Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công nghệ gia công cơ nhiệt đến tổ chức và cơ tính của thép song pha được luyện từ sắt xốp

Từ nhóm thép CMnSi, được đổi mới, bằng khống chế thành phần hóa học, sử dụng công nghệ cơ nhiệt để thép có tổ chức hạt siêu mịn và tạo thành các pha có tỷ phần nhất định, từ đó ra đời

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CƠ-NHIỆT ĐẾN TỔ CHỨC VÀ CƠ TÍNH CỦA

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2018

TRẦN CÔNG THỨC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CƠ-NHIỆT ĐẾN TỔ CHỨC VÀ CƠ TÍNH CỦA

Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Mã số: 9 52 01 03

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Đinh Bá Trụ

2 PGS.TS Nguyễn Trường An

HÀ NỘI - 2018

Tác giả luận án

Trần Công Thức

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận án này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, trực tiếp và gián tiếp, của các cơ quan quản lý Nhà nước; các GS-TS, các đồng nghiệp, các phòng thí nghiệm, nhân dịp này xin gửi tới:

Trước hết, xin tỏ lòng chân thành biết ơn đến Bộ KHCN, đến Dự án KHCN cấp Nhà nước do TCT MIREX chủ trì, đã cho phép tham gia thực hiện

Dự án và đảm nhiệm một số nhiệm vụ trong mục nghiên cứu sử dụng sắt xốp

luyện thép hợp kim phục vụ kinh tế và quốc phòng Dự án đã giúp về vật chất

và tinh thần trong toàn bộ quá trình thực hiện Luận án Cám ơn Nhóm nghiên

cứu luyện thép hợp kim từ sắt xốp, đã trao nhiệm vụ thực hiện nghiên cứu cơ

sở khoa học xây dựng quy trình công nghệ xử lý cơ nhiệt một mác thép DP cụ

thể, phục vụ sản xuất quốc phòng, chính là nội dung của Đề tài Luận án

Xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn Ban giám đốc, Phòng sau đại học, Khoa

Cơ khí - Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành Luận án

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai thầy PGS TS Đinh Bá Trụ

và PGS TS Nguyễn Trường An đã hết lòng truyền đạt, hướng dẫn lý thuyết

và thực nghiệm khoa học, giải đáp thắc mắc và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và hoàn thành Luận án

Xin được tỏ lòng biết ơn chân thành đến các Thầy Cô và các nhân viên Phòng thí nghiệm thuộc Bộ môn Gia công áp lực và BM Vật liệu và Công nghệ Vật liệu Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Công nghệ - TC CNQP, đã giúp đỡ

bổ sung kiến thức, thực nghiệm khoa học và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình nghiên cứu, học tập và thu thập số liệu để tôi hoàn thành được Luận án

Xin chân thành cảm ơn các Giáo sư trong hội đồng chấm Luận án Tiến

sỹ đã cho cho phép tôi được trình bày Luận án và đánh giá bản Luận án của tôi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1- TỔNG QUAN VỀ THÉP AHSS - THÉP DP - SẮT XỐP 6

1.1 Một số khái niệm 6

1.1.1 Thép kết cấu hợp kim 6

1.1.2 Thép độ bền cao tiên tiến - AHSS 7

1.1.3 Thép song pha 7

1.2 Đặc điểm thành phần - tổ chức pha - cơ tính thép AHSS 8

1.2.1 Đặc điểm thành phần và tổ chức của thép AHSS 8

1.2.2 Đặc điểm cơ tính của nhóm thép AHSS 9

1.2.3 Đặc điểm sản xuất và ứng dụng thép AHSS 14

1.3 Đặc điểm thành phần - tổ chức pha và cơ tính của thép DP 18

1.3.1 Đặc điểm thành phần thép DP 18

1.3.2 Đặc điểm tổ chức thép DP 20

1.3.3 Đặc điểm cơ tính thép DP 22

1.3.4 Đặc điểm công nghệ sản xuất thép DP của thế giới 27

1.4 Đặc điểm sắt xốp - nguồn nguyên liệu sản xuất thép AHSS 29

1.5 Kết luận chương 1 31

Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TỔ CHỨC VÀ CƠ TÍNH CỦA THÉP DP 33

2.1 Đặc điểm chỉ tiêu bền và dẻo đặc thù của thép DP 34

2.2 Nguyên lý cộng pha ứng dụng trong thép DP 34

2.2.1 Cơ sở lý thuyết cộng pha: 35

2.2.2 Độ bền và độ giãn dài pha F và M quan hệ với hàm lượng cacbon 36

2.2.3 Ảnh hưởng của tỷ phần thể tích F và M 37

2.3 Cơ chế hóa bền do lệch và sự hãm lệch trong thép DP 39

2.3.1 Cơ chế hóa bền do lệch 39

2.3.2 Các cơ chế hãm lệch trong thép DP 39

2.4 Lý thuyết hóa bền thép DP bằng hạt F và M nhỏ 42

2.4.1 Cơ sở lý thuyết hóa bền bằng hạt nhỏ thép DP 42

2.4.2 Một số giải pháp làm nhỏ hạt trong thép DP 44

2.5 Nhiệt động học chuyển biến tổ chức pha F và M 46

2.5.1 Ảnh hưởng nhiệt độ nung ủ và tỷ phần pha 46

2.5.2 Ảnh hưởng của thời gian giữ nhiệt 48

2.5.3 Ảnh hưởng tốc độ nguội 50

2.6 Kết luận chương 2 50

Chương 3 - THỰC NGHIỆM KHOA HỌC 52

3.1 Lưu đồ thực nghiệm và các thiết bị thí nghiệm 52

3.2 Thực nghiệm xác định thuộc tính nhiệt động 53

3.2.1 Thành phần thép nghiên cứu 53

3.2.2 Thuộc tính nhiệt động của mác thép DP nghiên cứu 54

3.2.3 Xác định tổ chức pha của thép bằng kính hiển vi quang học 56

3.2.4 Xác định các mức biến đổi của thông số thực nghiệm xử lý nhiệt 57

3.3 Xác định các đặc trưng cơ tính của thép 58

3.4 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm 59

3.4.1 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 59

3.4.2 Xử lý số liệu bằng phần mềm STATISICA 64

3.4.3 Thí nghiệm kiểm chứng 65

3.5 Kết luận chương 3 66

4.1.4 Quan hệ của thông số công nghệ đến tỷ phần pha mactenxit 75

4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ đến các chỉ tiêu bền 77

4.2.1 Quan hệ thông số công nghệ với giới hạn bền 77

4.2.2 Quan hệ thông số công nghệ với giới hạn chảy 80

4.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công nghệ đến các chỉ tiêu dẻo 83

