NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG của hợp KIM hóa cr, v và QUÁ TRÌNH xử lý NHIỆT tới tổ CHỨC và TÍNH CHẤT của THÉP 15%mn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN DƯƠNG NAM

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỢP KIM HÓA Cr, V
VÀ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NHIỆT TỚI TỔ CHỨC VÀ TÍNH
CHẤT CỦA THÉP 15%Mn

Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu
Mã số: 62520309

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Hà Nội - 2016


DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
1. Nguyen Duong Nam, Le Thi Chieu, Hoang Thi Ngoc
Quyen, Pham Mai Khanh (2013), Improvement of properties of
High Manganese steel by alloy elements addtion and heat
treatment. AFC12
2. Nguyễn Dương Nam, Phạm Mai Khánh, Lê Thị Chiều,
Hoàng Thị Ngọc Quyên (02/2014), Nghiên cứu ảnh hưởng của
hàm lượng Cr đến tổ chức và tính chất của thép Mn cao,Tạp chí
Khoa học công nghệ kim loại, ISSN 1859-4344, pp44-47.
3. Nguyen Ngoc Huan, Nguyen Duong Nam, Le Thi Chieu,
Hoang Thi Ngoc Quyen, Pham Mai Khanh (10/2014), Influence
Of Rare-Earth (RE) On Microstructure And Properties Of High
Manganese Steel, RCMME, ISBN: 978-604-911-942-2, pp104106.
4. Pham Mai Khanh, Nguyen Duong Nam, Le Thi Chieu,

Hoang Thi Ngoc Quyen (2015), Effects Of Chromium Content
And Impact Load On Microstrucrure And Properties Of High
Manganese Steel, Materials Science Forum. ISSN 0255-5476,
pp297-300.
5. Nguyen Duong Nam, Le Thi Chieu, Pham Mai Khanh,
Pham Huu Kien (02/2015), Effect of heat treatment on the
microstructure and mechanical properties of High Manganese
Steel 15Mn2Cr1V, International Journal of Engineering
Research And Management (IJERM), ISSN: 2349-2058,
Volume-02, Issue-02, pp15-17.
6. Nguyen Duong Nam, Le Thi Chieu, Ta Duc Anh, Doan Minh
Duc, Pham Mai Khanh (10/2015), Influence of Intermediating
Heating Stage of The Heat Treatment Process On
Microstructures and Properties of High Manganese Steel
Mn15Cr2V; AFC13; ISBN: 978-604-938-550-6,pp174-179.
7. Nguyen Duong Nam, Le Thi Chieu, Dao Hong Bach, Chu
Tien Hung, Pham Mai Khanh (10/2015), Influence of Vanadium
Content on the Microstructure and Mechanical Properties of
High-Manganese Steel Mn15Cr2; AFC13; ISBN: 978-604-938550-6, pp126-130.


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Đào Hồng Bách
2. PGS.TS. Lê Thị Chiều
Phản biện 1: GS.TSKH Phạm Văn Khôi
Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Văn Tích
Phản biện 3: TS. Trần Thế Phương

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi 09 giờ, ngày 24 tháng 06 năm 2016

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


1

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của luận án:
Thép austenit magan cao là thép hợp kim với hàm lượng Mn cao
(trên 10%). Sau khi xử lý nhiệt, trước khi chịu tải, thép có tổ chức
austenit với độ dai cao và độ cứng thấp. Trong quá trình làm việc,
dưới tải trọng va đập, lớp bề mặt của thép bị biến cứng làm tăng khả
năng chịu mài mòn cho chi tiết. Đây là đặc điểm rất đặc trưng, riêng
biệt của loại thép này. Trong quá trình làm việc những chi tiết chế
tạo từ thép austenit mangan cao sẽ bị chịu đồng thời hai tác động lớn
theo ứng suất pháp và ứng suất tiếp, ban đầu chi tiết chịu tác động va
đập, sau đó bị mài mòn và dẫn đến chi tiết mòn dần.
Họ thép austenit mangan cao đã và đang đóng vai trò quan trọng
trong công nghiệp. Nhiều ngành công nghiệp ứng dụng thép austenit
mangan với một lượng lớn như ngành sản xuất xi măng, vật liệu xây
dựng, ngành khai khoáng, khai thác đất đá, máy xúc, trong các thiết
bị đập nghiền khoáng vật... và rất nhiều ngành khác nữa. Tuy nhiên,
hiện nay các nhà sản xuất trong nước hiện đang còn nhiều vấn đề
vướng mắc là chất lượng sản phẩm còn thấp, mài mòn nhanh, tuổi

thọ làm việc thấp.
Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu thép mangan cao
và cho đến nay nhiều tác giả vẫn không ngừng nghiên cứu để tìm
hiểu bản chất thực sự của quá trình biến cứng nhằm nâng cao chất
lượng và mở rộng phạm vi ứng dụng của chúng.
Trong một thời gian dài quá trình biến cứng của thép mangan cao
được giả thích là do sự chuyển pha từ austenit sang mactenxit dưới
tải trọng va đập. Khoảng mười năm gần đây nhiều nhà khoa học
nhận thấy rằng với hàm lượng mangan 13% và hàm lượng cacbon
trên 1%, austenit rất ổn định, chuyển biến mactenxit hiếm khi xảy ra
hoặc chỉ xảy ra ở nhiệt độ âm rất sâu. Nhiều nhà khoa học thiên về
quan điểm cho rằng vật liệu được hóa bền do song tinh, cản trượt
được nhiều nhà khoa học quan tâm.
Trên thế giới cũng đã có nhiều thay đổi trong phương pháp tăng
bền cho thép Mn cao như: hợp kim hóa kết hợp với xử lý nhiệt,
phương pháp đúc hai lớp, phương pháp cấy thanh cacbit tăng khả
năng chống mài mòn.
Trong luận án này tác giả nghiên cứu phương pháp tăng bền bằng
cách hợp kim hóa kết hợp với quy trình xử lý nhiệt hợp lý để tạo ra
tổ chức austenit hạt nhỏ với các hạt cacbit nhỏ mịn phân bố bên
trong. Tổ chức như vậy vừa tăng độ dai, vừa tăng khả năng chống


2

mài mòn cho thép, đồng thời cũng là tổ chức có khả năng cản trở
mạnh sự chuyển động của lệch, dẫn đến biến cứng nhanh chóng và
hiệu quả khi chi tiết chịu va đập. Tác giả cũng đã nghiên cứu quá
trình biến cứng vật liệu qua va đập để kiểm nghiệm phương pháp xử
lý tăng bền đã lựa chọn.

