Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Ảnh hưởng của thông số công nghệ cơ - nhiệt đến tổ chức và cơ tính của thép TRIP CMnSi luyện từ sắt xốp

Mục đích của luận án nhằm nghiên cứu xác lập các quan hệ giữa một số thông số công nghệ cơ-nhiệt với cơ tính của một mác thép TRIP CMnSi có xét đến quan hệ trung gian với tổ chức để điều khiển công nghệ nhằm tìm ra các bộ thông số công nghệ tối ưu độ bền và độ dẻo theo yêu cầu sử dụng.

ĐINH VĂN HIẾN

ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CƠ - NHIỆT ĐẾN TỔ CHỨC VÀ CƠ TÍNH CỦA THÉP TRIP CMnSi

LUYỆN TỪ SẮT XỐP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2018

-

ĐINH VĂN HIẾN

ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CƠ - NHIỆT ĐẾN TỔ CHỨC VÀ CƠ TÍNH CỦA THÉP TRIP CMnSi

LUYỆN TỪ SẮT XỐP

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 9520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS ĐINH BÁ TRỤ

2 PGS.TS NGUYỄN VĂN CHÚC

HÀ NỘI - 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả trong Luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập và thực hiện Luận án tiến sĩ, tôi đã nhận được sự giúp đỡ và tạo điều kiện rất nhiều của tập thể giáo viên hướng dẫn, các tập thể và cá nhân trong và ngoài đơn vị công tác Qua đây, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới:

1 Tập thể giáo viên hướng dẫn PGS.TS Đinh Bá Trụ và PGS.TS Nguyễn Văn Chúc hướng dẫn và định hướng các nội dung khoa học của đề tài Luận án;

2 Lãnh đạo Viện Khoa học và Công nghệ quân sự; thủ trưởng và các cán bộ, nhân viên Phòng Đào tạo/Viện Khoa học và Công nghệ quân sự; thủ trưởng và cán

bộ phụ trách đào tạo của Viện Tên lửa; tập thể Phòng Công nghệ/Viện Tên lửa, nơi tôi học tập và công tác đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện Luận án;

3 Dự án KHCN cấp nhà nước (giai đoạn 2014-2017) do Công ty MIREX chủ trì và “nhóm nghiên cứu thép hợp kim luyện từ sắt xốp”, nơi đã sản xuất được sắt xốp sạch, chứng minh khả năng đưa sắt xốp thành nguyên liệu luyện thép và tính khả thi luyện thép hợp kim từ sắt xốp, nơi khởi nguồn cho một hướng nghiên cứu mới – Thép độ bền cao tiên tiến AHSS luyện từ sắt xốp, đã cung cấp ý tưởng nghiên cứu cho đề tài Luận án, giúp đề tài luyện được mác thép TRIP theo yêu cầu và hỗ trợ vật chất cho tôi triển khai các thực nghiệm;

4 Các chuyên gia, nhà khoa học đã cho Luận án nhiều ý kiến đóng góp quý báu;

5 Các cán bộ, nhân viên Phòng thí nghiệm Khí động-Động lực/Viện Tên lửa; Bộ môn Công nghệ vật liệu/Học viện KTQS; Trung tâm thực nghiệm và sản xuất Mỏ và Luyện kim Tam Hiệp/Viện KH&CN Mỏ-Luyện kim; Phòng thí nghiệm trọng điểm vật liệu điện, điện tử quốc gia/Viện Khoa học vật liệu/Viện hàn lâm KH&CN Việt Nam; Viện Khoa học kỹ thuật vật liệu/Trường Đại học BKHN; Khoa Hóa học/Trường Đại học KHTN; Công ty cơ khí và tự động hóa MIO đã giúp đỡ tôi làm thí nghiệm;

6 Gia đình, người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, chia sẻ và giúp

đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện Luận án

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 ĐẶC ĐIỂM THÉP AHSS-TRIP VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT 5

1.1 Một số khái niệm liên quan 5

1.1.1 Thép HSLA 5

1.1.2 Thép AHSS 5

1.1.3 Thép TRIP 7

1.2 Thành phần-tổ chức-cơ tính của thép AHSS và TRIP 8

1.2.1 Thành phần và tổ chức tế vi thép AHSS và TRIP 8

1.2.2 Cơ tính thép AHSS và TRIP 13

1.3 Công nghệ sản xuất và ứng dụng của thép AHSS và TRIP 17

1.3.1 Công nghệ sản xuất thép AHSS 17

1.3.2 Công nghệ cơ-nhiệt sản xuất thép TRIP 22

1.3.3 Ứng dụng của thép AHSS và thép TRIP 24

1.4 Sắt xốp MIREX - nguyên liệu quan trọng sản xuất thép AHSS ở Việt Nam 25

1.5 Kết luận chương 1 27

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TỔ CHỨC VÀ CƠ TÍNH CỦA THÉP TRIP 28

2.1 Độ bền và độ dẻo của thép TRIP 28

2.1.1 Luật trộn pha áp dụng trong thép TRIP 28

2.1.2 Các nguyên lý hãm lệch để tăng bền sử dụng trong thép TRIP 29

2.1.3 Hóa bền bằng dung dịch rắn và tiết pha phân tán trong thép TRIP 30

2.1.4 Nguyên lý hóa bền và tăng dẻo bằng làm nhỏ hạt trong thép TRIP 32

2.1.5 Hai nguyên lý hóa bền và tăng dẻo bằng chuyển biến pha trong thép

TRIP 33

2.2 Nhiệt động học hình thành tổ chức thép TRIP và các yếu tố ảnh hưởng 41

2.2.1 Cơ sở nhiệt động học hình thành tổ chức thép TRIP 41

2.2.2 Ảnh hưởng của C, Mn, Si đến động học hình thành tổ chức thép TRIP 44

2.2.3 Ảnh hưởng của thông số cơ-nhiệt đến sự tạo thành tổ chức thép TRIP 45

2.3 Quan hệ thành phần C, Mn và Si với tổ chức và cơ tính thép TRIP 47

2.4 Kết luận chương 2 51

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 53

3.1 Sơ đồ công nghệ thực nghiệm 53

3.2 Phương pháp chuẩn bị phôi và xác định các thông số nhiệt động 55

3.2.1 Mác thép nghiên cứu 55

3.2.2 Xác định các thông số nhiệt động 56

3.2.3 Gia công chuẩn bị phôi 58

3.3 Phương pháp xác định tổ chức và cấu trúc pha 58

3.3.1 Nhận diện các tổ chức pha bằng hiển vi quang học 58

3.3.2 Đo cỡ hạt và tỷ lệ các pha 59

3.3.3 Nhận diện austenit dư và mactenxit sau biến dạng bằng nhiễu xa tia X 60

3.4 Phương pháp xác định miền thông số gia công cơ-nhiệt 60

3.4.1 Xác định mức độ biến dạng cán nguội 61

3.4.2 Xác định miền thông số xử lý nhiệt 63

3.5 Phương pháp xác định các đặc trưng cơ tính 66

3.6 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 66

3.7 Phương pháp xử lý số liệu bằng phần mềm thống kê Statistica 72

3.8 Kết luận chương 3 73

Chương 4 ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CƠ-NHIỆT ĐẾN TỔ CHỨC VÀ CƠ TÍNH THÉP TRIP CMnSi LUYỆN TỪ SẮT XỐP 75

4.1 Một số nhận xét về thành phần, tổ chức và cơ tính thép TRIP nghiên cứu 75

4.2 Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến tổ chức thép TRIP nghiên cứu 78

4.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian nung đến tỷ phần và cỡ hạt ferit 78

4.2.2 Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến tỷ phần bainit 81

4.2.3 Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến tỷ phần và cỡ hạt austenit dư 81

4.3 Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến các đặc trưng bền 86

4.3.1 Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến giới hạn bền 86

4.3.2 Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến giới hạn chảy 91

4.3.3 Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến hệ số hóa bền 94

4.4 Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến các đặc trưng dẻo 96

4.4.1 Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến độ giãn dài tương đối 96

4.4.2 Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến hệ số biến cứng 98

4.4.3 Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến chỉ số hấp phụ năng lượng PSE 101

4.5 Các phân vùng thông số công nhệ tối ưu theo tương quan độ bền - độ dẻo 103 4.6 Ứng dụng chế độ công nghệ tối ưu độ dẻo trong xử lý bán thành phẩm dập 105

4.7 Kết luận chương 4 106

KẾT LUẬN CHUNG 108

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 110

TÀI LIỆU THAM KHẢO 111

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

A Độ giãn dài tương đối, [%]

AHSS Thép độ bền cao tiên tiến (Advanced High Strength Steel)

A c1 , A c3 Nhiệt độ bắt đầu, kết thúc chuyển biến austenit khi nung (trạng

thái không cân bằng), [0C]

A e1 , A e3 Nhiệt độ bắt đầu, kết thúc chuyển biến austenit ở trạng thái cân

bằng, [0C]

BH Biến cứng nung (Bake Hardening)

B s , M s Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến bainit, mactenxit, [0

C]

b 0 , b i , b ij , b ii Các hệ số trong phương trình hồi quy

CP (Thép) có cấu trúc pha phức hợp (Complex Phase Steel)

C 0 Hàm lượng cacbon của thép, [% khối lượng]

C Hàm lượng cacbon của ferit, [% khối lượng]

Cb Hàm lượng cacbon của bainit, [% khối lượng]

C Hàm lượng cacbon của austenit [% khối lượng]

CIA Hàm lượng cacbon của austenit trong vùng tới hạn, [% khối

lượng]

Cd Hàm lượng cacbon của austenit dư, [% khối lượng]

c nt Nồng độ nguyên tử hòa tan

DP (Thép) song pha (Dual Phase Steel)

d Kích thước hoặc cỡ hạt, [µm]

d Kích thước (cỡ hạt) hạt ferit, [µm]

d’ Kích thước (cỡ hạt) hạt mactenxit, [µm]

dd Kích thước (cỡ hạt) hạt austenit dư, [µm]

FLC Đường cong biến dạng tới hạn (Forming Limit Curve)

f Tỷ phần thể tích pha hoặc hạt phân tán, [%]

f , fb , f và f’ Tỷ phần thể tích ferit, bainit, austenit và mactenxit, [%]

f+b Tỷ phần thể tích ferit + bainit, [%]

*

b

f Tỷ phần thể tích cuối cùng của banit, [%]

feq Tỷ phần thể tích austenit trong vùng tới hạn ở trạng thái cân

bằng, [%]

fIA Tỷ phần thể tích austenit khi nung trong vùng tới hạn, [%]

fd 0 Tỷ phần thể tích austenit dư ban đầu (khi chưa biến dạng), [%]

fd Tỷ phần thể tích austenit dư còn lại khi chịu một mức độ biến

dạng nhất định, [%]

