Nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch tôi polyme đến tổ chức, tính chất, biến dạng của thép ổ lăn OL 100cr1,5

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

TRẦN THỊ XUÂN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG DỊCH TÔI
POLYME ĐẾN TỔ CHỨC, TÍNH CHẤT, BIẾN DẠNG
CỦA THÉP Ổ LĂN OL 100Cr1,5

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

HÀ NỘI - 2019


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

TRẦN THỊ XUÂN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG DỊCH TÔI
POLYME ĐẾN TỔ CHỨC, TÍNH CHẤT, BIẾN DẠNG
CỦA THÉP Ổ LĂN OL 100Cr1,5
Ngành: Khoa học vật liệu
Mã số: 9440122

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Nguyễn Văn Tư
2. GS.TS. Lê Thị Chiều

HÀ NỘI - 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
trình bày trong Luận án này là trung thực và chưa từng được tác giả nào công bố!
Hà Nội, ngày 30 tháng 07 năm 2019
TM. TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS. TS. Nguyễn Văn Tư

Người cam đoan

Trần Thị Xuân

i


LỜI CẢM ƠN
Tác giả chân thành cám ơn PGS.TS. Nguyễn Văn Tư và GS.TS. Lê Thị Chiều, đã tận
tình hướng dẫn, tạo điều kiện về tài liệu và động viên tác giả trong suốt quá trình nghiên
cứu và hoàn thành bản luận án này.
Tác giả trân trọng cám ơn Quỹ học bổng Sakura Science (Nhật Bản) đã tài trợ học
bổng và kinh phí để tác giả có điều kiện sang nghiên cứu thực nghiệm và phân tích kết
quả nghiên cứu tại Trường Đại học Shimane – Nhật Bản.
Tác giả trân trọng cám ơn Bộ môn Khoa học vật liệu - Trường Đại học Shimane –
Nhật Bản, đặc biệt là GS. Takuya Ohba và TS. Phạm Hoàng Anh đã tạo điều kiện thuận
lợi về trang thiết bị thí nghiệm, nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu
thực nghiệm và kiểm tra cấu trúc kim loại, kiểm tra thành phần các pha bằng các kỹ
thuật Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffraction) và Nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược (Electron

Backscatter Diffraction - EBSD) khi tác giả đến nghiên cứu tại đây.
Tác giả trân trọng cám ơn Bộ môn Hàn & Công nghệ kim loại - Viện Cơ khí - Đại
học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt là TS. Vũ Đình Toại đã tạo điều kiện và hướng dẫn tác
giả sử dụng phần mềm Sysweld 2017.0 để xây dựng chương trình tính toán mô phỏng
số quá trình tôi thép OL 100Cr1,5.
Tác giả trân trọng cám ơn Bộ môn Hóa Lý - Viện Kỹ thuật hóa học - Đại học Bách
khoa Hà Nội, đặc biệt là TS. Nghiêm Thị Thương đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong quá
trình kiểm tra và đánh giá tuổi thọ của dung dịch tôi polyme bằng các kỹ thuật Phổ hồng
ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infra Red – FTIR) và Phổ cộng hưởng từ hạt
nhân (Nuclear Magnetic Resonance - NMR).
Tác giả trân trọng cám ơn các bạn thân hữu, các đồng nghiệp trong Bộ môn Vật liệu
học, Xử lý nhiệt & Bề mặt - Viện Khoa học & Kỹ thuật vật liệu - Đại học Bách khoa Hà
Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và động viên tác giả trong quá trình nghiên cứu thực hiện
luận án này.
Cuối cùng, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bố, mẹ tác giả cùng toàn thể các
thành viên trong gia đình đã động viên, tạo điều kiện về tài chính và chia sẻ những khó
khăn trong suốt quá trình tác giả nghiên cứu và hoàn thành bản luận án này.
Tác giả luận án
Trần Thị Xuân

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔI TRƯỜNG TÔI
1.1. Tổng quan về các môi trường tôi đang được nghiên cứu sử dụng

