3.4.1 Kết quả kiểm tra độ cứng của mẫu thép maraging
Các mẫu sau mỗi chế độ nhiệt luyện đều được tiến hành kiểm tra độ cứng (HRC). Trên bề mặt mỗi mẫu, việc thực hiện kiểm tra độ cứng được tiến hành tại tối thiểu 3 vị trí khác nhau và giá trị nhận được là giá trị trung bình. Kết quả thể hiện như trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Kết quảđo độ cứng của mẫu thép ở các chếđộ nhiệt luyện khác nhau Chếđộ nhiệt luyện Nhiệt độ (°C)
Thời gian giữ nhiệt
(giờ)
Độ cứng
(HRC)
Mẫu ban đầu - - 32
Tôi 820 1 31.9 Hoá già 450 2 51.6 4 52.6 6 52.6 8 51.4 10 50.8 490 2 51.6 4 53.2 6 53.5 8 52.7 10 50.6 530 2 51.5 4 51.3 6 50.3 8 50.0 10 49.6
Từ kết quả của trong bảng thống kê 3.1 cho thấy:
Độ cứng của mẫu ban đầu và mẫu sau tôi gần như không có sự thay đổi. Điều này là do thép có hàm lượng cácbon rất thấp nên ảnh hưởng của tổ chức trước và sau khi tôi đến độ cứng là không đáng kể.
Quá trình hoá già có ảnh hưởng rõ ràng đến sự thay đổi giá trị độ cứng của mẫu thép.
Với kết quả nhận được, tác giả tiếp tục đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số: thời gian hoá già và nhiệt độ hoá già tới độ cứng của mẫu thép.
Hình 3.17. Đồ thịảnh hưởng của thời gian hoá già và nhiệt độ hoá già tới độ cứng của mẫu thép
3.4.1.1. Ảnh hưởng của thời gian hoá già tới độ cứng của mẫu thép
Ảnh hưởng của thời gian hóa già đến độ cứng có thể quan sát được trên hình 3.16 như sau:
Sau hoá già, độ cứng của các mẫu thép tăng lên đáng kể so với mẫu ban đầu và mẫu sau tôi (tăng khoảng 60%). Nguyên nhân là do sự tiết pha liên kim nhỏ mịn trên nền mactenxit, cản trở chuyển động của lệch. Độ cứng tăng dần khi tăng thời gian hoá già và đạt giá trị cao nhất khi thời gian hoá già dao động từ 4 giờ đến 6 giờ, sau đó giảm dần. Độ cứng của mẫu thép có xu hướng giảm khi thời gian hoá già kéo dài từ 8 giờ đến 10 giờ. Hiện tượng này có thể do sự thô hoá các hạt pha liên kim khi kéo dài thời gian hoá già.
3.4.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ hoá già tới độ cứng của mẫu thép
Nhiệt độ hóa già cũng là thông số cho thấy có ảnh hưởng đến độ cứng của các mẫu thử nghiệm. Quan sát trên hình 3.16 về ảnh hưởng của nhiệt độ cho thấy rõ:
Sau hoá già, độ cứng của các mẫu đều tăng: từ 49.6 HRC đến 53.5 HRC. So sánh với độ cứng mẫu ban đầu (32 HRC) và mẫu sau tôi (31.9 HRC) thì độ cứng tăng vượt trội hơn hẳn. Nguyên nhân là do quá trình tiết pha liên kim nhỏ mịn, phân tán sau hoá già. Tại mốc nhiệt độ hoá già thử nghiệm cao nhất 530°C thì độ cứng của mẫu là thấp nhất. Điều này cho thấy, khi nhiệt độ hóa già quá cao dễ dẫn đến sự sát nhập các hạt liên kim nhanh chóng. Ngoài ra, nhiệt độ cao cũng làm góp phần thúc đẩy quá trình phân hóa mactenxít ram làm giảm nhanh độ cứng. Khi hóa già ở nhiệt
độ thấp (450oC), sự tiết ra pha liên kim có hình thành nhưng tốc độ chậm. Do đó, mặc dù độ cứng có cải thiện so với mẫu sau tôi nhưng tốc độ hóa bền thấp. Tại nhiệt độ hoá già 490°C cho độ cứng tốt hơn cả. Với mẫu hóa già tại 6h cho giá trị độ cứng đạt được cao nhất: 53.5 HRC.