̅̅̅̅ Tỷ lệ thể tích austenit dư trung bình, [%]

G Mô đun trượt (xê dịch), [GPa] hoặc Năng lượng tự do Gibbs

G N Lực động lực nhỏ nhất cho chuyển biến bainit

HSLA (Thép) hợp kim thấp độ bền cao (High Strength Low Alloy

Steel)

h, k, l Các chỉ số Miller của mặt tinh thể

IF (Thép) không có nguyên tử xen kẽ (Interstitial Free Steel)

IF-HS (Thép) không có nguyên tử xen kẽ độ bền cao (Interstitial Free

High Strength Steel)

I, I Cường độ nhiễu xạ của ferit và austenit

K Hệ số bền trong luật biến cứng động lực,  = K.n , [MPa]

K c Hệ số bền trong các luật hóa bền dung dịch rắn

K d Hệ số biểu diễn trở lực biên giới hạt trong luật hóa bền

Hall-Petch

k, k 0 , k 1 , k 2 Các hệ số hiệu chỉnh

Mild Thép cacbon thấp (chứa tối đa 0,25%C) (Mild Steel)

MS Thép mactenxit (Martensite Steel)

M s Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactenxit, [0

n Hệ số biến cứng theo luật biến cứng động lực hoặc chỉ số mũ

dùng chung cho các phương trình lý thuyết

LF Lò thùng (Ladle Furnace) - Tinh luyện thép bằng thổi khí trơ PSE Tích số giới hạn bền và độ giãn dài tương đối (Product of

Tensile Strength and Elongation)

QHTN Quy hoạch thực nghiệm

R hkl Tham số phụ thuộc bước sóng và góc phản xạ của tia X

R p Giới hạn chảy đơn hoặc giới hạn chảy quy ước tại mức độ biến

dạng dẻ 0,2% khi thử kéo, [MPa]

TWIP (Thép) dẻo do song tinh (TWinning Induced Plasticity Steel)

T 0 Giá trị nhiệt độ lý thuyết tại đó năng lượng tự do của austenit và

mactenxit bằng nhau, [0C]

T B Nhiệt độ nguội đẳng nhiệt trong vùng chuyển biến bainit, [0C]

T nc Nhiệt độ nóng chảy, [0C]

T+ Nhiệt độ nung trong vùng tới hạn, [0C]

t B Thời gian giữ nhiệt khi nguội đẳng nhiệt trong vùng chuyển

biến bainit, [Phút]

t+ Thời gian giữ nhiệt khi nung trong vùng tới hạn, [Phút]

u Thể tích của một đơn vị con bainit

VD (Lò) khử khí chân không (Vacuum Degassing Furnace)

VIM (Lò) nấu luyện cản ứng chân không (Vacuum Induction Melting

Furnace) VOD (Lò) khử cacbon và khí chân không (Vacuum Oxygen

Decarburization Furnace)

V ng Tốc độ nguội, [0C/s]

V th Tốc độ nguội tới hạn, [0C/s]

v ln Tốc độ lớn lên của hạt

X 1 Biến mã hóa của biến thực T+

X 2 Biến mã hóa của biến thực t+

X 3 Biến mã hóa của biến thực T B

X 4 Biến mã hóa của biến thực t B

Y i Giá trị hàm hồi quy tại điểm thí nghiệm i

i

Y Giá trị thí nghiệm tại điểm thí nghiệm i

y Tỷ số rèn hoặc tỷ số biến dạng

Z Ký hiệu giá trị biến thực chung trong quy hoạch thực nghiệm

Z 0 Giá trị của biến thực tại tâm miền khảo sát của biến thực trong

quy hoạch thực nghiệm

u Mức độ biến dạng đồng đều khi kéo

TRIP Mức độ biến dạng gây do do chuyển pha mactenxit

, b , ’ và d Mức độ biến dạng của các pha ferit, bainit, mactenxit và

austenit dư

+b Mức độ biến dạng trung bình của hỗn hợp pha ferit và bainit

j Hệ số phương trình hồi quy nói chung

X Góc nhiễu xạ của tia X

GND Mật độ lệch hình học cần thiết tham gia biến dạng

0 Ứng suất chảy của vật đa tinh thể khi không có tương tác lệch

0c Ứng suất chảy khi lệch bắt đầu chuyển động

c Ứng suất chảy của vật đa tinh thể

*

c

 Độ chênh ứng suất chảy giữa mactenxit và austenit

,b ,’ và d Ứng suất (độ bền) chảy động của ferit, bainit, mactenxit và

austenit dư

+b Ứng suất (độ bền) chảy động của hỗn hợp pha ferit và bainit

ij Các thành phần của tensơ ứng suất

 Ứng suất trượt gây ra do ngoại lực đặt vào

i Ứng suất cản trượt do nội ma sát

 Ứng suất trượt của tập hợp lệch có mật độ lệch 

G Năng lượng tự do cần thiết để hình thành một tâm mầm

mactenxit (’) dạng đĩa có bán kính r và chiều dày s

G BD Năng lượng biến dạng trên một đơn vị thể tích mactenxit (’)

G HH Năng lượng tự do hóa học trên một đơn vị thể tích của

mactenxit (’) Năng lượng sinh mầm mactenxit tới hạn

  Năng lượng bề mặt trên một đơn vị diện tích bề mặt /’

0

m

G

 Lực động lực của chuyển biến tại thời điểm bắt đầu ram austenit

Z Hiệu số giữa giá trị cận trên và cận dưới của biến thực khi khảo

sát trong quy hoạch thực nghiệm

i Sai số tuyệt đối giữa giá trị lý thuyết tính theo hàm hồi quy (Y i)

và thực nghiệm (Y i ) tại điểm thí nghiệm thứ I (i Y iY i )

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của thép HSLA và thép AHSS 8

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của một số thép TRIP theo tiêu chuẩn 11

Bảng 1.3 Một số thép dùng trong ô tô [110] 15

Bảng 1.4 Thành phần hóa học của một vài nguyên liệu dùng luyện thép [77] 19

Bảng 1.5 Thành phần hóa học một số loại sắt xốp do Việt Nam sản xuất 26

Bảng 2.1 Ảnh hưởng của tỷ phần pha thép TRIP lên cơ tính 39

Bảng 3.1 Thiết bị, phần mềm và phương pháp chính sử dụng trong Luận án 54

Bảng 3.2 Cơ tính thép dùng chế tạo các ống vỏ động cơ tên lửa 55

Bảng 3.3 Thành phần mẻ liệu (tính cho 50 kg thép thành phẩm) 55

Bảng 3.4 Thành phần hóa học thép sau nấu và tinh luyện 56

Bảng 3.5 Các nhiệt độ tới hạn của thép nghiên cứu 56

Bảng 3.6 Giá trị R của ferit và austenit sử dụng bức xạ Cu-K [42] 60

Bảng 3.7 Dải giá trị, khoảng phân tán và độ tin cậy của các đặc trưng cơ tính thép nghiên cứu 66

Bảng 3.8 Bảng QHTN và kết quả các đặc trưng tổ chức và cơ tính theo phương án 1 67

Bảng 3.9 Bảng QHTN và kết quả các đặc trưng tổ chức và cơ tính theo phương án 2 68

Bảng 3.10 Các hàm mục tiêu theo biến mã hóa 69

Bảng 3.11 Các hàm mục tiêu theo biến thực 70

Bảng 3.12 Nghiệm và giá trị tối ưu giới hạn chảy theo mô hình và thực nghiệm 70

Bảng 3.13 Nghiệm và giá trị tối ưu giới hạn bền theo mô hình và thực nghiệm 71

Bảng 3.14 Nghiệm và giá trị tối ưu độ giãn dài theo mô hình và thực nghiệm 71

Bảng 3.15 Nghiệm và giá trị tối ưu PSE theo mô hình và thực nghiệm 71

Bảng 3.16 Phân tích ảnh hưởng các yếu tố X 2 , X 3 , X 4 đến giới hạn chảy R p1 72

Bảng 4.1 So sánh các đặc trưng tổ chức thép TRIP nghiên cứu với tổ chức điển hình của thép TRIP 76

Bảng 4.2 So sánh cơ tính thép TRIP nghiên cứu với một số thép 77

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Quan hệ giới hạn bền với độ giãn dài của một số thép kết cấu [110] 5

Hình 1.2 Tổ chức thép HSLA và AHSS [53] 9

Hình 1.3 Tổ chức thép TRIP trước và sau khi biến dạng [60] 12

Hình 1.4 Đóng góp của chuyển pha mactenxit đến tăng bền, tăng dẻo của thép TRIP [38] 12

Hình 1.5 Quan hệ độ giãn dài với tỷ phần austenit dư của thép TRIP và DP [29] 12

Hình 1.6 Quan hệ độ bền kéo và độ giãn dài của một số thép [28] 14

Hình 1.7 Cơ tính của thép TRIP, DP và HSLA có cùng giới hạn chảy [110] 15

Hình 1.8 Ảnh hưởng của hệ số biến cứng đến khả năng dập tấm trong thép HSLA340 và thép TRIP600 [81] 16

Hình 1.9 Biểu đồ FLC của thép TRIP600, DP600, HSLA340 và DDS [81] 17

Hình 1.10 Lưu trình công nghệ sản xuất thép kinh điển và tiến tiến 18

Hình 1.11 Sơ đồ công nghệ cơ-nhiệt sản xuất một số thép AHSS [40] 21

Hình 1.12 Hai sơ đồ công nghệ cơ-nhiệt sản xuất thép TRIP [124] 22

Hình 1.13 Một số sản phẩm chế tạo từ thép AHSS [100] 25

Hình 1.14 Sơ đồ xử lý cơ tính thép AHSS dùng dập nóng sản phẩm [113] 25

Hình 1.15 Sản phẩm dập vuốt sâu từ thép TRIP, DP và MS [25], [111] 25

Hình 2.1 Mô tả cách xác định độ bền và độ biến dạng của vật thể đa pha [49] 28

Hình 2.2 So sánh ứng suất vi mô và ứng suất tính toán xét và không xét đến đóng góp của mactenxit [71] 29