Với mong muốn nâng cao chất lượng, tuổi thọ làm việc của thép
austenit mangan cao đề tài của luận án được lựa chọn là: “Nghiên
cứu ảnh hưởng của hợp kim hóa Cr, V và quá trình xử lý nhiệt tới
tổ chức và tính chất của thép 15%Mn”.
Các kết quả nghiên cứu đã được áp dụng tại Công ty Cơ khí Đúc
Thắng Lợi.
Mục đích của đề tài luận án:
Nghiên cứu ảnh hưởng của Cr, V và quá trình xử lý nhiệt đến hình
thái tổ chức của và khả năng hóa bền của thép austenit mangan cao
làm thay đổi tổ chức, sự phân bố cacbit và giảm kích thước hạt pha
nền nhằm mục đích thay đổi cơ tính, tăng tuổi thọ làm việc cho hệ
thép austenit mangan cao với hàm lượng Mn là 15%. Thăm dò
nghiên cứu ảnh hưởng của đất hiếm đến tổ chức và cơ tính của thép
austenit mangan cao.
Ý nghĩa khoa học của đề tài luận án:
* Đã phân tích ảnh hưởng các nguyên tố tạo cacbit Cr, V đối với
tăng cơ tính cho thép austenit mangan cao.
* Trên cơ sở phân tích quá trình hình thành và hòa tan cacbit, quá
trình làm nhỏ hạt austenit, xác định được quy trình nhiệt luyện hợp
lý, tăng khả năng chống mài mòn và tăng độ dai va đập cho thép....
*Trên cơ sở phân tích năng lượng khuyết tật xếp lớp và bằng phương
pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) đã xác định được cơ chế
hóa bền của thép austenit mangan cao Mn15Cr2V dưới tác dụng của
lực va đập, từ đó tìm ra phương pháp tăng khả năng biến cứng cho
thép. Việc làm nhỏ hạt austenit sẽ có tác dụng tăng khả năng hóa bền
của thép khi chịu tải trọng va đập. Cacbit nhỏ mịn hòa tan phân bố
trong nền ngăn cản quá trình chuyển động của lệch; góp phần tăng
tính chống mài mòn cho thép.
Trong quá trình biến cứng khi chịu va đập, thép Mn15Cr2V không
xảy ra chuyển biến mactenxit.

* Đã xác định được các phần tử cacbit, austenit trong thép ở kích
thước nano và phân tích ảnh hưởng của lớp nano bề mặt trong việc
tăng cứng cho thép austenit mangan cao.
Phương pháp nghiên cứu:


3

- Tập hợp tài liệu về thép mangan cao trong và ngoài nước.
- Sử dụng các phương pháp nghiên cứu như phương pháp tổng hợp,
đánh giá phân tích, phương pháp chế tạo mẫu đúc, các phương pháp
xử lý kết quả thực nghiệm…
Những điểm mới của luận án:
1. Xác định ảnh hưởng của Cr, V và đất hiếm đến tổ chức và cơ tính
của thép austenit mangan cao 15%Mn.
2. Đã xác định được hình thái của cacbit Cr7C3 và VC dưới dạng các
hạt nano phân tán trên nền austenit và phân tích ảnh hưởng của các
hạt cacbit phân tán đến khả năng làm nhỏ hạt austenit khi đúc và khi
nhiệt luyện.
3. Đưa ra quy trình xử lý nhiệt hoàn toàn khác với quy trình nhiệt
luyện truyền thống đối với mác thép austenit mangan cao
Mn15Cr2V. Với quy trình đó cơ tính của thép được cải thiện rõ rệt.
4. Trên cơ sở phân tích năng lượng khuyết tật xếp và bằng phương
pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) đã xác định được cơ chế
biến cứng cơ học của thép austenit mangan cao Mn15Cr2V dưới tác
dụng của lực va đập, từ đó tìm ra phương pháp tăng khả năng biến
cứng cho thép. Việc làm nhỏ hạt austenit sẽ có tác dụng tạo nhiều
định hướng song tinh dưới tác dụng của tải trọng dẫn đến tăng khả
năng hóa bền của thép. Cacbit nhỏ mịn hòa tan phân bố trong nền
ngăn cản quá trình chuyển động của lệch; góp phần tăng tính chống

mài mòn cho thép. Trong quá trình biến cứng khi chịu va đập, thép
Mn15Cr2V không xảy ra chuyển biến mactenxit.
5. Phân tích tìm kiếm được các hạt nano austenit trên bề mặt của
thép dưới tác dụng của lực va đập.
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1. 1 Đặc điểm của thép austenit mangan cao
Thép austenit 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.
1.2 Phân tích điều kiện làm việc và phá hủy của chi tiết chế tạo
từ thép austenit mangan cao
1.2.1 Phân tích điều kiện làm việc của chi tiết chế tạo từ thép
austenit mangan cao làm việc trong điều kiện cần độ dai va đập
và chống mài mòn cao
Thép austenit mangan cao được ứng dụng chính trong chế tạo các
chi tiết như búa đập, tấm lót, răng gầu xúc… Các chi tiết này đều
làm việc trong điều kiện va đập, chịu mài mòn. Trong nội dung của


4

luận án, một số vấn đề về điều kiện làm việc có liên quan đến vật
liệu đã được đề cập.
Từ các phân tích trên có thể thấy, vật liệu làm búa đập phải có thể
chịu được tải trọng lớn khi va đập mạnh và có thể chịu được mài
mòn trong quá trình làm việc. Có nghĩa là vật liệu làm búa đập phải
vừa mềm dẻo ở bên trong (để không bị vỡ khi va đập mạnh) lại vừa
cứng vững bên ngoài (để ít bị bào mòn bởi hạt quặng). Trong điều
kiện làm việc của búa, thép austenit mangan cao do có mangan cao
có tổ chức thuần austenit nên rất dẻo và có thể chịu được va đập với

các loại quặng cứng. Khi va đập với lực tác động mạnh, bề mặt thép
bị biến cứng do có austenit chuyển biến thành mactenxit hoặc tạo ra
các song tinh.
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Cơ chế hóa bền thép austenit mangan cao
Thép austenit mangan cao có hàm lượng mangan lớn (trên
10%Mn). Mangan là nguyên tố mở rộng vùng γ nên thép thuộc loại
austenit (có tổ chức austenit ổn định ở nhiệt độ thường). Với tổ chức
austenit, thép có độ dai cao, độ cứng thấp, song khi làm việc dưới áp
lực cao và bị va đập, austenit (có kiểu mạng A1) bị biến dạng dẻo
mạnh và biến cứng mạnh. Kết quả là làm tăng mạnh độ cứng và tính
chống mài mòn của lớp bề mặt, còn lõi vẫn giữ nguyên tổ chức ban
đầu nên duy trì được độ dai. Hiện tượng này của thép austenit
mangan cao được gọi là “hóa bền biến dạng”.
2.1.1. Nguyên lý hóa bền thép austenit mangan cao
Khi thép mangan cao chịu tải trọng va đập, mạng tinh thể của
austenit bị xô lệch, xuất hiện khuyết tật xếp. Khuyết tật xếp mang
một lượng năng lượng gọi là năng lượng khuyết tật xếp (SFE).
Giá trị của năng lượng khuyết tật xếp phụ thuộc vào nhiều yếu tố
nhưng chủ yếu là yếu tố nội tại, tức là thành phần của thép.
Năng lượng khuyết tật xếp được tính theo biểu thức theo Olson và
Cohen trong tài liệu số:
[2.1]
Theo nghiên cứu của nhiều tác giả, năng lượng khuyết tật xếp đóng
vai trò quyết định trong việc chịu lực, biến dạng, tổ chức sẽ là song
tinh hay mactenxit dạng ε.
Tổ chức mactenxit dạng ε chỉ có thể được tạo thành khi năng lượng
khuyết tật xếp lớp nhỏ hơn 18mJ/m2, khi đó việc chuyển mạng từ lập

