Ảnh hưởng của việc hợp kim hóa thêm crom và chế độ nhiệt luyện đến khả năng chịu mài mòn do va đập và ma sát của thép austenite mangan cao

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOANGUYỄN NHẤT TRÍ ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC HỢP KIM HÓA THÊM CROM VÀ CHẾ ĐỘ NHIỆT LUYỆN ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU MÀI MÒN DO VA ĐẬP VÀ MA SÁT CỦA THÉP AUSTENITE MANGAN CAO EFFEC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN NHẤT TRÍ

ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC HỢP KIM HÓA THÊM CROM

VÀ CHẾ ĐỘ NHIỆT LUYỆN ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU MÀI MÒN DO VA ĐẬP VÀ MA SÁT

CỦA THÉP AUSTENITE MANGAN CAO (EFFECT OF CHROMIUM ALLOYING AND HEAT TREATMENT ON WORK HARDENING AND ABRASION OF HIGH MANGANESE

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Ngọc Hà

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 TS Lưu Phương Minh - Chủ tịch

2 PGS TS Trần Văn Khải - Thư ký

3 TS Huỳnh Công Khanh - Ủy viên

4 TS Nguyễn Đại Đoàn - Phản biện 1

5 PGS TS Phạm Sơn Minh - Phản biện 2

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I TÊN ĐỀ TÀI: Ảnh hưởng của việc hợp kim hóa thêm Crom và chế độ nhiệt luyện

đến khả năng chịu mài mòn do va đập và ma sát của thép Austenite Mangan cao

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tổng quan về thép chống mài mòn austenite mangan cao; tổng quan về các nghiên cứu liên quan đến đề tài

- Thực nghiệm về ảnh hưởng của chế độ ram sau khi tôi đến cấu trúc tế vi và một

số chỉ tiêu cơ tính của thép austenite mangan cao được hợp kim hóa crom

- Đánh giá kết quả thực nghiệm và bàn luận

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/02/2020

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/06/2020

IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Nguyễn Ngọc Hà

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, tôi vô cùng mang ơn thầy PGS.TS Nguyễn Ngọc Hà đã tận tâm giúp đỡ, hướng dẫn tư duy tiếp cận vấn đề và con đường đúng đắn để hoàn tất nhiệm vụ đã đề ra

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy PGS TS Trần Văn Khải đã tận tình tư vấn và hướng dẫn tôi một số kinh nghiệm trong phân tích vật liệu

Tôi xin chân thành cảm ơn các em Lâm Thị Bắc, Bùi Thị Khánh Như, Nguyễn Thị Hoan trong nhóm sinh viên hỗ trợ đã cùng tham gia hỗ trợ hết mình cho tôi trong các thí nghiệm của luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Công ty CP ĐT&XD Công Trình 3, Công ty DVG, Công ty Hyosung, Trung tâm Quatest 3, Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm Tp.HCM, Khoa Công nghệ Vật Liệu trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã tạo điều kiện vô cùng thuận lợi và giúp đỡ để tôi có đầy đủ cơ cở vật chất và thiết bị để thực hiện luận văn của mình

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn sự động viên và giúp đỡ của vợ tôi, gia đình

và bạn bè để tôi hoàn thành tốt nhiệm vụ

Xin kính chúc các thầy cô, các em sinh viên, quí doanh nghiệp, Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm Tp.HCM, Đại học Bách Khoa Tp.HCM nhiều sức khỏe, thành công và ngày càng phát triển

Tp HCM, ngày 05 tháng 09 năm 2020 Nguyễn Nhất Trí

Tên đề tài: Ảnh hưởng của việc hợp kim hóa thêm Crom và chế độ nhiệt luyện

đến khả năng chịu mài mòn do va đập và ma sát của thép Austenite Mangan cao Thép austenite mangan cao (thép Hadfield) là một loại thép được biết đến với độ dẻo dai cao, độ cứng thấp nhưng bề mặt có khả năng tự biến cứng khi chịu tác động của tải trọng va đập Lớp bề mặt có độ dày vài mm của thép austenite mangan cao có tính kháng mài mòn cực kì tốt, đặc biệt không bị mất đi theo thời gian như công nghệ tôi thấm cacbon, nito mà luôn được hình thành liên tục trong quá trình làm việc chịu tải trọng va đập

Nhằm tăng cường khả năng chống mài mòn của hợp kim dưới điều kiện làm việc chịu tải trọng, các nguyên tố tạo cacbit đã và đang được bổ dung vào quá trình hợp kim hóa Việc này không may đã dẫn đến sự tiết cacbit trong quá trình đúc tại các biên giới hạt, làm giảm các tính chất đáng giá của thép austenite mangan cao Vì vậy, cần một công đoạn nhiệt luyện để đưa tổ chức của thép austenite mangan cao về cấu trúc austenite, đồng thời phân bố và điều tiết sự có mặt phân tán của các cacbit trên nền austenite để tăng cường khả năng kháng mài mòn trong quá trình làm việc Bằng việc bổ sung Crom vào thép austenite mangan cao truyền thống (1.11% C, 12.76%

Mn, 2.43% Cr) và thay đổi quá trình xử lí nhiệt – ram kết hợp tôi, đề tài đã tìm ra được hiệu quả của sự thay đổi cấu trúc của hợp kim khi có mặt của Cr tương ứng với các quá trình nhiệt luyện khác nhau, chứng mình được cacbit tạo thành do sự có mặt của

Cr là cacbit crom FexMnyCrzCt Từ đó thiết lập được căn cứ để lựa chọn chế độ nhiệt luyện phù hợp với từng yêu cầu tính chất của thép austenite mangan cao nhằm đáp ứng quá trình ứng dụng trong thực tế

Name of thesis: Effect of Chromium alloying and heat treatment on work

hardening and abrasion of high manganese austenitic steel

High manganese austenitic steel (Hadfield steel) is a well-known material for its high level of ductility, low hardness and surface work-hardening ability under impact

A few millimeter surface layer of high manganese austenitic steel has high resistance

to abrasion, which continuously generates under dynamic loads, unlike materials being treated with other technologies such as carburation and nitridation

Carbide-forming agents have been introduced to the alloy to increase its wear resistance under high pressure working conditions However, this method leads to carbides precipitation, mainly along the grain boundaries in casting, which reduces the unique properties of austenitic steel For that reason, a full heat treatment solution is necessary to transform the microstructure of this alloy into pure austenite, and disperse the carbide particles into austenite matrix to enhance the wear resistance ability By adding chromium into conventional Hadfield steel (1.11% C, 12.76% Mn, 2.43% Cr) and changing heat treatment cycle – combination of quenching and tempering, this thesis studies the effect chromium addition and different heat treatments on the microstructure change, and prove that carbide grains formed are chromium carbides

FexMnyCrzCt This is the premise for further researches on choosing the optimum heat treatment solution to obtain required proterites for specific applications

