NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN DẠNG ĐẾN CƠ LÝ TÍNH VẬT LIỆU SAU THIÊU KẾT TỪ BỘT THÉP CÓ NGHIỀN TRỘN W VÀ TiC HẠT MỊN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN DẠNG ĐẾN CƠ
LÝ TÍNH VẬT LIỆU SAU THIÊU KẾT TỪ BỘT THÉP CÓ
NGHIỀN TRỘN W VÀ TiC HẠT MỊN
Tóm tắt:
Báo cáo giới thiệu về kết quả nghiên cứu thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của mức
độ biến dạng vật liệu sau thiêu kết từ bột thép có nghiền trộn vonphram (W) và các bít titan
(TiC) hạt mịn đến một số tính chất cơ lý của nó như độ xốp, mật độ, độ cứng và tổ chức tế
vi của nhóm nghiên cứu ứng dụng công nghệ luyện kim bộ
t tại Viện Nghiên cứu Cơ khí
nhằm nâng cao tính năng sử dụng để chế tạo chi tiết máy làm việc trong điều kiện khắc
nghiệt (chịu mòn và chịu tải trọng cao). Đó cũng chính là những kết quả khoa học mới của
các tác giả, gắn liền với nội dung chính của các công trình Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật đang
được các nghiên cứu sinh Vũ Trung Tuyến, Đỗ Đình Lươ
ng đang hoàn thiện để bảo vệ học
vị của mình trước Hội đồng các cấp.
1. Vật liệu và phương pháp thí nghiệm:
a) Vật liệu thí nghiệm: Để tiến hành ép tạo hình và thiêu kết các mẫu thí
nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm, chúng tôi sử dụng hai loại bột thép và bột sắt
mua của hãng HOGANAS có độ hạt trung bình θ ≤ 125 μm và tỷ lệ thành phần %
theo khối lượng như sau [2÷4]: 1) Vật liệu VL1: [1,48 % Cu; 1,69 % Ni; 0,5 %
Mo; 0,87% Grafit UF4 + 0,85 % Zn-Stearate]; 2) Vật liệu VL2: [2,0 % Cu; 0,8 %
Grafit UF4; 0,8 % Zn-Stearate và có nghiền trộn thêm các hạt cứng 0,5 ÷ 1,5 % W;
0,5 ÷
1,5 %TiC (độ hạt θ
h.c.
= 10 ÷ 20 μm)]. Hỗn hợp vật liệu bột VL2 có hạt mịn W,
TiC nhận được sau khi trộn đều trên máy trộn ly tâm hành tinh [6].
Phương pháp thí nghiệm: Các bước thực hiện thí nghiệm gồm: 1) Chuẩn bị
bột cả hai loại vật liệu; 2) Ép tạo hình mẫu thí nghiệm có kích thước hình học
H x B x L = 12,5 x 32,5 x 60,0 mm (xem hình 1 a, b); 3) Thiêu kết trong lò điện trở
ống than có môi trường khí bảo vệ hyđrô H

2
(chế độ thiêu kết theo quy hoạch thực
nghiệm chọn 3 thông số chủ yếu là: áp lực ép bột tạo hình p = 250 ÷ 750 MPa với
bước nhảy Δp = 50 MPa, nhiệt độ thiêu kết T = 1.075 ÷ 1.325
O
C với bước nhảy
ΔT = 25
O
C, thời gian thiêu kết τ = 0,5 ÷ 3,0 h với bước nhảy Δτ = 0,25 h);
4) Giám định cơ lý tính và khảo sát chụp ảnh tổ chức tế vi vật liệu sau ép – thiêu
kết; 5) Nung nóng mẫu trong môi trường bảo vệ đến nhiệt độ T
N
= 1.000 ÷ 1.050
O
C và cán (hoặc ép) ở trạng thái nóng cho tới khi nhiệt độ mẫu giảm xuống tới
khoảng T
C
= 800 ÷ 850
O
C; 6) Giám định cơ lý tính và khảo sát chụp ảnh tổ chức tế
vi vật liệu sau một số lượt cán trong quá trình biến dạng mẫu; 7) Xử lý số liệu thực
nghiệm và đánh giá kết quả thu nhận được.
- Các chỉ tiêu cơ-lý tính vật liệu bột sau thiêu kết và qua biến dạng được xác
định theo các phương pháp thử thông dụng quy định tại tiêu chuẩn quốc tế. Sử
dụng phương pháp cân thuỷ t
ĩnh để đo độ xốp và mật độ tương ứng các mẫu thí
nghiệm đối với cả hai loại vật liệu VL1 & VL2. Phương pháp cân thuỷ tĩnh được
tiến hành theo trình tự như sau: mẫu được ngâm trong chất lỏng trong bình hút
chân không, thời gian khoảng 2 giờ để chất lỏng điền đầy các lỗ xốp. Chất lỏng
thường dùng là xylen do khả năng tẩm ướt rất tốt. Dùng phương pháp cân khối lượng để

xác định khối lượng của mẫu chưa th
ấm tẩm (m
1
); mẫu đã qua thấm tẩm (m
2
); mẫu đã thấm
tẩm và cân trong trạng thái nhúng chìm trong xylen (m
3
) như sau:
m
2
= m
1
+ ρ
xl
. V
lỗ xốp
; m
3
= m
2
− ρ
xl
. V
t
(1)
trong đó: ρ
xl
- tỷ trọng của xylen; V
lỗ xốp

