Ảnh hưởng của thông số công nghệ cơ – nhiệt đến tổ chức và cơ tính của thép TRIP CMnSi luyện từ sắt xốp.

Nội dung tài liệu: Ảnh hưởng của thông số công nghệ cơ – nhiệt đến tổ chức và cơ tính của thép TRIP CMnSi luyện từ sắt xốp.

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ĐINH VĂN HIẾN ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CƠ – NHIỆT ĐẾN TỔ CHỨC VÀ CƠ TÍNH CỦA THÉP TRIP CMnSi LUYỆN TỪ SẮT XỐP Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số: 9520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2018
2. CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ-BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Đinh Bá Trụ 2. PGS.TS Nguyễn Văn Chúc Phản biện 1: GS.TS Đỗ Minh Nghiệp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Phản biện 2: PGS.TS Chu Thiên Trường Học viện Kỹ thuật quân sự Phản biện 3: PGS.TS Trịnh Hồng Anh Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Luận án được bảo vệ tại hội đồng chấm luận án tiến sĩ và họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi giờ, ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Thư viện Quốc gia Việt Nam
3. 1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài: Thế giới đang có một cuộc cách mạng về công nghệ luyện kim hoàn nguyên phi cốc (sắt xốp) thay công nghệ luyện gang lò cao. Nhờ sử dụng sắt xốp nấu và tinh luyện cho được thép sạch hơn, tạo điều kiện cho thép bền hơn, dẻo hơn, từ đó, thép độ bền cao tiên tiến AHSS (thép DP, TRIP, ) đã ra đời từ thép HSLA nhóm CMnSi. Việt Nam đang tiến hành công nghiệp hóa, cần theo hướng thế giới, vì vậy, cần dùng Sắt xốp – Luyện và Tinh luyện – Công nghệ cơ-nhiệt để sản xuất thép chất lượng cao AHSS phục vụ sản xuất cơ khí ô tô, tên lửa, Việt Nam đã làm được sắt xốp chất lượng tốt, tạo tiền đề sản xuất thép AHSS. Dự án khoa học công nghệ (KHCN) cấp nhà nước (2014-2017) đã tạo điều kiện nghiên cứu, nhờ đó, nhóm “nghiên cứu thép hợp kim luyện từ sắt xốp” đã luyện một số mác thép từ sắt xốp MIREX và tinh luyện trong lò chân không VIM300, trong đó, có thép TRIP. Tác giả nhận thấy, cần phải có nghiên cứu tiếp sau công nghệ luyện, nghiên cứu về công nghệ cơ-nhiệt cho nhóm thép TRIP để chứng minh một công nghệ mới áp dụng vào điều kiện thực tiễn Việt Nam. Từ đó, thực hiện đề tài: “Ảnh hưởng của thông số công nghệ cơ nhiệt đến tổ chức và cơ tính của thép TRIP CMnSi được luyện từ sắt xốp” là một nhiệm vụ cần thiết. Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu xác lập các quan hệ giữa một số thông số công nghệ cơ-nhiệt với cơ tính của một mác thép TRIP CMnSi có xét đến quan hệ trung gian với tổ chức để điều khiển công nghệ nhằm tìm ra các bộ thông số công nghệ tối ưu độ bền và độ dẻo theo yêu cầu sử dụng. Đối tượng nghiên cứu: Luận án chọn một mác thép TRIP CMnSi luyện từ sắt xốp có thành phần hóa học trong tiêu chuẩn, sử dụng công nghệ cơ- nhiệt tạo thép có hiệu ứng TRIP với tổ chức ba pha ferit, bainit và austenit dư, khảo sát và tìm ra các quy luật. Phạm vi nghiên cứu: Tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của 4 thông số công nghệ cơ-nhiệt là nhiệt độ-thời gian nung, nhiệt độ - thời gian nguội đẳng nhiệt đến tổ chức và cơ tính của thép TRIP nghiên cứu. Các thông số công nghệ khác được cố định, nhưng được thực nghiệm để xác định.