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ đề tài “Ảnh hưởng của việc hợp kim hóa thêm crom và chế độ nhiệt luyện đến khả năng chịu mài mòn do va đập và ma sát của thép austenite mangan cao” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi trong thời gian qua Mọi số liệu sử dụng phân tích trong luận văn và kết quả nghiên cứu là do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách khách quan, trung thực, có nguồn gốc rõ ràng và chưa được công bố dưới bất kỳ hình thức nào Tất cả những sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được ghi rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện

Nguyễn Nhất Trí

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC BẢNG iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1 Mở đầu 1

1.2 Các dạng mài mòn trong kỹ thuật 4

1.3 Đặt vấn đề 7

1.4 Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu 7

1.4.1 Nhiệm vụ của nghiên cứu 7

1.4.2 Nội dung nghiên cứu 8

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THÉP CHỐNG MÀI MÒN MANGAN CAO 9

2.1 Tổ chức, tính chất của thép austenite mangan cao 9

2.2 Một số mác thép austenite mangan cao theo tiêu chuẩn phổ biến 10

2.3 Cơ chế hóa bền thép austenite mangan cao 14

2.4 Cơ chế chuyển biến từ austenite sang mactenxite 17

2.5 Cơ chế song tinh và xô lệch 18

2.6 Ảnh hưởng của cacbit đến khả năng tăng bền 23

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐỀ TÀI 26

3.1 Cấu trúc tế của thép austenite mangan cao sau khi đúc, chưa hợp kim hóa 26

3.2 Một số yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của thép austenite mangan cao 27

3.2.1 Ảnh hưởng của quá trình nấu luyện 28

3.2.2 Ảnh hưởng của thành phần hóa học 30

3.2.3 Ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện 39

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM 45

4.1 Chọn mác thép austenite mangan cao 45

4.2 Trang thiết bị 45

4.3 Phương pháp thực hiện nghiên cứu 52

4.3.1 Nấu luyện và đúc chi tiết 53

4.3.2 Chế độ tôi 54

4.3.3 Chế độ ram 57

4.4 Phương pháp đánh giá 58

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN 59

5.1 Tỉ lệ tiết cacbit tiết ra 59

5.2 Thành phần hóa học của cacbit tiết ra 71

5.3 Thử độ dai va đập 75

5.4 Thử bền kéo 77

5.5 Độ cứng Brinell 79

5.6 Kết luận 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Thành phần hóa học (%) của các mác thép Hadfield theo tiêu chuẩn Nhật JIS

G5131 – 91 [11] 10

Bảng 2.2: Cơ tính của các mác thép Hadfield theo tiêu chuẩn Nhật JIS G5131 – 91 [11] 11

Bảng 2.3: Thành phần hóa học (%) của các mác thép Hadfield theo tiêu chuẩn Mỹ ASTM A128-90 [12] 11

Bảng 2.4: Thành phần hóa học (%) của các mác thép Hadfield theo tiêu chuẩn Nga [11] 13

Bảng 2.5: Cơ tính ở một số nhiệt độ của mác 110 Γ 13A theo tiêu chuẩn Nga [30] 13

Bảng 2.6: Thành phần hóa học (%) của các mác thép Hadfield theo tiêu chuẩn DIN SEW395-1998 [38] 14

Bảng 2.7: Cơ tính ở một số mác thép X120Mn13 theo tiêu chuẩn DIN SEW395-1998 [38] 14

Bảng 2.8: Các thông số đặc trưng của cacbit 24

Bảng 2.9: Độ cứng của một số pha nền 25

Bảng 3.1: Tương quan cơ tính theo chế độ ram trong nghiên cứu của John O Olawale, Simeon A Ibitoye 44

Bảng 4 1: Thành phần hóa học của thép austenite mangan cao SCMnH11 45

Bảng 4.2 Danh sách các trang thiết bị dùng trong nghiên cứu 45

Bảng 4 3: Thành phần hóa học của tường lò trung tính 46

Bảng 4.4: Qui hoạch các thí nghiệm ram thép austenite mangan cao SCMnH11 58

Bảng 4.5: Qui hoạch các phương pháp đánh giá 58

Bảng 5.1: Tỉ lệ cacbit mẫu thép SCMnH11 tôi – không ram (%) 68

Bảng 5.2: Tỉ lệ cacbit mẫu thép SCMnH11 tôi – có ram (%) 68

Bảng 5.3: Kết quả thử độ dai va đập a k 76

Bảng 5 4: Kết quả thử kéo 3 mẫu 1.3, 3.3, 5.3 78

Bảng 5.5: Kết quả đo độ cứng Brinell của 18 mẫu thử nghiệm 80

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Biểu tượng thép Hadfield [10] 1

Hình 1.2 Tấm ghi đường sắt 3

Hình 1.3 Gàu và bánh xích xe xúc 3

Hình 1.4 Cối nghiền quặng hình côn [10] 3

Hình 1.5 Hàm nghiền quặng dạng tấm [10] 3

Hình 1.6 Thiết bị nghiền quặng đá chịu va đập và ma sát cao 4

Hình 1.7 Minh họa mài mòn chà xước [2] 5

Hình 1.8 Minh họa mài mòn nghiền [2] 5

Hình 1.9 Minh họa mài mòn bào [2] 5

Hình 2.1 Tổ chức tế vi 100X của thép austenite mangan cao sau khi tôi với tốc độ phù hợp [10] 9

Hình 2.2 Hình thái SEM bề mặt trước và sau khi bắn bi: (a) chưa bắn bi, (b) 30ph, (c)60ph, (d) 120ph bắn bi [29] 15

Hình 2.3 Ảnh hưởng thời gian va đập lên độ cứng thép Hadfield [16] 16

Hình 2.4 Sự thay đổi độ cứng theo khoảng cách từ bề mặt trên thép Hadfield [16] 16

Hình 2.5 Tổ chức tế vi bề mặt của mẫu búa từ thép austenite mangan cao: a) Chưa làm việc; b) Đã làm việc [32] 18

Hình 2.6 Mô tả song tinh [33] 19

Hình 2.7 Ảnh TEM tổ chức song tinh của thép austenite mangan cao [35] 21

Hình 2.8 Ảnh trường sáng TEM tổ chức song tinh của thép austenite mangan cao khi biến dạng 20% tại 24 o C [32] 22

Hình 2.9 Ảnh HRTEM các hạt kích thước nano (A) lồng vào cấu trúc vô định hình (B) [36] 23

Hình 2.10 Ảnh tổ chức tế vi của mẫu thép Trung Quốc sau khi làm việc [30] 24

Hình 3.1 Ảnh SEM và XRD cho thấy tổ chức chứa cacbit (Fe,Mn) 3 C tại vùng biên gới hạt [14] 26