- thể tích các lỗ xốp do xylen chiếm
chỗ; V
t
- thể tích do mẫu đã thấm tẩm chiếm chỗ trong xylen (thể tích dung dịch
xylen tăng thêm khi nhúng mẫu đã thấm tẩm vào); m
3
thường đo được nhỏ hơn m
2

do có lực đẩy ácsimét.
- Mật độ trung bình của mẫu sau thiêu kết và sau khi cán sẽ là:
ρ
TB
=
m
V
m
mm
t
xl11
23
=
−
ρ
.
(2)
- Việc nghiên cứu khảo sát và chụp ảnh cấu trúc tế vi vật liệu sau thiêu kết
và biến dạng dẻo được thực hiện trên kính hiển vi quang học có kết nối phần mềm
phân tích Material – Pro – Analyzater của Mỹ, kết hợp đo độ cứng cứng tế vi vật
liệu cũng trên các mẫu đó.

2. Kết quả thực nghiệm và thảo luận:
Ảnh chụp một số mẫu thí nghiệm điển hình nhận được từ vật liệu VL1 và
VL2 tương ứng sau khi ép và thiêu kết được cho trên hình 1 a, b.
a)

b)
Hình 1. Mẫu vật liệu bột thép HOGANAS - VL1 (a) và VL2 có trộn W, TiC hạt mịn (b)
sau ép tạo hình và thiêu kết [5,6]
a) Nghiên cứu cơ tính vật liệu mẫu thí nghiệm sau ép - thiêu kết:
Độ cứng thô đại theo Brinen (HB) được đo theo phương pháp đo độ cứng
(tiêu chuẩn Việt Nam), thang lực: P = 62,5 kG, đường kính bi: d = 5 mm, thời gian
giữ tải: 15 s. Kết quả đo độ cứng brinen trên các mẫu vật liệu VL1 sau thiêu kết
được cho trong bảng 1.
Bảng 1. Độ cứng vật liệu bột thép HOGANAS sau ép – thiêu kết [4÷6].
S
ố
thứ
tự
mẫu
Độ xốp trung
bình trước khi
cán, γ
O
,%
Mật độ TB
trước khi cán,
ρ
O
, g/cm
3

Độ cứng theo Brinen theo các lần đo, HB
Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Trung bình
1 29,7290 5,5162 38 46 42 43 42
2 28,1046 5,6438 47 47 48 42 46
3 27,0060 5,7300 47 49 47 47 48
4 26,7387 5,7510 50 51 48 49 49
5 25,9000 5,8169 56 48 51 45 50
6 25,1157 5,8784 50 55 52 51 52
7 23,0020 6,0443 54 54 56 55 55
8 21,6426 6,1510 51 60 57 57 56
Phân tích kết quả nhận được trong bảng 1 ta nhận thấy: độ cứng trung bình
theo Brinen của các mẫu vật liệu thí nghiệm đo được có xu hướng tăng tỷ lệ thuận
với chiều giảm độ xốp. Điều này được giải thích bởi do mật độ các lỗ xốp có trong
mẫu vật liệu càng nhỏ thì trở kháng chống biến dạng nén của nó càng cao, tức diện
tích các vết ấn lõm v
ới cùng một chế độ thử như nhau càng giảm, có nghĩa là độ
cứng vật liệu sau thiêu kết tăng lên. Độ cứng tế vi (Hμ) được đo theo phương pháp
đo Vicker trên thiết bị đo Strues Duramin (Đan Mạch) hoặc máy đo độ cứng tế vi
ПМТ-3 (Liên Bang Nga): tải trọng: HV
0,2
(1.961 N), thời gian giữ áp lực: 10 s. Kết
quả đo độ cứng tế vi trên các mẫu vật liệu VL1 sau thiêu kết cho trong bảng 2.
Bảng 2. Độ cứng tế vi các pha thành phần trong vật liệu bột thép HOGANAS
sau ép – thiêu kết [4÷6]
S
ố
thứ
tự
mẫu

Độ xốp TB
trước khi
cán, γ
O
,%
Mật độ TB
t
rước khi cán
,
ρ
O
, g/cm
3

Pha mầu sáng
(Ferit), HV
Pha mầu thẫm
(Peclít), HV
Pha hạt thô đại,
HV
Vết 1 Vết 2 Vết 1 Vết 2
1 29,7290 5,5162 55 67 160 158 330,362
2 28,1046 5,6438 55 66 158 162 346,358
3 27,0060 5,7300 50 64 157 163 367,410
4 26,7387 5,7510 68 60 160 164 376,410
5 25,9000 5,8169 57 64 162 164 386,344
6 25,1157 5,8784 64 57 162 164 393,392
7 23,0020 6,0443 79 74 172 169 393,392
8 21,6426 6,1510 74 61 167 170 395,391
Phân tích kết quả nhận được trong bảng 2 ta nhận thấy:

+ Độ cứng tế vi trung bình trong các pha thành phần Ferit (HV
F
= 57 ÷
76,5), pha Peclít (HV
P
= 159 ÷ 170,5), cũng như trong pha hạt thô đại (HV
HT
=
330,362 ÷ 395,391) trên các mẫu thí nghiệm được khảo sát ở trạng thái ngay sau
khi thiêu kết có xu hướng tăng tỷ lệ thuận với chiều tăng của mật độ và theo chiều
giảm của độ xốp. Điều này có liên quan tới tổng các lỗ xốp trong vật liệu;
+ Độ cứng tế vi trung bình trong pha Peclít cao hơn độ cứng tế vi trong pha
Ferit đối với tất cả các trường hợp đang xét và tỷ số
tính trung bình giữa chúng vào
khoảng 2,23 ÷ 2,8 lần;
+ Độ cứng tế vi trung bình pha hạt thô đại cao hơn nhiều so với độ cứng
các pha Peclít và Ferit. Tỷ số giữa độ cứng pha hạt thô so với độ cứng pha Ferít
nằm trong khoảng 5,142 ÷ 6,445 lần. Tỷ số giữa độ cứng pha hạt thô so với độ
cứng pha Peclít nằm trong khoảng 2,077 ÷ 2,413 lần.
b) Nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng đến
độ xốp, mật độ vật liệu sau
ép – thiêu kết:
Để nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng đến độ xốp và mật độ trung bình
tương ứng bột thép sau ép thiêu kết đã sử dụng lô mẫu thí nghiệm từ vật liệu VL1,
gồm các mẫu có độ xốp trung bình ban đầu γ
O
= 29,729 ÷ 21,6426 % và mật độ
trung bình tương ứng ρ
O
= 5,5162 ÷ 6,151 g/cm

3
.
Mẫu vật liệu sau khi đã giám định theo các chỉ tiêu độ xốp, mật độ, độ
cứng và cấu trúc tế vi (ở trạng thái sau ép tạo hình và thiêu kết) tiếp tục được nung
nóng trong các hộp có bột phủ chuyên dụng để chống bị ôxy hoá và giảm hiện
tượng thoát các bon đến nhiệt độ 1.000 ÷ 1.050
O
C, sau đó đem cán nóng trên máy
cán hai trục D150 (hoặc ép nóng) cho đến khi mẫu nguội đến nhiệt độ T
C
≥ 800
O
C.
Biến dạng thể tích tương đối của mẫu vật liệu (ε
V
)

có thể được coi như sự giảm thể
tích các lỗ xốp có trong chúng. Trong trường hợp này, có thể giả thiết coi trạng thái
biến dạng thể tích lần thứ i trong mỗi lượt cán (ε
V
i
) về trạng thái biến dạng phẳng
theo chiều vuông góc với hướng cán và coi biến dạng nở rộng theo băng cán bằng
không như một vài nhà nghiên cứu đề xuất trong lý thuyết biến dạng vật liệu kim
loại xốp. Với điều kiện biên đó, ta có:
+ Mức độ biến dạng làm giảm thể tích tuyệt đối (Δε
V
i
) của mẫu vật liệu

xốp sau thiêu kết qua mỗi một lượt cán tính đến lần thứ i trong quá trình cán đang
xét, có thể được xác định theo công thức gần đúng sau:
Δε
V
i
≅ Δγ
i
= γ
O
i
− γ
1
i
(3)
trong đó: Δε
V
i
– Lượng giảm thể tích tuyệt đối qua mỗi lượt biến dạng cán, xác
định bằng thực nghiệm; γ
O
i
− Độ xốp trước mỗi lần biến dạng, %; γ
1
i
- Độ xốp dư
sau mỗi lần biến dạng, %.
+ Mức độ biến dạng thể tích tương đối (ε
V
) vật liệu bột thép sau thiêu kết
qua mỗi lượt biến dạng cán xác định như sau:

ε
V
i

≅ ε
Z
i
= 100%.Δε
V
i
/ γ
O
i
≅ 100%.(γ
O
i
− γ
1
i
) / γ
O
i
(4)
+ Tổng biến dạng làm giảm thể tích tuyệt đối (Δε
ΣV
i
) tính đến lượt cán thứ i
đang xét tính theo công thức gần đúng sau:
Δε
ΣV

i
≅ Δγ
Σ1
i
= γ
O
i − 1
− γ
O
i
(5)
trong đó: Δγ
Σ1
i
– Lượng giảm tổng độ xốp tuyệt đối qua biến dạng tính đến lần thứ i
đang khảo sát, xác định bằng thực nghiệm; γ
O
i − 1
− Độ xốp trước biến dạng lần thứ
i, tức là độ xốp sau biến dạng lần thứ (i − 1), %; γ
O
i
− Độ xốp dư tổng cộng sau lần
biến dạng thứ i, %.
+ Trong trường hợp biến dạng mẫu vật liệu hoặc phôi chi tiết sau khi ép
tạo hình và thiêu kết trong khuôn kín bằng phương pháp ép hoặc dập nóng thid
trạng thái biến dạng lúc đó là biến dạng phẳng hai chiều, trong đó biến dạng theo
chu vi đường bao quanh chi tiết mẫu được hạn chế bởi lòng khuôn ép có tính đến
sự co ngót do yếu tố nhi
ệt của vật ép từ nhiệt độ gia công nóng đến khi làm nguội