Hình 2.3 Cơ chế sinh lệch [99] 30

Hình 2.4 Ảnh hưởng của NTHK đến giới hạn chảy ferit [30] 30

Hình 2.5 Đóng góp của các cơ chế hóa bền đến độ bền của thép [57] 31

Hình 2.6 Ảnh hưởng của Nb đến cơ tính thép TRIP [60] 31

Hình 2.7 Ảnh hưởng của Ti đến cơ tính thép TRIP [84] 31

Hình 2.8 Quan hệ cơ tính với cỡ hạt ferit trong thép TRIP CMnSi [114] 32

Hình 2.9 Lệch dịch chuyển qua biên hạt trong tổ chức hạt nhỏ [99] 33

Hình 2.10 Mô tả tích tụ lệch tại phân giới pha trong thép TRIP [118] 34

Hình 2.11 Tổ chức bainit trong thép TRIP [22]: 34

Hình 2.12 Quan hệ ứng suất-biến dạng ferit và bainit của các thép TRIP [39] 34

Hình 2.13 Năng lượng tự do của mactenxit và austenite [33] 36

Hình 2.14 Ứng suất cần thiết gây ra chuyển biến mactenxit dưới tải cơ học [33] 36

Hình 2.15 Mặt chảy Misses của pha nền: 1- không có chuyển pha; 2- có chuyển pha mactenxit 37

Hình 2.16 Lệch hình thành quanh hạt mactenxit [71] 37

Hình 2.17 Đường cong ứng suất-biến dạng và tốc độ biến cứng của thép TRIP [76] 38

Hình 2.18 Mức độ biến dạng của pha nền tăng khi tăng tỷ lệ pha rắn thứ hai [21] 39

Hình 2.19 Quan hệ giới hạn bền và độ giãn dài của một số thép TRIP [112] 40

Hình 2.20 Biểu đồ ứng suất-biến dạng của thép TRIP 0,14C-1,5Mn-1,5Si-0,5Cu [35] 40

Hình 2.21 Giản đồ pha hệ Fe-C-Mn-Si 41

Hình 2.22 Động học kết tinh lại ferit và hình thành austenit (thép CMnSi) [122] 41

Hình 2.23 Giản đồ nguội đẳng nhiệt của austenit trong thép TRIP 42

Hình 2.24 Mô tả chuyển biến bainit [15] 43

Hình 2.25 Đường cân bằng năng lượng T 0 giữa ferit và austenit [22] 43

Hình 2.26 Quan hệ nhiệt độ nung với tỷ phần austenit dư [101] 45

Hình 2.27 Tổ chức thép TRIP khi nguội đến nhiệt độ phòng [49] 46

Hình 2.28 Quan hệ tỷ phần austenit dư với nhiệt độ bainit [98] 47

Hình 2.29 Quan hệ tỷ phần austenit dư với thời gian đẳng nhiệt bainit [86] 47

Hình 2.30 Sự phụ thuộc của hàm lượng C nhiệt độ và thời gian nguội đẳng nhiệt: 48

Hình 2.31 Quan hệ tỷ phần austenit dư với hàm lượng C trong thép TRIP xC-1,2Mn-1,2Si [109] 48

Hình 2.32 Ảnh hưởng C đến tỷ phần austenit dư và cơ tính của thép TRIP xC-1,2Mn-1,2Si [109] 48

Hình 2.33 Ảnh hưởng Mn đến tỷ phần austneit dư và cơ tính thép TRIP CMnSi [67] 49

Hình 2.34 Ảnh hưởng Si đến tỷ phần austneit dư và cơ tính thép TRIP CMnSi

[67] 50

Hình 2.35 Quan hệ tỷ phần austenit dư và cơ tính với hàm lượng Si và Mn trong thép TRIP CMnSi [116] 50

Hình 2.36 Quan hệ giới hạn bền với hàm lượng C-Mn-Si trong thép TRIP 51

Hình 2.37 Quan hệ độ giãn dài tương đối với hàm lượng C-Mn-Si trong thép TRIP 51

Hình 3.1 Sơ đồ công nghệ thực nghiệm 53

Hình 3.2 Quan hệ tỷ lệ pha với nhiệt độ nung 56

Hình 3.3 Biểu đồ đo giãn nở nhiệt thép nghiên cứu 57

Hình 3.4 Quan hệ giữa nhiệt độ M s , B s và hàm lượng C, Mn, Si của austenit phụ thuộc nhiệt độ trong vùng tới hạn tính toán theo Jmatpro 57

Hình 3.5 Tổ chức tế vi thép nghiên cứu sau đúc, rèn và cán nóng 58

Hình 3.6 Mô tả cách xác định tỷ phần pha bằng ImageJ 59

Hình 3.7 Sơ đồ gia công cơ-nhiệt nghiên cứu 60

Hình 3.8 Rạn nứt trên mẫu cán nguội 85% 61

Hình 3.9 Tổ chức tế vi các mẫu thép với các mức độ cán nguội khác nhau 62

Hình 3.10 Tổ chức tế vi các mẫu thép cán nguội với các mức độ biến dạng khác nhau được nung ở 7500C, giữ nhiệt 10 phút và làm nguội trong nước 62

Hình 3.11 Tổ chức tế vi các mẫu thép cán nguội với các mức độ biến dạng khác nhau được nung ở 7800C, giữ nhiệt 10 phút và làm nguội trong nước 62

Hình 3.12 Tổ chức tế vi các mẫu thép cán nguội với các mức độ biến dạng khác nhau được nung ở 8100 C, giữ nhiệt 10 phút và làm nguội trong nước 62

Hình 3.13 Sự phụ thuộc của tỷ phần pha ferit, austenite và cơ hạt ferit vào nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt khi nung trong vùng tới hạn 63

Hình 3.14 Quan hệ tỷ phần austenit dư với nhiệt độ và thời gian bainit 64

Hình 3.15 Biểu đồ nhiệt độ khi nung tại các nhiệt độ khác nhau và làm nguội trong muối nóng chảy ở 4000C 65

Hình 3.16 Tốc độ nguội tới hạn thép nghiên cứu tính toán theo Jmatpro tại các nhiệt độ nung khác nhau 65

Hình 3.17 Mẫu thử kéo (dày 2 mm) 66

Hình 3.18 Sơ đồ thiết kế tìm kiếm miền tối ưu TSCN 73

Hình 4.1 Tổ chức tế vi của mẫu 80B-4 sau xử lý cơ-nhiệt 75

Hình 4.2 Tổ chức tế vi của mẫu 80B-14 76

Hình 4.3 Tổ chức tế vi của mẫu 80-B23 76

Hình 4.4 Quan hệ giới hạn bền và độ giãn dài tương đối của thép TRIP nghiên cứu 77

Hình 4.5 Biểu đồ ứng suất-biến dạng của thép nghiên cứu ở trạng thái cán nóng, xử lý TRIP và thép 08 78

Hình 4.6 Quan hệ tỷ phần và cỡ hạt ferit với nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt khi nung 79

Hình 4.7 Mô tả thực tế tỷ phần austenit tăng và cỡ hạt ferit giảm khi tăng nhiệt độ nung trong vùng hai pha 79

Hình 4.8 Quan hệ tỷ phần bainit với các TSCN 80

Hình 4.9 Quan hệ tỷ phần austenit dư với các TSCN 82

Hình 4.10 Đường nhiệt độ cân bằng T 0 của austenit có thành phần hợp kim của thép nghiên cứu tính theo Jmatpro 83

Hình 4.11 Quan hệ cỡ hạt austenit dư với các TSCN 85

Hình 4.12 Quan hệ giới hạn bền với các TSCN 87

Hình 4.13 Biểu đồ ứng suất-biến dạng của thép nghiên cứu ứng với mẫu 80IA-5 và 80IA-8 88

Hình 4.14 Biểu đồ nhiễu xạ X-ray mẫu thép 80B-14 trước và sau khi kéo 89

Hình 4.15 Quan hệ giới hạn bền với thời gian giữ nhiệt bainit trong thép TRIP 0,1C-1,51Mn-0,94Si-0,49Cu [87] 90

Hình 4.16 Quan hệ giới hạn chảy với các TSCN 92

Hình 4.17 Quan hệ giữa hệ số hóa bền với các TSCN 95

Hình 4.18 Quan hệ giữa độ giãn dài tương đối với các TSCN 97

Hình 4.19 Quan hệ hệ số biến cứng với các TSCN 99

Hình 4.20 Quan hệ giữ PSE với các TSCN 102

Hình 4.21 Phân vùng tổ chức và TSCN theo tương quan độ bền-độ dẻo 103

Hình 4.22 Quan hệ độ bền-độ dẻo thép TRIP CMnSi kiểm chứng 105

Hình 4.23 Bán thành phẩm trước và sau khi dập 106

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài Luận án

Hiện nay, ngành luyện kim thế giới đang phát triển theo hướng sản xuất các loại

thép bền hơn, dẻo hơn, giá thành thấp và công nghệ thân thiện môi trường hơn

Cuối thế kỷ 20, ngành thép thế giới đã có nhiều cuộc cách mạng công nghệ: công nghệ hoàn nguyên trực tiếp quặng sắt cho sản phẩm là sắt (gang) hoàn nguyên

trực tiếp, trong đó, có sắt xốp, có hàm lượng C và tạp chất P, S thấp, được dùng

thay gang và sắt phế để luyện các mác thép chất lượng cao; công nghệ luyện thép lò điện và tinh luyện thứ cấp khử sâu tạp chất, nhất là các khí; công nghệ đúc liên tục thay thế đúc gù và đúc cán liên tục thay thế cán thô; công nghệ cơ-nhiệt tạo các hiệu ứng tổ chức đặc biệt có lợi cho thuộc tính cơ học Nhờ ứng dụng các thành tựu khoa

học công nghệ (KHCN) mới, thép độ bền cao tiên tiến (thép AHSS) đã ra đời như

thép song pha (thép DP), thép dẻo do chuyển biến pha (thép TRIP)

Thép AHSS có ưu việt là có sự kết hợp hài hòa độ bền cao, độ dẻo tốt và biến cứng nguội lớn Thép được dùng để chế tạo các kết cấu chịu lực như vỏ khung dầm xe ô tô; dập sâu tạo ống chịu áp lực như vỏ bình cao áp, động cơ phản lực trong quốc phòng … Thép AHSS đang tạo ra một cuộc mạng về sử dụng vật liệu bền-dẻo, như công bố của hãng FSV-Mỹ [110], tỷ lệ sử dụng thép AHSS năm 2007

là 9,5% và tăng lên 34,8% năm 2015, nhờ đó, khối lượng phần thân xe giảm 25%

Trong khi đó, công nghệ sản xuất thép trong nước vẫn theo hướng truyền thống “Luyện gang lò cao  Luyện thép lò điện  Đúc, cán thành phôi” để sản xuất thép xây dựng, chưa theo hướng công nghệ thế giới sản xuất các loại thép tiên tiến, chất lượng cao phục vụ công nghiệp dân dụng và quốc phòng

Nước ta, hiện đã có 02 nhà máy sản xuất sắt xốp cung cấp ra thị trường (MIREX - Cao Bằng và MATEXIM - Bắc Kạn), đã mở ra triển vọng mới cho ngành vật liệu thép hợp kim Việt Nam, tiền đề cho sản xuất thép chất lượng cao