4. 2 - Hàm mục tiêu chính: Các đặc trưng bền, dẻo thông dụng. - Hàm mục tiêu trung gian: Tỷ phần các pha, độ lớn hạt. Nội dung nghiên cứu: 1. Đặc điểm thép AHSS-TRIP và công nghệ sản xuất. 2. Cơ sở lý thuyết về tổ chức và cơ tính thép TRIP. 3. Phương pháp thực nghiệm. 4. Ảnh hưởng của thông số công nghệ cơ-nhiệt đến tổ chức và cơ tính của thép TRIP CMnSi luyện từ sắt xốp. Phương pháp nghiên cứu: Khảo cứu các thành tựu KHCN thế giới về mối quan hệ Thành phần - Tổ chức - Cơ tính - Công nghệ, đưa ra giải pháp công nghệ, thực nghiệm đo đạc tìm phạm vi biến đổi TSCN, thực nghiệm xác định tổ chức, cơ tính và xác lập các quan hệ. Ý nghĩa khoa học: Minh chứng quan hệ, với mác thép CMnSi được luyện từ sắt xốp và tinh luyện có độ sạch tạp chất, xử lý tạo 3 pha ferit, bainit và austenit dư với tỷ phần pha nhất định và độ hạt nhỏ mịn chắc chắn có cơ tính tổng hơn tốt hơn mác thép HSLA nhóm CMnSi có thành phần tương tự. Xác lập được quy luật quan hệ Cơ tính-Thông số công nghệ-Tổ chức, từ đó, đã tìm ra được bộ thông số công nghệ cơ-nhiệt tối ưu độ bền, độ dẻo. Bộ thông số công nghệ được kiểm chứng đảm bảo tính quy luật. Ý nghĩa thực tiễn: Bộ thông số công nghệ cơ-nhiệt tối ưu có thể tham khảo để sản xuất phôi thép TRIP trên quy mô công nghiệp hoặc xử lý sản phẩm tạo hình để tăng tính dẻo khi dập, tăng độ bền cho sản phẩm kết thúc. Kết quả nghiên cứu chứng minh tính khả thi sử dụng sắt xốp sản xuất thép chất lượng cao AHSS-TRIP phục vụ kinh tế và quốc phòng. CHƯƠNG 1. ĐẶC ĐIỂM THÉP AHSS-TRIP VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT 1.1. Một số khái niệm liên quan 1.1.1. Thép HSLA 1.1.2. Thép AHSS 1.1.3. Thép TRIP
5. 3 Hình 1.1. Quan hệ giới hạn bền với độ giãn dài của một số thép kết cấu. 1.2. Thành phần-tổ chức-cơ tính của thép AHSS và TRIP 1.2.1. Thành phần và tổ chức tế vi thép AHSS và TRIP - Thép TRIP có thành phần nguyên tố hợp kim (NTHK) chính là C từ 0,1-0,4%, Mn từ 1-2,5%, Si từ 1-2,2%. Thép phải sạch, P 0,025%, S 0,015%, thấp tạp chất phi kim và khí (O2, H2, N2). - Thép TRIP được hóa bền bằng hiệu ứng tổ chức đa pha theo nguyên lý tạo các pha rắn bainit, austenit dư phân bố đều trong nền ferit dẻo. Các pha có tỷ phần nhất định, thường ferit từ 50-60%, bainit từ 25-40% và khoảng 5-20% austenit dư. Độ hạt các pha nhỏ mịn hạt ferit ≤ 20 µm, hạt bainit nhỏ, hạt austenit dư siêu nhỏ ≤ 4 µm. 1.2.2. Cơ tính thép AHSS và TRIP a- quan hệ ứng suất-biến dạng b- quan hệ hệ số biến cứng-biến dạng Hình 1.7. Cơ tính của thép TRIP, DP và HSLA có cùng giới hạn chảy. 1. Thép TRIP có độ bền và độ dẻo kết hợp hài hòa. 2. Thép TRIP có độ bền cao và hệ số hóa bền lớn. 3. Thép TRIP có các chỉ tiêu dẻo cao.
6. 4 1.3. Công nghệ sản xuất và ứng dụng của thép AHSS và TRIP 1.3.1. Công nghệ sản xuất thép AHSS 1. Thép AHSS được luyện từ nguyên liệu sắt xốp. 2. Thép AHSS được sản xuất bằng công nghệ tinh luyện ngoài lò. 3. Thép AHSS được sản xuất bằng công nghệ cơ-nhiệt chuyên biệt. Vấn đề cốt lõi để tạo được tổ chức, từ đó, tạo lên tính năng đặc biệt của thép AHSS là phải xử lý cơ-nhiệt bằng biến dạng và nung ở nhiệt độ giữa Ac1 và Ac3, sau đó, nguội theo các chế độ khác nhau tùy theo từng loại thép. 1.3.2. Công nghệ cơ-nhiệt sản xuất thép TRIP 1.3.2.1. Công nghệ biến dạng trong sản xuất thép TRIP Hình 1.12. Hai sơ đồ công nghệ cơ-nhiệt sản xuất thép TRIP. Nhiệm vụ của công đoạn biến dạng là phải khống chế được tổ chức hạt, tạo điều kiện để có tổ chức hạt nhỏ, đều chuẩn bị cho xử lý nhiệt. 1.3.4.2. Công nghệ xử lý nhiệt thép TRIP Nhiệm vụ của khâu xử lý nhiệt chủ yếu là điều khiển tỷ phần các pha. Muốn làm chủ được công nghệ cơ-nhiệt sản xuất thép TRIP phải kiểm soát ít nhất 6 TSCN. Hiện nay, một số nước đã có công nghệ sản xuất thép TRIP đại trà, nhưng các bộ TSCN được giữ bí mật. 1.3.3. Ứng dụng của thép AHSS và thép TRIP Dùng thay thép HSLA nhóm CMnSi chế tạo các chi tiết xe ô tô, bình áp lực trong quân sự 1.4. Sắt xốp MIREX - nguyên liệu quan trọng sản xuất thép AHSS
7. 5 1.5. Kết luận chương 1 1. Thép TRIP là nhóm thép tiên tiến có đặc điểm: - Thành phần C: 0,1-0,4%, Mn: 1-2,5%, Si: 1-2,2%, thấp tạp chất P, S, phi kim và khí, được đảm bảo bằng dùng sắt xốp nấu và tinh luyện; - Tổ chức thép có 3 pha ferit, bainit và 5-20% austenit dư, độ hạt các pha nhỏ cận nanomet được đảm bảo bằng công nghệ cơ-nhiệt. - Cơ tính: thép có độ bền cao hơn kết hợp tính dẻo tốt hơn thép HSLA cùng loại. Dải giới hạn bền từ 600-1050 MPa, độ giãn dài đến 40%; - Thép dùng sản xuất các kết cấu thép, vỏ khung dầm xe ô tô, ống chịu áp lực làm chi tiết bền hơn, nhẹ hơn, rẻ hơn. 2. Định hướng nghiên cứu của Luận án: - Nghiên cứu một số cơ sở lý thuyết liên quan đến đặc thù tổ chức và cơ tính của nhóm thép TRIP để làm cơ sở khoa học cho thực nghiệm; - Thực nghiệm xác lập bộ TSCN tạo được phôi thép đúng tổ chức và xác định các số liệu cơ tính trong pham vi vùng TSCN cơ-nhiệt khảo sát. - Xác lập các quy luật ảnh hưởng TSCN cơ-nhiệt, từ đó, xác định các miền TSCN tối ưu các đặc trưng bền, dẻo thông dụng. Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TỔ CHỨC VÀ THUỘC TÍNH CƠ HỌC CỦA THÉP TRIP 2.1. Độ bền và độ dẻo của thép TRIP 2.1.1. Luật trộn pha áp dụng trong thép TRIP Độ bền và độ dẻo của thép TRIP tuân theo luật trộn pha:  = f . +f b. b+fd.d+f ’. ’  = f . +f b. b+fd.d+f ’. ’ f +f b+fd+f ’ = 1 trong đó: f, ,  tương ứng chỉ tỷ phần, ứng suất và biến dạng của các pha. Độ bền và độ dẻo của thép TRIP phụ thuộc tỷ phần và độ bền, độ dẻo mỗi pha. Có thể điều khiển độ bền độ dẻo của thép TRIP thông qua điều khiển tỷ phần và độ bền độ dẻo mỗi pha.