4.3.1 Quan hệ giữa hệ số hóa bền (Rm/Re) với các thông số công nghệ 83

4.3.2 Quan hệ thông số công nghệ với độ giãn dài 86

4.3.3 Quan hệ thông số công nghệ với độ thắt tỷ đối 88

4.3.4 Quan hệ thông số công nghệ với chỉ số hấp thụ năng lượng 90

4.3.5 Quan hệ thông số công nghệ với hệ số biến cứng 92

4.4 Nghiên cứu xác lập bộ thông số công nghệ tối ưu 93

4.5 Kết luận chương 4 97

KẾT LUẬN CHUNG 99

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

PHỤ LỤC 114

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 Danh mục các ký hiệu

A Độ giãn dài tương đối (%)

Ac1 Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến peclit thành ôstenit khi nung thép

Ac3 Nhiệt độ kết thúc chuyển biến peclit thành ôstenit khi nung

Ar1 Nhiệt độ kết thúc chuyển biến ôstenit thành peclit khi làm nguội

Ar3 Nhiệt độ bắt đầu chuyển pha ferit từ ôstenit khi làm nguội

b Vec tơ Burgers

b0, bj, bjr,

bjrk, bjj

Các hệ số hàm hồi quy

B, k Hằng số phụ thuộc bản chất vật liệu

CM Hàm lượng cacbon trong mactenxit (%)

d Kích thước hạt trung bình (m)

N Số lượng mẫu thí nghiệm

r Hệ số biến dạng dẻo dị hướng

R0,2 Giới hạn chảy quy ước (MPa)

Re Giới hạn chảy (MPa)

Rm Giới hạn bền kéo (MPa)

r, Bán kính mầm mactenxit dạng đĩa

T Nhiệt độ nung trong vùng tới hạn hai pha (0C)

TG-D Nhiệt độ chuyển biến giòn dẻo ( C)

Tnc Nhiệt độ nóng chảy (0C)

 Thời gian giữ nhiệt vùng hai pha (phút)

X1 Biến mã hóa của biến thực nhiệt độ nung vùng hai pha

X2 Biến mã hóa của biến thực thời gian giữ nhiệt vùng hai pha

X3 Biến mã hóa của biến thực tốc độ nguội

Y Ký hiệu hàm hồi quy chung

y Tỷ số rèn

Yi Ký hiệu hàm hồi quy tại điểm thí nghiệm i

u Độ giãn dài đồng đều (%)

1, 2, ,

n

Giới hạn bền của các pha 1, 2, …,n tương ứng (MPa)

y Giới hạn chảy thực (MPa)

t Giới hạn bền thực (MPa)

 Ứng suất kéo

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

lệch σ(ε) Giới hạn chảy thực (MPa)

n Thành phần ứng suất pháp

i và ky Các hằng số phụ thuộc từng vật liệu cụ thể

 Pha ferit, hằng số hóa bền do lệch

’, , b Các pha mactenxit, ôstenit, bainit

 Mức độ biến dạng (%)

n Biến dạng theo phương tiếp tuyến (%)

T Biến dạng thực (%)

F Biến dạng của pha ferit

m Biến dạng của pha mactenxit

 Cacbit hoặc xementit

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

sát trong quy hoạch thực nghiệm

d Lượng tăng độ bền gây ra do mật độ lệch

CP Complex Phase Steel Thép đa pha

CG Coarse grain Kích thước hạt bình thường

DP Dual Phase Steel Thép song pha

DRI Direct Reduction Iron Sắt hoàn nguyên trực tiếp trạng

thái rắn HSLA High Strength Low Alloy Steel Thép hợp kim thấp độ bền cao HSS High Strength Steel Thép độ bền cao

IF Interstitial Free Steel Thép không có nguyên tử xen kẽ

TWIP Twinning Induced Plasticity dẻo do song tinh

LCP Law mixture phase Luật cộng pha

MS Martensitic Steel Thép Mactenxit

FG Fine grain Kích thước hạt nhỏ mịn

FLD Forming Limit Diagram Biến dạng tới hạn

Bảng 1.4: Thành phần hóa học, tỷ phần mactenxit, hàm lượng %C 22

Bảng 1.5: Tính chất cơ học của thép DP 24

Bảng 1.6: Thành phần hóa học của sắt xốp các nước 29

Bảng 1.7: Thành phần hóa học một số loại sắt xốp do Việt Nam sản xuất 30

Bảng 2.1: Độ bền các pha F và M thành phần trong thép DP 36

Bảng 2.2: Đặc điểm tốc độ làm nguội của một số môi chất tôi 50

Bảng 3.1: Thành phần hóa học mác thép sau khi nấu và tinh luyện 54

Bảng 3.2: Các nhiệt độ tới hạn 54

Bảng 3.3: Kết quả thử nghiệm tốc độ nguội của các môi trường 56

Bảng 3.4: Bảng ma trận thực nghiệm 60

Bảng 3.5: Bảng kết quả thực nghiệm 60

Bảng 3.6: Bảng giá trị, độ tin cậy của các đặc trưng cơ tính thép 61

Bảng 3.7: Tổng hợp giá trị tối ưu của các hàm hồi quy 64

Bảng 3.8: Kết quả thực nghiệm kiểm chứng 66

Bảng 4.1: So sánh một số chỉ tiêu cơ tính của thép nghiên cứu 77

Bảng 4.2: Bộ thông số công nghệ cho các chỉ tiêu tối ưu 94

Bảng 4.3: Bộ thông số công nghệ tối ưu về độ bền - độ dẻo 95

DANH MỤC HÌNH ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Phân loại thép theo quan hệ độ bền và tính dẻo 6

Hình 1.2: Đặc điểm tổ chức mác thép AHSS 9

Hình 1.3: Ba thế hệ thép AHSS 10

Hình 1.4: Hệ số biến cứng n phụ thuộc biến dạng của thép DP 13

Hình 1.5: So sánh các chỉ tiêu cơ học của nhóm thép CP, DP và TRIP 13

Hình 1.6: Sơ đồ sản xuất thép theo công nghệ truyền thống và tiên tiến 15

Hình 1.7: Công nghệ hoàn nguyên trực tiếp MIDREX 15

Hình 1.8: Sơ đồ công nghệ xử lý nhiệt thép HSLA, DP, CP, TRIP 16

Hình 1.9: Tốc độ phát triển ứng dụng thép AHSS trong sản xuất ô tô 17

Hình 1.10: Biểu đồ thay đổi tỷ phần thép AHSS trong sản xuât ô tô 17

Hình 1.11: Các chi tiết chế tạo bằng thép DP và thép HSLA trong ô tô 17

Hình 1.12: Ảnh hưởng của các NTHH tới độ bền của thép DP 19

Hình 1.13: Tổ chức của thép DP - F và M 21

Hình 1.14: Giản đồ pha thép DP 21

Hình 1.15: Tổ chức SEM của thép DP hạt siêu mịn 22

Hình 1.16: Biểu đồ ứng suất - biến dạng quy ước(a) ứng suất - biến dạng thực (b) của thép DP và HSLA 23

Hình 1.17: Biểu đồ ứng suất - biến dạng quy ước của thép DP600 23

Hình 1.18: Quan hệ hàm lượng Mn với tính dị hướng (a) và sự hình thành dải tạp chất Mn (b) 24