hoàn toàn (thường nằm trong khoảng 1,5 ÷ 2 % tổng thể tích vật ép), còn biến
dạng khối (ε
V
i
)

có thể coi gần bằng biến dạng phẳng theo hướng ép trên trục z tại
lần cán hoặc ép thứ i đang xét (ε
Z
i
). Trong quá trình biến dạng các mẫu thí nghiệm
nói trên tuỳ theo độ xốp ban đầu trên từng mẫu và lượng điều chỉnh ke hở giữa 2
trục cán, chọn biến dạng tương đối trong khoảng ε
Z
i
≅ 5 ÷10 % cho mỗi lượt cán.
Kết quả tính toán đối với các mẫu điển hình từ vật liệu VL1 được cho trong bảng 3.
Sau mỗi một lượt biến dạng, phôi cán được cắt ra các đoạn nhỏ để gia công làm
mẫu thử cơ lý tính và mẫu khảo sát chụp ảnh tổ chức tế vi tương ứng với mỗi lượt
biến dạng đó. Mặt cắt mài mẫu ph
ải xác định sao cho thể hiện được mức độ biến
dạng thực của vật liệu mẫu thí nghiệm, tức là phải vuông góc với hướng biến dạng
cán hoặc ép nóng.
Bảng 3. Độ xốp, mật độ mẫu thí nghiệm VL1 sau biến dạng cán nóng theo [6].
Số
TN
Ký
hiệu
mẫu
Độ xốp

trung bình
trước khi
cán, γ
O
,%
Mật độ TB
trước khi
cán, ρ
O
,
g/cm
3
Biến dạng
tương đối
trong lần
cán, ε
i
%
Độ xốp
trung bình
sau khi
cán, γ
i
,%
Mật độTB
sau khi
cán, ρ
i
,
g/cm

3
Tổng biến
dạng thể tích
trong các lượt
cán, ε
Σi
,%
1 1.1 29,7290 5,5162 10,2610 19,4680 6,3218
ε
Σ
1
= 10,2610
1.2 19,4680 6,32176 8,8780 10,5900 7,0187
ε
Σ
2
=19,1390
1.3 10,5900 7,0187 9,0300 1,5600 7,7275
ε
Σ
3
= 28,1690
2 2.1 28,1046 5,6438 8,8706 19,2340 6,3401
ε
Σ
1
= 8,8706
2.2 19,2340 6,3401 8,6440 10,5900 7,0187
ε
Σ

2
= 17,5146
2.3 10,5900 7,0187 9,0300 1,5600 7,7275
ε
Σ
3
= 26,5446
3 3.1 27,006 5,7300 8,0060 19,0000 6,3585
ε
Σ1
= 8,006
3.2 19,0000 6,3585 8,4100 10,5900 7,0187
ε
Σ
2
= 16,4160
3.3 10,5900 7,0187 9,3340 1,2560 7,7514
ε
Σ
3
= 25,7500
4 4.1 26,7387 5,7510 7,2707 19,4680 6,3218
ε
Σ
1
= 7,2707
4.2 19,4680 6,3218 8,880 10,5880 7,0188
ε
Σ
2

= 16,1507
4.3 10,5880 7,0188 9,3320 1,2560 7,7514
ε
Σ
3
= 25,4827
5 5.1 25,9000 5,8169 6,6660 19,2340 6,3401
ε
Σ
1
= 6,6660
5.2 19,2340 6,3400 8,6460 10,5880 7,0188
ε
Σ
2
= 15,3120
5.3 10,5880 7,0188 9,0260 1,5620 7,7274
ε
Σ
3
= 9,0260
6 6.1 25,1157 5,8784 6,1157 19,0000 6,3585
ε
Σ
1
= 6,1157
6.2 19,0000 6,3585 5,4105 13,5895 6,7832
ε
Σ
2

= 11,5262
6.3 13,5895 6,7832 5,9965 7,5930 7,2539
ε
Σ
3
= 17,5227
6.4 7,5930 7,2539 6,0310 1,5620 7,7274
ε
Σ
4
= 23,5537
7 7.1 23,002 6,0443 5,4232 17,5788 6,4701
ε
Σ
1
= 5,4232
7.2 17,5788 6,4701 8,0631 9,5157 7,1030
ε
Σ
1
= 13,4863
7.3 9,5157 7,1030 5,6447 3,8710 7,5461
ε
Σ
2
= 19,1310
7.4 3,8710 7,5461 2,6150 1,2560 7,7514
ε
Σ
3

