3.2.1 Kết quả đo độ cứng
Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số nhiệt luyện đến độ cứng của thép, các mẫu sau mỗi chế độ đều được mang đi kiểm tra độ cứng thô đại (HRC). Mỗi mẫu được đo 3 lần tại các vị trí khác nhau trên bề mặt. Kết quả cuối cùng là giá trị trung bình của các lần đo và được thể hiện như trong bảng 3.2.
Bảng 3.1 Kết quả đo độ cứng tế vi các mẫu, HRC Nhiệt độ tôi (o C) 905 oC 930 oC 955 oC 980 oC 1005 oC 47.6 46.9 45.8 44.1 44.1 Nhi ệt đ ộ r am ( o C) 280oC 2 giờ 46.3 46.5 44.3 44.4 43.2 3 giờ 44.4 46.4 45.1 44.7 42.5 4 giờ 46.2 44.2 44.5 43.7 43.5 5 giờ 44.8 44.5 44.3 43.6 43.7 360oC 2 giờ 45.2 44.4 44.7 44.1 44.0 3 giờ 45.0 45.8 45.3 44.2 44.6 4 giờ 44.7 44.1 44.7 43.9 44.0 5 giờ 44.3 45.0 44.3 44.1 43.0 440oC 2 giờ 45.8 45.2 44.3 43.8 44.4 3 giờ 44.9 44.9 44.3 43.7 43.4 4 giờ 44.7 44.4 43.5 44.4 43.6 5 giờ 45.2 45.1 45.3 43.3 43.4
Để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của loại thông số, tác giả cũng đã thực hiện việc so sánh như trình bày trong các mục tiếp theo:
3.2.2 Ảnh hưởng của thời gian ram đến cơ tính của thép
Tại mỗi nhiệt độ ram, thời gian ram cũng được thay đổi trong phạm vi 2-5 giờ để quan sát sự thay đổi độ cứng. Kết quả như thể hiện trong các hình tiếp theo sau.
Hình 3.32 Đồ thị ảnh hưởng của thời gian ram đến độ cứng vật liệu, nhiệt độ ram 280o
49
Có thể thấy, ở tất cả các chế độ ram, độ cứng sau ram đều giảm đi so
với độ cứng sau tôi. Một số kết quả thể hiện trên các mẫu sau ram tại nhiệt
độ 280oC khi thời gian thay đổi như sau:
Mẫu được tôi ở nhiệt độ 1005oC, độ cứng giảm trong giờ ram thứ 2 và
thứ 3 (HRC3-0 = -1,6HRC), sau đó tăng và ổn định độ cứng ở giờ thứ 4
và thứ 5 và sau 5 giờ thì HRC còn là 43,7. Mẫu được tôi ở nhiệt độ 980oC,
độ cứng tăng ở giờ thứ 2 và 3 sau đó giảm và ổn định ở giờ thứ 4 và 5. Mẫu
được tôi ở nhiệt độ 955oC độ cứng giảm ở giờ thứ 2 nhưng tăng ở giờ thứ 3
sau đó giảm và ổn định ở giờ thứ 4 và 5. Mẫu 930oC độ cứng giảm đều
theo thời gian và ổn định ở giờ thứ 4 và 5. Mẫu được tôi ở nhiệt độ 905oC
độ cứng giảm sâu ở giờ thứ 3, tuy nhiên tăng cao (HRC4-3 = 1,8 HRC) ở
giờ thứ 4 và giảm ở giờ thứ 5. Khi ram được 2 -3 giờ, thì mẫu được tôi ở
nhiệt độ 1005, 930 và 905oC độ cứng giảm. Mẫu được tôi ở nhiệt độ 980oC
độ cứng tăng. Với mẫu sau được tôi ở nhiệt độ 955oC có vẻ độ cứng ổn
định sau khi ram 2 giờ. Sau 5 giờ ram thì độ cứng của tất cả các mẫu đều
giảm so với ban đầu. Trong đó mẫu ram ở 930oC có độ cứng giảm mạnh
nhất. (HRC = HRCban đầu – HRC5h ram = 46,9 – 44,5 = 2,4HRC). Mặc dù
có sự thay đổi độ cứng giữa các mẫu. Tuy nhiên mức độ thay đổi không
nhiều và đôi khi nó có thể còn đến từ sai số phép đo nên việc nhận định sự
khác nhau cũng chưa thực sự rõ ràng.