Như vậy, thời gian hoá già và nhiệt độ hoá già ảnh hưởng lớn tới sự thay đổi độ cứng của các mẫu thép thử nghiệm. Thời gian hoá già và nhiệt độ hoá già tăng thì độ cứng của các mẫu có xu hướng tăng: nhiệt độ tối ưu là 490°C và thời gian tối ưu là 4 giờ đến 6 giờ. Nhưng nếu tiếp tục kéo dài thời gian và nhiệt độ hoá già: nhiệt độ cao 530°C và thời gian 8 giờ đến 10 giờ thì độ cứng của mẫu có xu hướng giảm dần do xu hướng thô hạt của pha liên kim.
3.4.2 Kết quả thử kéo của mẫu thép maraging
Để đánh giá độ bền của mẫu thép, tiến hành thử kéo 4 mẫu thép sau: mẫu sau tôi, 3 mẫu hoá già ở nhiệt độ 490°C trong 2 giờ, 4 giờ và 6 giờ.
Độ bền kéo vật liệu Mẫu được kiểm tra độ bền kéo bằng thiết bị thử kéo, uốn WEW-1000B và FU/R50-CKS-Devotrans 5 tấn.
Mẫu thử kéo được chế tạo theo TCVN 10600-1 (ISO 7500-1). Tất cả các mẫu sau khi nhiệt luyện (tôi + hóa già) sẽ được chế tạo theo tiêu chuẩn bằng máy cắt dây. Ảnh mẫu sau chế tạo như thể hiện trên hình 3.17 phía dưới.
Hình 3.18. Mẫu thử kéo thực tế
Các mẫu khi tiến hành thử kéo trên máy đều được kiểm tra lại kích thước trước khi gá lắp thử kéo để xác định chính xác tiết diện mẫu trước khi thử. Kết quả kiểm tra thử kéo các mẫu khác nhau được thể hiện trên các hình tiếp theo sau đây:
Hình 3.20. Đồ thị thử kéo của mẫu sau hoá già ở nhiệt độ 490°C trong 2 giờ.
Hình 3.21. Đồ thị thử kéo của mẫu sau hoá già ở nhiệt độ 490°C trong 4 giờ
Dựa trên kết quả các giản đồ thử kéo của các loại mẫu có được. Việc tính toán các thông số như độ bền và độ dãn dài tương đối đã được tiến hành. Kết quả xác định như trong bảng 3.2.
Bảng 3.2. Kết quả thử kéo của các mẫu thép thử nghiệm
Mẫu thử nghiệm Độ bền kéo, MPa
Mẫu sau tôi 1095
Mẫu hoá già trong 2 giờ 2070
Mẫu hoá già trong 4 giờ 2030
Mẫu hoá già trong 6 giờ 2210
Hình 3.23. Đồ thịảnh hưởng của thời gian hoá già tới độ bền của mẫu thép
Kết quả về sự thay đổi giới hạn bền của thép như trên hình 3.22. Mẫu sau hóa già đều có sự cải thiện giá trị độ bền rõ ràng. Điều này góp phần làm sáng tỏ thêm có sự tiết pha liên kim sau trong quá trình hóa già như đã khẳng định trong các kết quả kiểm tra SEM-EDX. Sự suy giảm độ bền ở chế độ hóa già 4h chưa có giải thích rõ ràng. Thời gian hóa già tại 6h cho phép nhận được giá trị độ bền lớn nhất. Kết quả này là phù hợp với sự biến thiên độ cứng của thép trên hình 3.16.
