TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.6.1.Cơ tính gang cầu ADI nền đa pha
Trong gang cầu ADI song pha, lớp ferit bao quanh hạt graphit là pha có tác dụng chống lại sự xuất hiện vết nứt ban đầu, làm cho giới hạn đàn hồi, độ bền kéo và độ cứng tăng cùng tỷ phần ausferit. Cấu trúc bao gồm 80 % ferit + 20 % ausferit có độ bền mỏi tăng 25 % so với gang cầu nền ferit. Tăng tỷ phần ausferit cũng làm tăng khả năng chống mỏi, một lượng nhỏ ausferit (20 %) cũng cải thiện giới hạn chịu đựng mỏi lên chừng 25 %. Nói chung, khi tăng tỷ phần ausferit, giới hạn bền kéo, giới hạn bền uốn và độ dai va đập đều tăng nhưng độ giãn dài lại giảm. Tuy nhiên, lượng tăng các giá trị nói trên đè khá nhỏ, tất cả gang cầu ADI song pha đều duy trì được khả năng biến dạng thỏa mãn tiêu chuẩn ASTM A 356.
Tổ chức chứa 20 % ausferit đều có tính chất cơ học tăng và giảm độ giãn dài cho đến khi xuất hiện vết nứt. Gang này cũng có tỉ lệ (KIC/σ0,2) nhỏ nhất so với các mác gang nghiên cứu. Gang cầu ADI nền đa pha có khoảng giao động tính chất cơ học rất rộng phụ thuộc vào tỷ phần pha trong gang. Bởi vậy, gang cầu ADI song pha có thể thay thế cho nhiều vật liệu truyền thống vì nó tổ hợp được các tính ưu việt của các tính chất của vật liệu [49] (bảng 1.3).
Bảng 1.5. Cơ tính của gang cầu ADI song pha và các mác gang cầu khác [49]
Tác giả dùng công nghệ nhiệt luyện hai bước: austenit hóa hoàn toàn; tôi thành mactensit tiếp theo là tôi đẳng nhiệt ở trong các môi trường tôi có hệ số dẫn nhiệt khác nhau, và thấy rằng, môi trường tôi đẳng nhiệt có ảnh hưởng rất mạnh đến chiều dày lớp màng dính bám trên bề mặt bi nghiền, ảnh hưởng đến trường nhiệt độ trong bi nghiền, gây ra sự chuyển biến cấu trúc từ mactensit và ausferit dưới thành
ausferit dưới và ausferit trên . Ausferit dưới có tính chất cơ học nói chung khá tốt. Độ dai va đập của gang giảm đi khi tăng hệ số dẫn nhiệt k của môi trường tôi (tăng nồng độ sodium silicat trong dung dịch tôi). Đặc điểm mặt gẫy của gang khi tôi trong môi trường có hệ số dẫn nhiệt k thấp, là kiểu mặt gãy dòn với nhiều gợn nhấp nhô kiểu củi chẻ, hình thái học mặt gẫy như kẹo đá. Với môi trường tôi có hệ số k cao, bề mặt phá hủy va dập bao gồm nhiều lúm đồng tiền là kiểu phá hủy dẻo. Với môi trường tôi có hệ số k trung bình, tổ chức bao gồm ausferit dưới hình kim và một ít mactensit. Tổ chức kiểu này cho tính chất cơ học tổng thể khá tốt. Quan hệ pha và hình thái học của pha đã cải thiện một cách đáng kể độ bền và độ dai va đập của gang vì giữa hai pha ferit và mactensit có định hướng cấu trúc khác nhau và xuất hiện song tinh giữa hai pha đó. Số liệu cụ thể, nồng độ sodium silicat trong dung dịch nguội thay đổi tức là thay đổi hệ số dẫn nhiệt môi trường tôi: 30 wt.%, 40wt.%, 50wt.%, và 60 wt.%, độ cứng của gang sẽ là 54 HRC, 52 HRC, 48 HRC, 48,5 HRC, độ dai va đập ak = 7,47 J/cm2 ; 11,97 J/ cm2, 12.5 J/cm2, and 13,33 J/cm2, tương ứng [50].