8. 6 2.1.2. Các nguyên lý hãm lệch để tăng bền sử dụng trong thép TRIP - Hóa bền dung dịch rắn ferit, bainit, austenit dư bằng C, Mn, Si; - Hóa bền bằng tiết pha phân tán; - Hóa bền bằng nhỏ hạt; - Hóa bền bằng chuyển biến pha. 2.1.3. Hóa bền bằng dung dịch rắn Hình 2.5. Đóng góp của các cơ và tiết pha phân tán trong thép TRIP chế hóa bền đến độ bền của thép. 2.1.4. Nguyên lý hóa bền và tăng dẻo bằng làm nhỏ hạt trong thép TRIP Thép TRIP dùng nguyên lý tạo hạt ferit nhỏ mịn (≤ 20 µm) để: -1/2 - Tăng độ bền theo Hall-Petch: c = 0c + Kd.d - Tăng tính biến dạng dẻo nhờ chuyển đổi cơ chế biến dạng trong hạt sang cơ chế biến dạng liên hạt, tạo chuỗi hạt cùng biến dạng dẻo. 2.1.5. Hai nguyên lý hóa bền và tăng dẻo bằng chuyển biến pha trong thép TRIP Hai hiệu ứng hóa bền chuyển pha sử dụng trong thép TRIP: (1) Austenit bainit và austenit dư khi xử lý nhiệt; (2) Austenit dư mactenxit khi biến dạng. 2.1.5.1. Hóa bền và tăng dẻo bằng tạo pha rắn bainit và ausenit dư Hình 2.10. Mô tả tích tụ lệch tại phân giới pha rắn trong thép TRIP. 2.1.5.2. Nguyên lý hóa bền và tăng dẻo do tạo thành mactenxit khi chịu tác dụng của lực cơ học – Hiệu ứng TRIP Trong điều kiện nhất định austenit dư có thể chuyển biến thành mactenxit, có tác dụng hóa bền, tăng dẻo. Đóng góp của các pha và chuyển pha mactenxit đến biến cứng của thép TRIP:
9. 7 d d d  bad d d  '' df f . f b . f  d f a'' . (  d ) d d  d  d  d  d  Hình 2.17. Đường cong ứng suất-biến dạng và tốc độ biến cứng của thép TRIP. 2.1.5.3. Ảnh hưởng của tỷ phần pha đến độ bền và độ dẻo thép TRIP Tỷ phần pha quyết định đến độ bền và độ dẻo của thép TRIP: - Muốn có độ bền và độ dẻo kết hợp hài hòa tối ưu, cần tối ưu tỷ phần austenit dư; - Để có độ bền tối ưu, phải thực nghiệm để tìm được vùng TSCN có Hình 2.19. Quan hệ giới hạn bền tương quan tỷ phần pha thích hợp. và độ giãn dài của thép TRIP. 2.1.5.4. Ảnh hưởng của độ hạt bainit, ausenit dư đến độ bền và độ dẻo thép TRIP 2.2. Nhiệt động học hình thành tổ chức thép TRIP và các yếu tố ảnh hưởng 2.2.1. Cơ sở nhiệt động học hình thành tổ chức thép TRIP 2.2.1.1. Hình thành ferit và austenit khi nung trong vùng tới hạn 2.2.1.2. Chuyển biến bainit và hình thành austenit dư Quá trình chuyển biến bainit trong thép TRIP: γ γ αb, quá bão hòa α b, bão hòa γ giàu cacbon α b, bão hòa γ giàu cacbon α θ trong đó: - austenit; b- bainitic ferit; - ferit; và - cacbit hoặc xementit. 2.2.2. Ảnh hưởng của C, Mn, Si đến động học hình thành tổ chức thép TRIP
10. 8 2.2.3. Ảnh hưởng của thông số cơ-nhiệt đến sự tạo thành tổ chức thép TRIP 2.2.3.1. Ảnh hưởng của biến dạng dẻo 2.2.3.2. Ảnh hưởng của nung trong vùng tới hạn Nhiệt độ và thời gian nung có tác dụng điều khiển tỷ phần ferit và austenit, độ hòa tan C trong hai pha, đồng thời, tác dụng gián tiếp đến tỷ phần austenit dư. 2.2.3.3. Ảnh hưởng của tốc độ nguội khi tôi Để có tổ chức của thép TRIP, cần phải chọn môi trường làm nguội có tốc độ nguội lớn hơn tốc độ nguội tới hạn. 2.2.3.4. Ảnh hưởng của tôi đẳng nhiệt trong vùng bainit Nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt bainit có tác dụng điều khiển tỷ phần, độ hòa tan C trong bainit và austenit dư. Theo nhiều nghiên cứu, tồn tại nhiệt