Hình 3.33 Đồ thị ảnh hưởng của thời gian ram đến độ cứng vật liệu, nhiệt độ ram 360oC
Với các mẫu sau ram tại 360oC, biến thiên độ cứng có vẻ tuân theo quy luật thông thường đã rõ ràng hơn khi ram thép hợp kim thấp và trung bình. Giá trị độ cứng đều có xu hướng giảm khi tăng thời gian ram. Tại nhiệt độ ram 360oC với
thời gian giữ nhiệt 2÷5 giờ giá trị độ cứng của các mẫu đều giảm sau 5 giờ ram so với mẫu sau tôi và dao động trong khoảng 43÷47,2 HRC. Điều này là kết quả của việc hình thành các hạt của pha hóa bền có kích thước tăng theo thời gian.
Hình 3.34 Đồ thị ảnh hưởng của thời gian ram đến độ cứng vật liệu, nhiệt độ ram 440o
C
Trên các đồ thị tại hình 3.35 cho thấy nhiệt độ ram càng cao, xu hướng thay đổi độ cứng dường như rõ hơn. Các mẫu sau ram có giá trị độ cứng 43,4÷45,8HRC. Với thời gian ram 2 giờ giá trị độ cứng của các mẫu đều giảm đi, tuy nhiên mẫu nhiệt độ tôi 1005oC tăng nhẹ 44,4 HRC cao hơn so với mẫu sau tôi 44,1HRC, sau đó khi tăng thời gian ram giá trị độ cứng giảm (43,4 HRC). Mẫu nhiệt độ tôi 930oC với thời gian ram 2÷5 giờ giá trị độ cứng của mẫu không thay đổi nhiều, thấp nhất 44,4 HRC với thời gian ram là 4 giờ và cao nhất là 45,2 HRC với thời gian ram là 2 giờ. Mẫu nhiệt độ tôi 955oC sau khi tăng thời gian ram lên 4 giờ giá trị độ cứng giảm 43,5 HRC, tiếp tục tăng thời gian ram lên 5 giờ độ cứng mẫu tăng (45,3 HRC). Ngược lại là mẫu nhiệt độ tôi 980oC giá trị độ cứng tăng 44,4 HRC với thời gian ram 4 giờ và giảm còn 43,3 HRC khi tăng thời gian ram 5 giờ. Mặc dù theo lý thuyết nhiệt độ ram càng cao thì độ cứng càng tăng do chuyển biến austenite dư và tiết pha hóa bền, tuy nhiên hàm lượng hợp kim ít nên sự tiết pha không nhiều dẫn đến độ cứng không tăng nhiều.
3.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ ram đến cơ tính của thép
Các mẫu sau tôi cũng được mang đi ram ở các nhiệt độ khác nhau để đánh giá mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ cứng của thép. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ khác nhau khi cùng thời gian ram được thể hiện như các hình phía dưới:
51
Hình 3.35 Đồ thị ảnh hưởng của các thông số nhiệt luyện đến độ cứng vật liệu, thời gian ram 2 giờ
Hình 3.367 Đồ thị ảnh hưởng của các thông số nhiệt luyện đến độ cứng vật liệu, thời gian ram 3 giờ
Hình 3.38 Đồ thị ảnh hưởng của các thông số nhiệt luyện đến độ cứng vật liệu, thời gian ram 4 giờ
Hình 3.39 Đồ thị ảnh hưởng của các thông số nhiệt luyện đến độ cứng vật liệu, thời gian ram 5 giờ
Kết quả độ cứng trên các mẫu tại các hình 3.36-3.39 cho thấy: với các mẫu ban đầu sau tôi, giá trị độ cứng có xu hướng giảm khi tăng nhiệt độ tôi. Mặc dù điều này có vẻ trái với quy luật thông thường là độ cứng tăng khi tôi ở nhiệt độ cao hơn. Tuy nhiên, kết quả đạt được có xu hướng không tuân theo quy luật đó. Điều này có thể do trong quá trình nung tôi và giữ nhiệt, do mẫu có chiều dày không lớn trong khi thời gian giữ nhiệt lâu (30 phút với chiều dày
53
mẫu 8mm) sẽ dẫn đến xu hướng hình thành tổ chức austenit lớn hạt. Kết quả này dẫn đến sự thô hóa mactenxit sau tôi và hệ quả là làm giảm độ cứng của mẫu thu được sau tôi.
