Si được nấu và tinh luyện trong lò cảm ứng trung tần từ sắt xốp, được rèn-cán nóng và cán nguội với mức độ biến dạng 80%, sau đó, được xử lý nhiệt hai giai đoạn: 1- nung qua vùng hai pha (Ferit + Austenit) ở 7800C với các thời gian giữ nhiệt 5-10-15 phút; 2- tôi đẳng nhiệt trong vùng chuyển biến Bainit ở các nhiệt độ 350-400-4500C với các thời gian giữ nhiệt 5-10-15 phút. Kết quả, sau xử lý cơ-nhiệt nhận được thép có tổ chức đa pha gồm: Bainit và Austenit dư phân tán trong nền Ferit đa cạnh, nhờ đó, thép có độ bền và tính dẻo tốt. Từ kết quả khảo sát cơ tính đã thiết lập hàm quan hệ giữa các chỉ tiêu độ bền và độ dẻo với các thông số công nghệ khảo sát. Ngoài ra, tính chất cơ học của thép qua tôi và ram ở các nhiệt độ khác nhau cũng được khảo sát nhằm xây dựng cơ sở cho ứng dụng thiết kế các sản phẩm cần độ bền cao khi sử dụng, tính dẻo cao để dập tạo hình. Từ khóa: Công nghệ cơ - nhiệt; Thép đa pha, Thép chuyển pha do biến dạng dẻo, Ausenit dư. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Nhiều sản phẩm trong dân dụng và quốc phòng ngày càng đòi hỏi các vật liệu có độ bền cao hơn, tính dẻo tốt hơn, cho ví dụ, một số chi tiết tấm vỏ trong tên lửa cần thép có độ bền cao để chịu tải trọng nặng theo điều kiện làm việc, song cũng cần có độ dẻo cao để có thể dập vuốt sâu, miết mỏng khi chế tạo; các chi tiết tấm vỏ xe du lịch, xe quân sự cần độ bền cao, khả năng hấp thụ năng lượng lớn khi va chạm để nâng cao độ an toàn, đồng thời lại cần có độ dẻo đủ để dễ gia công biến dạng thành hình; các chi tiết kết cấu như bánh răng máy kéo, , lại cần có độ dẻo thích hợp để dễ dập nguội, tiết kiệm vật liệu, từ đó, giảm giá, đồng thời cần khả năng biến cứng nguội gia công lớn cho độ bền cao để chịu tải, Gần đây, một nhóm thép nhận được sự quan tâm đáng kể của các nhà khoa học, các hãng sản xuất xe ô tô là thép TRIP (Transformation Induced Plasticity Steels) – thép có chuyển pha do biến dạng dẻo bởi có độ bền cao hơn, tính dẻo tốt hơn so với thép hợp kim thấp thông thường. Các nghiên cứu trọng tâm vào phát triển dòng thép TRIP hợp kim thấp với thành phần C~0,2%, Mn~12% và Si~12% [3], [4], [5], bởi giá thành sản xuất không đắt, song bằng xử lý cơ-nhiệt cho phép nhận được tổ chức đa pha gồm pha nền Ferit, Bainit và Austenit dư tỷ lệ nhất định và có chuyển biến thành Mactensit cứng của pha Austenit dư khi biến dạng dẻo làm tăng biến cứng nguội, tức là, độ bền cao hơn, tính dẻo tốt hơn, năng lượng biến dạng lớn hơn. Một hướng nghiên cứu chủ đạo là xác định ảnh hưởng của thông số cơ-nhiệt đến tổ chức và cơ tính của thép TRIP nhằm tìm ra được tổ chức pha cho thuộc tính cơ học tốt nhất theo yêu cầu sử dụng. Tuy vậy, tìm ra quy luật quan hệ của thông số cơ-nhiệt với các chỉ tiêu cơ học dưới dạng các hàm quan hệ còn chưa được thực hiện hoặc không được công bố. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 277 Xuất phát từ điều này, nhóm tác giả xác định mục đích nghiên cứu là thiết lập quy luật quan hệ giữa một số thông số xử lý nhiệt với các chỉ tiêu cơ học cho thép MnSi có thành phần C~0,20,25%, Mn~1,5% và Si~1,5% được cán nguội trước với mức độ biến dạng 80%. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm được sử dụng để thiết kế chiến lược thực nghiệm và thiết lập mối quan hệ giữa chúng. 2. CÔNG NGHỆ, PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 2.1. Công nghệ nghiên cứu Thép được nấu và tinh luyện trong lò cảm ứng trung tần từ nguyên liệu sắt xốp và phế thép xây dựng, cùng các chất hợp kim hóa là Mn kim loại, FeSi75, dùng dây nhôm để khử khí và chất tinh luyện là hệ xỉ CaO/CaF2 nhằm thu được phôi thép đáp ứng thành phần hợp kim chính, ít tạp chất phi kim và tạp chất P, S. Thành phần hóa học chính của thép đạt được 0,22% C-1,4% Mn -1,6% Si-0,021% P và 0,009%S. Phôi sau đúc được cắt thành dạng thanh, được rèn nóng với tỷ số rèn y = 4, sau đó, được cán nóng với mức độ biến dạng 50% ở nhiệt độ khoảng 9500C, sau đó, được cán nguội với mức độ biến dạng tổng 80% đến chiều dày 2mm. Thép sau khi cán nguội được xử lý nhiệt hai giai đoạn: 1. Nung trong vùng hai pha (Ferit+Austenit) ở 7800C với các thời gian giữ nhiệt khác nhau. Ở nhiệt độ nung 7800C tỷ phần pha Ferit đạt khoảng 50% thông qua đo giãn nở nhiệt – hình 1. 2. Tôi đẳng nhiệt trong vùng chuyển biến Banit ở các nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt khác nhau. Vùng nhiệt độ hình thành Bainit khi nguội đẳng nhiệt từ 7800C của thép nghiên cứu được dự báo bằng phần mềm Jmatpro – hình 2. Hình 1. Biểu đồ do giãn nở nhiệt. Ac1 = 740 0C và Ac3 = 864 0C (50C/phút). Hình 2. Giản đồ nguội đẳng nhiệt của thép nghiên cứu từ 7800C. 2.2. Phương pháp và thiết bị nghiên cứu Chế độ xử lý nhiệt được thiết kế bằng phương pháp quy hoạch trực giao cấp 2 với 3 thông số khảo sát (bảng 1). Thiết bị xử lý nhiệt là cặp lò điện trở gồm: 01 lò buồng dùng để nung phôi và 01 lò giếng đặt thùng muối nóng chảy. Mẫu thử kéo là mẫu tấm, phương pháp thử kéo theo tiêu chuẩn ASTM E8M- 04. Thiết bị thử là máy kéo W300P tại Phòng thí nghiệm Khí động - Động lực của Viện Tên lửa (chứng nhận hiệu chuẩn số V03.CN5.3166.15). Các số liệu về chỉ tiêu cơ tính từ đường cong thử kéo được ghi vào bảng 1. Cơ học & Điều khiển thiết bị bay Đ.V. Hiến, Đ.B. Trụ, N.V. Chúc, “Nghiên cứu ứng xử cơ học điều kiện xử lý cơ- nhiệt.” 278 Tổ chức tế vi các mẫu thép được tẩm thực bằng dung dịch Lepera (50 ml Na2S2O5 1% trong cồn ethanol + 50 ml axit Picric 4% trong cồn ethanol) [2] và được quan sát trên kính hiển vi quang học Axio-A2M. Kỹ thuật nhiễu xạ tia X cũng được sử dụng để xác thực sự có mặt và mất đi của pha Austenit dư trước và sau khi biến dạng, tức là xác thực chuyển pha Austenit dư thành Mactensit. Thiết bị sử dụng là máy D8-Advance. 