Luận án tiến sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch tôi polyme đến tổ chức tính chất biến dạng của thép ổ lăn ol 100cr1 5

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THỊ XUÂN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG DỊCH TƠI POLYME ĐẾN TỔ CHỨC, TÍNH CHẤT, BIẾN DẠNG CỦA THÉP Ổ LĂN OL 100Cr1,5 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU HÀ NỘI - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THỊ XUÂN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG DỊCH TƠI POLYME ĐẾN TỔ CHỨC, TÍNH CHẤT, BIẾN DẠNG CỦA THÉP Ổ LĂN OL 100Cr1,5 Ngành: Khoa học vật liệu Mã số: 9440122 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Văn Tư PGS.TS Lê Thị Chiều HÀ NỘI - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết trình bày Luận án trung thực chưa tác giả công bố! Hà Nội, ngày 04 tháng 10 năm 2019 TM TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Nguyễn Văn Tư Người cam đoan Trần Thị Xuân i LỜI CẢM ƠN Tác giả chân thành cám ơn PGS.TS Nguyễn Văn Tư PGS.TS Lê Thị Chiều, tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện tài liệu động viên tác giả suốt trình nghiên cứu hoàn thành luận án Tác giả trân trọng cám ơn Quỹ học bổng Sakura Science (Nhật Bản) tài trợ học bổng kinh phí để tác giả có điều kiện sang nghiên cứu thực nghiệm phân tích kết nghiên cứu Trường Đại học Shimane – Nhật Bản Tác giả trân trọng cám ơn Bộ môn Khoa học vật liệu - Trường Đại học Shimane – Nhật Bản, đặc biệt GS Takuya Ohba TS Phạm Hoàng Anh tạo điều kiện thuận lợi trang thiết bị thí nghiệm, nhiệt tình giúp đỡ tác giả trình nghiên cứu thực nghiệm kiểm tra cấu trúc kim loại, kiểm tra thành phần pha kỹ thuật Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction) Nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược (Electron Backscatter Diffraction - EBSD) tác giả đến nghiên cứu Tác giả trân trọng cám ơn Bộ môn Hàn & Công nghệ kim loại - Viện Cơ khí - Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt TS Vũ Đình Toại tạo điều kiện hướng dẫn tác giả sử dụng phần mềm Sysweld 2017.0 để xây dựng chương trình tính tốn mơ số q trình tơi thép OL 100Cr1,5 Tác giả trân trọng cám ơn Bộ mơn Hóa Lý - Viện Kỹ thuật hóa học - Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt TS Nghiêm Thị Thương nhiệt tình giúp đỡ tác giả trình kiểm tra đánh giá tuổi thọ dung dịch polyme kỹ thuật Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infra Red – FTIR) Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance - NMR) Tác giả trân trọng cám ơn bạn thân hữu, đồng nghiệp Bộ môn Vật liệu học, Xử lý nhiệt & Bề mặt - Viện Khoa học & Kỹ thuật vật liệu - Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi động viên tác giả trình nghiên cứu thực luận án Cuối cùng, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bố, mẹ tác giả toàn thể thành viên gia đình động viên, tạo điều kiện tài chia sẻ khó khăn suốt q trình tác giả nghiên cứu hồn thành luận án Tác giả luận án Trần Thị Xuân ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MƠI TRƯỜNG TƠI 1.1 Tổng quan mơi trường tơi nghiên cứu sử dụng 1.2 Tình hình nghiên cứu môi trường