Năm 2014, nhà nước đã giao cho Công ty MIREX chủ trì dự án KHCN có nhiệm vụ sản xuất thép hợp kim từ sắt xốp phục vụ kinh tế và quốc phòng Nhờ dự

án, một “nhóm nghiên cứu thép hợp kim luyện từ sắt xốp” đã thực hiện các nghiên

cứu chuyên sâu cả về lý thuyết và thực nghiệm sản xuất nhiều mác thép khác nhau

từ sắt xốp, kết quả cho thấy, thép luyện từ sắt xốp sạch hơn, cơ tính đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn [2] Từ nguồn kinh phí dự án, MIREX đã đầu tư lò tinh luyện chân không VIM 300 - Nhật Bản, có mục đích dùng tinh luyện, khử tạp chất và các loại khí (O2, H2, N2) để tăng cơ tính tổng hợp, nhất là tính tạo hình các mác thép đặc biệt Đây là một bước đột phá công nghệ, tạo tiền đề đưa một công nghệ tiên tiến vào sản xuất phôi thép cao cấp ở Việt Nam

Hiện nay, quân đội rất cần sản xuất và cung cấp nhiều loại thép đặc biệt dùng tạo hình các ống chịu áp lực cao bằng công nghệ dập vuốt sâu, đồng thời đòi hỏi độ sạch tạp chất cao, hàm lượng P, S thấp và được khử khí bằng tinh luyện Trước yêu cầu sản phẩm quốc phòng, “nhóm nghiên cứu thép hợp kim luyện từ sắt xốp” đã thử nghiệm luyện và tinh luyện một số mác thép AHSS - phân nhóm DP, TRIP từ sắt xốp, đã bước đầu khẳng định năng lực công nghệ luyện được thép đúng yêu cầu

Tác giả nhận thấy, cần có nghiên cứu cơ bản tiếp sau công nghệ luyện, nghiên cứu về công nghệ cơ-nhiệt sản xuất nhóm thép TRIP để chứng minh một công nghệ mới áp dụng vào sản xuất phôi thép bền, dẻo ở Việt Nam, phục vụ công

nghiệp nội địa, công nghiệp quốc phòng Do vậy, thực hiện đề tài “Ảnh hưởng của

thông số công nghệ cơ - nhiệt đến tổ chức và cơ tính của thép TRIP CMnSi luyện

từ sắt xốp” là nhiệm vụ cần thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu xác lập các quan hệ giữa một số thông số công nghệ cơ-nhiệt với cơ tính của một mác thép TRIP CMnSi có xét đến quan hệ trung gian với tổ chức để điều khiển công nghệ nhằm tìm ra các bộ thông số công nghệ tối ưu độ bền và độ dẻo theo yêu cầu sử dụng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Luận án chọn một mác thép TRIP CMnSi luyện từ

sắt xốp có thành phần hóa học trong tiêu chuẩn, sử dụng công nghệ cơ-nhiệt tạo thép có hiệu ứng TRIP với tổ chức ba pha ferit, bainit và austenit dư, khảo sát và tìm ra các quy luật

Phạm vi nghiên cứu: Tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của 4 thông số công

nghệ cơ-nhiệt là nhiệt độ-thời gian nung, nhiệt độ - thời gian nguội đẳng nhiệt đến

tổ chức và cơ tính của thép TRIP nghiên cứu Chế độ biến dạng cán (yếu tố cơ) được cố định, nhưng được thực nghiệm xác định đảm bảo cho được tổ chức hạt nhỏ mịn Các thông số công nghệ khác trong quá trình tạo phôi thép cũng được giữ cố định, nhưng được lựa chọn dựa trên các quy luật khoa học sẵn có

- Hàm mục tiêu chính: Các đặc trưng bền (giới hạn chảy, giới hạn bền, tỷ số giới hạn bền trên giới hạn chảy) và các đặc trưng dẻo (độ giãn dài tương đối, hệ số

biến cứng và tích số giới hạn bền nhân độ giãn dài tương đối)

- Hàm mục tiêu trung gian: tỷ phần và cỡ hạt các pha

4 Nội dung nghiên cứu

1 Đặc điểm thép AHSS-TRIP và công nghệ sản xuất Trong đó, trọng tâm

giải thích các khái niệm, các đặc điểm cơ bản về thành phần, tổ chức, cơ tính và công nghệ sản xuất thép AHSS, nhất là thép TRIP, từ đó, xác định các nhiệm vụ cần giải quyết của Luận án

2 Cơ sở lý thuyết về tổ chức và cơ tính của thép TRIP Trong đó, tập trung

phân tích cơ sở lý thuyết độ bền và độ dẻo của thép TRIP, về hình thành tổ chức thép TRIP và các yếu tố ảnh hưởng, về quan hệ thành phần với tổ chức và cơ tính

để làm cơ sở khoa học cho thực nghiệm

3 Thực nghiệm khoa học Dựa trên phân tích tổng quan và cơ sở lý thuyết,

kết hợp các công cụ phần mềm, phương pháp và thiết bị nghiên cứu hiện đại để xác định miền thông số cơ-nhiệt nghiên cứu cho một mác thép CMnSi đã được luyện từ sắt xốp Tiến hành các thực nghiệm theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm (QHTN) để có bộ số liệu quan hệ giữa biến đầu vào là các thông số cơ-nhiệt với biến mục tiêu là các đặc trưng tổ chức và cơ tính

4 Ảnh hưởng của thông số công nghệ cơ-nhiệt đến tổ chức và cơ tính của thép TRIP CMnSi luyện từ sắt xốp Từ số liệu nghiên cứu, thiết lập các quy luật

quan hệ Cơ tính - Thông số công nghệ - Tổ chức của thép TRIP nghiên cứu Phân tích và rút ra các miền thông số công nghệ có độ bền, độ dẻo tối ưu

5 Phương pháp nghiên cứu

1 Sử dụng phương pháp tổng hợp, phân tích lý thuyết và công nghệ sản xuất nhóm thép AHSS, nhất là thép TRIP làm cơ sở định hướng cho nghiên cứu thực nghiệm và phân tích kết quả

2 Sử dụng phương pháp thực nghiệm khoa học, lấy thực nghiệm khoa học làm cơ sở, thống kê toán học và các phần mềm trợ giúp để thiết lập các quy luật quan hệ Gắn kết giữa nghiên cứu phòng thí nghiệm với sản xuất

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học:

- Minh chứng quan hệ, với mác thép CMnSi được luyện từ sắt xốp và tinh luyện có độ sạch tạp chất phi kim, P, S% thấp, xử lý tạo 3 pha ferit, bainit và austenit dư với tỷ phần pha nhất định và độ hạt nhỏ mịn chắc chắn có cơ tính tổng hơn tốt hơn mác thép HSLA nhóm CMnSi có thành phần tương tự

- Xác lập được quy luật quan hệ Cơ tính-Thông số công nghệ-Tổ chức, từ đó,

đã tìm ra được bộ thông số công nghệ cơ-nhiệt tối ưu độ bền, độ dẻo Bộ thông số công nghệ được kiểm chứng đảm bảo tính quy luật

Ý nghĩa thực tiễn: Bộ thông số công nghệ cơ-nhiệt tối ưu có thể tham khảo

để sản xuất phôi thép TRIP trên quy mô công nghiệp hoặc xử lý sản phẩm tạo hình

để tăng tính dẻo khi dập, tăng độ bền cho sản phẩm kết thúc

Kết quả nghiên cứu chứng minh tính khả thi sử dụng sắt xốp sản xuất thép chất lượng cao AHSS-TRIP phục vụ kinh tế và quốc phòng

7 Bố cục luận án

Ngoài phần mở đầu và kết luận chung, nội dung của luận án được trình bày trong 4 chương:

Chương 1 Đặc điểm thép AHSS-TRIP và công nghệ sản xuất

Chương 2 Cơ sở lý thuyết về tổ chức và cơ tính thép TRIP

Chương 3 Phương pháp thực nghiệm

Chương 4 Ảnh hưởng của thông số cơ-nhiệt đến tổ chức và cơ tính thép

TRIP CMnSi luyện từ sắt xốp

Chương 1 ĐẶC ĐIỂM THÉP AHSS-TRIP VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT 1.1 Một số khái niệm liên quan

1.1.1 Thép HSLA

Thép HSLA thuộc nhóm thép hợp kim kết cấu có hàm lượng C thấp, các nguyên tố hợp kim (NTHK) là Mn, Si, Cr, Ni, Cu … và có thể thêm nguyên tố vi lượng như Ti, Nb, V …, tổng hàm lượng NTHK nhỏ hơn 5% [62] Thép được cung cấp ở trạng thái cán nóng, tổ chức là ferit + peclit và được hóa bền bằng công nghệ

nung tôi trên nhiệt độ A c3 và ram, tổ chức là mactenxit ram Do có thành phần hợp kim thấp nên cơ tính tổng hợp của thép tốt hơn thép cacbon

Trong nhóm thép HSLA có phân nhóm thép CMnSi, được sản xuất dưới dạng tấm, thanh U-I-V và dùng rộng rãi làm kết cấu thép, khung vỏ ô tô, vỏ tàu Thép có giới hạn bền từ 450-700 MPa, độ giãn dài tương đối từ 10-27% Do yêu cầu phát triển cần có thép bền, dẻo hơn và cùng với ứng dụng các thành tựu công nghệ cuối thế kỷ 20, thế giới đã cho ra đời nhóm thép AHSS

1.1.2 Thép AHSS

Hình 1.1 Quan hệ giới hạn bền với độ giãn dài của một số thép kết cấu [110] Thép AHSS được phát triển từ thép HSLA nhóm CMnSi và có thể thêm nguyên tố khác, nhưng được sản xuất bằng công nghệ mới, từ sử dụng công nghệ luyện thép sạch bằng sắt hoàn nguyên trực tiếp (sắt xốp) và tinh luyện ngoài lò, đến dùng công nghệ cơ-nhiệt đặc biệt tạo tổ chức đa pha, các pha có tỷ phần thể tích (sau đây gọi tắt là tỷ phần) nhất định và độ hạt nhỏ như: thép song pha - thép DP

(có 2 pha ferit và mactenxit); thép dẻo do chuyển biến pha - thép TRIP (có 3 pha ferit, bainit, austenit dư); thép cấu trúc pha phức hợp - thép CP (có các pha ferit, peclit, bainit, mactenxit, austenit dư); thép mactenxit - thép MS (chủ yếu là mactenxit), … Nhờ công nghệ mới nên tăng được độ bền và độ dẻo, giới hạn bền của thép đến 1200 MPa (riêng thép MS đến 2000 MPa), mà vẫn có được độ dẻo tốt,

độ giãn dài tương đối từ 5-40% (Hình 1.1)