Hình 3.2 Ảnh SEM và XRD trên bề mặt (a,c) và trong lõi (b,d) sau khi tôi [14] 27

Hình 3.3 Phế liệu sạch, ép thỏi 28

Hình 3.4 Hồi liệu thép austenite mangan cao 28

Hình 3.5.Tổ chức thép austenite mangan cao (12%Mn) rót tại 1377 o C [10] 29

Hình 3.6.Tổ chức thép austenite mangan cao (12%Mn) rót tại 1486 o C [10] 29

Hình 3.7 Giản đồ trạng thái Fe-Mn-C của thép Hadfield [14] 30

Hình 3.8 Mô tả ảnh hưởng Mn lên độ bền của thép austenite mangan cao [16] 32

Hình 3.9 Mô tả ảnh hưởng Cacbon lên độ bền của thép austenite mangan cao [16] 33

Hình 3.10 C tăng làm giảm khả năng chống mài mòn của thép austenite mangan cao [15] 33

Hình 3.11 Giản đồ trạng thái của hệ Fe-Cr [24] 34

Hình 3.12 Tổ chức thép Hadfield sau đúc, cacbit tập trung biên giới hạt [13] 35

Hình 3.13 Tổ chức thép Hadfield sau tôi nước, cacbit xuất hiện trên biên giới hat và nền austenite [13] 35

Hình 3.14 Tổ chức thép Hadfield sau tôi nước, cacbit không còn trên nền austenite [13] 35

Hình 3.15 Tổ chức thép Hadfield sau đúc có 1.4% Cr, một số cacbit hình kim tiết ra trên nền 35

Hình 3.16 Mô tả ảnh hưởng Cr lên độ bền của thép austenite mangan cao [16] 36

Hình 3.17 Ảnh hưởng hàm lượng Si đến thay đổi hình dạng cacbit [1] 37

Hình 3.18 Ảnh hưởng hàm lượng Si đến độ cứng thép Hadfield [1] 38

Hình 3.19 Ảnh hưởng hàm lượng P đến tính chất thép Hadfield [1] 38

Hình 3.20 Sơ đồ tôi đặc trưng của một loại thép Hadfield [1] 39

Hình 3.21 Cấu trúc đặc trưng của thép A128 (tiêu chuẩn ASTM), mã B-3 (a) Vị trí trên cùng là vật liệu đúc dày 76mm với lượng cacbit lớn dọc theo biên hạt (b) Mẫu nung nóng đến 1120 o C) [30] 40

Hình 3.22 Tổ chức thép Hadfield 1.82%Cr – 1%V trước nhiệt luyện (a) và sau khi nhiệt luyện (b) [30] 41

Hình 3.23 Tổ chức tế vi của thép mangan cao sau khi tôi ở 1050℃, giữ 1 giờ và làm

nguội trong nước, sau đó ram thấp ở 250℃ [31] 42

Hình 3.24 Tổ chức tế vi của thép mangan cao sau khi tôi ở 1050 o C, giữ 1 giờ và làm nguội trong nước, sau đó ram thấp ở 450℃ [31] 42

Hình 3.25 Tổ chức tế vi của thép mangan cao sau khi tôi ở 1050℃, giữ 1 giờ và làm nguội trong nước, sau đó ram thấp ở 550℃ [31] 43

Hình 4.1 Lò nấu trung tần 1,500kg tại Công ty CP ĐT&XD Công Trình 3 47

Hình 4.2 Lò buồng điện trở nhiệt luyện tại Công ty CP ĐT&XD Công Trình 3 47

Hình 4.3 Máy phân tích quang phổ phát xạ tại Công ty CP ĐT&XD Công Trình 3 48

Hình 4.4 Máy cắt tế vi tại Công ty DVG 48

Hình 4.5 Máy mài và đánh bóng mẫu tại Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm Tp.HCM 49

Hình 4 6 Kính hiển vi quang học tại Đại học Công Nghiệp Thực Phẩm Tp.HCM 49

Hình 4.7 Kính hiển vi điện tử quét SEM tại Công ty Hyosung 50

Hình 4.8 Máy thử kéo tại Công ty CP ĐT&XD Công Trình 3 51

Hình 4.9 Máy đo độ cứng Brinell tại Đại học Bách Khoa Tp.HCM 51

Hình 4.10 Máy thử độ dai va đập tại Trung tâm Quatest 3 51

Hình 4.11 Mẫu đúc côn chữ Y theo ASTM A356 53

Hình 4.12 Quy trình tôi thép austenite mangan cao chung 55

Hình 4.13 Quy trình tôi thép austenite mangan cao SCMnH11 sau khi tính toán 56

Hình 4.14 Quy trình ram thép austenite mangan cao SCMnH11 57

Hình 5.1 a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 tôi 1050˚C - 3 giờ b) Cacbit trên biên giới hạt c) Cacbit trên nền 59

Hình 5.2 a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 350˚C - 2 giờ b) Cacbit trên biên giới hạt c) Cacbit trên nền 59

Hình 5.3 a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 350˚C - 3 giờ b) Cacbit trên biên giới hạt c) Cacbit trên nền 60

Hình 5.4 a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 400˚C - 1 giờ b) Cacbit trên biên giới hạt c) Cacbit trên nền 60

Hình 5.5 a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 400˚C - 2 giờ b) Cacbit trên biên giới hạt c) Cacbit trên nền 61 Hình 5.6 a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 400˚C - 3 giờ b) Cacbit trên biên giới hạt c) Cacbit trên nền 61 Hình 5.7 a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 500˚C - 1 giờ b) Cacbit trên biên giới hạt c) Cacbit trên nền 62 Hình 5.8 a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 500˚C - 2 giờ b) Cacbit trên biên giới hạt c) Cacbit trên nền 62 Hình 5.9 a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 500˚C - 3 giờ b) Cacbit trên biên giới hạt c) Cacbit trên nền 63 Hình 5.10 a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 600˚C - 1 giờ b) Cacbit trên biên giới hạt c) Cacbit trên nền 63 Hình 5.11 a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 600˚C - 2 giờ b) Cacbit trên biên giới hạt c) Cacbit trên nền 64 Hình 5.12 a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 600˚C - 3 giờ b) Cacbit trên biên giới hạt c) Cacbit trên nền 64 Hình 5.13 a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 700˚C - 1 giờ b) Cacbit trên biên giới hạt c) Cacbit trên nền 65 Hình 5.14 a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 700˚C - 2 giờ b) Cacbit trên biên giới hạt c) Cacbit trên nền 65 Hình 5.15 a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 700˚C - 3 giờ b) Cacbit trên biên giới hạt c) Cacbit trên nền 66 Hình 5.16 a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 750˚C - 1 giờ b) Cacbit trên biên giới hạt c) Cacbit trên nền 66 Hình 5.17 a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 750˚C - 2 giờ b) Cacbit trên biên giới hạt c) Cacbit trên nền 67 Hình 5.18 a) Cấu trúc tế vi 500X của thép SCMnH11 ram 750˚C - 3 giờ b) Cacbit trên biên giới hạt c) Cacbit trên nền 67