5

phương tâm mặt sang lục giác xếp chặt thuận lợi, trong khi song tinh
được tạo ra khi năng lượng khuyết tật xếp có giá trị từ 18-35mJ/m2
còn dải trượt được tạo ra khi năng lượng khuyết tật xếp là trên
35mJ/m2.
Các yếu tổ ảnh hưởng đến năng lượng khuyết tật xếp
- Thành phần hóa học
Thành phần của thép quyết định đến giá trị của năng lượng khuyết
tật xếp. Cacbon tăng giá trị của năng lượng khuyết tật xếp ít nhất là
12mJ/m2 ứng với 1%, theo quy luật tuyến tính. Khi cacbon phân bố
tại vùng gần khuyết tật, giá trị đó càng lớn hơn (74mJ/m2). Vì vậy
thường chỉ quan sát thấy chuyển biến mactenxit trong các thép có
hàm lượng cacbon nhỏ hơn 0,6%.
Ảnh hưởng của mangan đến năng lượng khuyết tật xếp rất phức
tạp. Trong khoảng từ 0 đến 12%, magan làm giảm năng lượng
khuyết tật xếp theo mức: cứ 1% giảm 5 mJ/m2. Theo hình 2.3 các
thép có hàm lượng cacbon nhỏ hơn 1% mới có năng lượng khuyết tật
xếp nhỏ hơn 18mJ/m2 và có khả năng chuyển biến thành mactenxit ε

Hình 2.3: Ảnh hưởng của C và Mn đến
năng lượng khuyết tật xếp

Hình 2.4: Ảnh hưởng của C và Mn
đến nhiệt động học chuyển biến

2.1.2 Quá trình hóa bền biến dạng của thép austenit mangan cao
theo cơ chế biến dạng
Từ những năm 2000 trở về đây, dưới sự trợ giúp của thiết bị phân
tích hiện đại, nhiều tài liệu trên thế giới đã phát hiện thấy rằng độ

cứng của thép ausenite mangan cao (với thành phần cacbon và
mangan xác định) tăng lên trong quá trình làm việc không phải do
chuyển biến mactenxit, hay ít ra là trong phần lớn các trường hợp
không phải là chuyển biến mactenxit. Nhiều nghiên cứu khẳng định
sự tăng độ cứng trong quá trình làm việc của thép austenit mangan
cao là do khuyết tật xếp, do song tinh, do khuyết tật và do biên giới
của austenit tạo ra trong quá trình biến dạng. Quan sát ảnh hiển vi


6

điện tử truyền qua (hình 2.14) có thể dễ dàng nhận thấy các giải song
tinh xuất hiện trên bề mặt mẫu, điều này chứng tỏ không có sự
chuyển biến từ austenit 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).

Hình 2.14: Ảnh hiển vi điện tử truyền qua của thép austenit mangan cao a)
song tinh b) Ảnh vi nhiễu xạ nền austenit.

Nghiên cứu của tác giả Yunhua Su và cộng sự tại Học viện kỹ
thuật cơ điện tử thuộc trường Đại học Kiến trúc và Công nghệ Xian
chỉ ra rằng độ chống mài mòn của thép austenit mangan cao tăng lên
đáng kể khi năng lượng tác động lớn, có liên hệ tới sự phát triển của
cấu trúc tế vi trong suốt quá trình tác động. Bề mặt bị biến dạng dẻo
của thép là kết quả của biến dạng song tinh (twin) và khuyết tật xếp
lớp (stack fault). Sự tương tác giữa chúng và xô lệch mạng gây ra
cấu trúc hạt nano austenit bị lồng vào trong cấu trúc vô định hình.
Điều đó có lợi trong việc nâng cao cơ tính cùng khả năng chống mài
mòn của thép austenit mangan cao.

Hình 2.16: Ảnh hiển vi phân giải cao của thép austenit mangan cao sau
biến dạng.

2.1.3 Ảnh hưởng của cacbit
Các quan điểm trước đây cho rằng khi hợp kim hóa bằng các
nguyên tố tạo cacbit thì quá trình biến cứng của austenit sẽ trở nên
khó khăn và cacbit có thể gây giòn cho thép khi chịu va đập. Các tác
giả theo quan điểm mới cho rằng nếu trong tổ chức có cacbit thì, độ
cứng tăng, tính chống mài mòn tăng, tuổi thọ tăng. Cacbit chỉ gây
giòn khi tập trung ở biên giới hạt. Nếu bằng quá trình nhiệt luyện,


7

thay đổi sự phân bố cacbit đều trong hạt thì tính chống mài mòn của
thép tăng lên nhiều và tuổi thọ của chi tiết tăng lên.
2.1.4. Cơ chế hóa bền thép austenit mangan cao bằng chuyển
biến mactenxit
Mặc dù khi tính toán nhiệt động học về chuyển biến mactenxit các
nhà khoa học nhận thấy rằng chuyển biến mactenxit chỉ xảy ra khi
năng lượng khuyết tật nhỏ hơn 18mJ/m2 ứng với hàm lượng cacbon
khá nhỏ (nhỏ hơn 0.6%). Tuy nhiên trong một thời gian dài, chuyển
biến từ austenit sang mactenxit dưới tải trọng va đập đã được sử
dụng để giải thích về sự hóa bền của thép mangan cao. Một số tác
giả cho rằng việc có thể có tổ chức mactenxit là do trong quá trình
nung thép không có khí bảo vệ nên thành phần đã bị thoát cacbon.
Các quan hệ về hướng và mặt phẳng ứng xử
Hai hình thái khác nhau được quan sát thấy trong tổ chức tế vi
mactenxit sắt: mactenxit tấm và mactenxit thanh mỏng. Một đặc