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1. Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến tính chất cơ học Chế độ thực nghiệm được thiết kế theo quy hoạch trực giao cấp 2 và các kết quả đo các chỉ tiêu cơ học chỉ ra trong bảng 1. Bảng 1. Chế độ thực nghiệm và cơ tính đạt được của các mẫu thép. Các yếu tố Mức tiến hành - -1 0 1 + + Thời gian giữ nhiệt khi nung, phút 3 5 10 15 17 TB Nhiệt độ tôi đẳng nhiệt Bainit, 0C 330 350 400 450 470 B Thời gian giữ nhiệt Bainit, phút 3 5 10 15 17 STT + TB B Tính chất cơ học Thực nghiệm Mô hình hồi quy Sai số tương đối (%) Re (MPa) Rm (MPa) A (%) Re (MPa) Rm (MPa) A (%) Re Rm A 1 5 350 5 464 851 29,6 456 859 29,5 1,7 0,9 0,3 2 15 350 5 454 907 25,9 460 897 26,0 1,4 1,1 0,2 3 5 450 5 421 820 28,3 428 814 28,4 1,8 0,8 0,4 4 15 450 5 427 860 25,3 421 865 24,9 1,4 0,6 1,7 5 5 350 15 469 770 35,0 474 765 34,5 1,1 0,7 1,5 6 15 350 15 443 807 30,3 435 813 30,9 1,8 0,8 2,1 7 5 450 15 475 754 28,7 468 764 28,5 1,5 1,3 0,8 8 15 450 15 410 834 24,9 417 826 24,9 1,7 1,0 0,1 9 10 400 10 468 802 36,6 471 801 35,3 0,6 0,1 3,6 10 10 400 10 474 800 36,1 471 801 35,3 0,7 0,2 2,2 11 10 400 10 472 798 35,2 471 801 35,3 0,2 0,4 0,3 12 10 400 10 471 806 35,4 471 801 35,3 0,0 0,6 0,3 13 17 400 10 443 810 32,1 444 815 32,8 0,1 0,6 2,2 14 3 400 10 475 749 36,4 476 745 37,8 0,3 0,5 3,8 15 10 470 10 429 852 21,9 428 850 22,4 0,2 0,2 2,4 16 10 330 10 457 873 27,3 460 873 27,4 0,7 0,0 0,3 17 10 400 17 461 765 34,0 463 763 34,0 0,4 0,3 0,1 18 10 400 3 453 854 30,2 453 856 30,5 0,0 0,2 1,0 Tính chất cơ học các mẫu tôi và ram STT Chế độ nhiệt Tính chất cơ học Nhiệt độ tôi, 0C Nhiệt độ ram, 0C Môi trường tôi Re (MPa) Rm (MPa) A (%) 1 900 300 Nước 1280 1519 7 2 900 450 Nước 800 1045 12,5 3 900 600 Nước 770 877 17 Ghi chú: Re, Rm và A tương ứng là giới hạn chảy, giới hạn bền và độ giãn dài tương đối. Từ các kết quả thực nghiệm, sử dụng phương pháp tính toán các hệ số hồi quy theo quy hoạch trực giao, kiểm định hệ số hồi quy theo chuẩn Student và kiểm định tương thích của mô hình hồi quy theo chuẩn Fisher với độ chính xác của mô Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 279 hình là 5% ( = 0,05) [1], nhận được các hàm quan hệ giữa các thông số công nghệ với các chỉ tiêu cơ học như sau: Re= -345,89 + 11,12.τα+γ + 4,031.TB + 1,746.τB - 0,012.τα+γ.TB-0,435.τα+γ.τB + 0,022.TB.τB - 0,225.τα+γ 2 - 0,005.TB 2 - 0,265.τB 2 (1) Rm= 3058,52 + 7,224.τα+γ - 10,543.TB - 28,812.τB + 0,014.τα+γ.TB + 0,105.τα+γ.τB + 0,045.TB.τB – 0,435.τα+γ 2 + 0,012.TB 2 + 0,165.τB 2 (2) A= -314,6 - 0,354.τ α+γ + 1,7098.TB + 3,46.τB - 0,005.TB.τB -0,002.TB 2 - 0,062.