độ (khoảng từ 350-4500C) và thời gian giữ nhiệt (2-20 phút) trong vùng bainit tối ưu để có tỷ phần austenit dư lớn nhất. 2.3. Quan hệ thành phần C, Mn và Si với tổ chức và cơ tính thép TRIP Phạm vi thành phần CMnSi tối ưu độ bền và độ dẻo: - Vùng giới hạn bền tối ưu {0,2-0,24%C, 2,0-2,2%Mn, 1,8-2,2%Si}. Giới hạn bền trên 900 MPa, độ giãn dài tương đối từ 20-30%. - Vùng độ giãn dài tối ưu:{0,12-0,14%C, 1,4-1,8%Mn, 1,8-2,2%Si} và {0,2-0,24%C, 1,2-1,7%Mn, 1,4-1,6%Si}. Độ giãn dài tương đối trên 30%. 2.4. Kết luận chương 2 1. Độ bền và độ dẻo của thép TRIP tuân theo các quy luật chung là biến dạng dẻo do chuyển động của lệch và hóa bền do tăng cản trở lệch. Nhưng thép có đặc thù độ bền cao, độ dẻo tốt nhờ: - Vận dụng nguyên lý hóa bền hạt nhỏ tạo hạt ferit nhỏ cận nanomet; - Vận dụng hai nguyên lý hóa bền chuyển biến pha: (1) Austenit bainit và austenit dư khi xử lý nhiệt; (2) Austenit dư mactenxit khi biến dạng để hóa bền và tăng dẻo. 2. Để tạo được tổ chức theo yêu cầu của thép TRIP cần khống chế: - Chế độ bến dạng trước có tổ chức hạt nhỏ, đều;
11. 9 - Chế độ cơ-nhiệt: mức độ cán nguội, nhiệt độ-thời gian giữ nhiệt khi nung trong vùng tới hạn, nhiệt độ-thời gian nguội đẳng nhiệt bainit để khống chế độ hạt, độ hòa tan NTHK và tỷ phần các pha. Do điều kiện nghiên cứu, Luận án xác định: - Thành phần hóa học thép ban đầu, chế độ biến dạng trước, mức độ cán nguội trong gia công cơ-nhiệt và môi trước tôi đẳng nhiệt chọn cố định. - Chỉ biến đổi 4 biến công nghệ: nhiệt độ-thời gian nung trong vùng hai pha (giữa Ac1 và Ac3); nhiệt độ-thời gian nguội đẳng nhiệt bainit. Chương 3. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 3.1. Sơ đồ công nghệ thực nghiệm 3.2. Phương pháp chuẩn bị phôi và xác định các thông số nhiệt động 3.2.1. Mác thép nghiên cứu Mác thép nghiên cứu 0,22C-1,4Mn-1,6Si-0,021P-0,009S được nấu luyện từ sắt xốp MIREX và tinh luyện. Mác thép đáp ứng đúng yêu cầu, đủ độ sạch theo tiêu chuẩn thép AHSS-TRIP. 3.2.2. Xác định các thông số nhiệt động 0 Phạm vi nhiệt độ Ac1-Ac3 : 740-870 C. 3.2.3. Gia công chuẩn bị phôi Ủ đồng đều: 10000C/3 giờ. Rèn nóng: Tỷ số rèn y = 4. Kết thúc rèn ở 9000C. Cán nóng: Mức độ biến dạng tổng 50%. Kết thúc cán ở 8800C. Tổ chức sau cán (ferit + peclit) nhỏ đều, hạt ferit ≤ 20 µm. 3.3. Phương pháp xác định tổ chức và cấu trúc pha 3.3.1. Nhận diện các tổ chức pha bằng hiển vi quang học Nhận diện tổ chức pha bằng tẩm thực bằng phương pháp tẩm thực màu. 3.3.2. Đo cỡ hạt và tỷ lệ các pha Đo cỡ hạt và tỷ lệ các pha bằng kỹ thuật phân tích ảnh trên phần mềm ImageJ. 3.3.3. Nhận diện austenit dư và mactenxit sau biến dạng bằng nhiễu xa tia X
12. 10 3.4. Phương pháp xác định miền thông số gia công cơ-nhiệt Hình 3.7. Sơ đồ gia công cơ-nhiệt nghiên cứu. Mục đích tìm vùng TSCN cho đúng tổ chức thép 3 pha, độ hạt nhỏ. 3.4.1. Xác định mức độ biến dạng cán nguội Bằng thực nghiệm đã chọn được mức độ cán nguội là 80% dùng cho xử lý cơ-nhiệt do cho được tổ chức hạt nhỏ, đều, hạt ferit dưới 10 m. 3.4.2. Xác định miền thông số xử lý nhiệt Bằng các thực nghiệm xác định được phạm vi thông số xử lý nhiệt là: nhiệt độ nung từ 750-8100C, giữ nhiệt từ 5-15 phút; nhiệt độ bainit từ 350- 4500C, giữ nhiệt từ 5-15 phút đảm bảo cho được tổ chức thép ba pha. 3.5. Phương pháp xác định các đặc trưng cơ tính 3.6. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm Đã xác định các hàm hồi quy quan hệ 4 TSCN cơ-nhiệt với cơ tính thép nghiên cứu (Bảng 3.11), đảm bảo tương thích. Từ đó, xác định nghiệm tối ưu và thực nghiệm kiểm chứng (Bảng 3.12 đến Bảng 3.15). Bảng 3.11. Các hàm mục tiêu theo biến thực. TT Hàm hồi quy 2 Rp1 = -240,404 + 5,592. + + 3,666.TB + 0,635.B – 0,434. +.B + 0,026.TB.B– 0,177. + – 1 2 2 0,005.TB – 0,03.B 2 2 Rp2 = -5810,425 + 16,691.T + - 54,66. + + 0,068.T + . + - 0,011.T + Rm1 = 3190,553 + 10,155. + - 11,281.TB – 28,869.B + 0,013. +.TB + 0,103. +.B + 3 2 2 2 0,043.TB.B– 0,569. + + 0,013.TB + 0,191.B 2 2 4 Rm2 = -21676,679 + 56,908.T + + 63,823. + - 0,036.T + – 0,069.T + . + - 0,351. + 2 2 5 A1 = - 315,565 - 0,338. + + 1,715.TB + 3,341.B - 0,005.TB.B - 0,002.TB - 0,056.B 2 2 6 A2 = -1801,481 + 4,709.T + + 0,494. + – 0,003.T + - 0,043. + 2 2 7 PSE1 = - 184460,49 – 127,91. + + 1051,58.TB + 1924,49.B - 2,73.TB.B - 1,32.TB - 41,66.B 2 2 8 PSE2 = - 2163940 + 5614,56.T + + 758,37. + – 3,6.T + - 46,33. +
13. 11 Bảng 3.12. Nghiệm và giá trị tối ưu giới hạn chảy theo mô hình và thực nghiệm. Giá trị hàm tối ưu, Ký hiệu biến và mức biến tối ưu Rp, MPa Sai số PA T  T  (%) + + B B Mô hình TN MH Thực MH Thực MH Thực MH Thực NTU 0 780 -1 5 -0,237 388,2 0,64 13,2 473,5 1 1,9 TN 0 780 -1 5 -0,2 390 0,5 12,5 492,8 NTU -0,74 757,3 -1 5 0 400 0 10 469,2 2 1,4 TN -1 750 -1 5 0 400 0 10 475,2 PA- phương án; NTU- nghiệm tối ưu; TN- thực nghiệm; MH- mã hóa. Bảng 3.13. Nghiệm và giá trị tối ưu giới hạn bền theo mô hình và thực nghiệm. Giá trị hàm tối ưu, Ký hiệu biến và mức biến tối ưu Rm, MPa Sai số PA T  T  (%) + + B B Mô hình TN MH Thực MH Thực MH Thực MH Thực NTU 0 780 0,667 13,3 -1 350 -1 5 899 1 1,7 TN 0 780 0,6 13 -1 350 -1 5 913,9 NTU -0,222 773,5 1 15 0 400 0 10 808,7 2 1,4 TN -0,333 770 1 15 0 400 0 10 820,5 Bảng 3.14. Nghiệm và giá trị tối ưu độ giãn dài theo mô hình và thực nghiệm. Giá trị hàm tối Ký hiệu biến và mức biến tối ưu ưu, A, % Sai số PA T  T  Thực (%) + + B B Mô hình MH Thực MH Thực MH Thực MH Thực nghiệm NTU 0 780 -1 5 -0,223 388,8 0,504 12,5 37,1 1 4,6 TN 0 780 -1 5 -0,2 390 0,5 12,5 35,4 NTU -0,11 776,7 -0,83 5,8 0 400 0 10 36,7 2 5,2 TN -0,333 770 -1 5 0 400 0 10 34,8 Bảng 3.15. Nghiệm và giá trị tối ưu PSE theo mô hình và thực nghiệm. Giá trị hàm tối Ký hiệu biến và mức biến tối ưu ưu, PSE, MPa% Sai số PA T  T  Mô Thực (%) + + B B MH Thực MH Thực MH Thực MH Thực hình nghiệm NTU 0 780 -0,943 5,3 -0,274 386,3 0,044 10,2 28590 1 4,1 TN 0 780 -1 5 0,3 385 0 10 27411 NTU -0,02 779,4 -0,359 8,2 0 400 0 10 28790 2 2,9 TN 0 780 -0,4 8 0 400 0 10 27980 3.7. Phương pháp xử lý số liệu bằng phần mềm thống kê Statistica 3.8. Kết luận chương 3 1. Mác thép TRIP nghiên cứu đủ điều kiện dùng để thí nghiệm. 2. Đã xác định được nhiệt độ tới hạn Ac1, Ac3, Bs, Ms. 3. Đã thực nghiệm xác định chế độ công nghệ chuẩn bị phôi (ủ, rèn, cán nóng) đảm bảo có tổ chức hạt nhỏ, cỡ hạt ferit 20 m. 4. Đã thực nghiệm xác định miền TSCN cơ-nhiệt: mức độ cán nguội, h