điểm quan trọng của mactenxit tấm là sự hiện diện của vết nứt tế vi.
Những vết nứt này xảy ra khi các tinh thể mactenxit liền kề chạm
vào nhau. Do cơ chế trượt, vận tốc biến đổi của mactenxit có thể tới
106 mm/s, và do đó tấm mactenxit phát triển có thể đạt được một
xung lượng đáng kể. Tác động giữa các tấm di chuyển tạo ra những
nứt tế vi.
2.2. Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến thép austenit
mangan cao
2.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon và mangan
Cacbon là nguyên tố cùng với sắt tạo thành dung dịch rắn hoà tan
có hạn, khi hòa tan trong thép cacbon làm mở rộng vùng austenit.
Cacbon làm tăng lượng xementit. Ngoài ra, cacbon có thể kết hợp
với một số nguyên tố hợp kim như Cr, W, Mn, Mo, Ti, V, Nb… tạo
thành cacbit hợp kim trong thép.
Mangan nguyên tố hòa tan lượng lớn vào Feγ dưới dạng nguyên tử
thay thế, gây nên xô lệch mạng, làm tăng bền cho thép. Ngoài ra
đóng góp một phần không nhỏ vào việc ổn định austenit bằng cách
làm chậm quá trình chuyển biến thành mactenxit (nhưng không loại
bỏ nó).
2.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng Cr
Với hàm lượng cacbon thông thường khoảng 1.15%C, Crom làm
tăng ứng suất chảy dẻo. Cr bổ sung vào thép cải thiện cơ tính đáng


8

kể; với thép austenit mangan cao, Crom phổ biến nhất là trong mác
thép ASTM A128 loại C còn loại B cũng thường có một ít Cr. Việc
bổ sung thêm 2% crom ở mác C không làm giảm bớt độ dẻo dai của
thép. Tuy nhiên nếu lớn hơn ảnh hưởng của nó tương tự như việc

tăng hàm lượng cacbon, là làm giảm tính dẻo do sự gia tăng lượng
cacbit trong tổ chức tế vi.
2.2.3. Ảnh hưởng của hàm lượng V
V là nguyên tố tạo cacbit mạnh và nó làm cho thép mangan tăng
ứng suất chảy bao nhiêu thì làm giảm độ dẻo bấy nhiêu. V được sử
dụng trong thép mangan biến cứng phân tán trong phạm vi hàm
lượng từ 0.5 đến 2%. Cacbit V rất ổn định do vậy khi tôi cần thực
hiện ở nhiệt độ cao hơn khoảng 1120 đến 1175oC và trước đó cần
phải hóa già ở nhiệt độ từ 500 đến 650oC. V có tác dụng làm nhỏ hạt
cho thép
2.2.6. Ảnh hưởng của đất hiếm
Đất hiếm là những nguyên tố, hiếm có trong lòng đất, bao gồm 17
nguyên tố: scanđi, ytri, lanthan… Các nguyên tố này rất khó tách ra
riêng biệt. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng đưa đất hiếm vào thép
sẽ có tác dụng làm nhỏ mịn cấu trúc và tăng độ dai va đập cho vật
liệu này.
2.3. Đặc điểm, điều kiện đúc thép austenit mangan cao
Thép austenit mangan cao có tính chảy loãng tốt, thông thường rót
thép ở nhiệt độ < 14700C, nếu cao hơn nhiệt độ này sẽ hình thành
oxit mangan. Do vậy, sẽ làm giảm bớt độ chảy loãng của thép và làm
thô, to hạt tinh thể, tăng thiên tích cacbit. Độ co ngót tự do của thép
austenit mangan cao từ 2.4 đến 3%, độ dẫn nhiệt kém, xu hướng bị
nứt nóng lớn, dễ cháy dính cát thành khuôn.
2.4. Nhiệt luyện thép austenit mangan cao
2.4.1. Mục đích nhiệt luyện
Yêu cầu làm việc của thép mangan cao là phải có độ dai va đập cao
để không bị vỡ dưới tải trọng nặng vừa có độ cứng cần thiết. Để đáp
ứng yêu cầu về khả năng chống va đập cao, tổ chức yêu cầu sau
nhiệt luyện đối với thép mangan cao là austenit đồng nhất, không có
cacbit thô, nhất là cần phải tránh cacbit phân bố trên biên giới, nhưng

phải tạo được sự phân bố cacbit trong nền austenit.
2.4.3. Sự hòa tan cacbit và đồng đều hóa austenit trong thép
austenit mangan cao


9

Sau khi tạo thành, hạt austenit sẽ phát triển bằng cách mở rộng biên
giới hạt. Trong quá trình nung giữ nhiệt để austenit hóa, vẫn còn một
số cacbit chưa hòa tan do tốc độ phát triển của austenit là nhanh hơn.
Để những cacbit này hòa tan hết vào austenit thì cần phải tăng nhiệt
độ hoặc kéo dài thời gian giữ nhiệt đã cho. Việc hòa tan cacbit vào
austenit là rất quan trọng trong các loại thép austenit mangan cao.
Như vậy, đối với các mác thép austenit mangan cao với các thành
phần khác nhau, việc phân bố lại các hạt cacbit trong nền austenit là
rất quan trọng. Điều này hoàn toàn có thể thực hiện được thông qua
việc nghiên cứu xây dựng các quy trình nhiệt luyện hợp lý đối với
từng mác thép austenit mangan cao khác nhau.
2.4.4. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến cơ tính thép austenit
mangan cao
Quy trình nhiệt luyện truyền thống được xây dựng dựa trên
yêu cầu cơ tính của các chi tiết và chủ yếu cho thép mangan chỉ
có, mangan và cacbon, không có hoặc ít các nguyên tố hợp kim
đặc biệt là nguyên tố tạo cacbit mạnh.
Thép có tổ chức austenit sau khi tôi sẽ được tăng bền trong quá
trình làm việc. Như phần đầu đã phân tích khi cacbit được tạo ra nếu
phân bố dọc theo biên giới hạt sẽ gây giòn, giảm cơ tính của thép.
Nhưng nếu cacbit tồn tại dưới dạng hạt nhỏ mịn và phân bố đều
trong hạt austenit thì sẽ làm tăng mạnh tính chống mài mòn.
CHƯƠNG 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1. Nội dung nghiên cứu
1. Nghiên cứu cơ chế tăng bền cho thép austenit mangan cao khi làm
việc dưới tác dụng của tải trọng va đập để từ đó đưa ra được phương
pháp tăng bền cho thép này là hợp kim hóa và xử lý nhiệt.
2. Về hợp kim hóa, luận án tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của Cr,
V (một số mẫu có thực hiện biến tính bằng đất hiếm) đến tổ chức và
cơ tính của thép austenit mangan cao. Như đã phân tích trong
chương 3, phần hợp kim hóa các mẫu có hàm lượng Cr là 0%; 2%;
2.5% và V là 0%; 1% và 2%.
3. Về xử lý nhiệt, luận án tập trung nghiên cứu và đưa ra quy trình
xử lý nhiệt phù hợp cho mác thép 15%Mn + 2%Cr + 1%V nghiên
cứu các quy trình nhiệt luyện khác nhau, nghiên cứu sự thay đổi tổ
chức, sự phân bố và giảm kích thước hạt pha nền, sự thay đổi cơ tính
thép austenit mangan cao với hàm lượng Mn là 15% nhằm lựa chọn
quy trình hợp lý nhất.