Hiện nay, thép AHSS đã phát triển đến thế hệ 3 (Hình 1.1) Hướng phát triển chung của thép AHSS là tìm ra và sử dụng các hiệu ứng tổ chức đặc biệt để đồng thời nâng cao cả độ bền và độ dẻo:

- Thép AHSS thế hệ 1 [40] Nhóm này dựa trên hiệu ứng tổ chức đa pha với nền ferit và các pha rắn phân tán bainit, mactenxit và/hoặc austenit dư, gồm các thép DP, TRIP, CP, MS Thép TRIP có thêm hiệu ứng chuyển pha austenit dư thành mactenxit khi biến dạng dẻo Nhóm này có độ bền và tính biến dạng tạo hình tốt hơn thép HSLA, giá thành sản xuất thấp Thép DP được nghiên cứu từ những năm

1970, thép TRIP khoảng năm 1990 , một số mác thép đã được đưa vào sản xuất đầu tiên tại các nước phát triển như Mỹ, Đức, Nhật Bản và được ứng dụng mạnh

mẽ trong công nghiệp sản xuất ô tô từ sau năm 2000

- Thép AHSS thế hệ 2 [10], [40] Nhóm này dựa trên hiệu ứng biến dạng dẻo gây ra song tinh (hiệu ứng TWIP) và hiệu ứng TRIP, thép có tổ chức nền là austenit Chúng được phát triển trên cơ sở thép mangan cao với hàm lượng Mn khoảng 1730%, cùng một vài nguyên tố khác như Si, Al, Cr Nhóm này có độ bền cao trên 900 MPa, độ giãn dài tương đối đến 60% Chúng được nghiên cứu từ sau năm 2000, nhưng bị hạn chế phát triển do đắt đỏ và công nghệ phức tạp

- Thép AHSS thế hệ 3 [40] Nhóm này được phát triển từ nhóm thép AHSS thế hệ 1 theo hướng tạo tổ chức hạt siêu nhỏ mịn, cấp độ nanomet để khai thác tối

đa tiềm năng thuộc tính bền, dẻo nhờ hiệu ứng hóa bền bằng tổ chức hạt siêu nhỏ, chuyển đổi cơ chế biến dạng trong hạt sang cơ chế biến dạng bằng trượt biên hạt và chuỗi các hạt Nhóm này có cơ tính tổng hợp nằm trung gian giữa AHSS thế hệ 1 và AHSS thế hệ 2 Thép đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển

1.1.3 Thép TRIP

Thép TRIP là một phân nhóm thép AHSS thế hệ 1, thép tổ chức đa pha, có pha austenit dư chiếm tỷ lệ từ 5-20%, ở dạng các đảo nhỏ, cô lập, nằm phân tán trong tổ chức nền ferit/bainit, các pha có tỷ phần nhất định và độ hạt nhỏ; pha austenit dư có thể chuyển biến thành mactenxit khi biến dạng dẻo (hiệu ứng TRIP)

để hóa bền, tăng tính chống biến dạng dẻo cục bộ và cải thiện độ dẻo [40], [96] Thép có thành phần C từ 0,1-0,4%, được hợp kim hóa bằng Mn, Si và có thể thêm nguyên tố khác [40] Thép có độ bền cao và khả năng biến dạng tạo hình tốt, dải giới hạn bền từ 600-1050 MPa, độ giãn dài tương đối từ 15-40%

Từ khóa TRIP viết tắt của cụm từ “Transformation Induced Plasticity” được dịch thống nhất trong Luận án là “dẻo do chuyển biến pha”

Theo F.D Fischer và các cộng sự [46], [48] “Transformation Induced

Plasticity”, trong khái niệm cổ điển có thể giải thích là “ tính dẻo tăng lên đáng kể

trong khi một pha thay đổi do chịu tác dụng của ngoại lực, ở đó, ứng suất tương đương tương ứng nhỏ hơn ứng suất chảy của vật liệu ”

Theo từ điển vật lý của Giáo sư Charles-Poole xuất bản bởi Elsevier [32],

“Transformation Induced Plasticity” là một trường hợp của “Transformation Plasticity” “Transformation Plasticity” (tạm dịch là “dẻo chuyển biến”) được hiểu

là “sự xuất hiện biến dạng cơ học phi đàn hồi được gây ra bởi chuyển biến pha”

Khi “Transformation Plasticity” xuất hiện trong quá trình biến dạng của kim loại, chuyển biến pha được gây ra bởi ứng suất cơ học, khi đó, chuyển biến pha sẽ tạo ra biến dạng bổ xung (additional strain) theo phương lực tác dụng, được quy cho là “Transformation Induced Plasticity” hay dẻo do chuyển biến pha

Trường hợp khác của “Transformation Plasticity” xuất hiện khi nung hoặc làm nguội qua vùng nhiệt độ chuyển biến pha, tức là động lực xuất hiện

“Transformation Plasticity” là do nhiệt Trong khi đó, động lực xuất hiện

“Transformation Induced Plasticity” là do lực cơ học (lực ngoài)

Khái niệm “dẻo do chuyển biến pha” của Giáo sư Charles-Poole [32] phù

hợp với khái niệm về thuật ngữ này trong nhiều tập san khoa học khác

Trong thép, hiệu ứng dẻo do chuyển biến pha hay hiệu ứng TRIP phổ biến xuất hiện kèm theo chuyển biến của austenit thành mactenxit khi chịu tải cơ học

Lưu ý, thép TRIP luôn tiềm ẩn hiệu ứng TRIP khi chịu tác dụng của ngoại lực hoặc gia công tạo hình, nhưng hiệu ứng TRIP có thể xuất hiện hoặc không, tùy thuộc vào điều kiện nhiệt độ và tốc độ biến dạng, trạng thái ứng suất và biến dạng

1.2 Thành phần-tổ chức-cơ tính của thép AHSS và TRIP

Thế giới đã và đang nghiên cứu, phát triển các nhóm thép AHSS, trong đó, nhóm thép AHSS thế hệ 1 đã được đưa vào sản xuất và ứng dụng Theo mục đích nghiên cứu, Luận án chỉ tập trung phân tích các đặc điểm của nhóm thép AHSS thế

hệ 1 (sau đây gọi tắt là thép AHSS) và phân nhóm thép TRIP

Thành phần hóa học (% khối lượng)

Đặc điểm tổ chức Tham khảo

C Mn Si P S Khác

HSLA

0,05-0,25

1,8

0,5- 1,5

0,17- 0,04

 0,04

Cr, Ni, Ti,

Nb, V

 + P (hoặc mactenxit ram) [62]

DP

0,06-0,23

2,5

1,0- 1,0

 0,025

 0,015

0,5%Cr,

0,2-V, Ti, Nb

 +  ’ (60-90%  , 10-40%  ’)

[40], [85], ASTM1079-13, EN10346

TRIP 0,1-

0,4

2,5

2,2

1,0- 0,025

 0,015

Al, Ti, Nb,

V, Mo, Cu

 +  b +  d + và/hoặc  ’ (50-60%  , 25-40%  b , 5-

20%  d )

[40], [85], ASTM1079-13, EN10346

CP 

0,25

2,5

1,0- 1,0

 0,025

 0,015 Ti, Nb, V

 +  b +  ’ + P +  d

( 42%  , 40%  b , 13%  ’,

5%  d )

[40], ASTM1079-13, EN10346

MS 

0,3

2,5

1,0- 2,0

 0,015

 0,015

Cr, Mo, B, Ti,V, Ni

 ’ + lượng nhỏ ferit và/hoặc bainit

[40], worldautosteel.org Các đặc điểm thành phần và tổ chức tế vi của thép AHSS và thép HSLA nhóm CMnSi được tóm lược trong Bảng 1.1 Từ bảng này cho thấy:

- Thép AHSS thuộc nhóm thép hợp kim thấp họ CMnSi, có hàm lượng C đến

0,4%, hàm lượng Mn từ 1-2,5%, Si đến 2,2% và có thể thêm nguyên tố khác Cr, Al,

Ti, Nb, V tùy theo từng phân nhóm thép và công dụng Thép có độ sạch tạp chất cao, hàm lượng P, S yêu cầu thấp hơn nhiều so với thép HSLA, cụ thể, P  0,025%,

S  0,015% P và S là hai nguyên tố rất có hại cho thép, gây lên hiện tượng nứt vỡ khi gia công áp lực và làm giảm cơ tính tổng hợp của thép nên cần thiết phải được giảm sâu Trong luyện kim truyền thống từ gang và sắt phế, để hạ P, S xuống dưới 0,025% là một thách thức không nhỏ Bên cạnh đó, để có tính năng ưu việt, lượng tạp chất phi kim và khí ([O], [H], [N]) trong thép AHSS yêu cầu phải thấp [107] Như vậy, muốn đảm bảo chất lượng thành phần hóa học của thép AHSS, cần phải

sử dụng công nghệ luyện thép đặc biệt

Hình 1.2 Tổ chức thép HSLA và AHSS [53]

- Khác với thép HSLA, thép AHSS được hóa bền bằng hiệu ứng tổ chức đa

pha, kết hợp sử dụng các nguyên lý hóa bền truyền thống là hóa bền dung dịch rắn,

tiết pha phân tán và làm nhỏ hạt Với việc hợp kim hóa các nguyên tố C, Mn, Si thích hợp, bằng công nghệ tác động làm thay đổi tổ chức, tạo các pha rắn, độ bền cao bainit, mactenxit, austenit dư nằm phân tán trong nền ferit dẻo, được phối hợp theo tỷ lệ nhất định và độ lớn hạt nhỏ, trong đó, cỡ hạt ferit ≤ 20 µm, các pha dạng đảo cô lập (mactenxit, austenit dư) ≤ 5 µm [29] Pha ferit đóng vai trò liên kết, quyết định đến tính dẻo của thép; các pha rắn đóng vai trò là phân tử gia cường, quyết định đến độ bền, có tác dụng điều tiết độ bền và độ dẻo của thép Do đặc điểm này, nên các thép AHSS mang tên đặc thù tổ chức của từng nhóm thép

- Thép DP có tổ chức hai pha gồm ferit và mactenxit, pha mactenxit ở dạng

đảo cô lập, chiếm tỷ lệ khoảng 10-40%, phân bố đều trên nền ferit Các NTHK chính sử dụng trong thép DP là C, Mn, Si, Cr [40]

- Thép CP có tổ chức ít nhất bốn pha gồm tỷ lệ nhỏ các pha rắn mactenxit, austenit dư và peclit nằm trong nền ferit/bainit Austenit dư trong thép CP chiếm tỷ

lệ nhỏ và không yêu cầu có mặt trong tổ chức Thép sử dụng thành phần tương tự thép DP và TRIP, nhưng luôn được thêm các nguyên tố vi lượng Nb, Ti, V để tạo tổ chức hạt nhỏ và tiết pha phân tán [40]