Ở các điều kiện nhiệt độ ram khác nhau, quy luật giảm độ cứng khi tăng nhiệt độ ram với thời gian ram không đổi vẫn được thể hiện. Thời gian ram càng dài độ cứng càng giảm. Tuy nhiên đối với thép 28Cr3SiNiMoWV nguyên tố hợp kim là yếu tố giúp cho thép không bị giảm độ cứng quá nhiều (<4HRC). Đối với mẫu tôi tại nhiệt độ 980 o
C và 1005 oC độ cứng sau ram thay đổi ít nhất so với mẫu ban đầu (hình 3.36-3.39). Sau ram mẫu đạt độ cứng cao nhất là mẫu được tôi tại nhiệt độ 930 oC, nhiệt độ ram 280 oC, thời gian ram 2h với độ cứng 46,5HRC
3.3 Ảnh hưởng của thông số nhiệt luyện đến độ bền kéo
Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các chế độ nhiệt luyện đến sự thay đổi cơ tính của thép. Một số mẫu cũng đã được mang đi thử kéo. Từ kết quả độ cứng ta lựa chọn chế độ nhiệt luyện 930 oC để tiến hành thử kéo mẫu. Các mẫu được chọn theo bảng 3.2
Bảng 3.1 Các mẫu được lựa chọn thử kéo (màu đỏ)
Nhiệt độ tôi (o C) 905 oC 930 oC 955 oC 980 oC 1005 oC T1 T2 T3 T4 T5 Nh i ệt đ ộ r am ( o C) 280oC 2 giờ T122 T222 T322 T422 T522 3 giờ T123 T223 T323 T423 T523 4 giờ T124 T224 T324 T424 T524 5 giờ T125 T225 T325 T425 T525 360oC 2 giờ T132 T232 T332 T432 T532 3 giờ T133 T233 T333 T433 T533 4 giờ T134 T234 T334 T434 T534 5 giờ T135 T235 T335 T435 T535 440oC 2 giờ T142 T242 T342 T442 T542 3 giờ T143 T243 T343 T443 T543 4 giờ T144 T244 T344 T444 T544 5 giờ T145 T245 T345 T445 T545
Hình 3.40 Ảnh kết quả giản đồ thử kéo của các mẫu được tôi tại nhiệt độ 930 oC và ram ở chế độ nhiệt khác nhau trong 2 giờ
Bảng 3.2 Bảng kết quả thử kéo
Mẫu Ban đầu Nhiệt độ ram 280 oC, 2 giờ Nhiệt độ ram 360 oC, 2 giờ Nhiệt độ ram 440 oC, 2 giờ Độ bền kéo (MPa) 1390 1601 1570 1466 Độ giãn dài (%) 13,33 14 10 12
Từ kết quả giản đồ các mẫu thử kéo trong hình 3.40. Việc phân tích và tính toán ra các chỉ tiêu cơ tính của mẫu cũng đã được thực hiện. Kết quả như thể hiện trong bảng 3.3. Kết quả thể hiện sự thay đổi độ bền theo nhiệt độ ram thể hiện trên hình 3.41.
Mẫu ban đầu Nhiệt độ ram 280 o
C, 2 giờ
55
Hình 3.41 Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ ram đến cơ tính của vật liệu
Từ kết quả trên hình 3.41 cho thấy: giá trị độ bền có xu hướng tăng khi nhiệt độ ram thấp. Điều này là do quá trình tiết pha hóa bền tăng dần về số lượng các hạt trong tổ chức. Giá trị độ bền của mẫu đạt được cực đại trong thời gian ram 2 giờ khi nhiệt độ ram đạt tới 280oC. Nếu nhiệt độ ram tiếp tục tăng, xu hướng thô hóa các hạt pha liên kim sẽ làm giảm độ bền. Nhiệt độ được biết đến là thông số ảnh hưởng rất lớn đến khả năng khuếch tán các nguyên tố hợp kim. Do đó, nhiệt độ tăng sẽ làm tăng tốc hiệu ứng hóa bền, dẫn đến kích thước hạt pha liên kim tăng nhanh khi đó sẽ làm giảm độ bền do ảnh hưởng của sự thô hóa hạt như đã quan sát được trong các ảnh SEM. Giá trị độ dẻo cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ ram. Tuy nhiên, trong trường hợp nghiên cứu, nhiệt độ ram mặc dù tăng nhưng giá trị độ dẻo vẫn ở mức thấp, nguyên nhân có thể do sự thô hóa của hạt pha liên kim (khi ram ở nhiệt độ cao hơn) trong tổ chức cũng là yếu tố ảnh hưởng đến độ dẻo. Sự thô hóa càng cao, giá trị độ dẻo cũng có xu hướng giảm. Kết quả thử kéo cũng đã cho thấy, thép 28Cr3SiNiMoWV sẽ đạt được giá trị cơ tính (cả độ bền và độ dẻo) ở mức tốt nhất khi tôi tại 930oC và ram tại 280oC trong 2 giờ.
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN
1. Thép hợp kim kết cấu độ bền cao (28Cr3SiNiMoWV) có thể cải thiện cơ tính (độ bền, độ dẻo) thông qua quá trình xử lý nhiệt (tôi + ram) hợp lý.