14. 12 0 = 80%, nhiệt độ nung, T + từ 750810 C, thời gian nung,  + từ 515 0 phút, nhiệt độ đẳng nhiệt bainit, TB từ 350450 C, thời gian giữ đẳng nhiệt bainit, B từ 515 phút, đảm bảo cho được tổ chức đúng của thép TRIP. 5. Bằng QHTN đã xây dựng được các hàm hồi quy quan hệ Rm, Rp, A và PSE với 4 TSCN, dùng được để dự báo giá trị mục tiêu. Chương 4. ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CƠ-NHIỆT ĐẾN TỔ CHỨC VÀ CƠ TÍNH THÉP TRIP CMnSi LUYỆN TỪ SẮT XỐP 4.1. Một số nhận xét về thành phần, tổ chức và cơ tính thép TRIP nghiên cứu Về tổ chức tế vi. Tổ chức có 3 pha ferit, bainit và austenit dư (Hình 4.1). a- ảnh tế vi (x500) b- phân bố austenit dư (x500) Hình 4.1. Tổ chức tế vi của mẫu 80B-4 sau xử lý cơ-nhiệt. Về cơ tính. Cơ tính thép TRIP nghiên cứu đạt tiêu chuẩn thép nước ngoài cùng loại. 4.2. Ảnh hưởng của TSCN đến tổ chức thép TRIP nghiên cứu 4.2.1. Ảnh hưởng của cán nguội đến cỡ hạt ferit 4.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt khi nung đến tỷ phần và cỡ hạt ferit 4.2.3. Ảnh hưởng của TSCN đến tỷ phần bainit 4.2.4. Ảnh hưởng của TSCN đến tỷ phần và cỡ hạt austenit dư (xem Hình 4.9)
15. 13 a, b, c, d, Hình 4.9. Quan hệ tỷ phần austenit dư với các TSCN.
16. 14 4.3. Ảnh hưởng của TSCN đến các đặc trưng bền 4.3.1. Ảnh hưởng của TSCN đến giới hạn bền Miền TSCN tối ưu giới hạn bền, Rm ≥ 830 MPa: 0 0 Miền 1: T +: 770-790 C,  +: 11-15 phút; TB: 350-370 C; B: 5-7 phút. 0 0 Miền 2: T +: 770-790 C,  +: 11-15 phút; TB: 440-450 C; B: 5-7 phút. Giá trị tối ưu theo QHTN nằm trong miền tối ưu. 4.3.2. Ảnh hưởng của TSCN đến giới hạn chảy Miền giới hạn chảy tối ưu, Rp ≥ 460 MPa: 0 0 Miền 1: T +: 750-770 C,  +: 5-8 phút; TB: 350-405 C; B: 9-14 phút. 0 0 Miền 2: T +: 770-790 C,  +: 5-9 phút; TB: 350-405 C; B: 10-13 phút. 0 0 Miền 3. T +: 800-810 C,  +: 7,5-15phút; TB: 350-405 C; B: 7,5-15phút. Giá trị tối ưu theo QHTN nằm trong miền tối ưu. 4.3.3. Ảnh hưởng của TSCN đến hệ số hóa bền Miền TSCN tối ưu hệ số hóa bền, Rm/Rp ≥ 1,8: 0 0 Miền 1. T +: 765-790 C,  +: 11-15 phút; TB: 430-450 C; B: 5-7 phút; 0 0 Miền 2. T +: 765-790 C,  +: 11-15 phút; TB: 350-360 C; B: 5-7 phút. 4.4. Ảnh hưởng của TSCN đến các đặc trưng dẻo 4.4.1. Ảnh hưởng của TSCN đến độ giãn dài tương đối Miền TSCN tối ưu độ giãn dài tương đối, A ≥ 32%: 0 0 T +: 750-790 C,  +: 5-10,5 phút; TB: 370-410 C; B: 8-14 phút. Giá trị tối ưu theo QHTN nằm trong miền tối ưu. 4.4.2. Ảnh hưởng của TSCN đến hệ số biến cứng Miền TSCN tối ưu hệ số biến cứng, n ≥ 2,2: 0 0 T +: 750-790 C,  +: 5-10 phút; TB: 350-410 C; B: 8-15 phút. 4.4.3. Ảnh hưởng của TSCN đến chỉ số hấp phụ năng lượng PSE Miền TSCN tối ưu chỉ số PSE ≥ 25000 MPa%: 0 0 T +: 765-790 C,  +: 5-11 phút; TB: 350-405 C; B: 7-13,5 phút. Giá trị tối ưu theo QHTN nằm trong miền tối ưu. (xem các Hình 4.12, 4.16, 4.17, 4.18, 4.19, 4.20)
17. 15 a, b, c, d, Hình 4.12. Quan hệ giới hạn bền với các TSCN.
18. 16 a, b, c, d, Hình 4.16. Quan hệ giới hạn chảy với các TSCN.
19. 17 a, b, c, d, Hình 4.17. Quan hệ giữa hệ số hóa bền với các TSCN.
20. 18 a, b, c, d, Hình 4.18. Quan hệ giữa độ giãn dài tương đối với các TSCN.
21. 19 a, b, c, d, Hình 4.19. Quan hệ hệ số biến cứng với các TSCN.
22. 20 a, b, c, d, Hình 4.20. Quan hệ giữ PSE với các TSCN.