polyme giới 1.3 Tình hình nghiên cứu mơi trường tơi polyme nước 1.4 Kết luận chương CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC Q TRÌNH TƠI THÉP TRONG DUNG DỊCH POLYME 2.1 Mục đích tơi thép u cầu môi trường 2.2 Thép OL 100Cr1,5 lựa chọn mơi trường tơi 2.2.1 Thành phần tính chất thép OL 100Cr1,5 2.2.1.1 Công dụng, điều kiện làm việc yêu cầu thép ổ lăn 2.2.1.2 Thành phần hóa học thép OL 100Cr1,5 2.2.1.3 Tính chất thép OL 100Cr1,5 2.2.2 Giản đồ TTT CCT thép OL 100Cr1,5 2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tới hạn thép OL 100Cr1,5 2.2.4 Lựa chọn môi trường thép OL 100Cr1,5 2.2.4.1 Dung dịch polyme poly vinylpyrrolidone (PVP ) nước 2.2.4.2 Dung dịch polyme poly alkylene glycols (PAG) nước 2.3 Cơ chế làm nguội dung dịch polyme 2.3.1 Các giai đoạn làm nguội dung dịch polyme 2.3.2 Cơ chế làm nguội loại dung dịch polyme 2.3.3 Đường nguội dung dịch polyme 2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ nguội dung dịch polyme 2.4.1 Ảnh hưởng nồng độ polyme dung dịch 2.4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ bể tốc độ khuấy 2.5 Tuổi thọ dung dịch polyme 2.6 Chuyển biến mactenxit thép 2.6.1 Cấu trúc tinh thể tính chất mactenxit 2.6.2 Đặc điểm chuyển biến mactenxit 2.6.3 Nhiệt động học chuyển biến mactenxit 2.6.4 Lý thuyết tinh thể chuyển biến mactenxit 2.7 Sự hình thành ứng suất dư biến dạng chi tiết 2.7.1 Trạng thái ứng suất - biến dạng vật liệu 2.7.2 Các loại ứng suất dư sau tơi 2.7.3 Sự hình thành ứng suất chi tiết 2.7.3.1 Ứng suất nhiệt 2.7.3.2 Ứng suất chuyển biến pha 2.7.3.3 Sự hình thành ứng suất dư sau 2.8 Kết luận chương CHƯƠNG NGHIÊN CỨU Q TRÌNH TƠI THÉP TRONG DUNG DỊCH POLYME BẰNG MƠ PHỎNG SỐ 3.1 Mục đích nghiên cứu mô số Trang vii xi xiii 5 10 13 13 14 14 15 15 15 15 16 16 17 18 18 19 20 20 22 23 24 24 24 27 28 28 29 30 31 32 32 33 34 35 36 38 40 41 41 iii 3.2 Cơ sở tính tốn mơ q trình tơi thép 3.2.1 Động học q trình chuyển biến pha thép 3.2.1.1 Động học chuyển biến pha khuếch tán 3.2.1.2 Động học chuyển biến mactenxit 3.2.2 Ảnh hưởng ứng suất đến chuyển biến pha biến dạng dẻo chuyển biến 3.2.3 Các tính chất lý – nhiệt vật liệu 3.2.3.1 Hệ số giãn nở nhiệt, biến dạng nhiệt chuyển pha 3.2.3.2 Tỷ trọng vật liệu 3.2.3.3 Độ dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng Entanpi 3.2.4 Các tính chất học vật liệu 3.2.4.1 Mơ hình vật liệu cho tương tác học 3.2.4.2 Các thành phần biến dạng 3.3 Các bước tính tốn mơ số q trình tơi thép 3.3.1 Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn (PTHH) 3.3.2 Khai báo thông số vật liệu 3.3.3 Thiết lập điều kiện tính tốn mơ q trình tơi 3.3.3.1 Điều kiện trao đổi nhiệt mơ hình với dung dịch tơi 3.3.3.2 Điều kiện kẹp mẫu 3.3.3.3 Các thông số chế độ 3.4 Kết tính tốn mơ trường nhiệt độ mẫu 3.4.1 Trường nhiệt độ phân bố mẫu tơi 3.4.2 Đường nguội số vị trí khảo sát 3.5 Kết mơ q trình chuyển biến pha mẫu tơi 3.6 Kết tính tốn độ cứng mẫu dung dịch polyme 3.7 Kết tính tốn mơ trường ứng suất mẫu tơi 3.8 Kết tính tốn biến dạng mẫu dung dịch polyme 3.9 Kết luận chương CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Pha chế dung dịch polyme 4.1.1 Nguyên liệu pha