Trong công nghệ tôi đẳng nhiệt hai bước, tác giả [51] cho rằng, tăng nhiệt độ đẳng nhiệt từ 300 lên 380 oC, hình thái học của ausferit chuyển từ dạng thấu kính thành dạng lông chim, đồng thời cũng làm tăng tỷ phần austenit cacbon cao. Điều này dẫn đến việc tăng độ dẻo và độ dai va đập nhưng làm giảm bền và độ cứng của gang.
Dùng gang cầu có tổ chức ban đầu là ferit để nghiên cứu tính chất cơ học của gang cầu ADI song pha, tác giả [4] kết luận: xuất hiện một pha mới gọi là ferit mới khi tôi đẳng nhiệt và tỷ phần ferit mới sẽ kiểm soát tính chất của vật liệu. Tăng nhiệt độ ủ vùng ba pha, tăng thời gian đẳng nhiệt, tỷ phần pha ferit mới cũng tăng theo. Tính dẻo tăng lên khi tỷ phần ferit mới cũng tăng.
Gang cầu ADI song pha với tỷ phần 47,2 % ausferit sẽ thể hiện sự kết hợp rất tốt giữa độ bền kéo và độ giãn dài, độ bền khoảng 550 MPa và độ giãn dài khoảng 25 %. Tổ chức gồm 75 % ausferit sẽ cho độ bền 650 MPa và độ giãn dài 15 %. Vật liệu này đáp ứng các yêu cầu làm việc của một số chi tiết trong ôtô [4].
Trong khoảng nhiệt độ 400 đến 500 oC, độ bền va đập và độ giãn dài tăng đột ngột nhưng độ bền kéo và giới hạn đàn hồi hầu như không đổi, ngoài khoảng nhiệt độ này, nâng cao nhiệt độ đẳng nhiệt, cả độ bền kéo và giới hạn đàn hồi đều giảm. Tăng nhiệt độ trong khoảng 400 đến 500 oC, độ dai va đập sẽ tăng lên trong khoảng thời gian 90 phút sau đó lại giảm. Kéo dài thời gian tôi đẳng nhiệt ở nhiệt độ nhỏ hơn 500 oC, độ giãn dài liên tục tăng cho đến 120 phút, sau đó giảm dần. Cũng trong khoảng thời gian này, tăng thời gian tôi đẳng nhiệt sẽ gây ra hiện tượng giảm giới hạn bền kéo và giới hạn đàn hồi [52] (hình 1.8).
Nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc đến tính bền mỏi của gang cầu ADI đẳng nhiệt trong vùng ba pha với gang đúc ban đầu là pherrit rất ít peclit, tác giả [53] cho rằng, độ bền mỏi giảm khi tăng tỷ phần ferit thứ cấp. Gang cầu song pha có nhiều ferit thứ cấp sẽ có độ bền mỏi thấp vì tính dẻo của ferit vì vết nứt lan truyền tốt nhất là trong ferit. Gang cầu ADI truyền thống được austenit hóa ở 900 oC có độ bền mỏi cao hơn cả khi có cùng điều kiện thí nghiệm. Điều này được giải thích do tỷ phần
austenit cacbon cao khá lớn và nồng độ C trong austenit cacbon cao cũng rất lớn. Độ bền mỏi đạt giá trị cực đại khi tỷ phần austenit cacbon cao cũng cực đại.
Hình 1.8.Quan hệ giữa độ bền kéo và nhiệt độ (T), thời gian đẳng nhiệt (t) [52]
Tính liên tục của cấu trúc ausferit trên biên giới hạt có tầm quan trọng đặc biệt, quyết định đến độ bền mỏi của vật liệu. Tính liên tục của ausferit tăng, hình thái phá hủy thay đổi từ kiểu phá hủy dẻo sang phá hủy dòn. Gang cầu ADI truyền thống có độ bền mỏi cao hơn nhiều so với gang ADI song pha.
Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ nguội đến tính chất của gang cầu ADI song pha, tác giả [54] nhận thấy, tăng chiều dày vật đúc, một số tính chất sẽ giảm đi. Giảm nhiều nhất chính là độ giãn dài và độ dai va đập của gang ADI, lượng giảm có thể đến 40 % ở vị trí mỏng nhất so với chỗ dày nhất.