τB 2 (3) Để thấy rõ hơn ảnh hưởng của các thông số công nghệ khảo sát đến các chỉ tiêu cơ học hãy xem biểu đồ quan hệ giữa các chỉ tiêu cơ tính với các thông số công nghệ khảo sát chỉ ra trên hình 3, 4, 5. a- + = 5 phút b- + = 10 phút c- + = 15phút Hình 3. Biểu đồ quan hệ giữa giới hạn chảy với các nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt Bainit tại các thời gian giữ nhiệt khi nung + = 5, 10 và 15 phút. a- + = 5 phút b- + = 10 phút c- + = 15 phút Hình 4. Biểu đồ quan hệ giữa giới hạn bền với các nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt Bainit tại các thời gian giữ nhiệt khi nung + = 5, 10 và 15 phút. a- + = 5 phút b- + = 10 phút c- + = 15 phút Hình 5. Biểu đồ quan hệ giữa độ giãn dài tương đối với các nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt Bainit tại các thời gian giữ nhiệt khi nung + = 5, 10 và 15 phút. Cơ học & Điều khiển thiết bị bay Đ.V. Hiến, Đ.B. Trụ, N.V. Chúc, “Nghiên cứu ứng xử cơ học điều kiện xử lý cơ- nhiệt.” 280 Từ các hình 3, 4, 5 có thể nhận thấy, giới hạn bền tăng với thời gian giữ nhiệt khi nung + dài, nhiệt độ TB thấp và thời gian giữ nhiệt B ngắn. Giới hạn chảy phụ thuộc bậc 2 (parabol) và các các giá trị thông số khảo sát. Ở thời gian + = 5 phút, cả giới hạn chảy và độ dãn dài tương đối đạt được lớn nhất ở vùng nhiệt độ TB khoảng 390 0C và thời gian B khoảng 1214 phút. Ở thời gian + = 10 phút, cả giới hạn chảy và độ dãn dài tương đối đạt được lớn nhất ở vùng nhiệt độ TB khoảng 3900C, đỉnh cực đại giới hạn chảy xuất hiện ở khoảng thời gian B khoảng 1012 phút, trong khi đỉnh cực đại độ giãn dài tưởng đối xuất hiện ở khoảng thời gian B khoảng 1214 phút. Ở thời gian + = 15 phút, đỉnh cực đại giới hạn chảy xuất hiện ở nhiệt độ TB khoảng 370 0C và thời gian B khoảng 57 phút, trong khi đó, đỉnh cực đại độ giãn dài tưởng đối xuất hiện ở nhiệt độ TB khoảng 390 0C và thời gian B khoảng 1214 phút. Tính chất cơ học qua tôi và ram: Bảng 1 trình bày kết quả các chỉ tiêu cơ học của các mẫu thép được cán nguội sau đó được tôi và ram ở các nhiệt độ 300, 450 và 600 0C. Nhận thấy rằng, nhiệt độ ram tăng làm giảm giới hạn chảy và giới hạn bền, song làm tăng độ giãn dài tương đối. Giới hạn chảy và giới hạn bền có thể đạt tương ứng trên 1200 MPa và 1500 MPa cho mẫu tôi và ram thấp, trong khi đó độ giãn dài tương đối khoảng 7% cho thấy thép ở trạng thái phá hủy dẻo. Điều này đặc biệt thuận lợi cho các ứng dụng kết cấu chịu lực. 3.2. Tham số công nghệ tối ưu Từ các hàm quan hệ, tìm tham số công nghệ theo giá trị các hàm mục tiêu lớn nhất. Phương pháp tối ưu sử dụng là phương pháp gradient lớn nhất. Kết quả giá trị tối ưu đạt được chỉ ra trong bảng 2. Bảng 2. Giá trị thông số công nghệ và hàm mục tiêu tối ưu. STT Giá trị tối ưu +, phút TB, 0C B, phút Các giá trị hàm mục tiêu Re, MPa Rm, MPa A, % 1 max Re 3 400 17 489 702 36,5 2 max Rm 14 330 3 455 955 18,8 3 max A 3 390 12,5 484 730 38,3 Từ kết quả bảng 2 cho thấy, vùng thông số công nghệ tối ưu cho giới hạn chảy và độ giãn dài tương đối gần sát nhau, đạt được với thời gian + ngắn khoảng 3 phút giữ nhiệt, nhiệt độ TB nằm trung gian trong miền khảo sát khoảng 390400 0C và thời gian giữ nhiệt B dài khoảng 1217 phút. Trong khi đó, giới hạn bền lớn nhất đạt được với thời gian giữ nhiệt dài + =14 phút, nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt Bainit nằm ở cận dưới miền khảo sát, TB = 330 0C và B = 3 phút. Điều này nhấn mạnh rằng, không thể tìm được một vùng thông số công nghệ để đạt được cả độ bền và độ giãn dài tương đối là lớn nhất. ơ 3.3. Austenit dư và chuyển biến thành Mactensit do biến dạng dẻo Ảnh tổ chức tế vi được tẩm thực màu Lepera của các mẫu 1, 3 và 9 chỉ ra trên hình 6. Thấy rằng, ở cả 3 nhiệt độ Bainit khảo sát (cận dưới, điểm tâm và cận trên) đều xuất hiện pha Austenit dư với màu trắng sáng. Mẫu 9 có tỷ lệ Austenit lớn nhất, tiếp đến là mẫu 1 và cuối cùng là mẫu 3. Vai trò của Austenit dư trong thép Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 281 TRIP được nhiều tài liệu nghiên cứu [3], [4], [5], hầu hết đều thừa nhận tỷ lệ Austenit lớn cho độ giãn dài tương đối cao, đồng thời có sự kết hợp tốt giữa độ bền và độ dẻo. Điều này hoàn toàn phù hợp với kết quả khảo sát cơ tính trình bày trong bảng 1 khi ở điểm khảo sát trung tâm (4000C), độ giãn dài tương đối  đạt ~36% và tích số bx đạt rất cao khoảng 28000 MPa%. a- Mẫu 1 (TB = 350 0C) b- Mẫu 3 (TB = 450 0C) c- Mẫu 9 (TB = 400 0C) Hình 6. Tổ chức tế vi một số mẫu thép (x 500 lần). Chuyển biến của pha Austenit dư thành Mactensit khi biến dạng dẻo được xác thực bằng phương pháp nhiễu xạ tia X. Hình 7 chỉ ra ảnh nhiễu xạ tia X của mẫu 9 trước và sau khi biến dạng (lấy mẫu tại vùng hình thành cổ thắt khi thử kéo). Ở mặt nhiễu xạ (1 1 1) chỉ rõ sự xuất hiện và mất đi của pha Austenit một cách rõ rệt. Điều này hàm ý rằng, Austenit dư đã chuyển biến thành Mactensit khi biến dạng dẻo. Hình 7. Ảnh nhiễu xạ tia X của mẫu 9 trước và sau khi biến dạng. 4. KẾT LUẬN Thép MnSi với thành phần 0,22%C-1,4%Mn-1,6%Si xử lý cơ-nhiệt thu được tổ chức đa pha gồm Ferit, Bainit và Austenit dư phân tán trong tổ chức nền, đồng thời có chuyển pha Austenit dư thành Mactensit khi biến dạng dẻo, nhờ đó, thép nhận được tương quan tốt giữa độ bền và độ dẻo. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đã đưa ra hàm tối ưu quan hệ giữa 3 thông số công nghệ gồm +, TB và B với các chỉ tiêu cơ tính là Re, Rm và A. Từ các quan hệ này, nhà sản xuất có thể chọn ra chế độ công nghệ cho chỉ tiêu cơ học tối ưu nhất theo yêu cầu sử dụng. Trường hợp cần giới hạn bền cao, nên chọn thời gian + = 1315 phút, nhiệt độ TB = 330350 0C và B = 35 phút. Ngược lại, khi cần giới hạn chảy và độ dãn dài tương đối cao, nên chọn thời gian + = 35 phút, nhiệt độ TB = 390400 0C và B = 1217 phút. Tính chất cơ học qua tôi và ram, cùng với xử lý nhiệt TRIP chứng tỏ tiềm năng ứng dụng lớn của thép nghiên cứu cho các sản phẩm đòi hỏi độ bền cao khi sử dụng và cần độ dẻo cao để gia công biến dạng tạo hình. Cơ học & Điều khiển thiết bị bay Đ.V. Hiến, Đ.B. Trụ, N.V. Chúc, “Nghiên cứu ứng xử cơ học điều kiện xử lý cơ- nhiệt.” 