- Thép MS có tổ chức chủ yếu là mactenxit và một lượng nhỏ ferit và/hoặc bainit [40] Đến nay, thép MS còn mở rộng với tỷ lệ ferit đến 30% nhờ điều khiển chế độ làm nguội, được gọi là nhóm thép PM [29]

- Thép TRIP có tổ chức ba pha gồm ferit, bainit và austenit dư, trong đó, austenit dư tối thiểu trên 5%, là pha giàu cacbon (~1%C), phân bố đều trong nền ferit/bainit, ngoài ra, có thể có một lượng nhỏ mactenxit (≤ 5%) phụ thuộc vào quá trình công nghệ [40] Kiểu tổ chức điển hình là ferit chiếm khoảng 50-60%, bainit

từ 25-40% và khoảng 5-20% austenit dư [29], [33], [53], [73], [80], [85]

Thép TRIP sử dụng các NTHK chính là C từ 0,1-0,4%, Mn từ 1-2,5%, Si từ 1-2,2%, ngoài ra, Al có thể sử dụng đến 1,5% để thay cho Si nhằm cải thiện tính mạ kẽm nóng đối với sản phẩm thép tấm mạ kẽm và để có độ bền cao hơn cần sử dụng thêm nguyên tố vi lượng Nb, Ti, V hoặc đất hiếm để cải thiện độ bền nhờ tác dụng làm nhỏ hạt và tiết pha cacbit, nitơrit phân tán Hàm lượng C từ 0,1-0,4% là điều kiện cần thiết đảm bảo cho được tỷ phần pha austenit dư ≥ 5% và có độ ổn định tốt [51], [63], [104], nhưng trong thép TRIP thường sử không quá 0,25%C, do khi hàm lượng C cao làm giảm độ dẻo và giảm tính hàn của thép

Như Bảng 1.2 cho thấy, hàm lượng C trong các thép TRIP đã được tiêu chuẩn hóa có giới hạn dưới 0,25%, Mn dưới 2,5% và Si dưới 2,2% Từ bảng này cũng cho thấy, các mác thép TRIP có cơ tính khác nhau, nhưng giới hạn trên của nguyên tố C, Mn, Si khác nhau không đáng kể và không quy định ngưỡng giới hạn dưới Biết rằng, tính năng cơ học của thép phụ thuộc tổ chức, tổ chức lại phụ thuộc thành phần và công nghệ, như vậy, có thể đi đến hai nhận xét sau:

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của một số thép TRIP theo tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn Ký hiệu

Thành phần hóa học (% khối lượng max)

EN10346 HCT690T 0,24 2,0 2,2

HCT780T 0,25 2,0 2,2 Voestalpine CR400Y600T-TR 0,23 1,8 2,1

VDA239-100 CR400Y690T-TR 0,24 2,0 2,2

CR450Y780T-TR 0,25 2,2 2,5 + Cơ tính thép TRIP phụ thuộc mạnh vào tổ chức, trong đó, đặc trưng tổ chức quan trọng của thép TRIP là các pha, tỷ phần pha và độ lớn hạt Tổ chức thép TRIP được điều khiển bởi các thông số công nghệ (TSCN), trong đó, thông số cơ-nhiệt đóng vai trò quyết định Có thể cực tiểu hóa thành phần NTHK để giảm chi phí nguyên liệu, nhưng vẫn đạt được yêu cầu về cơ tính nhờ tối ưu công nghệ;

+ Các bộ (khoảng) thành phần hóa học để sản xuất thép TRIP là bí quyết riêng của các nhà sản xuất

Do vậy, nhiệm vụ của các nhà nghiên cứu công nghệ là phải tìm ra được khoảng thành phần thích hợp để áp dụng các công nghệ nhằm thu được tính năng cơ học của thép TRIP theo yêu cầu tiêu chuẩn, không thể lựa chọn tùy tiện

Thép TRIP khác thép DP là tổ chức có chứa các pha rắn bainit và austenit dư giàu cacbon Bainit có độ bền cao, nhưng thấp hơn mactenxit và tính dẻo tốt, nên có tác dụng làm giảm bớt biến cứng của pha nền ferit khi biến dạng dẻo so với trong thép DP Austenit dư trong thép TRIP chiếm tỷ lệ lớn, là pha dẻo có tác dụng đóng góp đến biến dạng dẻo tổng thể của thép, nhưng cũng là phần tử cứng, độ bền cao

do tác dụng hóa bền dung dịch rắn nhờ có hàm lượng C cao và các NTHK Mn, Si, nên có tác dụng hóa bền pha nền ferit; nó cũng có độ ổn định cơ học tốt hơn so với austenit dư trong các thép DP và CP (nếu tồn tại) do austenit dư trong các thép DP

và CP có hàm lượng C thấp hơn [31]; mặt khác, nó có thể chuyển biến thành pha mactenxit cứng trong khi biến dạng dẻo, nên có tác dụng hóa bền và tăng tính dẻo

do chuyển pha austenit thành mactenxit như một cơ chế biến dạng dẻo bổ xung (Hình 1.3 và Hình 1.4) Như Hình 1.5 cho thấy, chỉ cần tăng tỷ phần austenit dư từ

2% lên 5%, độ giãn dài đồng đều của thép TRIP đã tăng từ khoảng 20% đến 28% Ngay với thép DP, tăng tỷ phần austenit dư, độ giãn dài cũng tăng đáng kể Tuy vậy, tác dụng tăng dẻo của austenit dư trong thép TRIP hơn hẳn trong thép DP

Hình 1.3 Tổ chức thép TRIP trước và

sau khi biến dạng [60]

Hình 1.4 Đóng góp của chuyển pha mactenxit đến tăng bền, tăng dẻo của

thép TRIP [38]

Hình 1.5 Quan hệ độ giãn dài với tỷ phần austenit dư của thép TRIP và DP [29] Thép TRIP và thép CP có tổ chức gần tương tự, chúng cũng sử dụng quá trình công nghệ tương tự, nhưng điểm khác nhau căn bản là thép TRIP phải yêu cầu

tỷ lệ lớn pha austenit dư giàu cacbon, còn thép CP không yêu cầu Tỷ lệ lớn austenit

dư giàu cacbon trong thép TRIP được điều chỉnh bởi thành phần NTHK và công nghệ Thép TRIP phải yêu cầu có hàm lượng lớn nguyên tố không hòa tan trong xementit như Si hoặc Al (≥ 1%) để thực hiện chức năng làm dư austenit và làm giàu cacbon trong austenit dư, trong khi thép CP hàm lượng Si yêu cầu thấp hơn (≤ 1%)

Thép TRIP có ưu việt là độ bền và độ dẻo kết hợp tốt hơn so với các thép AHSS còn lại Theo cấp độ bền có thể chia thành 3 nhóm:

- Nhóm 1 Nhóm độ bền thấp dưới 700 MPa, độ giãn dài lớn đến 40%;

- Nhóm 2 Nhóm độ bền trung bình từ 700-900 MPa, độ giãn dài đến 35%;

- Nhóm 3 Nhóm độ bền cao trên 900 MPa, độ giãn dài khoảng 30%

Các đặc trưng cơ tính nổi trội của thép TRIP có được nhờ điều chỉnh thành phần NTHK và tổ chức thép thông qua điều chỉnh công nghệ Theo nguyên lý chung, tăng hàm lượng C, Mn thì độ bền thép TRIP tăng lên, nhưng độ giãn dài giảm; còn Si, trong giới hạn của thép TRIP, tăng hàm lượng Si, có tác dụng là tăng

cả độ bền và độ giãn dài, hệ số hóa bền cũng tăng [13], [44], [67], [75], [87], [95], [123] Tác dụng này của Si là do tác dụng gián tiếp đến tổ chức, mà chủ yếu là tác dụng làm dư austenit để tăng bền và tăng dẻo Đặc điểm tác dụng của Si trong thép TRIP khác hẳn với thép HSLA Đối với thép HSLA, tăng hàm lượng Si, độ bền thép tăng, nhưng độ dẻo và độ dai giảm mạnh Các nguyên tố C, Mn, Si không chỉ giữ vai trò riêng, mà còn tác động tương hộ lẫn nhau đến tổ chức và cơ tính thép TRIP Vai trò của các nguyên tố C, Mn, Si đối với tổ chức và cơ tính thép TRIP sẽ được khái quát và trình bày cụ thể trong Chương 2

1.2.2 Cơ tính thép AHSS và TRIP

Từ Hình 1.1 cho thấy, nhóm thép IF, Mild, BH có độ dẻo cao nhất, độ giãn dài khoảng 30-60%, nhưng độ bền rất thấp, giới hạn bền nhỏ hơn 450 MPa Thép CMn có độ dẻo tốt, độ giãn dài từ 20-40%, nhưng độ bền cũng thấp, giới hạn bền không quá 600 MPa Thép HSLA có độ bền khá, giới hạn bền từ 450-900 MPa, độ dẻo giảm cùng với sự tăng lên về độ bền, ở giới hạn bền khoảng 450 MPa, độ giãn dài đến 27%, còn khi giới hạn bền đến 900 MPa, độ giãn dài khoảng 10% Thép AHSS có độ bền cao và độ dẻo tốt, thép có thể có độ dẻo tương đương thép CMn,

mà vẫn có được độ bền cao hơn thép HSLA

Các thép DP, TRIP, CP có dải giới hạn bền từ 450-1200 MPa, độ giãn dài từ 10-40%, thép MS có giới hạn bền từ 900-2000 MPa, độ giãn dài từ 5-15% Theo quy luật chung, tăng độ bền, độ dẻo của thép AHSS cũng giảm, nhưng cùng giá trị

độ bền, thép AHSS có độ dẻo cao hơn hẳn so với thép HSLA và ngược lại

Các đặc điểm về cơ tính thép AHSS và TRIP có thể tóm như sau:

1 Thép AHSS có độ bền và độ dẻo kết hợp hài hòa Chỉ tiêu kết hợp hài hòa

độ bền và độ dẻo thường được đánh giá qua tích số giới hạn bền (R m) nhân độ giãn

dài tương đối (A), R m xA Từ Hình 1.6 cho thấy, tích số R m xA của các thép theo thứ

tự tăng dần từ thép HSLA khoảng 12000 MPa%, tiếp đến là thép IF-HS (thép IF độ bền cao) khoảng 15000 MPa%, tiếp sau là thép DP và thép PM (một phát triển của thép MS) khoảng 16000 MPa% và cao nhất là nhóm thép TRIP khoảng 24000