chế dung dịch polyme 4.1.2 Công thức pha chế dung dịch polyme PVP 4.1.3 Công thức pha chế dung dịch tơi polyme PAG 4.1.4 Tính tốn thể tích dung dịch tơi 4.2 Xác định tính chất dung dịch tơi 4.2.1 Phương pháp phân tích chế làm nguội dung dịch polyme 4.2.2 Đo độ nhớt dung dịch 4.2.3 Đo đường nguội xác định hệ số truyền nhiệt dung dịch 4.2.4 Kiểm tra ơxi hóa polyme phân tích nhiệt trọng lượng/ quét vi sai (TG/DSC) 4.2.5 Kiểm tra nhóm chức liên kết phân tử dung dịch polyme phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) 4.2.6 Xác định khối lượng phân tử polyme dung dịch phổ cộng hưởng từ hạt nhân - Nuclear Magnetic Resonance (NMR) 4.3 Thực nghiệm mẫu 4.3.1 Mẫu thí nghiệm 4.3.2 Thiết bị nhiệt luyện 4.3.3 Quy trình mẫu 41 41 41 42 43 43 43 44 45 45 45 46 46 46 48 51 51 52 53 53 53 55 58 61 62 68 71 72 72 72 72 73 73 75 75 76 77 80 82 82 83 83 84 84 iv 4.4 Các kiểm tra đánh giá sau 4.4.1 Kiểm tra biến dạng mẫu sau 4.4.2 Kiểm tra ứng suất dư mẫu sau nhiễu xạ Rơngen (XRD) 4.4.3 Nghiên cứu tổ chức tế vi kính hiển vi quang học 4.4.4 Xác định tổ chức kim loại nhiễu xạ Rơngen (XRD) 4.4.5 Nghiên cứu cấu trúc thành phần pha nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược (EBSD) 4.4.6 Kiểm tra độ cứng mẫu sau 4.5 Kết luận chương CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 5.1 Cơ chế làm nguội dung dịch polyme PVP PAG 5.2 Ảnh hưởng nồng độ polyme đến nhiệt dung riêng độ nhớt dung dịch 5.2.1 Ảnh hưởng nồng độ polyme đến nhiệt dung riêng dung dịch 5.2.2 Ảnh hưởng nồng độ polyme đến độ nhớt dung dịch 5.3 Ảnh hưởng nồng độ polyme đến tốc độ nguội dung dịch 5.3.1 Ảnh hưởng nồng độ polyme đến tốc độ nguội dung dịch PVP 5.3.2 Ảnh hưởng nồng độ polyme đến tốc độ nguội dung dịch PAG 5.3.3 So sánh khả làm nguội dung dịch PVP PAG với dầu 5.4 Ảnh hưởng dung dịch polyme đến biến dạng mẫu 5.5 Ảnh hưởng dung dịch polyme đến ứng suất dư mẫu 5.6 Ảnh hưởng dung dịch làm nguội polyme đến tổ chức tế vi thép OL 100Cr1,5 5.6.1 Cấu trúc tế vi thép OL 100Cr1,5 số mơi trường 5.6.2 Phân tích thành phần pha mẫu thép OL 100Cr1,5 sau kỹ thuật EBSD 5.7 Ảnh hưởng dung dịch polyme đến độ cứng thép OL 100Cr1,5 5.8 Khả tái sử dụng dung dịch polyme PVP PAG 5.8.1 Độ nhớt dung dịch polyme qua lần 5.8.2 Tốc độ nguội dung dịch polyme qua lần tơi 5.8.3 Kiểm tra ơxi hóa polyme kỹ thuật phân tích nhiệt TG/DSC 5.8.4 Xác định nhóm chức liên kết phân tử polyme phổ hồng ngoại (FT-IR) 5.8.5 Xác định khối lượng phân tử polyme sau lần phổ cộng hưởng từ hạt nhân ( H-NMR) 5.9 Kết luận chương KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN & KIẾN NGHỊ DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Phụ lục 1: Tính tốn thể tích khối lượng mẫu phần mềm Solidworks 2016.0 Phụ lục 2: Các thơng số để tính tốn thể tích dung dịch tơi tối thiểu Phụ lục 3: Các loại mẫu chuẩn để xác định đường nguội dung dịch 84 84 85 86 88 88 89 89 90 90 93 93 94 96 96 98 100 101 103 108 109 113 123 125 125 126 129 131 132 134 135 136 137 143 143 144 145 v Phụ lục 4: Phương pháp Phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) Phụ lục 5: Phương pháp phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) Phụ lục 6: Mẫu đo biến dạng Phụ lục 7: Phương pháp xác định ứng suất dư nhiễu xạ Rơngen 145 146 148 149 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu / Viết tắt %A %T     y f q f 1, 2, 3 1, 2, 3 Đơn vị Phần trăm hấp thụ [mPa.s] [µm] o [] o [] o [] [MPa] el H2O Le max pl o [ C] o [ C] RS, RS,I, RS,II, RS,III th tp tp tr Góc chùm tia tới với trục 3 Góc hình chiếu chùm tia tới mặt phẳng mẫu với trục 1 Góc nhiễu xạ Ứng suất bề mặt Ứng suất theo phương 1, 2, Độ biến dạng dọc theo trục Biến dạng đàn hồi Nhiệt độ môi trường nước nước Nhiệt độ Leidenfrost Ứng suất cắt (ứng suất tiếp) cực đại Biến dạng dẻo Gradient nhiệt độ Biến dạng nhiệt Biến dạng dẻo chuyển biến Biến dạng dẻo chuyển pha xy xy, zx, yz z, y, x () () H NMR A A1 a1, a2, a3 ACR Ag As BCT Phần trăm truyền qua Độ nhớt động lực học Ứng suất cắt Độ nhớt động học Bước sóng Ứng suất dư, ứng suất dư loại 1, ứng suất dư loại 2, ứng suất dư loại T Ý nghĩa o [ C] Biến dạng chuyển pha Độ xê dịch Ứng suất tiếp mặt phẳng xy, zx, yz Ứng suất pháp theo phương z, y, x Nhiệt dộ ứng với austenit nguội ổn định Hệ số giãn nở nhiệt thực Biến dạng nhiệt pha i nhiệt độ T Biến dạng nhiệt pha j nhiệt độ T Giới hạn chảy pha austenit Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton o [ C] o [ C] Độ hấp thụ Nhiệt độ tới hạn thép Trị số định hướng theo phương Alkali polyacrylate Diện tích hạt trung bình Nhiệt độ bắt đầu tạo thành austenit Chính phương tâm khối vii Bo c/a CCT [ppm] Cct Cdd Cnước Cp CPAG CPVP CR CR300 CRmax d Dnorm Dnorm,max DSC [J/(kg.K)] [J/(kg.K)] [J/kg.K] [J/(kg.K)] [J/kg.K] [J/kg.K] o [ C/s] o [ C/s] o [ C/s] DTA Dx Dy Dz E EBSD EO Eout Est Eth FCC FE-SEM FTIR G GMP GTN Hi HTC HV I o, I JMA K K Ktp m1 m2 [mm] [mm] Từ trường tác động Độ phương Chuyển biến làm nguội liên tục (Continuous Cooling Transformation) Nhiệt dung riêng chi tiết Nhiệt dung riêng dung dịch Nhiệt dung riêng nước Nhiệt dung riêng thép Nhiệt dung riêng PAG Nhiệt dung riêng PVP Tốc độ nguội (Cooling rate) o Tốc độ nguội nhiệt độ 300 C Tốc độ nguội lớn Khoảng cách mặt tinh thể Biến dạng tổng Biến dạng tổng lớn Khoảng cách mặt tinh thể ứng suất dư Phân tích nhiệt quét vi sai (Differential scanning calorimetry) [mm] [mm] [mm] [N/mm ] [J/kg] Phân tích nhiệt vi sai (Differential Thermal Analysis) Biến dạng theo phương x Biến dạng theo phương y Biến dạng theo phương z Mô đun Young Nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược (Electron Backscatter Diffraction) Etylen oxide Nhiệt truyền từ chi tiết vào môi trường tức thời Sự thay đổi nhiệt tức thời chi tiết tơi Enthalpy Lập phương tâm mặt Kính hiển vi điện tử quét xạ trường (Field Emission Scanning Electron Microscopy) [mm] [mm] [W/m K] [W/mmK] [%] [%] Phổ biến đổi hồng ngoại Fourier Modun trượt Độ mở khe nhẫn chữ C theo tính tốn mơ Độ mở khe nhẫn chữ C theo đo đạc thực nghiệm Entanpy tiêu chuẩn pha i Heat transfer coefficient - Hệ số trao đổi nhiệt Vickers Hardness Cường độ xạ trước sau hấp thụ Định luật Johnson-Mehl-Avrami Hệ số dẫn nhiệt thép Hằng số hóa bền Hệ số biến dạng dẻo chuyển biến Tỉ phần khối lượng polyme nước Tỉ phần khối lượng nước viii