282 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Bùi Minh Trí, “Xác xuất thống kê và quy hoạch thực nghiệm”, Hà Nội, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật (2006). [2]. K. D. Amar, G. S. John, and K. M. David, “Color tint-etching for multiphase steels”, Advanced Materials and Processes (2003). [3]. Y Sakuma, O Matsumura, and O Akisue, "Influence of C Content and Annealing Temperature on the Microstructure and Mechanical Properties of 4000C Transformed Steel Containing Retained Austenite," ISIJ International, Vol. 31, No. 11 (1991). [4] Koh-ichi SUGIMO, Noboru O. USUI, Mitsuyuki KOBAYASH, and Shun- ichi HASHIMOTO, "Effects of Volume Fraction and Stability of Retained Austenite on Ductility of TRIP-aided Dual-phase Steels," ISIJ International, Vol. 32, No. 12 (1992). [5] I. Tsukatani, S. Hashimo, and T. Inoue, "Effects of silicon and manganese addition on mechanical properties of high-strength hot rolled sheet steel containing retained austenite" ISIJ International, Vol. 31, No. 9 (1991). ABSTRACT INVESTIGATION OF THE MECHANICAL BEHAVIOUR OF THERMO- MECHANICAL TREATMENTED MnSi TRANSFORMATION INDUCED PLASTICITY STEEL The 0,22%C-1,4%Mn-1,6%Si steel is melted and refined in induction furnace from sponge iron, it is hot forged-rolled and cold rolled with 80% reduction in thickness, then via two heat treatment stages: 1- intercritical anealling at 7800C with hold times 5-10-15 minutes; 2- fast cooling to Bainitic isothermal temperatures 350- 400-4500C with hold times 5-10-15 minutes. The results, after thermo-mechanical treatment received multiphase microstructure: Bainite and retained Austenite disperse in the polygonal Ferrite matrix, thus the steel has the good combination of strength and ductility. From this results have established relationships between mechanical properties and processing parameters. Additionally, mechanical properties of tempered and quenched steel at different tempering temperatures were also examined in order to build the basis for the design of products requiring high strength when used and good ductility for stamping. Keywords: Thermo-mechanical processing, Multiphase steels, Transformation induced plasticity steels, Retained Austenite. Nhận bài ngày 15 tháng 06 năm 2016 Hoàn thiện ngày 20 tháng 08 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 09 năm 2016 Địa chỉ: 1 Viện Tên lửa, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự; 2 Học viện Kỹ thuật quân sự. * Email: vanhiencompany221182@gmail.com