CHƯƠNG 4.KẾT LUẬN 4.1 Kết luận
Từ các kết quả nghiên cứu đã đạt được như trình bày phía trên, có thể rút ra một số kết luận sau:
Sử dụng quy trình xử lý nhiệt (tôi + hóa già) sẽ giúp cải thiện cơ tính (tăng độ bền, độ dẻo) của thép maraging (03Ni18Co9Mo5TiAl) rõ rệt nhờ sự tiết ra của các pha hóa bền.
Nhiệt độ hóa già tăng có xu hướng thúc đẩy quá trình tiết pha liên kim. Tuy nhiên, nhiệt độ quá thấp, quá trình tiết pha chậm. Ngược lại, nhiệt độ quá cao, quá trình tiết pha liên kim diễn ra nhanh sẽ dẫn tới sự sát nhập hạt làm giảm độ cứng và độ bền. Với thép 03Ni18Co9Mo5TiAl, nhiệt độ hóa già nên thực hiện ở nhiệt độ 490°C.
Thời gian hóa già có ảnh hưởng đến quá trình tiết pha hóa bền. Xu hướng tăng bền sẽ diễn ra trong khoảng thời gian hóa già dưới 6h và đạt cực đại. Thời gian dài hơn cũng sẽ dẫn đến sát nhật các pha hóa bền làm giảm cơ tính.
Với mẫu thép maraging (03Ni18Co9Mo5TiAl): Chế độ nhiệt luyện thích hợp là tôi ở 820°C, làm nguội trong nước và hoá già ở 490oC, làm nguội ngoài không khí trong 6h. Giá trị cơ tính khi đó nhận được như sau:
- Độ cứng tăng lên khoảng 60% (từ 31.9 HRC lên 53.5 HRC) - Độ bền kéo tăng xấp xỉ 2 lần (từ 1095 MPa lên trên 2000 MPa)
4.2 Đề xuất
Quá trình tiết pha hoá già của thép maraging là một quá trình phức tạp, cần nhiều thử nghiệm và kiểm tra, đánh giá sâu hơn nữa để có thể nắm rõ được cơ chế của quá trình này. Cần xây dựng giản đồ TTT cho thép này khi hoá già thép này để làm cơ sở lý thuyết giải thích cho quá trình tiết pha.
Đề tài nghiên cứu còn hạn chế nhiều về mặt thời gian và điều kiện thí nghiệm nên chưa đánh giá được tất cả các chỉ tiêu về cơ tính như: độ dai va đập, độ bền nén, độ bền uốn, ...
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Y. D. Mahmoud, Advanced High-Strength ASM international, 2013
[2] Nazim Baluch Zulkifli Mohamed UdinChe Sobry Abdullah, Advanced High Strength Steel in Auto Industry: An Overview, 2014
[3] D.K. Matlock and J.G. Speer, Vol. 25, Issue 1-Processing Opportunities for New Advanced High-Strength Sheet Steels, Mat. and Manuf. Proc., 2010.
[4] D.K. Matlock and J.G. Speer, Third Generation of AHSS: Microstructure Design Concepts, Microstructure and Texture in Steels and Other Materials, eds. A. Haldar, S. Suwas and D. Bhattacharjee, Springer, London, 2009
[5] Jianfeng Wang, Recent developments in advanced high strength sheet steels for automotive applications: an overview, 2012.
[6] Alfonce Chamisa, Development of Ultra High Strength Steels for Reduced Carbon Emissions in Automotive Vehicles, 2014.
[7] WorldAutoSteel , 20 Years of Automotive Steel Contributions, General News Apr 18, 2016.
[8] Matmach, Maraging Steel: Properties, Processing, and Application.
[9] Mathmach, Advanced High Strength Steel: Nomenclature, Grades, and Applications.
[10] S. W, L. H, G. Z and X. W, Phase transformations in maraging steels in Volume 2-Diffusionless Transformations, High Strength Steels, Modelling and Advanced Analytical Techniques, Woodhead, 2012.