Hình 1.19: Biểu đồ mỏi các một số thép DP 25

Hình 1.20: Biểu đồ biến dạng tới hạn FLD của thép DP600 25

Hình 1.21: Biểu đồ biến dạng tới hạn cho một số thép DP cán nguội 26

Hình 1.22: So sánh khả năng dập vuốt sâu của thép DC06 và AHSS 26

Hình 2.4: Quan hệ hàm lượng %C và tỷ phần M 36

Hình 2.5: Quan hệ giới hạn bền - giới hạn chảy (a) và độ giãn dài (b) với hàm lượng %C trong M 37

Hình 2.6: Biểu đồ quan hệ giới hạn bền, giới hạn chảy (a) và độ giãn dài (b) với tỷ phần mactenxit của thép DP 37

Hình 2.7: Quan hệ độ giãn dài đồng đều của F và M với tỷ phần M 38

Hình 2.8: Quan hệ tỷ phần F với độ bền(a) và hệ số biến cứng n(b) của thép DP 38

Hình 2.9: Sơ đồ về sự hoạt động của nguồn F-R(a), 5 giai đoạn dịch chuyển của lệch (b) 39

Hình 2.10: Quan hệ giới hạn bền và các yếu tố tăng bền thép DP 40

Hình 2.11: Ba cơ chế hóa bền chính của thép DP 41

Hình 2.12: Tác dụng hóa bền của NTHK lên ứng suất chảy của ferit 41

Hình 2.13: Chuyển biến tạo pha rắn 42

Hình 2.14: Quan hệ độ bền và độ lớn hạt F trong biểu thức Hall-Petch 43

Hình 2.15: Quan hệ ứng suất-biến dạng với các kích thước hạt 43

Hình 2.16: Các dạng chuyển động của lệch trong một hạt và truyền sang 44

Hình 2.17: Quan hệ các chỉ tiêu cơ tính với độ lớn hạt F 44

Hình 2.18: Quan hệ cỡ hạt F với hàm lượng các nguyên tố vi lượng và C 45

Hình 2.19: Sơ đồ mô tả làm nhỏ hạt Ô bằng xử lý nhiệt chu kỳ 46

Hình 2.20: Giản đồ quan hệ nhiệt độ nung và tỷ phần pha của thép DP 47

Hình 2.21: Quan hệ tỷ phần pha với nhiệt độ nung vùng 2 pha 47

Hình 2.22: Tỷ lệ ôstenit của 4 thép khác nhau phụ thuộc nhiệt độ 47

Hình 2.23: Quá trình hòa tan (a) và đồng đều ôstenit (b) quan hệ nhiệt độ và thời gian của thép 48

Hình 2.24: Quan hệ tỷ phần F với thời gian giữ nhiệt trong điều kiện biến dạng trước khác nhau (a), nhiệt độ nung khác nhau (b) 48

Hình 2.25: Động học ôstenit hóa đẳng nhiệt 49

Hình 2.26: Quan hệ giữa tỷ phần Ô với thời gian giữ nhiệt 49

Hình 2.27: Quan hệ tỷ phần mactenxit với thời gian và nhiệt độ 49

Hình 3.1: Lưu đồ thực nghiệm 52

Hình 3.2: Giản đồ pha (Thermo - Calc) 55

Hình 3.3: Giản đồ CCT(a) và biểu đồ tỷ phần các pha với nhiệt độ (b) 55

Hình 3.4: Biểu đồ giãn nở nhiệt mẫu thép nghiên cứu 55

Hình 3.5: Kính hiển vi quang học AXIO-A2M 56

Hình 3.6: Tổ chức tế vi: a - sau đúc, b - sau rèn 56

Hình 3.7: Tổ chức tế vi của thép DP nghiên cứu sau xử lý nhiệt 57

Hình 3.8: Tổ chức thép DP và xác định tỷ phần F+M bằng ImageJ 57

Hình 3.9: Sơ đồ chu trình xử lý nhiệt thực nghiệm 58

Hình 3.10: Minh họa biểu đồ tìm bộ thông số công nghệ tối ưu 65

Hình 4.1: Tổ chức tế vi mẫu D-1 69

Hình 4.2: Tổ chức tế vi mẫu D-4 69

Hình 4.3: Tổ chức tế vi mẫu D-7 69

Hình 4.4: Tổ chức tế vi mẫu D-3 69

Hình 4.5: Tổ chức tế vi mẫu D-6 69

Hình 4.6: Tổ chức tế vi mẫu D-9 69

Hình 4.7: Tổ chức tế vi mẫu N-2 69

Hình 4.8: Tổ chức tế vi mẫu N-5 69

Hình 4.9: Tổ chức tế vi mẫu N-8 69

Hình 4.16: Tổ chức tế vi mẫu M-3 70

Hình 4.17: Tổ chức tế vi mẫu M-6 70

Hình 4.18: Tổ chức tế vi mẫu M-9 70

Hình 4.19: Biểu đồ 3D quan hệ cặp đôi 3 TSCN với độ lớn hạt F 71

Hình 4.20: Ảnh hưởng của TSCN đến độ lớn hạt ferit 72

Hình 4.21: Biểu đồ 3D quan hệ cặp đôi 3 TSCN với độ lớn hạt mactenxit 73

Hình 4.22: Ảnh hưởng của TSCN đến độ lớn hạt mactenxit 74

Hình 4.23: Biểu đồ 3D quan hệ 3 TSCN với tỷ phần pha M 75

Hình 4.24: Ảnh hưởng của TSCN đến tỷ phần mactenxit 76

Hình 4.25: Biểu đồ 3D quan hệ 3 TSCN với giới hạn bền 78

Hình 4.26: Quan hệ độ bền với tỷ phần và độ lớn hạt mactenxit(a), ferit(b) 78 Hình 4.27: Ảnh hưởng của TSCN đến giới hạn bền 79

Hình 4.28: Biểu đồ 3D quan hệ 3 TSCN với giới hạn chảy 80

Hình 4.29: Quan hệ giới hạn chảy với đặc trung tổ chức 81

Hình 4.30: Ảnh hưởng của TSCN đến giới hạn chảy 82

Hình 4.31: Biểu đồ 3D quan hệ 3 TSCN với hệ số hóa bền 83

Hình 4.32: Quan hệ Rm/Re với đặc trung tổ chức 84

Hình 4.33: Ảnh hưởng của TSCN đến hệ số hóa bền 85

Hình 4.34: Ảnh đồ quan hệ độ giãn dài tương đối với đặc trưng tổ chức 86

Hình 4.35: Ảnh hưởng của TSCN đến độ giãn dài 87

Hình 4.36: Biểu đồ 3D quan hệ 3 TSCN với độ thắt tỷ đối 88

Hình 4.37: Ảnh đồ quan hệ độ thắt tỷ đối với đặc trưng tổ chức 88

Hình 4.38: Ảnh hưởng của TSCN đến độ thắt tỷ đối Z 89

Hình 4.39: Biểu đồ 3D quan hệ 3 TSCN với chỉ số hấp thụ năng lượng 90

Hình 4.40: Quan hệ chỉ số hấp thụ năng lượng với đặc trưng tổ chức 90

Hình 4.41: Ảnh hưởng của TSCN đến chỉ số hấp thụ năng lượng 91

Hình 4 42: Biểu đồ 3D quan hệ 3 TSCN với hệ số biến cứng n 92

Hình 4.43: Quan hệ hệ số biến cứng n với đặc trưng tổ chức 92

Hình 4.44: Ảnh hưởng của TSCN đến hệ số biến cứng n 93

Hình 4.45: Quan hệ giới hạn bền và độ giãn dài tương đối thép song pha sau xử lý cơ nhiệt 95