2. Cơ chế hóa bền khi nhiệt luyện thép cũng đã được chỉ ra là nhờ sự tiết pha liên kim hóa bền. Ảnh hưởng của kích thước hạt pha liên kim đến độ bền cũng đã được làm sáng tỏ. Ở mức độ thấp, kích thước các hạt của pha hóa bền tăng sẽ làm tăng cơ tính (độ bền). Tuy nhiên, chiều hướng này có xu hướng ngược lại khi kích thước hạt chuyển sang thô hóa.
3. Với thép hợp kim kết cấu độ bền cao (28Cr3SiNiMoWV), chế độ nhiệt luyện hợp lý để cải thiện cơ tính là: nhiệt luyện tôi tại 930o
C và ram trong 2h cho phép cải thiện độ bền kéo tăng thêm 15% (từ 1390MPa lên 1601Mpa), độ dẻo tăng 5% (từ 13,3% lên 14%)
Đề xuất:
1. Ảnh hưởng của thời gian giữa nhiệt khi tôi đến độ cứng của mẫu đối với thép có thành phần hợp kim phức tạp vẫn chưa được cụ thể một cách rõ ràng. Do đó, việc nghiên cứu chuyên sâu cũng là một định hướng có thể nghiên cứu mở rộng và phát triển thêm.
2. Ảnh hưởng của kích thước pha hóa bền tiết ra trong quá trình ram đến độ dẻo cũng là một trong những nội dung có thể tập trung cân nhắc và tìm hiểu sâu. Cùng với việc sử dụng kết hợp các phần mềm tính toán nhiệt động học có thể cho phép tìm hiểu và giải thích một cách tường tận và thuyết phục hơn.
57
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] GE.Pellissier. Effects of microstructure on the fracture toughness of ultrahigh-strength steels. Engineering Fracture Mechanics，1968, 1:55-60 [2] F.B.Pickering, Phaysical metallurgy and the design of stecels. London:
Applied Science Publishers LTD, 1978
[3] W.F.Brown，Jr. Acrospace Structural Metals Handbook。Code，Metals and Ceramics Information Center, 1989.
[4] JW.B.Jones，J.C.Swearengen. Mechanical stability of ultrahigh strength
steels Materials Science and Engineering, 1979, 41.
[5] A.G.Allten, P.payson. The effect of silicon on the tempering of martensite. Transaction of the ASM, 1953, 499-525
[6] D.Dilipkumar, W.E.Wood. Acoustic-emission analysis of fracture-toughness test. Experimental Mechanics, 1979, 19
[7] J.T.Ryder, F.M.Pickel. Effect of Temperature on Stress Corrosion Cracking of 300M Steel. Journal of Testing and Evalution, 1978, 6
[8] Y.tomita. Low-Temperature improvement of mechanical properties of AISI 4340 steel through high temperature theromechanical treatment. Metallurgical and Materials Transactions A, 1991, 22A.
[9] M.Dilmore, J.D.Ruhlman. Eglin steel-a low alloy high strength composition. Unated States Patent. C21B, No.WO 2004/067783 A2, 2004. 8. 12.
[10] J.R.Paules, M.F.Dilmore, K.J.Handerhan. Development of Eglin Steel – A new, Ultrahigh-Strength Steel for Armament Aerospace Applications, Material Science and Technology, Pittsburgh, PA, 2005, 2.
[11] R.M.Horn, R.O.Ritchie. Mechanisms of tempered martensite embrittlement in low alloy steels. Metallurgical Transactions A, 1978, 9A.
[12] M.R.Carlson, B.V.N.Rao, G.Thomas. The effect of austenitizing temperature upon the microstructure and mechanical properties of experiment Fe/Cr/C steel. Metallurgical Transactions A, 1979, 10A.
[13] David K. Matlock, John G. Speer, Emmanuel De Mppr, and Paul J. Gibbs, “Recent developments in advanced high strength sheet steel for automotive applications: an overview”, 2012
[14] Progress in Materials Science, 2018: High strength low alloy steel
[15] ASM Metal Handbook, Vol 01-Properties and Selection Iron: “High- Strength Low-Alloy Forgings”, “High-Strength Structural and High- Strength Low-Alloy Steels”.
[16] ASM Metal Handbook, Vol 04-Heat treating: Heat treating of Ultrahigh- Strength Steels, 503-527.
[17] Elena Pereloma, Ilana Timokhina “Clustering and Precipotation in Ferritic Microalloyed Steels”, in Reference Module in Materials Science and Materials Engineering, 2020
[18] Tạp chí khoa học công nghệ hằng hải 51-8-2017 trang 58
[19] Nghiêm Hùng. Vật liệu học cơ sở. NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội 2002
[20] Lê Công Dưỡng (chủ biên). Vật liệu học. NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội 2000