[11] Asm, ASM Handbook: volume 4: Heat Treating (Asm Handbook), ASM International; 10th edition (December 1, 1991).
[12] B.MK, Heat Treatment of Commercial Steels for Engineering Applications,
Elsevier, 2017.
[13] K. V. Rajkumar, B. P. C. Rao, B. Sasi, A. Kumar, T. Jayakumar, B. Raj, K. K. Ray, Characterization of aging behaviour in M250 grade maraging steel using eddy current non-destructive methodology, Mater. Sci. Eng., (2007).
[14] V. Vijay K, Sung J. Kim, C. Marvin Wayman, Precipitation reactions and strengthening behavior in 18wt pct nickel maraging steels, Metall. Trans. (1990).
[15] S. Saritas, R. D. Doherty, and A. Lawley, Advances in Powder Metallurgy and Particulate Materials-2001, Vol.10, Metals Powder Industries Federation, Princeton, NJ, 2001.
[16] D.H. Herring and P.T. Hansen, Key consideration in the heat treatment of ferrous P=M materials, in Proceedings of the 17th Heat Treating
Conference, ASM International, Metals Park, OH, 1998.
[17] E.A. Brandes and G.B. Brook, Eds., Smithells Metals Reference Book, 7th ed., Butterworth-Heinemann, Oxford, 1999.
[18] G.F. Bocchini, Overview of surface treatment methods for PM parts, in Advances in Powder Metallurgy and Particulate Materials-2001, Vol.6, Metals Powder Industries Federation, Prince-ton, NJ, 2001.
[19] H. I. Sanderow and T. Prucher, Advances in Powder Metallurgy and Particulate Material-1994, Vol. 7, Metals Powder Industries Federation,
Princeton, NJ, 1994.
[20] C.R. Brooks, Principles of the Surface Treatment of Steels, Technomic Publications, Lancaster, PA, 1984.
[21] P.F. Lindskog and G.F. Bocchini, Development of high strength P=M precision components in Europe, International Journal of Powder Metallurgy & Powder Technology, 1979.
[22] W.B. James, Advances in Powder Metallurgy and Particulate Materials— 1998, Metals Powder Industries Federation, Princeton, NJ, pp. 1–25, 1998. [23] George E. Totten, Ph.D, FASM, Steel Heat Treatment Handbook, Portland
State University-U.S.A, 2006.
[24] A. M. Hall and C. J. Slunder, The Metallurgy,Behavior, and Application of the 18-percent Nickel Maraging Steel, Superintendent of Documents, U. S. Government Printing Office, Washington, 1968.
[25] Phạm Minh Phương, Tạ Văn Thất, Công nghệ Nhiệt luyện, NXB Giáo dục, 2000.
[26] Nghiêm Hùng, Vật liệu học cơ sở, NXB ĐHBK Hà Nội, 1999.
[27] Mengchao Niu, Gang Zhou, Wei Wang, M. Babar Shahzad, Yiyin Shan, Ke Yang, Precipitate evolution and strengthening behavior during aging process in a 2.5 Gpa grade maraging steel, ScienceDirect, 26 August 2019.
[28] Naoki Takata, Ryoya Nishida, Asuka Suzuki, Makoto Kobashi and Masaki Kato, Crystallographic Features of Microstructure in Maraging Steel Fabricated by Selective Laser Melting, 8 June 2018.
[29] CompuTherm LLC, CompuTherm Database User’s Guide. Available online: http://www.computherm.com/download/database/Database_Manual.pdf
(accessed on 20 May 2018)
[30] R. Tewari, S. Mazumder, I. S. Batra, G. K. Dey and S. BanerJee, Precipitation in 18 wt% Ni maraging steel of grade 350, Acta Materialia, 25 May 1999. [31] V. Rajikumar, N. Arivazhagan and R. K. Devendranath, "Studies on welding of
maraging steels," 7th International conference on materials for advanced technology, 2013.