= 21,7460
8 8.1 21,6426 6,1510 8,0531 13,5895 6,7832
ε
Σ
1
= 8,0531
8.2 13,5895 6,7832 5,9965 7,5930 7,2539
ε
Σ
2
= 14,0496
8.3 7,5930 7,2539 6,3370 1,2560 7,7514
ε
Σ
3
= 20,3866
Nhiệt độ nung phôi trước khi cán T = 1.000
O
C; t = 20 phút; phủ bảo vệ chóng thoát C
Phân tích các kết quả thực nghiệm cho trong bảng 3 ta nhận thấy:
+ Độ xốp dư các mẫu thí nghiệm sau 3 ÷ 4 lượt cán giảm từ giá trị ban đầu
γ
O
= 21,6426 ÷ 29,729 % xuống tới giá trị bằng γ
Σi
= 1,256 ÷ 1,562 %, còn mật độ
tương ứng tăng từ ρ
O
= 6,151 ÷ 5,5162 g/cm
3

xuống tương ứng lên tới tới ρ
Σi
=
6,151 ÷ 5,5162, g/cm
3
. Độ xốp mẫu vật liệu giảm tỷ lệ thuận theo chiều tăng của
biến dạng thể tích, còn mật độ thì ngược lại, tăng tỷ lệ nghịch với chiều tăng biến
dạng thể tích. Về nguyên lý có thể giảm độ xốp dư trong các mẫu thí nghiệm này
xuống thấp hơn nữa, nhưng chúng tôi dừng lại ở mức biến dạng thể
tích tổng cộng
trong các trường hợp cán (bảng 3) là có thể xác định được quy luật thay đổi độ xốp
mẫu vật liệu phụ thuộc vào quá trình biến dạng thể tích của chúng.
c) Nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng đến độ cứng vật liệu sau ép –
thiêu kết:
Kết quả đo độ cứng các mẫu đã qua biến dạng cán nóng cho trong bảng 4.
Bảng 4. Độ cứng Brinen trên các mẫu vật liệu VL1 sau ép thiêu kết và qua cán
nóng theo [6].
Số
thứ
tự
mẫu
Độ xốp
trung
b
ình
trước khi
cán, γ
O
,%
Mật độ TB

trước khi
cán, ρ
O
,
g/cm
3

Tổng biến
dạng th
ể
tích
sau cán,
ε
Σ
i
,%
Độ cứng Brinen theo các lần đo,
HB
Độ cứng
Brinen trung
bình, HB
Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4
1.0 29,7290 5,5162
ε = 0
38 46 42 43 42
1.1 19,4680 6,32176 10,2610 60 51 57 57 56
1.2 10,5900 7,0187 19,1390 70 66 69 67 68
1.3 1,5600 7,7275 28,1690 118 116 112 118 116
3.0 27,006 5,7300
ε = 0

47 49 47 47 48
3.1 19,0000 6,3585 8,006 64 59 50 57 58
3.2 10,5900 7,0187 16,4160 74 71 69 74 72
3.3 1,2560 7,7514 25,7500 116 120 115 121 118
6.0 25,1157 5,8784
ε = 0
50 55 52 51 52
6.1 19,0000 6,3585 6,1157 60 63 54 54 58
6.2 13,5895 6,7832 11,5262 69 71 76 65 70
6.3 7,5930 7,2539 17,5227 96 90 92 94 93
6.4 1,5620 7,7274 23,5537 120 117 111 112 115
7.0 23,0020 6,0443
ε = 0
54 54 56 55 55
7.1 17,5788 6,4701 5,4232 68 70 70 64 68
7.2 9,5157 7,1030 13,4863 90 79 84 87 85
7.3 3,8710 7,5461 19,1310 94 102 100 97 98
7.4 1,2560 7,7514 21,7460 115 115 114 116 115
Phân tích kết quả thực nghiệm cho trong bảng 4 ta nhận thấy: độ cứng
Brinen trung bình vật liệu bột thép (VL1) nhận được sau ép - thiêu kết và qua một
số lượt cán nóng có xu hướng tăng và phụ thuộc vào biến dạng tổng thể tích, cụ thể
như sau:
+ Mẫu số 1.0: độ cứng tăng 74 HB, tương ứng với tổng biến dạng thể tích
ε
Σ3
= 28,169 %;
+ Mẫu số 3.0: độ cứng tăng 70 HB, tương ứng với tổng biến dạng thể tích
ε
Σ3
= 25,75 %;

+ Mẫu số 6.0: độ cứng tăng 63 HB, tương ứng với tổng biến dạng thể tích
ε
Σ3
= 23,5537 %;
+ Mẫu số 7.0: độ cứng tăng 60 HB, tương ứng với tổng biến dạng thể tích
ε
Σ3
= 21,746 %.
Trong các trường hợp khảo sát đo độ cứng trên 4 mẫu điển hình lựa chọn
trên đây, hiện tượng tăng độ cứng Brinen có liên quan tới hàm lượng các lỗ xốp có
trong mẫu vật liệu sau khi kết thúc quá trình cán nóng chúng. Đối với các mẫu thí
nghiệm sau ép và thiêu kết có độ xốp ban đầu trước khi biến dạng cán khác nhau
(γ
O
= 21,6426 ÷ 29,729 %) và có độ xốp dư còn lại sau lượt cán cuối cùng khi kết
thúc quá trình cán gần bằng nhau (γ
Σi
= 1,256 ÷ 1,652 %) thì mức độ biến dạng thể
tích tổng cộng khác nhau, điều đó dẫn tới cường độ tăng độ cứng vật liệu sau khi
kết thúc quá trình cán khác nhau. Nhưng sau lượt cán cuối cùng, độ cứng Brinen
trên tất cả 4 mẫu có giá trị gần bằng nhau (115 ÷ 118 HB). Điều này càng minh
chứng cho sự ảnh hưởng khá rõ nét của các lỗ xốp dư còn lại trong vật liệu qua mỗi
lượ
t biến dạng cán tới cơ lý tính của nó (độ cứng, mật độ tương ứng). Cùng với
chiều tăng của biến dạng thể tích tổng cộng, độ cứng và mật độ vật liệu tăng tỷ lệ
thuận.
d) Nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng đến cấu trúc tế vi vật liệu:
Cần so sánh kết quả xác định cơ lý tính vật liệu b
ột thép VL1 với kết quả
phân tích thành phần pha bằng phần mềm tin học chuyên dụng Pro-Material