Hình 5.19 Biểu đồ liên hệ thời gian và nhiệt độ ram 69

Hình 5.20 Biểu đồ liên hệ thời gian và nhiệt độ ram 69

Hình 5.21 Biểu đồ liên hệ thời gian và nhiệt độ ram 69

Hình 5.22 Ảnh SEM 100X mẫu ram 500˚C – 3h 71

Hình 5.23 EDX cacbit trên biên giới hạt 72

Hình 5.24 EDX cacbit trên biên giới hạt 72

Hình 5.25 EDX cacbit trong nền hạt tinh thể 73

Hình 5.26 EDX cacbit trong nền hạt tinh thể 73

Hình 5.27 EDX trong nền hạt tinh thể 74

Hình 5.28 Bốn mẫu thử độ dai va đập 75

Hình 5.29 Mặt gãy theo TCVN 312-1:2007 76

Hình 5.30 Mặt gãy của 4 mẫu đã thử va đập 1.3, 3.3, 5.3 và 6.3 76

Hình 5.31 Chuẩn bị 3 mẫu thử kéo 1.3, 3.3 và 5.3 theo ASTM E8 77

Hình 5.32 Biểu đồ thể hiện 3 mẫu thử kéo 1.3, 3.3 và 5.3 theo ASTM E8 78

Hình 5.33 Các vị trí đo độ cứng Brinell 79

Hình 5.34 Biểu đồ thể hiện độ cứng Brinell theo chế độ ram 81

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Mở đầu

Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất diễn ra cuối thế kỷ 18 và đầu thế kỷ 19 là cuộc cách mạng trong lĩnh vực sản xuất Đây được xem là sự thay đổi cơ bản các điều kiện xã hội, văn hóa và kỹ thuật, xuất phát từ nước Anh, sau đó lan tỏa ra toàn thế giới Cách mạng công nghiệp lần thứ hai tiếp tục sau đó từ khoảng thập niên 1860 đến đầu thế

kỷ XX Xuyên suốt hai lần trong cuộc cách mạng công nghiệp này, nhu cầu về khai khoáng sắt thép và than đá ngày càng lớn, sau đó là công nghiệp đường sắt phát triển khi nhu cầu vận chuyển và giao thương phát triển không ngừng Vấn đề đặt ra kể từ lúc bấy giờ cho đến nay là tìm ra một loại vật liệu đáp ứng các điều kiện làm việc khắc nghiệt trên

để phục vụ trong ngành khai khoáng, đường sắt, xây dựng Đó chính là loại vật liệu yêu cầu có tính chống mài mòn bề mặt cao, chịu va đập tốt, nhưng bên trong yêu cầu độ dẻo dai cao

Thép Mangan cao (hàm hượng mangan trên 10%) được Sir Robert Hadfield phát hiện ra năm 1882 Ban đầu, chỉ chế tạo thép có hàm lượng mangan dưới 2.46% Ngài

Hình 1.1 Biểu tượng thép Hadfield [10]

Hadfield đã thử chế tạo thép có hàm lượng mangan cao hơn mức này khi ông dùng ferro mangan 80%Mn – 7%C Do dùng hợp kim ferro có tỉ lệ Mn:C xấp xỉ tỉ lệ 10:1 nên tỉ lệ này ngẫu nhiên được chọn

Trong các thử nghiệm của mình, ngài Hadfield đã phát hiện Mangan trong khoảng 2.5% - 7.5% thì thép sẽ cực kì giòn, nhưng khi hàm lượng Mn trên mức 10% thì thép trở nên dẻo dai đáng kể Ngài Hadfield cũng phát hiện ra rằng độ bền dẻo của thép tăng lên nhiều khi tôi trong nước lạnh sau khi nung nóng ở mức 1832oF (1000oC) Sau đó, ông tiếp tục phát hiện ra với thành phần hóa học 1.2%C và 12.5%Mn (tỉ lệ Mn:C giữ nguyên 10:1), thành phần này cho đến ngày nay được đặt tên là thép Hadfield (năm 1883 đã được vương quốc Anh cấp bằng sáng chế No 200) [10]

Cho đến ngày nay, thép Hadfield được biết đến là loại thép có độ dẻo dai cao, độ cứng thấp, bề mặt có khả năng tự biến cứng khi chịu tác động của tải khi va đập Lớp bề mặt này có tính chống mài mòn cao, không bị mất đi theo thời gian như công nghệ tôi thấm cacbon, nito mà luôn được hình thành liên tục trong quá trình làm việc chịu tải trọng

va đập

Trong thực tế, các chi tiết thường làm việc dưới ảnh hưởng của nhiều điều kiện tác động kết hợp: vừa chịu va đập, vừa chịu ma sát Bởi vì tính chất rất đặc trưng của thép Hadfield – chống mài mòn tốt trên bề mặt, dẻo dai cao bên trong, mà thép Hadfield đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nặng gồm sản xuất xi-măng, khai khoáng, đường sắt, ôtô và xây dựng Các chi tiết chịu tải trọng va đập mạnh như cánh máy bắn bi, bi nghiền, hàm nghiền quặng (đá), cối nghiền, thanh ghi đường sắt, gàu xúc, bánh xích xe tăng, búa nện…là các chi tiết điển hình được chế tạo bằng thép Hadfield

Tuy nhiên, hiện nay các nhà sản xuất đúc trong nước vẫn tồn tại nhiều vướng mắc vì chất lượng còn thấp, độ mài mòn nhanh dẫn tới tuổi thọ làm việc thấp Thép Hadfield truyền thống thường chỉ chịu mài mòn do va đập tốt, trong khi chịu mài mòn do ma sát thấp Do vậy, đã có nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới tập trung cải thiện tính chất của thép Hadfield bằng các phương pháp khác nhau:

 Hợp kim hóa kết hợp xử lí nhiệt

 Đúc hai lớp

 Cấy thanh cacbit

Hình 1.3 Gàu và bánh xích xe xúc Hình 1.2 Tấm ghi đường sắt

Hình 1.4 Cối nghiền quặng hình côn

[10]

Hình 1.5 Hàm nghiền quặng dạng

tấm [10]

Với mục tiêu nghiên cứu cải thiện tính chất chịu mài mòn của thép Hadfield, luận

án này tác giả lựa chọn phương pháp hợp kim hóa kết hợp với qui trình xử lí nhiệt hợp lí

để tạo ra tổ chức austenite hạt nhỏ với cacbit phân bố nhỏ mịn đồng đều bên trong hạt Với tổ chức này, tác giả hi vọng sẽ vừa tăng độ dẻo dai, vừa cải thiện chống mài mòn do

ma sát Do vậy, đề tài của luận án xin được lựa chọn là: “Ảnh hưởng của việc hợp kim hóa thêm crom và chế độ nhiệt luyện đến khả năng chịu mài mòn do va đập và ma sát của thép austenite mangan cao”