10

4. Nghiên cứu cơ chế hóa bền của thép austenit mangan cao dưới tác
dụng của tải trọng va đập: luận án tiến hành va đập mẫu (được mô tả
ở phần 3.4.3) và xử lý ở nhiệt độ -800C để tìm hiểu bản chất quá
trình tăng bền đối với thép austenit mangan cao.
3.2. Chế tạo mẫu nghiên cứu
Các mẫu được chia thành 3 nhóm hợp kim theo mục đích nghiên
cứu như sau:
Các hợp kim nhóm 1: Gồm các mẫu ký hiệu từ 1 đến 3 là các mẫu
thép mangan cao với hàm lượng mangan là khoảng 15% hàm lượng
crôm được thay đổi là 0%; 2% và 2.5%.
Các hợp kim nhóm 2: Gồm các mẫu ký hiệu từ 4 đến 6 là các mẫu

thép mangan cao với hàm lượng mangan là khoảng 15%, hàm lượng
crôm là khoảng 2%, hàm lượng V được thay đổi là 0%; 1% và 2%.
Các hợp kim nhóm 3: Là mẫu thép mangan cao với hàm lượng
mangan là 15%; hàm lượng Cr là 2%; hàm lượng V là 1%; mẫu được
hợp kim hóa thêm 1% fero đất hiếm.
3.3. Nhiệt luyện các mẫu nghiên cứu
Mẫu sau đúc được thực hiện xử lý nhiệt ở các quy trình sau :

3.4. Phương pháp nghiên cứu
3.4.1. Xác định thành phần hóa học
Thành phần hóa học của các mẫu nghiên cứu được phân tích bằng
phương pháp quang phổ phát xạ trên máy ARL-3460
3.4.2. Quan sát tổ chức
Cấu trúc tế vi được quan sát và chụp trên kính hiển vi quang học
(HVQH) Leica 4000 và kính hiển vi quang học Axiovert 25A có độ
phóng đại tối đa là 1000 lần với phần mềm phân tích IPwin32.


11

3.4.3. Thử va đập mẫu
Sau khi nhiệt luyện để đồng đều tổ chức austenit, tiến hành va đập
dưới tải trọng xác định để nghiên cứu cơ chế hóa bền. Quá trình va
đập dùng quả tải có trọng lượng 100N thả từ độ cao 60cm đối với
mẫu không biến tính và 65cm đối với mẫu biến tính. Số lần đập mẫu
là: 1000 và 3000 lần.
3.4.4. Đánh giá quá trình mài mòn
Độ mài mòn của mẫu được kiểm tra trên máy Tribotech
3.4.5. Quá trình phá hủy mẫu do va đập
Mẫu đo độ dai va đập được chế tạo theo tiêu chuẩn ASTM với

khía chữ V trên máy Chappy.
3.4.6. Độ cứng
Độ cứng của mẫu được xác định theo phương pháp HB trên máy
ATKF 1000 của hãng Mitutoyo
3.4.7. Xác định tổng hàm lượng cacbit
Tổng hàm lượng cácbit được phân tích trên phần mềm image ProPlus, là phần mềm cài trên thiết bị hiển vi quang học Axiovert 25.
3.4.8. Phân tích cấu trúc rơnghen
Xác định thông số mạng hợp kim.
Xác định các thông số mạng của các pha tạo ra.
3.4.9 Phương pháp hiển vi điện tử quét
Xác định tổ chức hợp kim ở mức độ phóng đại cao.
Quan sát được các tổ chức và các pha tạo thành không quan sát
được dưới hiển vi quang học thông thường.
3.4.10 Phương pháp EDS và mapping
Phương pháp EDS.
Xác định phân bố nguyên tố hợp kim trong hạt và tại biên hạt theo
điểm. Mức độ tạp chất trong hạt và biên hạt theo điểm
Phương pháp mapping:
Xác định phân bố nguyên tố hợp kim trong hạt và tại biên hạt bằng
quét phân bố bề mặt.
3.4.11 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua
Phân tích cấu trúc tế vi của thép: tổ chức sau va đập và xử lý ở
nhiệt độ âm, phân tích hạt cacbit.
CHƯƠNG 4 ẢNH HƯỞNG CỦA NGUYÊN TỐ Cr VÀ V
4.1 Ảnh hưởng của hàm lượng Cr (0%; 2% và 2.5%) đến tổ
chức và cơ tính của thép austenit Mn cao với hàm lượng Mn là
khoảng 15%.


12

Các mẫu nghiên cứu thay đổi hàm lượng Cr có các giá trị 0%; 2%
và 2.5%. Sau khi đúc tất cả các mẫu đều được tôi theo quy trình
nung đến 6500C giữ nhiệt trong 02h nguội ngoài không khí rồi nung
tiếp đến 10500C giữ nhiệt trong 02h và làm nguội nhanh trong nước.
4.1.1 Ảnh hưởng đến tổ chức tế vi sau nhiệt luyện
Tổ chức tế vi của thép austenit sau tôi cho thấy: thép không được
hợp kim hóa Cr có kích thước hạt austenit thô, khoảng từ 100 đến
120µm.
Khi có mặt Cr (với hàm lượng 2% và 2.5%), kích thước hạt trong
thép nhỏ mịn hơn. Kích thước hạt lúc này giảm còn khoảng 40 50µm.
Việc tạo ra ra austenit hạt nhỏ khi có mặt Cr là kết quả của khâu
nung trung gian ở 650oC. Các hạt cacbit nhỏ mịn được tiết ra phân
tán trong tổ chức có vai trò như những cái chốt, ngăn cản sự lớn lên
và sát nhập của austenit trong quá trình nung tôi.

Hình 4.6: Ảnh TEM mẫu 2%Cr
Hình 4.4: Ảnh SEM và phân tích EDS mẫu
2%Cr (sau khi xử lý nhiệt)

Kết quả phân tích EDS đã chỉ ra rằng trong thành phần của hạt màu
đen phân bố trong hạt austenit có đủ các nguyên tố hợp kim: Mn, Cr
và C, với thành phần Mn (15,7%); Cr (3,3%) và C(6,3%), Khi phân
tích nhiễu xạ Rơnghen tổ chức thép sau khi tôi ở 1050oC nhận thấy
bên cạnh nền austenit còn có mặt các hạt cacbit Cr như Cr7C3.
Tiếp tục phân tích sâu hơn bằng kính hiển vi điện tử truyền qua
(TEM). Trên ảnh TEM ở hình 4.6 cacbit Cr có hình tròn, vô cùng
nhỏ mịn, có kích thước khoảng 50nm có thể được nhận diện.
4.1.2 Ảnh hưởng đến độ cứng và tính chống mài mòn

13

Hình 4.7: Đồ thị giá trị độ cứng trung bình (sau xử lý nhiệt) khi thay đổi hàm lượng
Cr

