CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU Q TRÌNH TƠI THÉP TRONG DUNG DỊCH POLYME BẰNG MÔ PHỎNG SỐ
3.5. Kết quả mơ phỏng q trình chuyển biến pha trong mẫu tô
Như đã nêu trong phần 3.3, phần mềm Sysweld 2017.0 sử dụng bộ thông số vật liệu đầy đủ và toàn diện nhất so với các phần mềm khác nên kết quả phân tích về vật lý, cơ học và kim loại học là chính xác nhất và có độ tin cậy cao nhất. Khơng chỉ có tính tốn xác định được trường nhiệt độ và tốc độ nguội của mơ hình nghiên cứu, một thế mạnh vượt trội mà rất ít phần mềm mơ phỏng hiện tại có thể thực hiện được như Sysweld 2017.0 đó là khả năng tính tốn mơ phỏng rất chính xác q trình chuyển biến pha trong vật liệu khi xử lý nhiệt nói chung và khi tơi hay ram nói riêng.
Cơ sở để tính tốn xác định q trình chuyển biến pha của vật liệu mẫu tôi là các đường nguội và tốc độ nguội tại các vị trí trên mơ hình như đã tính tốn xác định ở trên, kết hợp với giản đồ chuyển biến pha khi nguội liên tục (CCT diagram) của vật liệu.
Kết quả tính tốn mơ phỏng q trình chuyển biến pha khi tơi mẫu nhẫn chữ C khoét lệch tâm như mô tả trên hình 3.4 trong mơi trường tơi tự chế PVP 4% được thể hiện trên hình 3.19 dưới đây. Kết quả tính tốn cho thấy rằng, mẫu nhẫn chữ C khoét lệch tâm dày 20 mm khi được nung nóng đến nhiệt độ 850oC (austenit hóa hồn tồn) rồi tơi ngay trong môi trường tôi tự chế PVP 4% sẽ thu được tổ chức gồm 2 pha chính là mactenxit (phase số 3) và austenit dư (phase số 6). Hàm lượng mactenxit lớn nhất thu được sau khi quá trình tơi mẫu trong dung dịch PVP 4% kết thúc là 86,8156% và hàm lượng austenit dư lớn nhất còn lại là 13,3933%. Theo kết quả tính tốn, nút 1177 nằm ở mỏm nhẫn chữ C và thuộc mặt đáy (tương tự nút 584) có hàm lượng mactenxit lớn nhất là 86,8156% và hàm lượng austenit dư tại đây là 13,1813%.
Cũng theo kết quả mơ phỏng thì các nút nằm ở phía trong lõi của mơ hình có hàm lượng mactenxit nhỏ hơn so với các nút nằm ở phía ngồi, nhưng hàm lượng austenit dư tại các vị trí đó lại lớn hơn. Giá trị nhỏ nhất của của hàm lượng mactenxit sau khi tôi mẫu là 84,8074% tại nút giữa lõi của mơ hình và hàm lượng austenit dư lớn nhất (cũng thuộc lõi của mơ hình) là 13,3933%. So sánh hàm lượng mactenxit lớn nhất (tại mỏm chữ C) và nhỏ nhất (trong lõi) ta thấy rằng mức chênh lệch nhau không nhiều (86,8156% - 84,8074% = 2,0082%), như vậy có thể hiểu rằng mẫu nhẫn chữ C khoét lệch tâm trên hình 3.4 đã được tơi thể tích hồn tồn trong dung dịch PVP 4%.
Từ kết quả tính tốn này cho thấy: vị trí nào có chuyển biến mactenxit càng nhiều thì hàm lượng austenit dư tại đó càng ít và ngược lại. Điều này cũng phản ánh đúng với quy luật chuyển biến pha khi tơi, từ đó có thể khẳng định rằng bài tốn mơ phỏng q trình tơi đã xây dựng phù hợp với lý thuyết đã biết hay mơ hình PTHH và các điều kiện tính tốn mà tác giả đã thiết lập là phù hợp với lý thuyết. Kết quả mô phỏng này sẽ được kiểm chứng bằng thực nghiệm và đánh giá chi tiết ở trong chương 5.
Hình 3.19 Kết quả chuyển biến pha sau khi tôi mẫu 500 giây trong dung dịch PVP 4%
Tiến hành trích xuất kết quả tính tốn diễn biến của q trình chuyển biến pha tại nút nguội nhanh nhất (nút 584) và nút nguội chậm nhất (nút 19775) của mơ hình mẫu nhẫn chữ C khoét lệch tâm ta thu được kết quả thể hiện trên hình 3.20. Kết quả tính tốn cho biết thời điểm bắt đầu có chuyển biến austenit thành mactenxit tại nút 584 là khoảng 16,5 giây - kết quả này phù hợp với thống kê trong bảng 3.3. Quá trình này diễn biến như sau: khi nhúng mẫu (đã được nung đồng nhất ở 850oC) vào trong dung dịch tôi tự chế PVP 4% được khoảng 16,5 giây thì nhiệt độ tại nút 584 đạt tới điểm chuyển biến mactenxit (Ms = 210oC), khi đó tổ chức austenit bắt đầu chuyển biến thành mactenxit làm cho hàm lượng của nó giảm dần (đường màu đỏ), đồng thời tổ chức mactenxit được sinh ra với hàm lượng ngày càng nhiều hơn (đường màu xanh nước biển đậm). Tại thời điểm sau khi nhúng mẫu vào trong dung dịch tơi được khoảng 46 giây thì lượng austenit tại nút 584 giảm cịn 50% và lượng mactenxit tại đó cũng đạt 50%. Tiếp tục ngâm mẫu trong dung dịch tơi thì austenit tiếp tục chuyển biến thành mactenxit và do đó hàm lượng của nó tiếp tục giảm, tuy nhiên nó khơng giảm về 0 mà giảm dần về giá trị 13,1813% - nghĩa là tại nút 584 cịn tồn tại một lượng austenit dư khơng chuyển biến hết. Sau khi nhúng mẫu vào dung dịch tơi được khoảng 240 giây thì nút 584 kết thúc quá trình chuyển biến pha và sản phẩm cuối cùng nhận được tại nút 584 chỉ gồm có 2 pha là mactenxit và austenit dư. Hàm lượng mactenxit tại nút 584 đạt được sau khi tơi là 86,8156% cịn lượng austenit dư là 13,1813%.