23. 21 4.5. Các phân vùng TSCN tối ưu theo tương quan độ bền - độ dẻo Từ các kết quả, tìm ra được các vùng tổ chức và TSCN theo tương quan độ bền-độ dẻo khác nhau như Hình 4.21. Phân Tỷ phần pha (%) Thông số công nghệ 0 0 vùng f f b fd T +, C t +, phút TB, C tB, phút 53-58 30-40 ≥ 10 775-785 5-8 370-400 8-14 Vùng 1 67-74 20-26 5-8 750-760 5-7 350-370 10-14 Vùng 2 53-62 32-40 6-10 765-780 5-10 350-370 7-10 49-53 40-47 ≤ 6 775-790 11-15 440-450 5-7 Vùng 3 49-58 40-47 6-10 770-790 11-15 350-370 5-7 Hình 4.21. Phân vùng tổ chức và TSCN theo tương quan độ bền-độ dẻo. Nghiệm chứng: Để đảm bảo tính phổ quát của kết quả, nghiệm chứng trên mác thép 0,18%C-1,8%Mn- 2,0%Si-0,023%P-0,014%S được luyện từ sắt xốp và tinh luyện lò VIM 300. Kết quả khẳng định quy luật rút ra từ thực nghiệm có tính phổ quát và dùng được để dự báo Hình 4.22. Quan hệ độ bền-độ dẻo tính năng thép TRIP nhóm CMnSi thép TRIP CMnSi nghiệm chứng. tùy theo yêu cầu bền hơn hoặc dẻo hơn.
24. 22 4.6. Ứng dụng chế độ công nghệ tối ưu độ dẻo trong xử lý bán thành phẩm dập Kích thước Ảnh thực Kích thước Ảnh thực Phôi trước khi dập Phôi sau khi dập Hình 4.23. Bán thành phẩm trước và sau khi dập. 4.7. Kết luận chương 4 1. Thép TRIP CMnSi đủ tiêu chuẩn chất lượng thành phần dùng để xử lý tạo lên tính năng chuyên biệt độ bền cao, độ dẻo tốt. 2. Tổ chức thép TRIP nghiên cứu có ba pha ferit, bainit và austenit dư đúng các tiêu chí về tổ chức của thép TRIP. 3. Cơ tính thép TRIP nghiên cứu đạt được theo nước ngoài cùng loại. 4. Đã phân tích quy luật ảnh hưởng của thông số cơ-nhiệt đến tổ chức thép TRIP nghiên cứu. 5. Đã phân tích quy luật ảnh hưởng của thông số cơ-nhiệt đến cơ tính (Rp, Rm, Rm/Rp, A, n, PSE), xét trong mối quan hệ với tổ chức, từ đó, đã rút ra được các miền TSCN tối ưu các đặc trưng bền, dẻo. 6. Rút ra các phân vùng TSCN đáp ứng các tiêu chí độ bền, độ dẻo khác nhau phục vụ mục đích sử dụng. Bộ số liệu được nghiệm chứng, tin cậy. KẾT LUẬN CHUNG I. Những kết quả chính của Luận án 1. Đã tổng quan “thép AHSS-TRIP và công nghệ sản xuất”, khẳng định
25. 23 nhóm thép TRIP chỉ cần thành phần CMnSi nhất định, nhưng có cơ tính đặc thù vừa bền, vừa dẻo là do thép sạch tạp chất, tổ chức có ba pha ferit, bainit, austenit dư với tỷ phần pha nhất định và độ hạt nhỏ mịn và được sản xuất bằng công nghệ tiến tiến “luyện thép bằng sắt hoàn nguyên trực tiếp (sắt xốp)– tinh luyện– xử lý cơ-nhiệt chuyên biệt”. 2. Đã nghiên cứu một số cơ sở lý thuyết về tổ chức và cơ tính của thép TRIP, khẳng định, độ bền và độ dẻo của thép TRIP tuân theo lý thuyết trộn pha, phụ thuộc tỷ phần và độ bền, độ dẻo mỗi pha. Thép có đặc thù vừa bền, vừa dẻo do sử dụng tổng hợp các lý thuyết hóa bền, trong đó, hai lý thuyết hóa bền và tăng dẻo đặc trưng: - Hóa bền chuyển biến pha với hai chuyển biến: (1)- “austenit bainit + austenit dư” khi xử lý nhiệt để tạo pha rắn bainit, austenit dư vừa bền, vừa dẻo, nằm xen kẽ trong nền ferit để hãm lệch tăng bền, thỏa hiệp độ bền và độ dẻo thông qua lý thuyết trộn pha; (2)- “austenit dư mactenxit” khi biến dạng dẻo để hóa bền do tạo thành pha rắn mactenxit bền hơn và tăng dẻo nhờ hiệu ứng “dẻo do chuyển biến pha”. - Hóa bền do hạt nhỏ. Tạo hạt ferit nhỏ, cùng các hạt pha rắn bainit, austenit dư nhỏ mịn nằm xen kẽ trong nền ferit để hóa bền do tăng cản trở lệch và tăng dẻo nhờ chuyển đổi cơ chế biến dạng trong hạt với ít hạt tham gia biến dạng dẻo sang cơ chế biến dạng liên hạt với nhiều hạt cùng biến dạng. 3. Đã luyện và tinh luyện được mác thép TRIP CMnSi từ sắt xốp MIREX, đúng thành phần đặt ra, thấp tạp chất (0,22C-1,4Mn-1,6Si-0,021P- 0,009S). Trên cơ sở các quy luật khoa học nghiên cứu, luận án đã xác định nghiên cứu ảnh hưởng của 4 thông số công nghệ cơ-nhiệt (nhiệt độ-thời gian giữ nhiệt khi nung, nhiệt độ-thời gian nguội đẳng nhiệt bainit) đến tổ chức và cơ tính thép TRIP nghiên cứu; xác định đúng phạm vi và điều khiển tác động của 4 TSCN đảm bảo cho thép đúng tổ chức 3 pha ferit, bainit và austenit dư với tỷ phần ferit từ (38-74)%, bainit từ (19-58)% và austenit dư từ (4-16)%, cỡ hạt ferit từ 5-8 m, hạt austenit dư từ 1-2 m,