Hình 4.46: Quan hệ giới hạn bền - độ giãn dài thép DP nghiệm chứng 96

Từ cuối thế kỷ 20, một loạt thành tựu KHCN về luyện kim đã được áp dụng từ đó đã đưa sản lượng thép thế giới đạt trên 1,5 tỷ tấn, trong đó có trên

70 triệu tấn thép được luyện từ công nghệ hoàn nguyên trực tiếp

Công nghệ hoàn nguyên trực tiếp ra đời đang dần thay thế công nghệ gang lò cao truyền thống, không sử dụng than cốc, bỏ các giai đoạn thiêu kết quặng sắt và cốc hóa than mỡ, sản phẩm được gọi là sắt (gang) hoàn nguyên trực tiếp DRI, sản phẩm hoàn nguyên trạng thái rắn được gọi là sắt xốp Đặc điểm sắt xốp có độ sạch tạp chất cao, hàm lượng %C, %P, %S thấp, nhờ đó, khi làm nguyên liệu luyện thép hợp kim ít tốn năng lượng để khử cacbon và tạp chất phi kim, tạo điều kiện hợp kim hóa và các hiệu ứng tăng bền

Từ nhóm thép CMnSi, được đổi mới, bằng khống chế thành phần hóa học, sử dụng công nghệ cơ nhiệt để thép có tổ chức hạt siêu mịn và tạo thành

các pha có tỷ phần nhất định, từ đó ra đời thép độ bền cao tiên tiến AHSS với

các phân nhóm thép DP, TRIP, CP Do tổ chức thép có tính đặc thù thép

AHSS có độ bền cao hơn, tính dẻo tốt hơn, nhất là sự phối hợp hài hòa giữa

độ bền cao và tính dẻo tốt, rất thuận lợi cho công nghệ sản xuất tạo hình và

nâng cao tính năng sử dụng Thép AHSS được dùng để sản xuất hàng loạt các phôi thép dạng tấm, các thanh dầm có tiết diện I, U, T, thay thế thép HSLA

Hiện nay, Việt Nam đang bắt đầu mở ra giai đoạn luyện gang phi cốc thay cho công nghệ luyện gang truyền thống Đã có hai nhà máy sản xuất sắt xốp theo công nghệ hoàn nguyên trực tiếp quặng sắt thể rắn của MIREX và MATEXIM, sắt xốp phù hợp làm nguyên liệu cho luyện thép hợp kim chất lượng cao

Dự án KHCN cấp Nhà nước 2014-2017, do Công ty MIREX chủ trì, với

nhiệm vụ: Hoàn thiện công nghệ sản xuất sắt xốp và sản xuất thử nghiệm

thép hợp kim từ sắt xốp phục vụ kinh tế và quốc phòng, đã sản xuất được sắt

xốp rắn với tổng sắt đạt 94  96% và luyện được hàng chục mác thép hợp kim các loại, với sản lượng hàng trăm tấn, như mác thép hợp kim 38CrNi3MoVA,

30CrMnSi, thép dập vuốt sâu S10C, Từ nhu cầu sản xuất phôi thép DP dập

vỏ động cơ đạn phản lực R122, thay thế nhập ngoại, nhận thấy cần có các

nghiên cứu cơ bản về cơ sở lý thuyết và công nghệ tạo phôi thép từ nhóm AHSS theo hướng vừa có độ bền cao vừa có tính dẻo tốt đáp ứng các chỉ tiêu cơ học

và áp dụng công nghệ đưa sản phẩm vào phục vụ sản xuất quốc phòng Chính

vì vậy, hướng nghiên cứu sản xuất thép AHSS nói chung và đề tài cụ thể nghiên

cứu lĩnh vực công nghệ chuyên biệt về ảnh hưởng của thông số công nghệ

gia công cơ - nhiệt đến tổ chức và cơ tính của thép song pha được luyện từ sắt xốp là việc cần thiết, mở ra một hướng phát triển mới trong lĩnh vực ứng

dụng công nghệ mới tại Việt Nam

2 Mục tiêu của luận án

Sau quá trình nghiên cứu Luận án đã đạt được mục tiêu là:

Đã xác lập các quy luật về mối quan hệ giữa 3 thông số công nghệ xử lý nhiệt (nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt và tốc độ nguội) với tổ chức và cơ tính phôi thép song pha; tổ chức tế vi đã đáp ứng đúng là tổ chức 2 pha F và M, có

độ lớn hạt cấp siêu mịn, tỷ phần pha nằm trong giới hạn chung của thép DP và chỉ tiêu cơ tính vừa có độ bền cao và tính dẻo tốt, tương đương mác thép DP500/800 theo tiêu chuẩn ASTM, các quy luật quan hệ được thiết lập có thể làm nền tảng để xây dựng các quy trình công nghệ sản xuất tại nhà máy

3 Tính khoa học - tính thực tiễn - tính mới của luận án

- Tính khoa học

a Luận án đã dựa trên các lý thuyết cơ bản về hóa bền do chuyển biến pha, luật cộng pha và lý thuyết độ bền - độ dẻo của thép, đã tiến hành thực

thời có sự trợ giúp của phần mềm công nghiệp Số liệu thực nghiệm được xử

lý theo phương pháp quy hoạch đúng yêu cầu của thực nghiệm khoa học

- Tính thực tiễn

Các quy luật có thể ứng dụng vào sản xuất thực tế nhờ các bộ thông số công nghệ đề xuất, Các quan hệ 3 thông số công nghệ với tổ chức và cơ tính thép DP đã được kiểm chứng bằng thí nghiệm với một mác thép tương tự, kết quả cho phép khẳng định bộ thông số công nghệ đưa ra là đúng đắn

- Tính mới

Là một Luận án mở đầu nghiên cứu mang tính cơ bản về một mác thép DP được luyện từ sắt xốp và xử lý cơ nhiệt: Nung trong vùng 2 pha và nguội nhanh với giải pháp khống chế tạo tổ chức pha F và M nhỏ mịn và đúng tỷ phần pha

M, làm cơ sở tạo hiệu ứng song pha có đặc trưng độ bền cao và tính dẻo tốt

Các giá trị về tổ chức và cơ tính được xác định bởi tác dụng đồng thời ba thông số công nghệ, đã tăng độ chính xác và gần với thực tế