1.2 Các dạng mài mòn trong kỹ thuật

Theo báo cáo tổng quan về thép Mangan cao tại Trường Đại học Johannesburg, Johannesburg, South Africa năm 2014 [1] và phân loại các dạng mài mòn trong máy nghiền dùng thép Hadfield của tập đoàn Metso [2], quá trình mà dẫn đến việc mất vật liệu

do ma sát được gọi là mài mòn Trong kỹ thuật, mài mòn thường chia thành ba dạng:

Loại 1: Mài mòn ứng suất thấp hay mài mòn chà xước có đặc điểm

Loại 2: Mài mòn ứng suất cao hay mài mòn nghiền có đặc điểm

Mài mòn là quá trình thường xảy ra do sự ma sát của hai bề mặt vật liệu Kết quả của quá trình này là sự mất đi vật liệu theo thời gian, cho đến một lúc nào đó thì vật liệu

sẽ bị phá hủy, hoặc bề mặt vật liệu bị mất tính kháng mài mòn dẫn đến vật liệu không thể chịu đựng được lâu hơn quá trình vận hành

Nhưng trong thực tế, vật liệu thường không chỉ chịu tác động của riêng lực ma sát,

mà còn tác động của va đập Lúc này, đòi hỏi vật liệu phải đáp ứng yêu cầu kháng mài mòn va đập đồng thời Trong đó, thực tế cho thấy hợp kim crom cao chịu mài mòn tốt dưới tác động loại 1 và 2, thép austenite mangan cao chịu mài mòn tốt với loại 3

Trong tiến trình phát triển của vật liệu chịu mài mòn đã có nhiều hướng đi để đáp ứng cho từng ứng dụng cụ thể, có thể kể đến các hướng tiếp cận vật liệu như sau:

Trong cả ba hướng phát triển vật liệu kể trên, vật liệu chỉ có thể tăng khả năng chống mài mòn trong một giới hạn nhất định (về chiều dày kháng mài mòn, về cường độ), không vật liệu nào lí tưởng để chịu đựng dạng mài mòn va đập đặc thù trong các ứng

CEMENTED CARBIDE [7, 8]

Kết hợp đặc tính nền cốt: bền + nhẹ

Cải thiện chịu ma sát chà xước

Ứng dụng: hàng không vũ trụ

Tăng cơ tính bề mặt Cải thiện chịu ma sát chà xước Ứng dụng: bảo vệ bề mặt

Tăng độ cứng và chống mài mòn Cải thiện 3 dạng chịu ma sát Ứng dụng: cơ khí mài mòn

dụng kỹ thuật khai khoáng, công nghiệp nặng Do vậy trong kỹ thuật cơ khí, vật liệu trên nền gang và thép vẫn chưa thể thay thế Trong số ấy, thép austenite mangan cao là loại vật liệu đặc trưng đang được nghiên cứu và phát triển để chịu cả ba dạng mài mòn: chà xước, nghiền và bào

1.3 Đặt vấn đề

Thép austenite mangan cao sản xuất trong nước hiện nay chỉ đáp ứng khá tốt về độ dai va đập, còn khả năng chịu mài mòn còn thấp Một chi tiết trong các ứng dụng phổ biến hoạt động động trong điều kiện rất khắc nghiệt, luôn chịu đồng thời của va đập và mài mòn Do vậy, việc nghiên cứu để phối trộn hợp kim hóa phù hợp, từ đó tìm hiểu để chọn được điều kiện nhiệt luyện tối ưu nhằm thu được tổ chức kim loại đáp ứng được điều kiện làm việc của chi tiết là việc cần thiết cho ngành luyện kim trong nước

Cho tới nay, đã có nhiều nghiên cứu về hợp kim hóa crom trong thép austenite mangan cao Tuy nhiên, đa số các nghiên cứu chỉ dừng lại việc chọn chế độ tôi phù hợp

mà còn chưa đi sâu vào chế độ ram Chính vì vậy, việc nghiên cứu tính hợp kim hóa của crom trong thép austenite mangan cao và tìm hiểu, đánh giá toàn bộ quá trình nhiệt luyện gồm tôi và ram là cần thiết để đưa ra một cái nhìn toàn diện Đó chính là động lực để tôi thực hiện nghiên cứu này

1.4 Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu

1.4.1 Nhiệm vụ của nghiên cứu

Thép austenite mangan cao sở hữu các tính chất tổng hợp mà hiếm vật liệu nào có được cho các ứng dụng kỹ thuật cơ khí, vì vậy đã được ứng dụng hơn 100 năm qua [9]:

 Độ bền dẻo cao

 Khả năng hấp thụ năng lượng va đập tốt

 Khả năng hóa bền bề mặt do va đập tốt

Nhiệm vụ của nghiên cứu là tập trung nghiên cứu chế độ ram phù hợp sau khi tôi để cacbit tiết ra vừa đủ số lượng, vừa có hình thái phù hợp để cải thiện tính chống mài mòn

do va đập và mài sát khi hợp kim hóa crom

1.4.2 Nội dung nghiên cứu

Tổng quan về các nghiên cứu về ảnh hưởng của một số nguyên tố, trong đó có crom

và chế độ nhiệt luyện trong nấu luyện thép austenite mangan cao Nguyên lý hóa bền của thép austenite mangan cao

Hoạch định thí nghiệm và tiến hành nấu luyện chế tạo các mẫu thử và xử lí nhiệt tôi

và ram So sánh và đánh giá sự thay đối cấu trúc tế vi của các mẫu thử ở các chế độ ram khác nhau Từ đó xem xét tính phù hợp về sự phân bố cacbit trên nền austenite

Đo đạc và đánh giá khả năng chịu mài mòn do va đập và ma sát của các mẫu thử thông qua một số chỉ tiêu cơ tính như: độ cứng, độ bền kéo, độ dai va đập

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THÉP CHỐNG MÀI MÒN MANGAN CAO

2.1 Tổ chức, tính chất của thép austenite mangan cao

Thép austenite mangan cao là loại thép có tính chống mài mòn đặc biệt cao khi làm việc trong điều kiện va đập, dưới tác dụng của ứng suất pháp Dưới tác dụng của ứng suất tiếp (như phun cát) thép này lại bị mài mòn khá nhanh, như các loại thép khác Sau khi đúc và nhiệt luyện, thép austenite mangan cao có tổ chức austenite, chứa cacbon và mangan cao Dưới tải trọng va đập, austenite ở bề mặt nơi chịu va đập sẽ bị biến cứng, có

độ cứng cao, trong khi đó lõi vẫn giữ nguyên tổ chức austenite dẻo dai Do cơ chế tự biến cứng khi chịu va đập nên lớp bề mặt cứng luôn tồn tại cho đến khi bị mài mòn hết