Hình 3.20 Diễn biến quá trình chuyển biến pha tại các nút 584 và 19775 khi tôi mẫu
trong dung dịch PVP 4%
Tại nút 19775 (ở giữa lõi của mơ hình và thuộc vùng dày nhất – nơi có tốc độ nguội nhỏ nhất) có diễn biến q trình chuyển biến pha như sau: Sau khi ngâm mẫu vào trong dung dịch tơi được khoảng 31,5 giây thì tổ chức austenit tại nút 19775 (đường màu hồng) bắt đầu giảm, tuy nhiên tốc độ giảm khá chậm. Theo kết quả tính tốn thì tại thời điểm này austenit khơng chuyển biến thành mactenxit mà nó chuyển biến thành tổ chức bainit (đường màu xanh lá cây đậm). Quá trình chuyển biến bainit diễn ra từ giây thứ 31,5 đến giây thứ 71,5 thì kết thúc và hàm lượng bainit tại nút 19775 đạt được chỉ là 1,7993%. Tiếp tục ngâm mẫu trong dung dịch tơi thì tại thời điểm t = 71,5 giây, austenit không chuyển biến thành bainit nữa mà chuyển biến thành mactenxit (đường màu xanh nước biển). Ở thời điểm t = 134 giây thì lượng austenit tại nút 19775 giảm cịn 50% và mactenxit đạt được tại đó là 48,2% (có sự chênh lệch này là vì đã tiết ra tổ chức bainit 1,7993%). Tiếp tục làm nguội mẫu trong dung dịch tơi thì austenit tại nút 19775 tiếp tục chuyển biến thành mactenxit nên hàm lượng của nó tiếp tục giảm. Khi làm nguội đến giây thứ 450 thì austenit tại nút 19775 khơng giảm nữa mà giữ lại ở tỷ lệ 13,3933%. Cũng tại giây thứ 450 thì hàm lượng của tổ chức mactenxit tại nút 19775 đạt được giá trị 84,8074% và nó giữ cố định mà khơng tăng nữa cho đến khi q trình tơi kết thúc. Kết thúc q trình tơi (sau 500 giây) thì nút 19775 có 3 tổ chức là bainit (1,7993%) + mactenxit (84,8074%) + austenit dư (13,3933%).
Tiến hành tính tốn mơ phỏng q trình chuyển biến pha khi tơi mẫu nhẫn chữ C khoét lệch tâm trên hình 3.4 trong một số dung dịch tôi khác nhau ta cũng nhận được quy luật phân bố mactenxit và austenit dư trong mẫu tôi giống với quy luật phân bố của mactenxit và austenit dư khi tôi mẫu trong dung dịch PVP 4% trên hình 3.19, tuy nhiên giá trị của mactenxit và austenit dư nhận được khi tôi trong các môi trường khác nhau là khác nhau như trình bày trong bảng 3.5.
Kết quả tính tốn hàm lượng lớn nhất của các tổ chức mactenxit và austenit dư trong mẫu tôi ở bảng 3.5 cho biết rằng: Khi tôi mẫu trong các dung dịch PAG 5%, PAG 10%, PAG 15% thì hàm lượng mactenxit lớn nhất nhận được (tại nút 584) là khoảng 87,1% và austenit dư khoảng 12,9% - các kết quả này xấp xỉ với khi tôi mẫu trong môi trường nước. Khi tôi mẫu trong dung dịch PVP 2% thì hàm lượng của mactenxit và austenit dư lớn nhất nhận được tương đương với tôi trong dầu. Khi tơi mẫu trong dung dịch PVP 4% thì
kết quả nhận được mactenxit nhỏ hơn một chút, đồng thời lượng austenit dư cao hơn một chút so với tôi trong dầu.
Bảng 3.5 Hàm lượng mactenxit, bainit và austenit dư lớn nhất nhận được
khi tôi mẫu nhẫn chữ C trong một số môi trường
Môi trường tôi Mactenxit % Bainit % Austenit dư % Nước 87.0943 0 12.9058 Dung dịch PAG 5% 87.0943 0 12.9058 Dung dịch PAG 10% 87.0923 0 12.9074 Dung dịch PAG 15% 87.0901 0 12.9208 Dung dịch PVP 2% 86.9726 1,8923 13.1203 Dầu 86.9611 2.4459 13.1291 Dung dịch PVP 4% 86.8156 1,9333 13.3933
Như vậy, thơng qua tính tốn mơ phỏng số, chúng ta có thể biết được khơng chỉ diễn biến quá trình nguội của mẫu tơi (mơ tả bởi trường nhiệt độ và các đường nguội) mà cịn có thể biết trước được diễn biến và kết quả của quá trình biến đổi tổ chức kim loại khi tơi tại tất cả các vị trí của mẫu tơi. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng, giúp ích cho việc lựa chọn được môi trường tôi hợp lý đối với từng loại vật liệu và chi tiết cụ thể đồng thời tiết kiệm được rất nhiều thời gian cũng như chi phí thử nghiệm, do khơng phải dị tìm ở những vùng thơng số khơng thích hợp.