4 Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở khảo cứu lý thuyết về độ bền và tính dẻo của thép song pha,

lý thuyết độ bền do lệch và hãm lệch, lý thuyết chuyển pha hình thành tổ chức hai pha F và M của thép DP làm phương hướng chỉ đạo để tiến hành thực nghiệm khoa học Dựa trên thực nghiệm khoa học, lập ra bảng số liệu thực nghiệm, gia công xử lý để thiết lập các quy luật tác động của thông số công nghệ cơ - nhiệt đến tổ chức và cơ tính của thép DP

5 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

Theo yêu cầu của sản xuất, chọn mác thép nghiên cứu có thành phần nhóm CMnSi và các chỉ tiêu cơ tính tương đương thép DP450/780 và DP500/800, được luyện từ sắt xốp MIREX, rèn từ D250mm xuống D14mm làm mẫu thí nghiệm; tiến hành xử lý nhiệt, trọng tâm nghiên cứu 3 thông số

công nghệ: Nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt và tốc độ nguội, với hàm mục

tiêu về độ bền và độ dẻo của thép, thông qua sự tác động hình thành tổ chức 2

pha F và M có độ lớn hạt nhỏ và tỷ phần pha trong phạm vi tiêu chuẩn

6 Nội dung Luận án

Luận án ngoài mở đầu và kết luận, gồm 4 chương chính như sau:

1- Tổng quan về thép AHSS - thép DP và sắt xốp Tổng quan về tài liệu các tác giả thế giới đã nghiên cứu về thép AHSS và DP, từ đó đưa ra các nội dung Luận án cần nghiên cứu

2 - Cơ sở lý thuyết về tổ chức và cơ tính thép DP

Khảo cứu tài liệu, thuyết minh cơ sở lý thuyết tăng bền của thép song pha với 3 lý thuyết: Lý thuyết cộng pha; lý thuyết hóa bền do hạt nhỏ mịn; lý thuyết độ bền và độ dẻo do lệch và hãm lệch

Khảo cứu quá trình nhiệt động học chuyển biến pha để tạo pha F và M; có

độ hạt nhỏ siêu mịn và tỷ phần pha M theo yêu cầu cơ tính của thép song pha

3 - Thực nghiệm khoa học

Trình bày các phương pháp, thiết bị và công cụ dùng để thực nghiệm theo lưu đồ thực nghiệm Xác định các thuộc tính nhiệt động của thép nghiên cứu, làm điều kiện ban đầu, sử dụng phương pháp QHTN làm cơ sở, xác lập miền thông số công nghệ thực nghiệm, số thực nghiệm, thực hành thực nghiệm thử tổ chức và cơ tính, xử lý số liệu, xác lập hàm hồi quy để tìm giá trị cực trị của các mục tiêu Sử dụng phần mềm dựng biểu đồ 3D và đồng mức để tìm miền công nghệ phù hợp yêu cầu

dẻo cao hoặc độ bền và tính dẻo đều tốt theo yêu cầu công nghệ Kiểm chứng khả năng ứng dụng trong thực tế sản xuất

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÉP AHSS - THÉP DP - SẮT XỐP

1.1 Một số khái niệm

1.1.1 Thép kết cấu hợp kim

Từ hình 1.1 theo độ bền và độ giãn dài, thép kết cấu được phân thành 3 nhóm: Thép độ bền thấp có giới hạn bền nhỏ hơn 270MPa; thép độ bền cao có giới bền đến 700MPa và thép độ bền siêu cao có giới hạn bền lớn hơn 700MPa

Hình 1.1: Phân loại thép theo quan hệ độ bền và tính dẻo [24][30][44] Thép độ bền cao gồm: nhóm thép CMnSi và nhóm thép hợp kim thấp độ

bền cao HSLA, được hợp kim hóa bằng các NTHK Mn, Si, Cr, Ni,… với tổng hàm lượng NTHK nhỏ hơn 5% Thép hợp kim thấp độ bền cao được dùng làm vật liệu sản xuất các kết cấu thép và các chi tiết cơ khí Do thép có lượng nguyên

tố hợp kim ít, nên giới hạn bền cao hơn thép cacbon, nhưng ở trạng thái thường hóa, giới hạn bền của chúng cũng khó vượt ngưỡng 700MPa Nhóm thép CMnSi được ứng dụng rất rộng rãi dùng để sản xuất các sản phẩm dạng thép cán dạng tấm và thép thanh có tiết diện I - U - T dùng trong các công trình xây dựng, các kết cấu thiết bị và khung dầm xe ô tô các loại Tuy thép có giới hạn bền nhỏ hơn 700MPa, giới hạn chảy đến 500MPa, độ giãn dài từ 10 đến 30%,

công nghệ biến dạng - xử lý nhiệt Từ đó thép độ bền cao tiên tiến AHSS ra đời,

tạo một sự đổi mới về chất làm tăng độ bền và độ dẻo, đang dần thay thế thép hợp kim thấp độ bền cao

1.1.2 Thép độ bền cao tiên tiến - AHSS

Thép AHSS được nghiên cứu từ những năm 1960, được phát triển mạnh sau những năm 1980 Từ thành tựu về công nghệ hoàn nguyên trực tiếp sắt (luyện gang phi cốc), thu được sản phẩm có hàm lượng P và S thấp dưới 0,015%, nhờ đó tạo tiền đề cho luyện ra mác thép chất lượng cao, tiếp sau sử dụng công nghệ biến dạng và xử lý nhiệt tạo được mác thép có số lượng pha nhất định (F, M, B, Ô dư), với độ lớn hạt siêu mịn và có tỷ phần thể tích các pha nhất định Từ đó ta được thép AHSS có cơ tính tổng hợp cao hơn các mác thép HSLA, có giới hạn bền cao đến siêu cao, trên 1200MPa và độ giãn dài vẫn bảo đảm trên 20%

1.1.3 Thép song pha

Thép song pha (DP) là một trong các mác thép thuộc nhóm độ bền cao

tiên tiến AHSS, mác thép có tổ chức hai pha F và M đồng tác dụng; pha ferit

dẻo làm nền và pha mactenxit rắn nằm xen kẽ trên phân giới hạt của pha ferit,

có độ lớn hạt siêu mịn Hai pha ferit và mactenxit có tỷ phần thể tích nhất định, trong đó ferit chiếm 70 ÷ 85% có hình dạng đa cạnh phân bố liên tục giữ vai trò pha nền, mactenxit có dạng các đảo cô lập phân bố trên nền ferit đóng vai trò pha hóa bền chiếm tỷ số 30 ÷ 15% [6]