Từ kết quả độ cứng thấy rõ: khi lượng Cr tăng độ cứng của mẫu
tăng lên: Mẫu 0% Cr có độ cứng 160HB, mẫu 2% Cr có độ cứng
182HB và mẫu 2,5% Cr độ ứng là 185HB.
Kết quả khi cùng một chế độ thử mài mòn như đã trình bày trong
phần thực nghiệm: mẫu khi được hợp kim hóa thêm Cr, khối lượng
hao mòn có giảm đi so với mẫu không được hợp kim hóa. Mẫu
không hợp kim hóa hao mòn 0.597g còn mẫu hợp kim hóa lượng hao
mòn là 0.4697g.
4.1.3 Ảnh hưởng đến độ dai va đập
Kết quả thử nghiệm độ dai va đập cho thấy: Khi được hợp kim hóa
Cr và với quy trình xử lý nhiệt như đã trình bày ở trên giá trị độ dai
va đập thu được là 84J/cm2 cao hơn hẳn so với giá trị độ dai va đập
của mẫu không được hợp kim hóa Cr là 50J/cm2.
4.2 Ảnh hưởng của hàm lượng V đến tổ chức và cơ tính của thép
Trong luận án này, tác giả tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của V
với các thành phần V được thay đổi với các giá trị 0%V; 1%V và
2%V trên nền thép có 15%Mn và 2%Cr. Mẫu sau đúc được xử lý
theo quy trình nung đến 6500C giữ nhiệt trong 02h làm nguội ngoài
không khí rồi nung tiếp đến 11000C giữ nhiệt trong 02h làm nguội
nhanh trong nước (chế độ 3b).
4.2.1 Ảnh hưởng đến tổ chức tế vi
4.2.1.1 Tổ chức sau đúc
Tổ chức các mẫu đều bao gồm nền austenit với cacbit phân bố ở
biên giới.

Với mẫu không được hợp kim hóa thêm V, kích thước hạt trung
bình theo bảng chuẩn ASTM là cấp hạt số 4.
Với mẫu hợp kim hóa V thêm 1%V sau đúc kích thước hạt trung
bình theo bảng tiêu chuẩn ASTM ở cấp hạt số 5.


14

Tuy nhiên, khi tăng hàm lượng V lên 2%, kích thước hạt của mẫu
2%V sau đúc được xác định cấp hạt theo bảng ASTM ở cấp hạt 4,
cacbit nhiều và phân bố trên các đường biên giới hạt.
4.2.1.2 Tổ chức tế vi sau nhiệt luyện
Kích thước hạt của austenit mẫu 0%V kích thước trung bình của
hạt là cấp 5 (theo ASTM). Với độ phóng đại của kính hiển vi quang
học, mẫu 1%V sau nhiệt luyện theo chế độ 3b chỉ nhìn thấy austenit
đồng nhất, không nhìn thấy cacbit dư chưa tan hết. Kích thước hạt
austenit là cấp 6 (theo ASTM). Kích thước trung bình của hạt
austenit strong mẫu 2% vanadi là cấp 5 (theo ASTM).
4.2.1.3 Phân tích SEM, EDS, mapping và TEM

Hình 4.18: Ảnh TEM các hạt phân tán của mẫu 1%V

Trong thép mangan được hợp kim hóa 2%Cr + 1%V pha giàu V
chỉ có thể là pha cacbit (hình 4.18). Các pha cacbit có kích thước rất
nhỏ nằm trên biên giới hạt austenit cũng rất nhỏ, đó chính là các hạt
cacbit “chốt” kìm hãm sự phát triển của austenit trong suốt quá trình
nung và giữ nhiệt .
4.2.2 Ảnh hưởng đến độ cứng và khả năng chịu mài mòn

Hình 4.19: Giá trị độ cứng của mẫu sau đúc và sau nhiệt luyện khi thay đổi hàm

lượng V

Khi thép không được hợp kim hóa bằng V (0%V), giá trị độ cứng
của mẫu sau nhiệt luyện là 180HB; sau đúc là 143HB.
Được hợp kim hóa bằng vanadi 1%V, kết quả thu được thay đổi
theo trạng thái xử lý như sau: Giá trị độ cứng của mẫu sau đúc là
175HB, độ cứng của mẫu sau khi nhiệt luyện là 223HB.


15

Khi hợp kim hóa với hàm lượng 2%V, giá trị độ cứng của mẫu sau
đúc lớn hơn giá trị độ cứng của mẫu sau nhiệt luyện. Mẫu 6 không
biến tính sau đúc có độ cứng là 216HB giá trị độ cứng của mẫu sau
nhiệt luyện là 186HB.
Kết quả thử mài mòn cho thấy: Mẫu chỉ được hợp kim hóa bằng Cr
hao mòn 0.9g còn mẫu được hợp kim hóa thêm V lượng hao mòn là
0,35g.
4.2.3 Ảnh hưởng đến độ dai va đập
Mẫu không có V (mẫu số 4) độ dai va đập chỉ đạt được 75 J/cm2.
Mẫu 1%V (mẫu số 5) có kết quả độ dai va đập cao nhất (115 J/cm2).
Mẫu được hợp kim hóa 2%V (mẫu số 6) có giá trị độ dai va đập thấp
nhất (26 J/cm2).
4.3 Ảnh hưởng của đất hiếm đến tổ chức và cơ tính của thép
austenit mangan cao
4.3.1 Tổ chức tế vi
Tổ chức tế vi của mẫu thép sau đúc khi không biến tính và có biến
tính bằng đất hiếm. Mẫu có hàm lượng V là 1%, không biến tính có
kích thước hạt sau đúc tương đương cấp 5 theo ASTM.
Hình 4.21 là ảnh tổ chức các mẫu sau khi nhiệt luyện. Có thể thấy

rằng cả các mẫu biến tính và không biến tính, các hạt cacbit đều đã
hòa tan hoàn toàn vào trong nền austenit và kích thước hạt austenit
đều đạt cấp 6 theo ASTM. Tuy nhiên mẫu biến tính có tổ chức đồng
đều hơn so với mẫu không biến tính.
Khi sử dụng TEM mới phát hiện ra rằng trong hạt austenit có tồn
tại các hạt cacbit.
4.3.2 Độ cứng, độ dai va đập và mài mòn
Phân tích giá trị độ cứng cho thấy mẫu có biến tính cho giá trị độ
cứng cao hơn so với mẫu không thực hiện biến tính (240HB so với
223HB).
Kết quả độ dai va đập cho thấy khi thực hiện biến tính bằng đất
hiếm với quy trình xử lý nhiệt như ở trên giá trị độ dai va đập thu
được là 132 J/cm2 cao hơn so với 115 J/cm2 của mẫu không được
biến tính. Điều này cho thấy, vai trò của chất biến tính trong việc làm
nhỏ hạt và nâng cao cơ tính của thép.
Mẫu khi được biến tính bằng đất hiếm khối lượng hao mòn có giảm
đi so với mẫu không được biến tính. Mẫu không được biến tính hao
mòn 7.5% còn mẫu hợp kim hóa lượng hao mòn là 3%.