26. 24 nhờ đó, cho được cơ tính thép: giới hạn chảy từ 410-480 MPa, giới hạn bền từ 740-900 MPa và độ giãn dài tương đối từ (24-36)%. Điều kiện công nghệ: biến dạng nóng với tỷ số biến dạng y = 8; cán nguội 80% và xử lý nhiệt trong các điều kiện nung ở 750-8100C, giữ nhiệt 5-15 phút; và nguội đẳng nhiệt ở 350-4500C, giữ nhiệt 5-15 phút. 4. Đã thiết lập quy luật ảnh hưởng của 4 thông số công nghệ đến tổ chức và cơ tính thép TRIP nghiên cứu, từ đó, đã xác định các vùng thông số công nghệ tối ưu cho độ bền cao hoặc độ bền và độ dẻo trung bình hoặc độ dẻo cao, được kiểm chứng tin cậy, có thể áp dụng vào thực tế theo yêu cầu người dùng. II. Những đóng góp mới của Luận án 1. Là Luận án đầu tiên nghiên cứu sâu về thép AHSS-TRIP ở Việt Nam, mở ra một hướng nghiên cứu về sản xuất vật liệu phục vụ kinh tế và quốc phòng. Đã nghiên cứu công nghệ tạo phôi thép TRIP từ sắt xốp MIREX – Nấu và tinh luyện trong lò chân không công nghiệp – Công nghệ cơ-nhiệt để tạo tổ chức 3 pha ferit, bainit và austenit dư, kết quả cho mác thép có độ bền và độ dẻo cao hơn hẳn so với các mác thép HSLA có thành phần tương đương. 2. Trên cơ sở thực nghiệm khoa học, đã tìm ra được các bộ TSCN cơ- nhiệt tối ưu các chỉ tiêu bền dẻo và cặp tương quan độ bền-độ dẻo, được kiểm chứng tin cậy. Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng thiết lập quy trình công nghệ cho sản xuất phôi thép dùng dập vuốt và miết mỏng các chi tiết vỏ động cơ phản lực, bình áp lực III. Những vấn đề cần nghiên cứu tiếp Do là Luận án đầu tiên ở Việt Nam nghiên cứu về công nghệ cơ-nhiệt sản xuất phôi thép TRIP CMnSi với thời gian thực hiện có hạn, nên mới khai phá những bước đầu về một số cơ sở lý thuyết và nghiên cứu ảnh hưởng của 4 TSCN, các ảnh hưởng của thành phần hóa học và biến dạng chưa đề cập sâu. Vì vậy, cần có các nghiên cứu thêm về cơ sở lý thuyết, cũng như các tác động của thành phần hóa học và biến dạng đến tổ chức và cơ tính của loại thép này.
27. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 1. Đinh Văn Hiến, Nguyễn Văn Chúc, Trần Công Thức, Lê Văn Long và Đinh Bá Trụ, “Nghiên cứu thử nghiệm công nghệ tạo phôi thép 09Mn2Si từ nguyên liệu sắt xốp”, Tạp chí KH&CN - Hội nghị KH&CN Câu lạc bộ Cơ khí-Động lực lần thứ 8, số 27, tr. 162-165, Hà Nội, 04-2015. 2. Đinh Văn Hiến, Trần Công Thức, Lê Văn Long và Đinh Bá Trụ, “Nghiên cứu chế tạo thép chuyển pha do biến dạng dẻo họ CMnSiAl có nguồn gốc sắt xốp”, Tạp chí nghiên cứu KH&CN quân sự-Viện KH&CN quân sự, số kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, tr. 160-167, Hà Nội, 10-2015. 3. Đinh Văn Hiến, Đinh Bá Trụ và Nguyễn Văn Chúc, “Nghiên cứu ứng xử cơ học của thép chuyển pha do biến dạng dẻo họ MnSi dưới điều kiện xử lý cơ-nhiệt”, Tạp chí nghiên cứu KH&CN quân sự-Viện KH&CN quân sự, số đặc san Tên lửa, tr. 276-282, Hà Nội, 09-2016. 4. Đinh Văn Hiến, Đinh Bá Trụ, Nguyễn Văn Chúc và Lê Văn Long, “Ảnh hưởng của cán nguội đến tổ chức và cơ tính của thép 0,22C-1,4Mn-1,6Si được xử lý cơ-nhiệt”, Kỷ yếu Hội nghị KH&CN toàn quốc về Cơ khí Động lực 2016, tr. 468-473 Hà Nội, 10-2016. 5. Đinh Văn Hiến, “Ảnh hưởng của nung trong vùng tới hạn đến tổ chức và cơ tính thép TRIP CMnSi”, Tạp chí cơ khí Việt Nam, Số 5, tr. 57-63, Hà Nội, 5-2017. 6. HIEN Dinh Van, CHUC Nguyen Van, THANH Tran Ngoc, THANG Sai Manh, “Influence of heat treatment on microstructure and mechanical properties of a CMnSi TRIP steel using design of experiment”, Journal of materials today proceedings (Scopus Index) in IConAMMA 2017, Banglagore, India, August 2017.