1.2 Đặc điểm thành phần - tổ chức pha - cơ tính thép AHSS

1.2.1 Đặc điểm thành phần và tổ chức của thép AHSS

Thép AHSS không phân loại theo thành phần hóa học hoặc công dụng như thép HSLA, mà được phân loại và gọi tên theo đặc trưng cấu trúc pha của thép: thép song pha DP - thép có hai pha (F và M); thép dẻo do chuyển biến TRIP - thép có 3 hoặc 4 pha (F, B, M và Ô dư); thép đa pha CP - thép có tổ chức 4 pha (F, B, M, Ô), thép mactenxit MS - thép có tổ chức chủ yếu là pha mactenxit Đặc điểm thành phần và tổ chức thép chỉ ra trong bảng 1.1

Bảng 1.1: Bảng phân loại thành phần và tổ chức các thép AHSS theo ASTM

- Nguyên tố khác: Ti, Nb, V, Mo, Cu, P, …

khử tạp chất khí Nhờ có thành phần - tổ chức của thép đặc thù, cùng với được sản xuất bằng công nghệ đặc biệt, nên thép AHSS có độ bền cao hoặc siêu cao, đồng thời độ dẻo cũng cao Độ bền và độ dẻo của từng pha trong thép AHSS cùng tỷ phần thể tích của chúng quyết định độ bền và độ dẻo của thép

Hình 1.2: Đặc điểm tổ chức mác thép AHSS [21]

Pha ferit có vai trò quan trọng chủ đạo tác dụng đến độ bền và nhất là độ dẻo Các pha M và B có độ rắn cao, độ dẻo thấp, nằm xen kẽ giữa pha F, đóng vai trò là các pha tăng bền, có tác dụng cản trở chuyển động của lệch, là tác nhân điều tiết độ bền và độ dẻo Một số nhóm thép còn có thêm pha ôstenit dư (thép TRIP), pha có độ dẻo cao, nhưng dưới tác dụng của biến dạng hoặc nhiệt

độ Ô dư sẽ chuyển biến thành M Chính vì vậy thép TRIP có độ bền và độ dẻo lớn hơn HSLA và thép DP

1.2.2 Đặc điểm cơ tính của nhóm thép AHSS

Đặc trưng của thép AHSS vừa có độ bền cao vừa có độ dẻo tốt Đến nay một số mác có độ bền siêu cao đã được sản xuất, Thép AHSS chỉ cần hợp kim hóa bằng các nguyên tố đơn giản rẻ tiền, như thép CMnSi thuộc nhóm HSLA nhưng có độ bền tương đương độ bền của thép được hợp kim hóa bằng Cr, Ni

Căn cứ vào giới hạn bền và độ giãn dài và thời gian đạt kết quả nghiên cứu, thép AHSS được chia thành 3 thế hệ (hình 1.3):

Hình 1.3: Ba thế hệ thép AHSS [40][26]

+ Thép AHSS thế hệ 1: Nhóm thép được phát triển từ nhóm HSLA, với

3 phân nhóm thép DP, thép TRIP và thép CP Bằng tác động trí tuệ của con người, thông qua sử dụng các công nghệ khác nhau, từ công nghệ nấu luyện bằng nguyên liệu sạch, được tinh luyện ngoài lò và xử lý cơ nhiệt, đã điều khiển được các thông số công nghệ nhờ đó tạo nên thép có tổ chức pha đặc trưng, đã đưa độ bền của chúng cao hơn thép HSLA tương ứng thép được hợp kim hóa bằng Cr, Ni, Bằng công nghệ có thể tạo được mác thép mactenxit siêu bền, với giới hạn bền có thể đạt đến 2000MPa, vẫn có độ dẻo nhất định với độ giãn dài thấp nhất từ 5  10% Nhóm thép này đang được ứng dụng theo quy mô công nghiệp, đang được phát triển mở rộng ứng dụng trong sản xuất các sản phẩm cơ khí

+ Thép AHSS thế hệ 2: Là nhóm thép có tổ chức ôstenit với thành phần

Mn cao, thép được biến dạng xoắn tạo song tinh (TWIN) Đặc trưng của loại thép này là độ bền và tính dẻo rất cao Do công nghệ sản xuất phức tạp, cần sử dụng thiết bị riêng, nên nhóm thép này mới được sử dụng sản xuất một số vật liệu đặc biệt với số lượng ít, chưa sản xuất quy mô hàng loạt

liệt, hoặc sử dụng công nghệ luyện kim bột để tạo tổ chức hạt nanô Chính vì vậy, thép AHSS thế hệ 3 cũng còn đang nghiên cứu và chế thử ở quy mô nhỏ,

trong các phòng thí nghiệm,

2) Đặc trưng cơ tính của thép AHSS (thế hệ 1)

Như trên đã nêu, Luận án tập trung nghiên cứu nhóm thép AHSS thế hệ

1 với các mác thép đang được ứng dụng rộng rãi và sản xuất lớn quy mô công nghiệp, phục vụ cung cấp vật liệu cho các sản phẩm hàng loạt

Từ hình 1.3 và bảng 1.2 cho thấy:

- Nhóm thép AHSS có độ bền và độ giãn dài thuộc thép độ bền cao và siêu cao, có tính năng vượt trội so với nhóm HSLA Một số mác thép có độ bền cao tương đương thép HSLA, nhưng có độ giãn dài lớn hơn, có nghĩa là cùng dải

độ bền nhưng độ dẻo của thép AHSS tốt hơn, dễ gia công biến dạng hơn, tốn ít nguyên công công nghệ biến dạng, nhờ đó đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn Các mác thép có cấp độ bền siêu cao, có giới hạn bền cao hơn hẳn (trên 1200MPa), nhưng, độ giãn dài vẫn cao hơn thép HSLA Như vậy, có thể sử dụng xử lý nhiệt để làm thay đổi cơ tính, có khi cần giảm độ bền để tăng khả năng gia công biến dạng và có khi cần tăng độ bền để tăng khả năng chịu lực khi sử dụng nhờ hiệu ứng biến cứng nguội Với các chỉ tiêu về hệ số biến cứng,

tỷ số hóa bền cao hơn, có nghĩa là, bằng cách thay đổi công nghệ xử lý nhiệt,

có thể tạo được cơ tính tổng hợp tốt, vừa có độ bền cao vừa có độ giãn dài lớn của thép AHSS

- Một đặc tính cơ học đặc biệt là thép AHSS có tỷ số giữa giới hạn bền và giới hạn chảy cao; cùng một giới hạn chảy là 350MPa như HSLA, nhưng tỷ số

Rm/Re của thép DP là 1,71, còn thép HSLA là 1,29; có nghĩa là, cùng một điều kiện bắt đầu biến dạng dẻo, nhưng thép có khả năng chịu lực lớn hơn để biến dạng mà không bị phá hủy Như vậy, nếu cùng một lượng biến dạng, thép cho công biến dạng lớn hơn, có thể dùng ít nguyên công hơn cho cùng một sản phẩm hoặc dùng máy công suất lớn để gia công, rút ngắn số nguyên công biến dạng, tiết kiệm khuôn mẫu và thời gian công nghệ

Bảng 1.2: Thuộc tính cơ học của một số mác thép AHSS [56][104]

n (5–15%)

r (bar)

K (MPa)