16

CHƯƠNG 5 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT LUYỆN ĐỐI VỚI
THÉP Mn15Cr2V
5.1 Trạng thái đúc của thép
5.1.2 Tổ chức tế vi

Hình 5.1: Tổ chức tế vi của mẫu sau đúc

Tổ chức của thép gồm hai thành phần chính: nền austenit và cacbit.

Theo bảng tiêu chuẩn ASTM, kích thước hạt của austenit sau đúc
trên hình 5.1 được xác định cấp hạt ở cấp hạt 5.
Trong tổ chức sau đúc của có mặt rất nhiều hạt cacbit, phân bố
xung quanh biên giới hạt.
5.1.3 Phân bố và tỷ phần cacbit

Hình 5.3a chỉ sự phân bố cacbit của mẫu sau đúc và hình 5.3b là
đánh giá tỷ phần cacbit. Trong mẫu đúc, tỷ phần cacbit là 6.12%.
5.2 Sự tiết cacbit khi nung mẫu đúc dưới nhiệt độ austenit hóa

Hình 5.7: Phân tích nguyên tố theo điểm (EDS điểm)

Theo các kết quả phân tích và Phân tích nguyên tố theo điểm (EDS
điểm) (hình 5.7) có thể đi đến kết luận rằng tại nhiệt độ xử lý ở
650oC từ austenit sau đúc, các hạt cacbit của Cr, V hoặc dạng cacbit


17

phức được tiết ra. Kích thước các hạt này rất nhỏ, khoảng cách giữa
chúng cũng rất nhỏ.
Trong quá trình nung tôi tiếp theo, các hạt cacbit có vai trò như
những chốt ngăn chặn quá trình lớn hạt khi nung lên đến nhiệt độ
austenit hóa là trên 1000oC.
5.3 Các quy trình nhiệt luyện
5.3.2 Quy trình 1 (nung đến 10500C giữ nhiệt 02h làm nguội
trong nước)
Ảnh tổ chức tế vi cho thấy là với thép Mn15Cr2V, do trong thành
phần có chứa các nguyên tố tạo cacbit như Cr, V nên khi nhiệt luyện
theo quy trình 1 các nguyên tố tạo cacbit mạnh như Cr, Ti,

Mo,…làm chậm quá trình chuyển biến austenit và tạo cacbit.
Vì vậy mặc dù sau khi tôi, lượng cacbit trong mẫu đã giảm nhưng
tổ chức không khác nhiều so với sau khi đúc, vẫn còn một số carbit
chưa hòa tan và đặc biệt có một số phân bố dọc theo biên giới hạt
austenit.
5.3.3 Quy trình 2 (nung đến 11000C giữ nhiệt 02h làm nguội
trong nước; nung tiếp đến 6500C giữ nhiệt 02h làm nguội ngoài
không khí)
Ảnh tổ chức tế vi cho thấy: Ở biên giới hạt, cacbit không còn thô
và tập trung liên tục nhưng vẫn còn một số hạt phân tán nằm trên
biên giới.

Ở biên giới hạt các hạt nghi ngờ là cacbit ở trên ảnh quang học khi
phân tích EDS thấy xuất hiện các nguyên tố V, Cr. Đây là những
nguyên tố tạo cacbit mạnh.
5.3.4 Quy trình 3 (nung đến 600-7000C giữ nhiệt 02h làm nguội
ngoài không khí; nung tiếp đến 1050-11000C làm nguội nhanh
trong nước)
Khác hẳn với quy trình 1 và 2 quy trình 3 được thực hiện theo các
bước: mẫu sau đúc, được nung ở nhiệt độ thấp hơn austenit hóa gọi
là nung trung gian, sau đó mới nung đến nhiệt độ austenit hóa.
5.3.4.1 Lựa chọn nhiệt độ xử lý nhiệt trung gian


18

Để chọn chế độ nung trung gian trước khi thực hiện khâu nung tôi
ở 1100oC luận án đã tiến hành nung trung gian ở các nhiệt độ khác
nhau. Các nhiệt độ thử nghiệm để lựa chọn là: mẫu 5a được nung ở
600oC, mẫu 5b nung 650oC, mẫu 5c nung 700oC, tiếp theo các mẫu

được tiến hành nung ở nhiệt độ austenit hóa là 1100oC.
Các kết quả về tổ chức tế vi và cơ tính cho thấy ở chế độ nung
trung gian 650oC sau đó nung tiếp đến 1100oC cho kết quả là tốt
nhất. Như vậy, có thể thấy rằng nhiệt độ nung trung gian thích hợp
đối với mác thép này là ở 650oC rồi sau đó xử lý ở nhiệt độ austenit
hóa tiếp theo.
5.3.4.2 Lựa chọn nhiệt độ austenit hóa
Để lựa chọn chế dộ austenite hóa hợp
lý, luận án tiến hành nung ở austenit hóa
ở hai nhiệt độ nung: 1050oC và 1100oC,
cùng một nhiệt độ nung trung gian là
650oC.
Quy trình 3a: Nung trung gian 650oC,
giữ nhiệt trong 2 giờ, nung tôi ở
Hình 5.20 : Ảnh phân bố các
1050oC, giữ nhiệt trong 2 giờ.
nguyên tố Cr, Fe, Mn và V
Tổ chức mẫu sau khi nhiệt luyện ở
quy trình 3a nhận thấy cacbit vẫn còn trong mẫu
trong tổ chức nhưng ít hơn rất nhiều
so với quy trình 1. Kích thước hạt austenit sau nhiệt luyện theo quy
trình 3a đạt trung bình là cấp hạt 6 theo ASTM.
So với trạng thái đúc (lượng cacbit là 6,12%), sau nhiệt luyện theo
quy trình 3a, lượng cacbit giảm xuống còn khoảng 4%.
Với các kết quả thu được ở quy trình 3a có thể kết luận rằng ở nhiệt
độ austenit hóa là 1050oC là không phù hợp cho mẫu có thành phần:
15%Mn+2%Cr+1%V.
Quy trình nhiệt luyện 3b: (nung trung gian 650oC, nung tôi ở
1100oC)
Do đã xác định nhiệt độ nung trung gian là 650oC, các thí nghiệm

được tiến hành với thời gian nung trung gian 01h, 02h và 03h.
Các kết quả phân tích về mặt tổ chức cho thấy quy trình xử lý nhiệt
nung ở 650oC trong 02h và nung tiếp đến 1100oC trong 02h sẽ có
được kết quả tốt hơn cả.
Kết quả phân tích sự phân bố và tỷ lệ cacbit:


19

Hình 5.24: Tẩm thực cacbit với mẫu sau nhiệt luyện quy trình 3b

Phân tích ảnh tổ chức tế vi nhận thấy: Khi thực hiện nhiệt luyện
theo quy trình 3b không còn cacbit tập trung ở biên giới hạt mà chỉ
thấy những cacbit phân tán trên nền austenit, chứng tỏ rằng với quy
trình nhiệt luyện 3b các cacbit V đã tan hầu hết vào trong nền và chỉ
còn một số ít phân tán. Phân tích phần trăm cacbit đối với mẫu số 2
sau khi xử lý theo quy trình 3b nhận thấy: Tỷ lệ cacbit còn lại sau khi
xử lý ở 650oC trong 02h và nung tiếp đến nhiệt độ austenit hóa là
1100oC trong 02h tỷ lệ cacbit thu được còn 0.35% so với 4% của quy
trình 3a.