Analyzer trên các mẫu khảo sát cấu trúc tế vi trên kính hiển vi quang học với độ
phóng đại x 500. Với mục tiêu đó, đã tiến hành khảo sát tổ chức vật liệu trên các
mẫu thí nghiệm sau cán nóng với mức độ biến dạng thể tích tương đối tổng cộng
khác nhau. Kết quả nghiên cứu và chụp ảnh tổ chức t
ại các vùng cục bộ trên mẫu
khảo sát trong quá trình biến dạng sau mỗi một lượt cán được cho trên hình 4 a ÷ 8
a. Bên cạnh ảnh chụp tổ chức các mẫu vật liệu đó, phần mềm máy tính còn đưa ra
kết quả phân tích độ xốp (pha 1), pha cấu trúc Peclít (pha 2) và pha cấu trúc Ferit
(pha 3) ở dạng biểu đồ 2D, qua đó ta thấy rõ sự thay đổi hình dáng, cũng như phân
bố các lỗ xốp (hình 4 b ÷ 8 b).
Trong bài báo cáo tại Hội thảo khoa họ
c quốc tế Việt – Đức về Khoa học và
Công nghệ vật liệu (Hà Nội 3/2009) [7] chúng tôi đã trình bày một số kết quả thực
nghiệm khảo sát, chụp ảnh tổ chức tế vi mẫu vật liệu nhận được sau ép và thiêu kết
từ bột thép VL1 phụ thuộc vào các thông số như: áp lực ép bột tạo hình (p), nhiệt
độ thiêu kết (T), thời gian thiêu kết (τ). Đã có kết luậ
n rằng: khi so sánh kết quả
phân tích các thành phần pha cấu trúc vật liệu sau ép thiêu kết trên kính hiển vi
quang học với kết quả tính toán độ xốp trung bình trên mẫu thí nghiệm tương ứng
bằng phương pháp cân thuỷ tĩnh cho thấy đa số các kết quả phân tích bằng phần
mềm tin học chuyên dụng Pro – Material Analyzer trên kính hiển vi quang học đều
nằm trong phạm vi các số liệu đo đạc bằng thực nghiệm và kết quả tính toán độ

xốp bằng phương pháp cân thuỷ tĩnh qua mỗi một lượt đo. Do vậy, có thể chấp
nhận được các số liệu phân tích trên ảnh chụp tổ chức tế vi mẫu thí nghiệm sau ép
– thiêu kết nêu trên (đối với cả hai loại vật liệu VL1 và VL2) là trùng khớp với số
liệu thực nghiệm và chúng có độ tin cậy khá cao, tuy nhiên phải kể đến một hệ số
so sánh giữa biến dạng phẳng (2D trên mặt cắt khảo sát) với biến dạng thể tích trên
toàn bộ mẫu tương ứng (3D). Trong nghiên cứu này về quy luật thay đổi tổ chức tế
vi phụ thuộc vào biến dạng t

ổng thể tích tương đối trên các mẫu điển hình được
cho ở các hình 2 ÷ 8 là các ảnh chụp tổ chức tế vi và biểu đồ phân tích thành phần
pha đã được nghiên cứu khảo sát về ảnh hưởng của p đến γ
O
và ρ
O
.
a)
b)
Hình 2. Ảnh chụp cấu trúc tế vi mẫu có độ xốp : γ
O
= 28,1046 % (a); biểu đồ phân tích
thành phần cấu trúc pha (b): 1 - Độ xốp; 2 – Peclit; 3 – Ferit.
a)
b)
Hình 3. Ảnh chụp cấu trúc tế vi mẫu có độ xốp : γ
O
= 25,1157 % (a); biểu đồ phân tích
thành phần cấu trúc pha (b): 1 - Độ xốp; 2 – Peclit; 3 – Ferit.
|
100
μ
m
|


|
100
μ
m

|

a)
b)
Hình 4. Ảnh chụp cấu trúc tế vi mẫu có độ xốp : γ
O
= 21,6426 % (a); biểu đồ phân tích
thành phần cấu trúc pha (b): 1 - Độ xốp; 2 – Peclit; 3 – Ferit.
a)
b)
Hình 5. Ảnh chụp cấu trúc tế vi mẫu có độ xốp : γ
O
= 17,5788 % (a); biểu đồ phân tích
thành phần cấu trúc pha (b): 1 - Độ xốp; 2 – Peclit; 3 – Ferit.