DP 500/800 500 800 1,60 14–20 0.14 1.0 1303

CP 700/800 700 800 1,14 10–15 0.13 1.0 1380

DP 700/1000 700 1000 1,43 12–17 0.09 0.9 1521 Mart 950/1200 950 1200 1,26 5–7 0.07 0.9 1678 Mart 1250/1520 1250 1520 1,22 4–6 0.065 0.9 2021

- Thép AHSS có hệ số biến cứng n lớn Hệ số n đánh giá khả năng biến

cứng tăng bền của vật liệu khi biến dạng dẻo nguội tạo hình Như hình 1.4, bảng 1.2 cho thấy, so với mác thép HSLA hệ số biến cứng của AHSS lớn hơn,

có nghĩa, nếu có biến dạng dẻo trước, ứng suất chảy tăng cao, nâng khả năng chịu tải cho kết cấu Đồng thời tạo hiệu ứng biến cứng nung BH Hệ số biến cứng của thép DP là 0,21 cao hơn thép HSLA là 0,14 và thấp hơn thép TRIP là 0,24

Hình 1.4: Hệ số biến cứng n phụ thuộc biến dạng của thép DP [49][98]

Hình 1.5: So sánh các chỉ tiêu cơ học của nhóm thép CP, DP và TRIP [100]

Từ hình 1.5 cho thấy, khi cùng giới hạn bền, thép TRIP có các chỉ tiêu

cơ tính tốt hơn, cả về chỉ tiêu bền và chỉ tiêu dẻo, thép DP có các chỉ tiêu dẻo

thấp hơn nhưng cao hơn thép CP

Thép AHSS còn có đặc trưng cao về hấp thụ năng lượng va đập, năng lượng được tính bằng tích giới hạn bền với độ giãn dài (PSE = RmA), chỉ số PSE của thép HSLA nhỏ hơn 1000 MPa%, thép DP đạt đến 2000 MPa% Đặc trưng này rất có ích để làm vật liệu chế tạo các kết cấu chịu tải xung, như khung

xe ô tô, khi xe va chạm khung xe chỉ bị biến dạng, không gẫy, làm giảm thương vong cho người [13][107]

- Hệ số biến dạng dẻo dị hướng r nhỏ: Chỉ số dị hướng đánh giá biến

dạng dẻo theo 2 chiều, chỉ số dị hướng càng nhỏ, biến dạng theo hai chiều trực giao càng đồng đều Bảng 1.2 cho thấy, thép AHSS có chỉ số r gần bằng 1, như vậy thép biến dạng đồng đều giữa các hướng, tránh khuyết tật khi dập vuốt

chịu tải ban đầu của thép Do AHSS có giới hạn chảy cao hơn giới hạn chảy của thép HSLA chúng có hệ số K lớn hơn, tương ứng có giới hạn bền cao hơn

1.2.3 Đặc điểm sản xuất và ứng dụng thép AHSS

1.2.3.1 Đặc điểm sản xuất thép AHSS

1 Thép AHSS được sản xuất từ sản phẩm của công nghệ hoàn nguyên

trực tiếp ở trạng thái nóng chảy hoặc trạng thái rắn (sắt xốp) Như hình 1.6 và

hình 1.7 cho thấy, công nghệ hoàn nguyên trực tiếp, không dùng than cốc nên bỏ bớt được một công đoạn cốc hóa, giảm được chi phí và thân thiện với môi trường

Thép luyện từ sắt hoàn nguyên trực tiếp cho hàm lượng cacbon thấp hơn chục lần so với gang, thuận lợi cho quá trình khử và điều chỉnh cacbon trong lò luyện thép, từ đó giảm thời gian luyện thép và giảm chất ôxy hóa khử cacbon Giảm hàm lượng %P, S xuống mức rất thấp, đạt dưới 0,015%

2 Thép AHSS được sản xuất với công nghệ tinh luyện ngoài lò Hiện

nay để sản xuất thép hợp kim, các nước ứng dụng nhiều công nghệ tinh luyện ngoài lò như công nghệ lò LF, lò VD/VOD, Trong dây chuyền sản xuất với quy mô vừa và nhỏ, sử dụng tinh luyện trong lò điện xỉ, lò plasma, lò chân không VIM Nhờ công nghệ tinh luyện, các tạp chất phi kim được lọc khử, hàm lượng %P, %S có thể giảm dưới 0,005%; các chất khí được giảm đi chục lần so với chưa tinh luyện Vì vậy, chất lượng thép tăng lên rõ rệt, không những làm tăng độ bền mà nhất là tăng tính biến dạng tạo hình, tăng độ bền mỏi, làm cho thép có độ bền riêng tăng, tạo điều kiện giảm khối lượng và giá thành sản phẩm

3 Thép AHSS được gia công biến dạng và xử lý cơ - nhiệt đặc biệt Để

thay đổi hình thái tổ chức tế vi của thép, từ đó làm thay đổi cơ tính của chúng,

Hình 1.6: Sơ đồ sản xuất thép theo công nghệ truyền thống và tiên tiến [79]

Hình 1.7: Công nghệ hoàn nguyên trực tiếp MIDREX (Mỹ)[51]

Hình 1.8 biểu diễn các dạng công nghệ xử lý nhiệt khác nhau để cho các mác thép khác nhau Khi nung thép ở nhiệt độ trên Ac3, thép có tổ chức ôstenit,

sau đó nguội nhanh, ta được tổ chức mactenxit - tổ chức của thép HSLA, Nhưng nếu nung đến nhiệt độ nằm giữa vùng hai pha F và Ô (giữa Ac1 và Ac3), vùng nhiệt độ ủ, vùng nhiệt bảo đảm tỷ phần pha F nhất định, sau đó nguội nhanh với tốc độ lớn hơn tốc độ tới hạn chuyển biến bainit, ta được tổ chức 2 pha F và

M, tổ chức của thép song pha Cũng nung thép lên vùng hai pha, sau đó nguội nhanh đẳng nhiệt xuống vùng chuyển biến bainit, giữ nhiệt để ôstenit chuyển biến thành bainit, tùy thời gian giữ nhiệt có thể hình thành các pha như bainit và ôstenit dư hoặc bainit, mactenxit và ôstenit dư, hình thành thép CP, TRIP

Hình 1.8: Sơ đồ công nghệ xử lý nhiệt thép HSLA, DP, CP, TRIP [12]

Như vậy, 3 đặc điểm sản xuất đặc thù đã đem lại nhóm thép AHSS có các tính năng vừa bền vừa dẻo, nhờ thành phần sạch, có tổ chức pha nhất định,

độ lớn pha nhỏ mịn và tỷ phần pha nhất định

1.2.3.2 Ứng dụng thép AHSS

Do thép có độ bền và độ dẻo cao, nên thép AHSS được ứng dụng trong công nghiệp ô tô, tàu biển, công nghiệp quốc phòng, thay thế cho thép HSLA truyền thống, trong đó có thể dùng làm phôi chế tạo các chi tiết dạng ống mỏng, yêu cầu chịu áp lực cao bên trong