Hình chụp tế vi số 10 thể hiện tổ chức pha austenite của thép austenite mangan cao sau khi đúc, tôi và làm nguội nhanh với nước Công đoạn tôi thép austenite mangan cao cần được tiến hành với tốc độ làm nguội nhanh để hạn chế sự tiết cacbit, làm giảm tính dẻo dai đáng kể của vật liệu [10]

Hình 2.1 Tổ chức tế vi 100X của thép austenite mangan

cao sau khi tôi với tốc độ phù hợp [10]

2.2 Một số mác thép austenite mangan cao theo tiêu chuẩn phổ biến

 Tiêu chuẩn Nhật: JIS G5131-91

Bảng 2.1: Thành phần hóa học (%) của các mác thép Hadfield theo tiêu chuẩn Nhật JIS G5131 – 91 [11]

Ba mác đầu tiên không được hợp kim hóa thêm crom Hàm lượng cacbon, mangan của chúng gần như giống nhau hoàn toàn, chỉ khác hàm lượng tối đa cho phép của các nguyên tố tạp chất (P, S, Si) Theo thứ tự từ trên xuống của tiêu chuẩn, lượng tạp chất giảm dần Hàm lượng các tạp chất cho phép phải càng thấp càng tốt để hạn chế những ảnh hưởng xấu đến cơ tính Silic có tác dụng cải thiện độ chảy loãng của thép (một trong những đặc tính quan trọng của thép Hadfield là tính đúc) tuy nhiên lượng silic phải được khống chế dưới 1% vì nếu vượt quá sẽ làm giảm độ bền Lượng photpho quá nhiều gây giòn nguội, lượng lưu huỳnh quá nhiều gây giòn nóng cho thép

Trong tiêu chuẩn Nhật có tiến hành hợp kim hóa thêm crom sẽ hóa bền austenite giúp tăng cơ tính của nền austenite, cải thiện độ dai va đập và khả năng chống mài mòn

do mài xát so với thép Hadfield truyền thống nếu có chế độ nhiệt luyện thích hợp Nếu tiến hành hợp kim hóa thêm crom và vanadi thì so với các mác tiêu chuẩn thép sẽ tạo được nhiều cacbit VC nhỏ mịn phân tán, làm nhỏ hạt austenite, do đó làm tăng độ dai va

đập và khả năng chống mài mòn do mài xát cho thép bên cạnh những ưu việt của crom như đã nêu trên

Bảng 2.2: Cơ tính của các mác thép Hadfield theo tiêu chuẩn Nhật JIS G5131 – 91 [11 ]

 Tiêu chuẩn Mỹ: ASTM A128 – 90

Bảng 2.3: Thành phần hóa học (%) của các mác thép Hadfield theo tiêu chuẩn Mỹ ASTM A128-90 [12]

C J91309 1.05-1.35 ≤1.0 11.5-14.0 0.07 1.5-25 － －

D J91459 0.7-1.3 ≤1.0 11.5-14.0 0.07 － 3.0-4.0 －

E-1 J91249 0.7-1.3 ≤1.0 11.5-14.0 0.07 － － 0.9-1.2 E-2 J91339 1.05-1.45 ≤1.0 11.5-14.0 0.07 － － 1.8-2.1

để đảm bảo hòa tan hết cacbit Do đó hàm lượng cacbon cũng chỉ giới hạn trong khoảng 0.9-1.35% để tránh gây giòn

Garde C chỉ được hợp kim hóa thêm crom, có tác dụng làm nhỏ hạt và tăng bền cho nền austenite Crom cũng tạo cacbit mạnh, giúp tăng khả năng chống mài mòn Tuy nhiên, hiệu quả kém hơn so với khi thép được hợp kim hóa đồng thời cả crom và vanadi, khi đó tác dụng làm nhỏ hạt được tăng lên đáng kể

Các mác Grade D được hợp kim hóa thêm niken để tăng độ bền và độ dai va đập so với thép Hadfield truyền thống Các mác Grade E, Grade F được hợp kim hóa thêm molipđen nhằm làm nhỏ hạt thép và tăng độ bền

Trong tiêu chuẩn trên hàm lượng lưu huỳnh không được đề cập đến Nguyên nhân là

do trong thép mangan cao hàm lượng lưu huỳnh hiếm khi gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến tính chất của nó do hiệu quả khử khí của mangan đã có tác dụng thải bớt lưu huỳnh dưới dạng các tạp chất MnS tròn, vô hại Tuy nhiên, tốt nhất vẫn nên giữ hàm lượng lưu huỳnh ở mức thấp nhất để giảm thiểu các tạp chất trong tổ chức vì đây là nơi tiềm ẩn nguy cơ hình thành mầm của các vết nứt mỏi

 Tiêu chuẩn Nga:  −

Đây là những mác thép Hadfield truyền thống có hàm lượng mangan cao >10%, các nguyên tố hợp kim nằm trong thép tồn tại dưới dạng tạp chất (hàm lượng dưới 1%) Loại thép này có độ cứng thấp, độ dẻo cao, tổ chức hạt tinh thể thô to, trong tổ chức nhiều cacbit trên biên giới và trong hạt, do đó phải xử lý nhiệt để hòa tan bớt cacbit Sau khi làm việc dưới tải va đập, lớp bề mặt bị biến cứng làm tăng khả năng chống mài mòn nhưng chỉ chịu được mài mòn do va đập, chịu mài mòn do ma sát kém

Bảng 2.4: Thành phần hóa học (%) của các mác thép Hadfield theo tiêu chuẩn Nga [11]

110Γ13Л 0.9÷1.5 0.3÷1.0 11.5÷15.0 ≤ 1.0 ≤ 1.0 - ≤ 0.05 ≤ 0.12 110Γ13X2БPЛ 0.9÷1.5 0.3÷1.0 11.5÷14.5 1.0-2.0 ≤ 0.5 - ≤ 0.05 ≤ 0.12 110Γ13ФTЛ 0.9÷1.3 0.4÷0.9 11.5÷14.5 - - 0.1÷0.3 ≤ 0.05 ≤ 0.12 130Γ14XMФAЛ 1.2÷1.4 ≤0.6 12.5÷15.0 1.0÷1.5 ≤1.0 0.08÷0.12 ≤ 0.05 ≤0.07 120Γ10ФЛ 0.9÷1.4 0.2÷0.9 8.5÷12.0 ≤1.0 ≤1.0 0.03÷0.12 ≤ 0.05 ≤ 0.12

Bảng 2.5: Cơ tính ở một số nhiệt độ của mác 110 Γ 13A theo tiêu chuẩn Nga [30]

Độ thắt tỉ đối (%) Độ cứng

Độ dai va đập (J/cm 2 )

 Tiêu chuẩn Đức: DIN

Bảng 2.6: Thành phần hóa học (%) của các mác thép Hadfield theo tiêu chuẩn DIN SEW395-1998 [38]