MPa% Tích số R m xA đánh giá năng lượng cần thiết để phá hủy mẫu khi biến dạng

kéo Tích số R m xA lớn có nghĩa là để phá hủy vật liệu cần tiêu hao năng lượng lớn

Điều này rất có ích khi dùng làm các kết cấu chịu tải va chạm, như khung sườn của

xe ô tô Do năng lượng biến dạng lớn nên hấp thụ (tiêu hao) lượng lớn năng lượng

va chạm, tăng độ an toàn cho khoang hành khách của xe ô tô

Hình 1.6 Quan hệ độ bền kéo và độ giãn dài của một số thép [28]

2 Thép AHSS có độ bền cao và hệ số hóa bền lớn Hình 1.1 cho thấy, các thép AHSS có giới hạn bền cao hơn hẳn thép HSLA với cùng độ giãn dài Độ bền cao hơn, tức là khả năng chịu tải lớn hơn, độ bền riêng cao hơn, tức là có thể giảm nhẹ được trọng lượng kết cấu để cùng chịu tải, giảm giá thành sản phẩm

Thép AHSS cũng có hệ số hóa bền (tỷ số giới hạn bền trên giới hạn chảy,

R m /R p) lớn Như Hình 1.7a cho thấy, thép HSLA, DP và TRIP có cùng giới hạn chảy là 350 MPa, nhưng thép DP, TRIP có giới hạn bền hơn hẳn thép HSLA, tỷ số

R m /R p của thép HSLA là 1,29, còn đối với thép DP và TRIP là 1,71 Tỷ số R m /R p

lớn, tức là ứng suất chảy động của vật liệu có thể biến thiên trong một dải rộng trước khi đạt đến ngưỡng giới hạn bền Độ bền tăng mạnh theo mức độ biến dạng,

cũng có nghĩa là khả năng chịu được lực lớn để biến dạng dẻo mà không phá hủy, tức là tính dẻo tăng lên Nhờ có hệ số hóa bền lớn nên chống lại được biến dạng dẻo cục bộ, giảm nguy cơ mất ổn định dẻo gây ra do tập trung ứng suất và phân bố ứng suất không đều khi kết cấu chịu lực quá tải hoặc khi vật dập biến dạng dẻo

a- quan hệ ứng suất-biến dạng b- quan hệ hệ số biến cứng-biến dạng Hình 1.7 Cơ tính của thép TRIP, DP và HSLA có cùng giới hạn chảy [110]

DP 350/600 350 600 1,71 24-30 0,14 1 976

DP 500/800 500 800 1,60 14-20 0,14 1,1 1303

DP 700/1000 700 1,000 1,43 12-17 0,09 0,9 1521 TRIP 350/600 350 600 1,71 - - - - TRIP 400/700 400 700 1,75 - - - - TRIP 450/800 450 800 1,78 26-32 0,24 0,9 1690 TRIP 600/980 600 980 1,63 - - - -

CP 700/800 700 800 1,14 10-15 0,13 1 1380 Mart 950/1200 950 1200 1,26 5-7 0,07 0,9 1678 Mart 1250/1520 1,250 1,520 1,22 4-6 0,065 0,9 2021

Từ Bảng 1.3 cho thấy, các thép DP và TRIP có hệ số hóa bền lớn (> 1,4), ngay cả với các thép có giới hạn bền đến 1000 MPa Xu thế chung là hệ số hóa bền giảm khi tăng độ bền Các thép CP và MS có giới hạn chảy lớn, hệ số hóa bền thấp hơn thép DP và TRIP, chúng chủ yếu dùng làm các kết cấu chịu lực lớn như vỏ khoang hành khách của xe ô tô Do đặc điểm hóa bền biến cứng mạnh, nên hệ số

hóa bền R m /R p được coi là chỉ tiêu quy ước đặc trưng cho cơ tính của thép AHSS

3 Thép AHSS có các chỉ tiêu dẻo cao

- Độ giãn dài tương đối lớn Từ Hình 1.1 cho thấy, với cùng giá trị độ bền,

thép DP và TRIP có độ giãn dài tương đối cao hơn thép HSLA Thép TRIP có độ giãn dài vượt trội, đến 40% Độ giãn dài tương đối là một chỉ tiêu độ dẻo, đánh giá mức độ biến dạng dẻo giới hạn dưới tác dụng của ngoại lực mà không phá hủy

Hình 1.8 Ảnh hưởng của hệ số biến cứng đến khả năng dập tấm trong thép

HSLA340 và thép TRIP600 [81]

- Hệ số biến cứng n lớn Từ Hình 1.7b cho thấy, thép DP và TRIP có hệ số n

cao hơn thép HSLA Thép DP biến cứng mạnh trong giai đoạn đầu biến dạng kéo (

< 5%), cao hơn thép HSLA và TRIP, sau đó, hệ số biến cứng của thép DP giảm, thấp hơn thép TRIP, nhưng vẫn duy trì cao hơn thép HSLA Thép TRIP có khả năng biến cứng tốt, duy trì biến cứng đều trong suốt quá trình biến dạng Từ Hình 1.7 cho thấy, do biến cứng lớn trong giai đoạn đầu biến dạng, nên trên đường cong ứng suất-biến dạng của thép DP và TRIP hầu như không có đoạn chảy ngang, mà

được biết ảnh hưởng xấu đến khả năng dập tạo hình của thép [5] Hệ số n lớn còn chứng tỏ khả năng tăng bền do biến dạng để chịu lực trước khi phá hủy Hệ số n là

một chỉ tiêu đánh giá khả năng tạo hình của vật liệu Vật liệu có hệ số biến cứng lớn

có khả năng dập tạo hình tốt hơn do có khả năng phân bố biến dạng đồng đều hơn qua mặt cắt vật dập khi biến dạng, tức là chống biến mỏng cục bộ tốt Như Hình 1.8

chỉ ra, thép TRIP có hệ số biến cứng n lớn hơn thép HSLA, nên chống lại biến dạng

cục bộ tốt hơn (vùng khoanh trong hình ô van màu đen)

- Đường cong biến dạng tới hạn

(FLC) Một trong các tiêu chí quan

trọng để đánh giá khả năng tạo hình

của vật liệu tấm là đường cong FLC

Đường cong FLC càng cao theo trục

đứng của biến dạng lớn major (so với

mốc 0), vật liệu có khả năng chịu biến

dạng lớn mà không đứt rách Hình 1.9

cho thấy, thép DP có độ bền cao gần

gấp 2 lần thép HSLA nhưng có đường

cong FLC ngang bằng, tức là tính năng

tạo hình tương đương; thép TRIP có

đường cong FLC cao hơn thép DP và HSLA, tức là tính năng tạo hình tốt hơn

Để đánh giá khả năng tạo hình của vật liệu tấm, người ta thường sử dụng chỉ

số đơn giản là chỉ số FLC 0 [110]:

Từ (1.1) cho thấy, FLC0 tỷ lệ thuận với chiều dày tấm t và hệ số biến cứng n Như vậy, khi n càng lớn, chỉ số FLC0 càng lớn, tức là, vật liệu có khả năng tạo hình

càng tốt Thép DP và TRIP có hệ số n lớn, tức là độ biến dạng tạo hình tốt

- Hệ số biến dạng dẻo dị hướng r: Hệ số r đánh giá biến dạng dẻo theo hai

chiều của vật liệu tấm, là một chỉ số rất cần đánh giá khả năng dập vuốt Từ Bảng

1.3 cho thấy, thép AHSS có hệ số r khoảng 0,9-1,1, chứng tỏ khả năng biến dạng

đồng đều giữa các hướng, thuận lợi cho biến dạng dập vuốt

- Hệ số bền K Hệ số bền K là độ bền khởi điểm của vật liệu ( = Kn

) Hệ số

K càng lớn, vật liệu sẽ chịu được lực lớn để biến dạng hay tính dẻo tốt Từ Bảng 1.3

cho thấy, thép AHSS có hệ số K lớn hơn thép HSLA, tức là tính dẻo tốt hơn

1.3 Công nghệ sản xuất và ứng dụng của thép AHSS và TRIP

1.3.1 Công nghệ sản xuất thép AHSS

Thép AHSS ra đời là hệ quả ứng dụng các thành tựu công nghệ tiên tiến:

Hình 1.9 Biểu đồ FLC của thép TRIP600, DP600, HSLA340 và DDS [81]

1 Thép AHSS được luyện từ nguyên liệu sắt xốp

Hình 1.10 cho thấy, thế giới đang tiến hành cuộc đại cách mạng về công nghệ luyện kim, sử dụng công nghệ hoàn nguyên trực tiếp (công nghệ tiên tiến) thay cho công nghệ luyện lò cao (công nghệ kinh điển) Công nghệ hoàn nguyên trực tiếp có rất nhiều ưu điểm, không dùng than cốc, nghĩa là giảm đi các giai đoạn công nghệ - cốc hóa và thiêu kết quặng, rất tốn kém và ô nhiễm Nhưng quan trọng hơn là tạo ra một nguyên liệu mới – sắt hoàn nguyên trực tiếp (sắt xốp), có rất nhiều đặc tính ưu việt khi luyện thép, nhờ đó, chất lượng và năng xuất thép được nâng lên

Hình 1.10 Lưu trình công nghệ sản xuất thép kinh điển và tiến tiến

(nguồn www.steel-technology.com)

Ưu việt của sắt xốp:

- Hàm lượng C, tạp chất P, S thấp Bảng 1.4 cho thấy, sắt xốp có thành phần cơ

bản là sắt kim loại, cùng các hợp chất dạng ôxít (CaO, MgO, SiO2, FeO/Fe3O4) và các nguyên tố C, P, S So với gang lò cao, chúng có hàm lượng sắt kim loại thấp hơn khoảng 6-8%, nhưng hàm lượng sắt tổng tương đương, hàm lượng C thấp hơn khoảng 2-4 lần và đặc biệt là hàm lượng P, S thấp hơn nhiều ( 0,03%) khoảng 3-6 lần

- Hiệu quả đốt cháy C, tạp chất P, S cao Do trong sắt xốp luôn chứa một

lượng đáng kể ôxít sắt FeO/Fe3O4 khoảng 6-14% (Bảng 1.4), chúng là nguồn cung cấp ôxy trực tiếp để đốt cháy C và các tạp chất P, S mà không cần cưỡng bức bằng

thổi ôxy Nhờ phản ứng đốt cháy, sinh khí sục trong lòng kim loại lỏng, nên nước thép được khuấy đảo mạnh tạo điều kiện chuyển nhanh các tạp chất phi kim và khí lên bề mặt kim loại lỏng; tăng cường tiếp xúc giữa xỉ và nước thép, tạo điều kiện thúc đẩy nhanh phản ứng tạo xỉ khử P, S