Hình 1.9 cho thấy, khối lượng thép AHSS sử dụng trong ô tô tăng nhanh, đến năm 2020 tổng khối lượng thép HSLA cho mỗi phương tiện có thể tăng dến 450 pound Hình 1.10 biểu diễn tốc độ tăng khối lượng một số mác thép chính AHSS trong năm 2007 và 2015 Đến năm 2015 tổng khối lượng thép

a) b)

Hình 1.9: Tốc độ phát triển ứng dụng thép AHSS trong sản xuất ô tô (a)

và sản phẩm chế tạo từ thép DP(b)[15][16][98]

Hình 1.10: Biểu đồ thay đổi tỷ phần thép AHSS trong sản xuất ô tô [98]

Hình 1.11: Các chi tiết chế tạo bằng thép DP và thép HSLA trong ô tô [109]

1.3 Đặc điểm thành phần - tổ chức pha và cơ tính của thép DP

1.3.1 Đặc điểm thành phần thép DP [6][16][56][69]

Thép DP là một phân nhóm của thép AHSS, thép có ứng dụng rất rộng rãi dùng chế tạo các kết cấu thép, có công nghệ sản xuất không phức tạp, độ bền và độ giãn dài phù hợp với các yêu cầu của các kết cấu thép Có thể phân thành hai vùng: thép có độ bền cao, Rm < 700MPa với độ giãn dài cao đến 40%; thép độ bền siêu cao, từ 700  1200MPa và độ giãn dài từ 15 đến 35% Phân nhóm độ bền cao do thép có thành phần cacbon thấp, hàm lượng Mn, Si không cao (C < 0,15%; Mn < 1,5% và Si < 1%) Phân nhóm có độ bền siêu cao do tăng hàm lượng C đến 0,35%; và hàm lượng Mn, Si tăng đến gần cực trị hòa tan của các nguyên tố này trong mạng Feα (Mn đến 2,5% và Si đến 2%), trong khi đó hàm lượng tạp chất khống chế nhỏ, nhất là P, S < 0,0015%

Vai trò tác dụng của các thành phần hóa học như sau:

- C: Thành phần cacbon trong thép song pha có độ bền cao nằm trong dải 0,15  0,18% Tác dụng chủ yếu của cacbon là hòa tan trong F và M để khống chế độ bền và độ dẻo của các pha theo yêu cầu Độ hòa tan của cacbon trong F và Ô phụ thuộc vào nhiệt độ nung trong vùng 2 pha Cacbon còn có tác dụng làm ổn định Ô, khi làm nguội nhanh, chúng làm chậm quá trình chuyển biến Ô thành M [6][16][56];

- Mn: Hòa tan của Mn trong Feα lớn nhất đạt 2,9% Tác dụng hóa bền pha ferit, làm tăng tính ổn định của ôstenit và làm chậm sự hình thành ferit [6][16];

- Si: cũng như Mn, tan trong dung dịch rắn ferit và làm tăng bền, có tác dụng mở rộng vùng hai pha F và Ô, làm các đảo Ô được hình thành sau khi nung ở vùng 2 pha có kích thước nhỏ, phân bố đồng đều Sau khi nguội nhanh

Ô chuyển biến thành M giữ nguyên kích thước và phân bố, tạo điều kiện cho

cơ tính tổng hợp của thép song pha tốt hơn [6]

định hóa ôstenit và làm nhỏ hạt [56]

- Nb: Cũng là nguyên tố vi lượng có tác dụng làm nhỏ hạt Chứa trong thép song pha với hàm lượng đến 0,04% Nb có tác dụng làm ổn định ôstenit, giảm nhiệt độ Ms, làm nhỏ hạt và thúc đẩy chuyển biến ferit từ ôstenit [56]

Bảng 1.3 liệt kê thành phần và cơ tính của một số mác thép DP điển hình theo tiêu chuẩn Mỹ ASTM Nhận thấy, các chỉ tiêu cơ tính của thép song pha phụ thuộc chính vào hàm lượng các nguyên tố C, Mn và Si, nhưng không có quan hệ tỷ lệ thuận, do sự tương tác giữa các nguyên tố và do các tác động khác

về tổ chức của thép Ngày nay, bằng các giải pháp công nghệ, đã đưa giới hạn bền của thép DP vượt qua ngưỡng 1200MPa, như mác thép DP1150/1270

Theo [95] đã nghiên cứu ảnh hưởng tác động đồng thời hàm lượng của

C, Mn, Si và Cr với độ bền của thép DP (hình 1.12), cho thấy, vùng biến đổi tối ưu của hàm lượng 3 nguyên tố để có độ bền cao nhất là C = 0,06  0,15%;

Mn = 1  1,7%; Si = 0,6  1%, Cr = 0,2  0,5%; P < 0,025%, S < 0,025%

Hình 1.12: Ảnh hưởng của các NTHH tới độ bền của thép DP[95]

a - Ảnh hưởng của C, Si; b - Ảnh hưởng của C, Cr; c - Ảnh hưởng của C, Mn

Bảng 1.3: Thành phần hóa học một số loại thép song pha điển hình (giá trị max (a) cán nguội, (b) cán nóng, theo ASTM 1079-13) [16]

M, một yếu tố tác động đến độ bền và độ dẻo của thép DP

ra Trong công nghệ xử lý nhiệt thép DP cần nung nhanh và nguội nhanh để tránh hiện tượng này Khi nung lên nhiệt độ giữa hai pha, thành phần cacbon trong các pha và tỷ phần hai pha phụ thuộc vào nhiệt độ nung, được xác định bằng định luật cánh tay đòn Như vậy, có thể điều khiển nhiệt độ nung để khống chế tỷ phần pha và thành phần %C trong hai pha F và Ô, từ đó làm thay đổi các thuộc tính cơ học của F và Ô

Nhiều công trình đã nghiên cứu làm nhỏ hạt F và M Để thu được tổ chức

2 pha F và M có kích thước hạt siêu mịn và có tỷ phần pha nhất định, đã dựa trên các nguyên lý nhiệt động chuyển biến pha, khống chế nhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt Sau khi nung thép lên nhiệt độ vùng 2 pha (hình 1.14 và 1.15) và giữ nhiệt làm đồng đều và làm nguội nhanh, với tốc độ lớn hơn tốc độ

tới hạn khi tôi thép, pha F vẫn giữ nguyên hình dáng và kích thước, còn pha Ô chuyển thành M có độ lớn như của Ô và giữ nguyên tỷ phần hai pha

Hình 1.15: Tổ chức SEM của thép DP hạt siêu mịn [110]

Bảng 1.4 [30] liệt kê một số mác thép DP, nhận thấy giới hạn bền của thép DP tăng do tăng thành phần %C, %Mn và tăng tỷ phần mactenxit (VM), nhưng hàm lượng %C trong M giảm

Bảng 1.4: Thành phần hóa học, tỷ phần mactenxit, hàm lượng %C