G-X120Mn12 1.1-1.3 0.30-0.50 12-13 0.10 0.04 ≤ 1.5 - - G-X110Mn14 1.0-1.25 0.35-0.7 13.5-14.5 0.08 0.02 - - - G-X120Mn13 1.1-1.3 ≤ 0.5 11.5-13.5 0.06 0.03 ≤ 0.5 - -

Bảng 2.7: Cơ tính ở một số mác thép X120Mn13 theo tiêu chuẩn DIN SEW395-1998 [38]

Mác thép Giới hạn bền kéo

(MPa)

Giới hạn chảy (MPa)

Độ giãn dài tương đối (%)

Kết luận: mục đích các hướng nghiên cứu về thép austenite mangan cao là tìm

hiểu về cơ chế tăng bền của thép này dưới tải va đập, biện pháp tăng chất lượng vật đúc, các quy trình xử lý nhiệt để cải thiện tính chất của thép, hợp kim hóa một lượng nhỏ nguyên tố hợp kim để tăng bền cho thép

2.3 Cơ chế hóa bền thép austenite mangan cao

Cơ chế hóa bền của thép austenite mangan cao thường được giải thích là do chuyển biến từ austenite sang mactenxit Tuy nhiên với các phương pháp nghiên cứu hiện đại ngày nay (SEM, TEM ) sự hóa bền của loại thép này còn được giải thích do cơ chế song

tinh, xô lệch mạng, cacbit phân tán hoặc do sự xuất hiện của lớp nano austenite trên bề mặt chi tiết

Do có thành phần mangan cao, thép austenite mangan cao có tổ chức austenite ở nhiệt độ thường Khi làm việc dưới tác dụng của tải va đập, lớp austenite ở bề mặt bị biến dạng mạnh, làm tăng độ cứng và tính chống mài mòn nhưng độ dẻo dai giảm mạnh Hiện tượng này được gọi là “hóa bền biến dạng”

Theo nghiên cứu của Yan và các cộng sự về ảnh hưởng của quá trình va đập búa nhọn lên độ cứng của bề mặt thép Hadfield [29] thì khi tăng thời gian va đập búa, độ cứng

bề mặt thép sẽ tăng lên, nhưng càng xa bề mặt bị va đập búa thì độ cứng giảm dần, đến một độ sâu nhất định thì gần như không đổi Sự hóa bền biến dạng khi bắn bi vào bề mặt được thể hiện trên hình 2.2 [29] và hình 2.3, 2.4 [16]

Hình 2.2 Hình thái SEM bề mặt trước và sau khi bắn bi: (a) chưa bắn bi,

(b) 30ph, (c) 60ph, (d) 120ph bắn bi [29]

Hình 2.3 Ảnh hưởng thời gian va đập lên độ cứng thép Hadfield [16]

Hình 2.4 Sự thay đổi độ cứng theo khoảng cách từ bề mặt trên thép

Hadfield [16]

Trong quá trình va đập, mạng tinh thể của austenite bị xô lệch mạnh làm xuất hiện các khuyết tật xếp (sự thay đổi cấu trúc) [30] Khuyết tật xếp được đặc trưng bởi năng lượng khuyết tật xếp (SFE):

Trong đó:

: năng lượng khuyết tật xếp

: mật độ nguyên tử ở mặt (111)

∆ : chênh lệch năng lượng Gibbs giữa hai pha và

là năng lượng bề mặt giữa γ và ε

Giá trị của năng lượng khuyết tật xếp sẽ quyết định dạng hóa bền của thép là song tinh hay chuyển biến sang mactenxit ε Nếu SFE < 18 / trong thép sẽ xuất hiện tổ chức mactenxit Nếu SFE nằm trong khoảng 12-35 / sẽ hình thành song tinh Và khi SFE > 35 / sẽ tạo ra các dải trượt

2.4 Cơ chế chuyển biến từ austenite sang mactenxite

Chuyển biến mactenxit có thể xảy ra dưới tác động của tải trọng bên ngoài, đây là một trong những cơ chế hóa bền của thép austenite mangan cao được ứng dụng để chế tạo các chi tiết cần độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn cao

Thép Hadfield chứa hàm lượng mangan cao – là một trong những nguyên tố mở rộng vùng austenite ( ) nên ở nhiệt độ thường thép có tổ chức với kiểu mạng lập phương diện tâm FCC Đây là kiểu mạng rất dễ xảy ra biến dạng dẻo do có số hệ trượt lớn Dưới tác động của tải va đập hoặc dưới áp lực cao, trong thời gian dài thì nội hạt có

sự xô lệch, cấu trúc lập phương diện tâm của austenite chuyển sang cấu trúc chính phương thể tâm của mactenxit, với mức độ xô lệch mạng lớn làm tăng độ cứng và tính chống mài mòn cho lớp bề mặt trong khi trong lõi vẫn đủ độ dẻo dai

Sự hóa bền do chuyển biến mactenxit của thép austenite mangan cao chỉ xảy ra khi SFE <18 / Khi chuyến biến mactenxit xảy ra, năng lượng khuyết tật xếp bị giảm xuống thấp [30]

Các nghiên cứu của Y.N.Dastur và W C Leslie vào năm 1980 [32] cũng đã chỉ ra rằng sau một thời gian làm việc liên tục dưới tải trọng va đập lớn, các mẫu búa đập bằng thép austenite mangan cao đều bị biến cứng do hầu hết bề mặt đã bị chuyển biến thành mactenxit

2.5 Cơ chế song tinh và xô lệch

Thông thường, chuyển biến cho tổ chức mactenxit cho độ cứng cuối cùng sẽ khá cao, có tài liệu nói là có thể đến 63HRC Tuy nhiên, những thực nghiệm gần đây chỉ ra rằng ngay cả độ cứng đo trên các chi tiết đã làm việc hết thời gian cũng chỉ gần 50HRC

Do vậy, dẫn đến nghi ngờ tính xác thực của chuyển biến mactenxit dưới ứng suất pháp theo cơ chế cổ điển

Nhiều nghiên cứu khẳng định sự tăng độ cứng trong quá trình làm việc của thép austenite mangan cao là do xô lệch xếp chồng, do song tinh, do khuyết tật và do biên giới của austenite tạo ra trong quá trình biến dạng

Hình 2.5 Tổ chức tế vi bề mặt của mẫu búa từ thép austenite mangan

cao: a) Chưa làm việc; b) Đã làm việc [32]

Song tinh là quá trình xê dịch một phần tinh thể tương ứng với mặt phẳng cố định (gọi tắt là song tinh) sao cho nguyên tử xê dịch đến vị trí mới, đối xứng với các nguyên tử của phần tinh thể còn lại qua mặt song tinh

Trên hình 2.6 có thể nhìn thấy vị trí của các nguyên tử xê dịch nằm đối xứng với nhau qua mặt phẳng (112) không bị xê dịch gọi là song tinh

Đặc điểm chính của quá trình song tinh:

 Cũng như trượt, song tinh thường xảy ra theo những mặt và phương tinh thể

có mật độ nguyên tử cao nhất của mỗi kiểu mạng

 Biến dạng dẻo bằng song tinh thường xảy ra với ứng suất lớn hơn so với quá trình trượt

 Song tinh xảy ra đột ngột chứ không từ từ với tốc độ xác định như trượt Tải trọng va đập dễ tạo ra song tinh hơn tải trọng tĩnh

 Biến dạng dư trong song tinh nhỏ, vì vậy nếu vật liệu chỉ xảy ra biến dạng dẻo bằng song tinh, thì lượng biến dạng dư thường rất ít và hay bị phá hủy giòn

 Khi song tinh xảy ra sẽ thủ tiêu bớt những chướng ngại cản trở trượt, do vậy quá trình trượt lại liên tục xảy ra Vì vậy, nếu vật liệu đồng thời có khả năng biến dạng dẻo bằng trượt và song tinh thì thường có tính dẻo cao

Hình 2.6 Mô tả song tinh [33]

Hóa bền bằng biên giới hạt [34]:

Khi trong hạt có một nguồn Frank-Read hoạt động sẽ có vô số lệch trượt cho đến khi dừng lại cạnh biên giới hạt, tạo ra một tập hợp chứa n lệch Tập hợp này sẽ tạo ra trường ứng suất đàn hồi vừa tác dụng ngược lại phong tỏa nguồn lệch ở trong hạt, vừa kích thích các nguồn ở các hạt lân cận hoạt động trong quá trình biến dạng Biên giới hạt có tác dụng hãm lệch vì hai lý do:

 Biên giới có cấu trúc không trật tự

 Hai hạt liền nhau trong đa tinh thể có định hướng khác nhau, vì vậy lệch rất khó thay đổi “đột ngột”, mặt trượt khi vượt qua biên hạt Kết quả là, lệch chỉ

có thể chuyển động tự do trong hạt, kích thước hạt càng nhỏ, quãng đường chuyển động tự do càng ngắn, hiệu quả hóa bền càng cao

Giới hạn đàn hồi σe của vật liệu phụ thuộc vào kích thước hạt d theo biểu thức:

Trong đó σ0, k, n – những hằng số phụ thuộc vào bản chất tinh thể

Bằng hiển vi điện tử truyền qua TEM, nhóm tác giả S B SANT, R W SMITH [35] bộ môn kỹ thuật luyện kim, Đại học Queen’s, Kingston, Ontario, Canada đã chỉ ra rằng xuất hiện song tinh trong tổ chức của thép sau khi biến dạng và không thấy tổ chức mactenxit

Quan sát ảnh hiển vi điện tử truyền qua (hình 16) có thể dễ dàng nhận thấy các dải song tinh xuất hiện trên bề mặt mẫu, điều này chứng tỏ không có sự chuyển biến từ austenite sang mactenxit Bề mặt biến dạng dẻo của thép là kết quả của biến dạng song tinh (twin) và khuyết tật sắp xếp (stack fault)

Trong một nghiên cứu của nhóm Y.N.DASTUR và W.C.LESLIE [32] cũng đã làm thí nghiệm biến dạng dẻo với các mẫu thép austenite mangan cao có thành phần hóa học gồm: 1.13% C, 11.4% Mn, 0,2% Si, 0.17% Ni, 0.16% Cr, 0.08% Mo Các mẫu thử kéo này sẽ được tôi ở 1100oC trong 1.5h, sau đó làm nguội nhanh trong nước đá để đạt được

tổ chức một pha austenite Các mẫu sẽ được thử kéo ở nhiều cấp tốc độ khác nhau trong khoảng nhiệt độ từ -50oC đến 600oC Kết quả thu được là song tinh xuất hiện ngay từ mức nhiệt độ thấp nhất -50oC Và tỉ lệ song tinh giảm dần khi tăng nhiệt độ Và đạt mức zero khi ở 225oC Tổ chức song tinh của thép austenite mangan cao khi bị biến dạng 20% tại nhiệt độ 24oC như hình 2.8

Hình 2.7 Ảnh TEM tổ chức song tinh của thép austenite mangan cao [35]

Trong nghiên cứu của Yunhua XU về khả năng chống mài mòn của thép austenite mangan cao liên quan đến năng lượng tác động, có sự thay đổi tổ chức tế vi nhưng không phải chuyển biến từ austenite sang mactenxite Họ phát hiện ra rằng sự biến dạng bề mặt

là kết quả của biến dạng song tinh và khuyết tật xếp Do có sự tương tác qua lại của biến dạng song tinh, khuyết tật xếp và xô lệch mạng đã sản sinh ra các hạt nano austenite xen

kẽ vào cấu trúc vô định hình, là nguyên nhân dẫn đến nâng cao cơ tính và khả năng chống mài mòn của thép austenite mangan cao [36]

Hình 2.8 Ảnh trường sáng TEM tổ chức song tinh của thép austenite

mangan cao khi biến dạng 20% tại 24 o C [32]

2.6 Ảnh hưởng của cacbit đến khả năng tăng bền

Các quan điểm trước đây cho rằng khi hợp kim hóa bằng các nguyên tố tạo cacbit thì quá trình biến cứng của austenite trở nên khó khăn và cacbit gây giòn cho thép khi chịu va đập Tuy nhiên chỉ có các hạt cacbit ở biên giới hạt mới thật sự gây nguy hiểm cho cơ tính của thép, còn cacbit phân tán trong nền hạt không những không gây nguy hiểm mà còn giúp cho thép tăng độ dai va đập và cải thiện khả năng chống mài mòn

Căn cứ vào các kết quả khảo sát chi tiết làm bằng họ thép mangan cao nhập ngoại, thấy rằng thép ở nhiều nước như Đức, Trung Quốc sử dụng với 18% mangan và các nguyên tố tạo cacbit như crom, molypden,…có tuổi thọ thường gấp đôi hoặc thậm chí là bốn lần so với thép có thành phần mangan 13%, hoàn toàn không hoặc rất ít các nguyên

tố tạo cacbit (có cùng hàm lượng cacbon) [30]

Quan sát tổ chức tế vi của các sản phẩm nhập ngoại, nhận thấy tổ chức của thép là hạt nhỏ mịn, cacbit phân tán đều trên toàn hạt chứ không tập trung như thép chế tạo trong nước Tổ chức này có độ chống mài mòn cao, kéo dài được thời gian làm việc

Hình 2.9 Ảnh HRTEM các hạt kích thước nano (A) lồng vào cấu trúc vô

định hình (B) [36]

Cacbit được tạo thành do quá trình hợp kim hóa các nguyên tố tạo cacbit như crom, mangan, vanadi Với mỗi loại cacbit cho độ cứng khác nhau

Bảng 2.8: Các thông số đặc trưng của cacbit

Cacbit Loại mạng Thông số mạng nm Điểm chảy o C Độ cứng HV