Hình 5.30: Phân tích nguyên tố theo điểm (EDS điểm)

Với phóng đại khoảng 150.000 lần, kết quả EDS phát hiện trong tổ
chức có mặt các hạt có kích thước rất nhỏ mịn màu đen. Phân tích
thành phần các điểm đó thấy hàm lượng V và Cr cao hơn hẳn so với
nền. Xét sự tương quan giữa tổng các nguyên tố hợp kim và cacbon
có thể xác định những điểm màu đen đó chính là cacbit.

Hình 5.31: Ảnh TEM mẫu sau nhiệt luyện theo quy trình 3b

20

Kết quả phân tích ảnh TEM cho thấy có các hạt cacbit hình vuông
rất rõ, gần với cabit VC, kích thước khoảng 40nm phân tán trên nền
austenit.
5.4. Cơ tính hợp kim sau nhiệt luyện
5.4.1. Độ dai cứng

Hình 5.32 : Độ cứng của mẫu sau các quy trình xử lý khác nhau

Giá trị độ dai va đập của mẫu nhiệt luyện theo quy trình 3b cao hơn
hẳn so với quy trình 1 và quy trình 2 và quy trình 3a. Điều này có thể
giải thích là với quy trình nhiệt luyện 3b cacbit đã được hòa tan hầu
hết vào trong hạt austenit, lượng còn lại là cacbit vanadi có độ cứng
cao, kích thước khoảng 40nm (hình 5.32) dẫn đến độ dai va đập tăng
lên một cách rõ rệt. Ngoài ra độ hạt austenit khi nhiệt luyện theo quy
trình này nhỏ hơn so với các quy trình khác, là nguyên nhân khiến
cho giá trị độ dai va đập đạt được giá trị cao vượt trội.
CHƯƠNG 6 ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH VA ĐẬP VÀ XỬ
LÝ Ở NHIỆT ĐỘ THẤP
6.1 Thép hợp kim hóa bằng Cr

Hình 6.1: Độ cứng của mẫu sau nhiệt luyện và va đập

Từ kết quả độ cứng thấy rõ: sau một 1000 lần va đập với tải trọng
như đã trình bày ở mục 3.4.3 tất cả các mẫu đều tăng độ cứng khi
lượng Cr tăng.

21

Hình 6.5: Ảnh TEM mẫu 2 sau khi va đập a) Ảnh trường sáng; (b) Ảnh
trường tối; (c)Ảnh vi nhiễu xạ của nền

Từ ảnh trường sáng và ảnh trường tối (TEM) trên hình 6.5 có thể
nhận thấy các dải song tinh trong mẫu sau khi bị va đập trong tinh
thể của mẫu 2. Độ rộng của các giải song tinh có kích cỡ nano. Ảnh
vi nhiễu xạ (hình 6.5c) cho thấy cấu trúc tinh thể của thép austenit
mangan cao sau va đập là các hệ mạng lập phương tâm mặt, khẳng
định sự xuất hiện của tổ chức song tinh từ pha austenit trong thép
austenit mangan.
6.2 Thép hợp kim hóa bằng V và Cr
6.2.1. Độ cứng
Giá trị độ cứng của lõi có thể coi là độ cứng sau nhiệt luyện. Mẫu
có hợp kim hóa (M5) đều có độ cứng cao hơn so với mẫu không
được hợp kim hóa (M4). Điều này được giải thích là do khi tiến hành
hợp kim hóa thêm V với quy trình xử lý nhiệt 3b có xuất hiện cacbit
phân tán bên trong nền austenit. Giá trị độ cứng của cả hai mẫu M4
và M5 cao hơn so với khi xứ lý mẫu khi -80oC. Tại bề mặt mẫu M5
đạt giá trị 395HV và 370HV khi xử lý ở -80oC; tương với mẫu M4 là
301HV và 266HV (ở -80oC).
6.2.2 Tổ chức tế vi
Sau khi xử lý nhiệt theo quy trình 3b, tiến hành va đập khoảng
3000 lần với lực tác dụng là như đã trình bày ở mục 3.4.3, xử lý ở
nhiệt độ -80oC, các mẫu (được hợp kim hóa V hay không hợp kim
hóa V) đều không phát hiện thấy tổ chức mactenxit, mà chỉ nhận
thấy có xuất hiện song tinh ở trên bề mặt của mẫu.

Hình 6.8: Ảnh TEM của các mẫu sau khi xử lý nhiệt, va đập


22

Hình 6.8 là ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).
Mẫu (M4) là mẫu không có V (6.8a) và M5 là mẫu là và có V (6.8b).
Các mẫu trải qua nhiệt luyện và va đập. Trên ảnh TEM không thấy
có sự xuất hiện tổ chức mactenxit mà có thể nhận thấy rất rõ các dải
song tinh. Trong mẫu chứa V, các dải song tinh có vẻ sắc nét hơn.

Hình 6.9: Ảnh TEM và vi nhiễu xạ mẫu sau xử lý nhiệt, va đập và xử lý nhiệt độ âm

Khi hạ nhiệt độ mẫu xuống đến -80oC cũng không nhận thấy xuất
hiện mactenxit trong tổ chức ở cả hai mẫu không có V (mẫu M4) và
có V (mẫu M5). Trên các ảnh nhìn thấy cacbit Cr (hình 6.9a) tương
tự hình tròn và cacbit V hình vuông (hình 6.9b). Ngoài ra trên hình
6.9b) có dấu hiệu của lệch mạng của các mẫu sau va đập (các đường
màu đen) và các điểm tương tác giữa lệch và pha cacbit hình vuông
nhỏ mịn.
6.3 Thép hợp kim hóa Cr, V và biến tính bằng đất hiếm
6.3.1. Độ cứng
Từ kết quả độ cứng có thể nhận thấy là với cùng một nhiệt độ xử
lý, mẫu biến tính (M7) có giá trị độ cứng cao hơn so với mẫu không
biến tính (M5): Ở nhiệt độ thường giá trị độ cứng bề mặt của M7 đạt
tới 420H trong khi đó mẫu M5 là 395HV; Ở -80oC giá trị độ cứng ở
bề mặt tương ứng là 396HV với mẫu M7 và 370HV với mẫu M5.
Kết quả độ cứng này cho thấy vai trò của các chất biến tính trong quá
trình làm tăng bền cho thép.
6.3.2 Tổ chức tế vi

Hình 6.13: Ảnh TEM của mẫu được biến tính (M7) và không biến tính
(M5) sau va đập