- Tự tạo xỉ che phủ, hạn chế thâm nhập khí và mất nhiệt của lò do các hợp

chất dạng ôxít trong sắt xốp được đẩy lên trên bề mặt kim loại lỏng tạo thành lớp xỉ che phủ (tự có), trong khi, luyện thép gang và sắt phế cần phải đưa các chất trợ dung vào để tạo xỉ phủ

Bảng 1.4 Thành phần hóa học của một vài nguyên liệu dùng luyện thép [77]

% khối lượng Sắt xốp Midrex Sắt xốp Hyl Gang lò cao

- Chứa ít các nguyên tố lẫn Các nguyên tố khó loại bỏ như Cu, Cr, Ni, Mo,

W, As, Sn, Sb … luôn có mặt trong sắt phế với lượng nhất định [77] Do vậy, khi dùng sắt phế luyện thép, sẽ rất khó khống chế thành phần các nguyên tố này, làm giảm tính ổn định thành phần của thép, do đó, giảm tính ổn định về cơ tính Sắt xốp chứa rất ít chúng do hoàn nguyên trực tiếp ở trạng thái rắn, nên rất hiệu quả khi dùng kết hợp với sắt phế để pha loãng, giảm hàm lượng các nguyên tố lẫn

- Giá thành sản xuất sắt xốp không đắt Do công nghệ hoàn nguyên trực tiếp

bỏ qua công đoạn cốc hóa và thiêu kết quặng, đầu tư chi phí thiết bị thấp nên giá thành sản xuất cũng thấp hơn gang (nguồn urm-company.com)

Tổng hợp các ưu điểm trên làm cho sắt xốp trở thành nguyên liệu không thể thiếu trong làm thép chất lượng cao, giá thành hạ, trong đó, có thép AHSS Đến nay, thế giới đã sản xuất gần 100 triệu tấn sắt xốp (nguồn midrex.com) dùng sản xuất thép chất lượng cao, thép AHSS

2 Thép AHSS được sản xuất bằng công nghệ tinh luyện

Hiện nay, các nước thế giới đã phát triển và ứng dụng nhiều công nghệ tinh luyện ngoài lò để sản xuất thép hợp kim Nhờ có tinh luyện, nên các tạp chất P, S, phi kim và khí được khử sâu, thành phần hợp kim được điều chỉnh chính xác nên sản phẩm thép thu được có thuộc tính cơ học ổn định và tối ưu

Ở quy mô sản xuất lớn dùng các công nghệ tinh luyện lò thùng LF, chân không VD, VOD , ở quy mô nhỏ và vừa, dùng các công nghệ tinh luyện bằng lò điện xỉ, plasma, cảm ứng chân không VIM

Thép AHSS với ưu việt độ bền cao, độ dẻo tốt luôn yêu cầu phải khống chế chính xác thành phần hợp kim và qua tinh luyện để khử sâu tạp chất [107]

3 Thép AHSS được sản xuất bằng công nghệ cơ-nhiệt chuyên biệt

Vấn đề cốt lõi trong công nghệ sản xuất thép AHSS là sau khi luyện thành thép đúng yêu cầu và gia công biến dạng thô phôi ban đầu, phôi thép phải được xử

lý cơ-nhiệt để tạo tổ chức đa pha đặc biệt của thép

Hình 1.11 chỉ ra các dạng công nghệ biến dạng và xử lý nhiệt để tạo ra các tổ chức khác nhau của thép AHSS Phôi thép đúc được gia công nóng trên nhiệt độ

A c3, khống chế chế độ biến dạng để tạo tổ chức hạt nhỏ, đều Tiếp sau, gia công nhiệt với công nghệ biến dạng (nóng hoặc nguội) và xử lý nhiệt bằng nung ở nhiệt

cơ-độ giữa A c1 ÷A c3 (còn gọi là vùng hai pha hoặc vùng tới hạn) để có tổ chức hai pha ferit và austenit, sau đó, nguội nhanh tới nhiệt độ phòng hoặc nguội đẳng nhiệt để austenit chuyển biến thành mactenxit hoặc bainit và austenit dư , còn ferit hầu như giữ nguyên để tạo tổ chức đa pha khác nhau theo từng nhóm thép

Hình 1.11 Sơ đồ công nghệ cơ-nhiệt sản xuất một số thép AHSS [40]

- Thép DP, sau khi nung ở nhiệt độ giữa A c1 và A c3, phôi thép được làm nguội nhanh tới nhiệt độ phòng để austenit chuyển biến thành mactenxit, tổ chức cuối cùng gồm hai pha ferit và mactenxit

- Thép TRIP cần sử dụng tôi đẳng nhiệt sau khi nung ở nhiệt độ giữa A c1 và

A c3 để austenit chuyển biến một phần thành bainit và còn giữ lại một lượng nhất định austenit dư để có tổ chức ba pha ferit, bainit và austenit dư Các thành phần C,

Mn, Si phải khống chế đảm bảo tạo ra tỷ lệ đáng kể austenit dư giàu C và ổn định tại nhiệt độ phòng

- Thép CP sử dụng quá trình tương tự như thép TRIP, nhưng thành phần hợp kim được điều chỉnh ngay từ khâu luyện (thấp Si) để khi chuyển biến bainit, lượng austenit chưa chuyển biến ổn định kém, sẽ hình thành mactenxit khi nguội đến nhiệt

độ phòng và có thể còn lượng nhỏ austenit dư (thấp hơn thép TRIP)

- Thép MS khác các thép AHSS còn lại, sau khi nung trên nhiệt độ Ac3 chúng được làm nguội nhanh xuống nhiệt độ phòng để thu được tổ chức chủ yếu là mactenxit Các pha khác như bainit, ferit có thể xuất hiện trong thép MS nhờ điều chỉnh tốc độ nguội

Như vậy, điểm đặc thù trong công nghệ sản xuất thép AHSS (DP, TRIP, CP)

khác thép HSLA là chúng phải nung ở nhiệt độ giữa A c1 và A c3, trong khi, thép

HSLA nung trên nhiệt độ A c3, sau đó, nguội theo các chế độ khác nhau tùy theo yêu cầu tính năng sản phẩm Các công nghệ xử lý nhiệt thép HSLA đã trở thành kinh điển, hầu như đã có nghiên cứu cơ bản và hoàn chỉnh

Công nghệ sản xuất thép AHSS là công nghệ mới và khó, do không chỉ yêu cầu độ chính xác và chất lượng thành phần hóa học, mà còn phải khống chế hàng loạt các thông số cơ-nhiệt (chế độ biến dạng, nhiệt độ-thời gian nung, tốc độ nguội

và/hoặc nhiệt độ-thời gian tôi đẳng nhiệt) Chính vì vậy, một trong các hướng

nghiên cứu quan trọng về thép AHSS là xác lập các giải pháp công nghệ và tìm ra các bộ TSCN cơ-nhiệt để tạo được tổ chức hạt nhỏ mịn, tối ưu tỷ phần pha, sự phân

bố các pha nhằm tối ưu thuộc tính cơ học theo yêu cầu sử dụng

1.3.2 Công nghệ cơ-nhiệt sản xuất thép TRIP

1.3.2.1 Công nghệ biến dạng (yếu tố cơ) trong sản xuất thép TRIP

Hình 1.12 Hai sơ đồ công nghệ cơ-nhiệt sản xuất thép TRIP [124]

Hình 1.12 chỉ ra hai sơ đồ công nghệ cơ-nhiệt sản xuất thép TRIP cho thấy,

trước khi xử lý nhiệt, phôi thép phải được biến dạng nóng ở vùng nhiệt độ giữa A c1

và A c3 hoặc cán nguội, sau đó xử lý nhiệt

- Công nghệ thứ nhất (công nghệ một công đoạn): Phôi thép được cán nóng ở

nhiệt độ giữa A c1 và A c3, do vậy, vừa có quá trình hình thành hai pha ferit và

austenit, vừa có quá trình kết tinh lại kèm theo biến dạng Lượng biến dạng khi cán cần phải lớn để có tổ chức hạt nhỏ, phải khống chế đồng thời cả nhiệt độ và tốc độ cán, tốc độ nguội và tốc độ cuộn băng thép để khống chế tỷ phần pha khi nung và khi nguội đẳng nhiệt Công nghệ phức tạp, khó khống chế tỷ phần pha Công nghệ chỉ phù hợp với các hãng sản xuất có công nghệ cán và làm nguội có điều khiển

- Công nghệ thứ hai (công nghệ hai công đoạn): Phôi thép với tổ chức ban đầu là ferit và peclit, được cán nguội với mức độ biến dạng đủ lớn để tạo tiền để cho

tổ chức hạt nhỏ khi xử lý nhiệt sau đó Do công nghệ được phân đoạn, nên đơn giản, dễ khống chế tổ chức, nên được nhiều hãng sản xuất thép sử dụng như Arcelormittal - Mỹ, Thyssenkrupp - Đức … Từ công nghệ cũng cho thấy, có thể áp dụng công nghệ xử lý cho sản phẩm phôi dạng đĩa (không cán nguội) nếu chuẩn bị được tổ chức ban đầu hạt nhỏ

Như vậy, việc khống chế chế độ biến dạng để có tổ chức hạt nhỏ theo yêu cầu của thép TRIP là một nhiệm vụ công nghệ quan trọng

1.3.4.2 Công nghệ xử lý nhiệt thép TRIP

Quá trình xử lý nhiệt thép TRIP gồm hai giai đoạn (Hình 1.12):

- Giai đoạn 1: Nung trong vùng tới hạn, giữa nhiệt độ A c1 và A c3 Ở vùng nhiệt độ nung này, thép chắc chắn có tổ chức hai pha là ferit và austenit Ở giai đoạn này, do phôi thép được biến dạng trước, nên xảy ra quá trình kết tinh lại ferit

và hình thành austenit Do ferit nghèo cacbon, nên austenit được làm giàu cacbon (khoảng 0,3÷0,5%C);

- Giai đoạn 2: Làm nguội tới vùng chuyển biến bainit Tốc độ nguội được khống chế đủ nhanh để tránh hình thành ferit mới và peclit Ở vùng nhiệt độ bainit, austenit sẽ chuyển biến thành bainit Nhưng do trong thép TRIP có hàm lượng đáng

kể các nguyên tố Si hoặc Al, chúng hầu như không hòa tan trong xementit, nên hình thành xementit bị cản trở, C sẽ khuếch tán từ ferit trong bainit tới austenit để tiếp tục làm giàu cacbon Quá trình này diễn ra đến khi đạt trạng thái cân bằng về nồng

độ, tại đó, năng lượng tự do Gibbs của ferit và austenit bằng nhau Nếu kéo dài thời gian giữ nhiệt sẽ xementit tiết ra Sau cùng, làm nguội nhanh đến nhiệt độ phòng để