Phân tích kết quả chụp ảnh cấu trúc tế vi các mẫu vật liệu trong lô thí
nghiệm này cho thấy:
- Đa số các mẫu có độ xốp sau ép – thiêu kết nằm trong khoảng γ
O
=
25,1157÷ 28,1046 % đều có thành phần pha xốp (1) nhỏ hơn tổng hai pha Peclít (2)
và Ferit (3) còn lại. Số liệu phân tích trên kính hiển vi quang học bằng phần mềm
chuyên dụng Pro – Material Analyzer cho thấy đều có thành phần pha Peclít (2)
nhỏ hơn thành phần pha Ferit (3). Tổng diện tích thành phần pha Ferit (3) trên các
mẫu khảo sát khác nhau, điều đó có thể được giải thích bởi do tuỳ thuộc vào chế
độ ép và thiêu kết tại các điểm nút quy hoạch thực nghiệm đã chọ
n với tổ hợp 3
thông số p, T và t khác nhau nên thành phần cấu trúc Peclít hình thành ở mức độ
khác nhau trong từng mẫu thí nghiệm, nhưng vẫn ở mức độ nhỏ hơn pha Ferit;

| 100 μm |
|
100
μ
m
|

a)
b)
Hình 6. Ảnh chụp cấu trúc tế vi mẫu có độ xốp : γ
O
= 15,0689 % (a); biểu đồ phân tích
thành phần cấu trúc pha (b): 1 - Độ xốp; 2 – Peclit; 3 – Ferit.
a)
b)
Hình 7. Ảnh chụp cấu trúc tế vi mẫu có độ xốp : γ
O
= 11,7709 % (a); biểu đồ phân tích
thành phần cấu trúc pha (b): 1 - Độ xốp; 2 – Peclit; 3 – Ferit.

- Đa số các lỗ xốp trong vật liệu sau ép - thiêu kết có hình thù khác nhau và
thiên hướng không phải có dạng hình cầu, mà là các hình thù phức tạp phân bố trên
đường biên giới giữa các nhóm hạt pha Peclít và Ferít;
- Đặc tính phân bố các lỗ xốp quan sát thấy ở một số mẫu thí nghiệm là
tương đối đồng đều (hình 5 ÷ 8), những mẫu khác có các lỗ xốp cục bộ khá lớn,
phân bố không đều trên vùng khảo sát (hình 2 ÷ 4). Điều này có thể
được giải thích
bởi ví trí chụp ảnh cấu trúc tế vi trên các mẫu đó bởi nhóm nghiên cứu lựa chọn
chú ý tới những vùng cục bộ có phân bố nhiều lỗ xốp kích thước lớn. Để có kết quả

đầy đủ hơn về tổ chức của chúng, có thể bằng cách soi chụp toàn bộ bề mặt mẫu
khảo sát, tuy nhiên sẽ mất nhiều thời gian và chi phí thí nghiệm;

|
100
μ
m
|


|
100
μ
m
|

a)
b)
Hình 8. Ảnh chụp cấu trúc tế vi mẫu có độ xốp: γ
1
= 3,871% (a); biểu đồ phân tích thành
phần cấu trúc pha (b): 1 - Độ xốp; 2 – Peclit; 3 – Ferit.

- Với phép so sánh kết quả phân tích pha trên kính hiển vi quang học với
kết quả tính toán độ xốp trung bình trên mẫu thí nghiệm tương ứng bằng phương
pháp cân thuỷ tĩnh có thể đưa ra được một hệ số tỷ lệ so sánh nào đó đối với hai
phương pháp nghiên cứu xác định độ xốp nói trên. Theo số liệu trong các bảng 3 ÷
4 cho thấy, đa số các kết quả phân tích bằng phần mềm tin học chuyên d
ụng Pro –
Material Analyzer trên kính hiển vi quang học đều nằm trong phạm vi các số liệu

đo đạc và tính toán độ xốp bằng phương pháp cân thuỷ tĩnh qua mỗi một lượt đo.
Điều đó nói lên rằng, có thể chấp nhận được các số liệu phân tích trên ảnh chụp cấu
trúc tế vi mẫu thí nghiệm sau ép – thiêu kết nêu trên (chủ yếu là đối với vật liệu
VL1) là trùng khớp với số liệu đo được b
ằng thực nghiệm và chúng có độ tin cậy
khá cao.
3. Kết luận:
1) Đối với các mẫu thí nghiệm điển hình nhận được sau ép thiêu kết từ vật
liệu VL1 và VL2 đã thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng thể tích tương
đối tới độ xốp, mật độ, tổ chức tế vi trong quá trình biến dạng ở trạng thái nóng.
Kết quả cho thấy với độ xốp dư ban đầu trong khoảng γ
O
= 25,7709 ÷ 28,1046 %
(hình 2 & 3) nhưng qua 3 ÷ 4 lần biến dạng đã giảm xuống tới mức độ xốp dư còn
lại là γ
1
= 3,871% (hình 8). Tuy nhiên, theo nguyên lý cơ bản của vật liệu xốp thì
tổng các lỗ xốp dư còn lại trong vật cán sẽ không thể tiến tới giá trị bằng không,
tức là vật liệu trở nên đặc xít tuyệt đối, bởi do trở kháng chống biến dạng của áp
suất khí trong các lỗ vi xốp sẽ cân bằng với ngoại lực bên ngoài tác động vào vật
liệu khi cán (hoặc ép). Trong trường hợp này không thể áp dụng định lu
ật thể tích
không đổi như đối với vật liệu đúc cán thông thường, mà phải chấp nhận định luật
về khối lượng không đổi để tính toán biến dạng vật liệu xốp;