Đối với gang cầu ADI song pha, xu hướng là dùng cấu trúc có thể cho giá trị tỉ số KIC/σ0,2 càng cao càng tốt. Kích thước vết nứt tới hạn thường tỉ lệ với tỉ số KIC/σ0,2 (hình 1.9)
Tăng thiết diện đồng nghĩa là giảm tốc độ nguội sẽ dẫn đến giảm rất mạnh độ giãn dài và độ dai va đập của gang cầu. Mức độ ảnh hưởng là khác nhau đối với các loại gang. Gang cầu ferit rất nhạy cảm với sự thay đổi tốc độ nguội. Trong khi đó, gang cầu ADI song pha ít nhạy cảm với sự thay đổi tốc độ nguội.
Sau khi austenit hóa một phần, gang được tôi trong polymer xuống nhiệt độ phòng, tiếp tục nung đẳng nhiệt trong các điều kiện khác nhau, tác giả [55] cho rằng, độ bền kéo và độ cứng của gang cầu ADI song pha phụ thuộc vào tỷ phần thể tích mactensit và điều kiện đẳng nhiệt. Tăng tỷ phần mactensit, độ bền kéo, bền uốn và độ cứng tăng theo nhưng độ giãn dài giảm, tăng thời gian tôi đẳng nhiệt làm tăng độ độ giãn dài, giảm độ cứng, ít ảnh hưởng đến độ bền kéo và hầu như không ảnh hưởng gì đến độ bền uốn. So với gang cầu peclit, độ bền kéo và độ bền uốn gang
cầu ADI song pha tương đương nhưng độ giãn dài lớn gấp 2,5 đến 3,7 lần. Tính ưu việt của gang cầu ADI song pha được giải thích do 1) cấu trúc mức độ cầu hóa cao trên nền ferit và hạt mactensit ram và 2) dung dịch rắn được hóa bền bằng các nguyên tố hợp kim Mn và Ni. Hàm lượng ác nguyên tố Cu, Mn, Ni và Si trong mactensit có ảnh hưởng rất mạnh đến cơ tính của gang cầu ADI song pha.
Hình 1.9.Độ dai va đập Kc , tỉ số (KIC/σ0,2) theo chiều dày 25 và 75 mm [54]
Nghiên cứu gang cầu ADI song pha có nền ban đầu là ferit, tác giả [4] khẳng định, quá trình tôi đẳng nhiệt có xuất hiện một pha mới gọi là ferit mới (new ferrite, hình 1.11), tồn tại độc lập với ferit thứ cấp, cũng không phải là kim ferit. Cơ tính của gang phụ thuộc nhiều vào tỷ phần của ferit mới này. Tỷ phần ferit mới tăng khi tăng nhiệt độ ủ vùng ba pha và tăng nhiệt độ đẳng nhiệt. Độ cứng của gang tăng tỉ lệ với tăng nhiệt độ vùng ba pha (hình 1.10).
Hình 1.10.Độ cứng và nhiệt độ vùng ba pha của gang cầu ADI nền đa pha
[4]
Hình 1.11.Tổ chức của gang cầu ADI song pha 815 oC-365/ 120 phút [4]
So sánh tốc độ biến dạng của gang cầu ADI song pha chế tạo từ hai loại gang ban đầu, hoàn toàn ferit (A) và hoàn toàn mactexit (B), công trình [26] chỉ ra, đặc tính biến dạng của hai loại gang này rất khác nhau vì chúng phụ thuộc vào các yếu tố như: tỷ phần thể tích các pha, hình thái học các pha, mức độ liên tục của ausferit, cường độ phản ứng giữa nguyên tử C và các lệch trong tinh thể.
Hình 1.12Cơ tính và tỷ phần ausferit gang cầu ADI nền đa pha [4]
Tốc độ biến dạng tăng khi tăng tỷ phần thể tích ausferit hoặc giảm tỷ phần ferit thứ cấp và tỷ phần ferit mới. Trong gang cầu ADI nền đa pha, tốc độ biến dạng giảm đi khi giảm mức độ liên tục của ausferit trên nền ferit thứ cấp. Tăng tỷ phần pha ferit mới sẽ làm giảm tốc độ biến dạng vì pha này nâng cao độ dẻo của gang. Có thể kiểm soát đặc tính biến dạng của gang cầu ADI song pha bằng cách kiểm soát các thành phần như: Tỷ phần ferit thứ cấp, tỷ phần ferit mới, tỷ phần austenit cacbon cao, kiểm soát hình thái học của chúng và tính liên tục của ausferit trên nền ferit thứ cấp [4]