|
100
μ
m
|

2) Tính chất của vật liệu đối với các mẫu thí nghiệm nhận được sau ép thiêu
kết và trong quá trình biến dạng nóng tiếp theo được xác định thông qua các chỉ
tiêu cơ bản như: độ xốp, mật độ, độ cứng phụ thuộc vào chế độ biến dạng tạo hình
khác nhau. Các kết quả nghiên cứu chụp ảnh tổ chức tế vi vật liệu trên các mẫu thí
nghiệm đó minh chứng rõ những quy lu
ật thay đổi tính chất vật liệu sau ép thiêu
kết và qua biến dạng nóng, đặc biệt là việc phân tích cấu trúc kim loại trên kính
hiển vi quang học có tích hợp phần mềm xử lý tính toán chuyên dụng Pro –
Material Analyzer khẳng định tính khách quan cao của các kết quả thực nghiệm thu
nhận được của nhóm tác giả;
3) Trên thực tế sử dụng chi tiết máy luyện kim bột người ta đã xác định rằng
nếu tổng thể tích các lỗ vi xốp có giá trị
dưới 0,5% (tính theo thể tích) thì có thể coi
như vật liệu đặc xít. Khi đó vật liệu xốp được coi như tiến tới trạng thái của vật liệu
đặc xít và có thể áp dụng định luật thể tích không đổi trong các tính toán biến dạng
dẻo tiếp theo. Điều này đã được nhóm nghiên cứu chú ý và tính đến khi chế tạo thử
nghiệm một số chi tiết máy làm việc ở chế độ tải trọ
ng khắc nghiệt, ví dụ như tay
biên động cơ mô tô HONDA-C100, và đã được công bố trong một số công trình
nghiên cứu khoa học gần đây ở Việt Nam [1, 3, 4] ;
4) Những kết quả nghiên cứu trình bày trong báo cáo này của nhóm tác giả là
đóng góp mới về mặt khoa học ứng dụng ở Việt Nam của các nghiên cứu sinh tham
gia thực hiện, có giá trị nhất định và đã làm phong phú thêm những quan điểm lý
thuyết và thực nghiệ
m trong lĩnh vực công nghệ luyện kim bột còn non trẻ của
nước ta từ trước tới nay chưa đạt được và chưa được các nhà nghiên cứu trong
nước đề cập đến.
Tài liệu tham khảo:
[1]. Hà Minh Hùng, (2000), “Nghiên cứu áp dụng công nghệ luyện kim bột chế tạo tay biên xe máy

HONDA -C100/110” (Phần 2: HD-GF6), Báo cáo Chuyên đề KHCN05-06-05 thuộc đề tài
NCKH cấp Nhà nước KHCN 05-06, Viện Nghiên cứu Cơ khí, Hà Nội, 246 trang;
[2]. Hà Minh Hùng, Đỗ Đình Lương, Ngô Xuân Cường, (2002), “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế
độ ép – thiêu kết bột thép Hoganas đến độ xốp và cơ tính vật liệu”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số
69, T12/2002, trang 25 – 28;
[3]. Hà Minh Hùng, Lê Kim Sơ
n, Trần Việt Hoài, (2003),“Đánh giá khả năng sử dụng tay biên
luyện kim bột trong động cơ xe máy HONDA-C100 ở điều kiện Việt Nam”, Tạp chí Cơ khí Việt
Nam., số 72, T3/2003, trang 39-41;
[4]. Vũ Trung Tuyến, (2004),“Nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng đến độ xốp bột thép sau thiêu
kết”, Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học vật rắn biến dạ
ng lần thứ 7, Đồ Sơn 8-2004, Hải
Phòng, trang 338-344;
[5]. Vũ Trung Tuyến, (2005), “Nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng dẻo đến cơ tính vật liệu thép
hợp kim thiêu kết”, Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội, 108 trang;
[6]. Vũ Trung Tuyến, (2008),“Thực nghiệm ép tạo hình – thiêu kết bột thép hợp kim hóa và biến
dạng vật liệu sau thiêu kết”, Chuyên đề Tiến sĩ 3, Viện Nghiên cứu Cơ khí, Hà Nội, 12/2008,
132 trang.
[7]. Hà Minh Hùng,Vũ Trung Tuyến, Nguyễn Hà Tuấn, (2009), “Ảnh hưởng của chế độ biến dạng
tạo hình và thiêu kết đến tính chất vật liệu bột thép nghiền trộn W, TiC hạt mịn”, Báo cáo khoa
học tại Hội thảo quốc tế Việt – Đức “Khoa học và Công nghệ vật li
ệu”, Hà Nội, 27/03/2009,
Trường Đại học Thủy lợi, Việt Nam, trang 42-55.