1.2. Tình hình nghiên cứu về môi trường tôi polyme trên thế giới
1.3. Tình hình nghiên cứu về môi trường tôi polyme ở trong nước
1.4. Kết luận chương 1
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC QUÁ TRÌNH TÔI THÉP TRONG
DUNG DỊCH POLYME
2.1. Mục đích tôi thép và yêu cầu của môi trường tôi
2.2. Thép OL 100Cr1,5 và lựa chọn môi trường tôi
2.2.1. Thành phần và tính chất của thép OL 100Cr1,5
2.2.1.1. Công dụng, điều kiện làm việc và yêu cầu đối với thép ổ lăn
2.2.1.2. Thành phần hóa học của thép OL 100Cr1,5
2.2.1.3. Tính chất của thép OL 100Cr1,5
2.2.2. Giản đồ TTT và CCT của thép OL 100Cr1,5
2.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tôi tới hạn của thép OL 100Cr1,5
2.2.4. Lựa chọn môi trường tôi thép OL 100Cr1,5
2.2.4.1. Dung dịch polyme poly vinylpyrrolidone (PVP ) trong nước
2.2.4.2. Dung dịch polyme poly alkylene lycols (PAG) trong nước
2.3. Cơ chế làm nguội khi tôi trong dung dịch polyme
2.3.1. Các giai đoạn làm nguội khi tôi trong dung dịch polyme
2.3.2. Cơ chế làm nguội của các loại dung dịch tôi polyme
2.3.3. Đường nguội khi tôi trong dung dịch polyme
2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ nguội của dung dịch polyme
2.4.1. Ảnh hưởng của nồng độ polyme trong dung dịch tôi
2.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ bể tôi và tốc độ khuấy
2.5. Tuổi thọ của dung dịch tôi polyme
2.6. Chuyển biến mactenxit khi tôi thép
2.6.1. Cấu trúc tinh thể và tính chất của mactenxit
2.6.2. Đặc điểm của chuyển biến mactenxit
2.6.3. Nhiệt động học chuyển biến mactenxit
2.6.4. Lý thuyết tinh thể của chuyển biến mactenxit
2.7. Sự hình thành ứng suất dư và biến dạng của chi tiết khi tôi

2.7.1. Trạng thái ứng suất - biến dạng trong vật liệu
2.7.2. Các loại ứng suất dư sau tôi
2.7.3. Sự hình thành ứng suất trong chi tiết tôi
2.7.3.1. Ứng suất do nhiệt
2.7.3.2. Ứng suất do chuyển biến pha
2.7.3.3. Sự hình thành ứng suất dư sau khi tôi
2.8. Kết luận chương 2
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TÔI THÉP TRONG DUNG
DỊCH POLYME BẰNG MÔ PHỎNG SỐ
3.1. Mục đích nghiên cứu bằng mô phỏng số

Trang
vii
xi
xiii
1
5
5
10
13
13
14
14
15
15
15
15
16
16
17

18
18
19
20
20
22
23
24
24
24
27
28
28
29
30
31
32
32
33
34
35
36
38
40
41
41
iii


3.2. Cơ sở tính toán mô phỏng quá trình tôi thép

3.2.1. Động học của quá trình chuyển biến pha khi tôi thép
3.2.1.1. Động học chuyển biến pha khuếch tán
3.2.1.2. Động học chuyển biến mactenxit
3.2.2. Ảnh hưởng của ứng suất đến chuyển biến pha và biến dạng dẻo
chuyển biến
3.2.3. Các tính chất lý – nhiệt của vật liệu
3.2.3.1. Hệ số giãn nở nhiệt, biến dạng do nhiệt và do chuyển pha
3.2.3.2. Tỷ trọng của vật liệu
3.2.3.3. Độ dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng và Entanpi
3.2.4. Các tính chất cơ học của vật liệu
3.2.4.1. Mô hình vật liệu cho các tương tác cơ học
3.2.4.2. Các thành phần biến dạng
3.3. Các bước tính toán mô phỏng số quá trình tôi thép
3.3.1. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn (PTHH)
3.3.2. Khai báo các thông số của vật liệu
3.3.3. Thiết lập các điều kiện tính toán mô phỏng quá trình tôi.
3.3.3.1. Điều kiện trao đổi nhiệt giữa mô hình với dung dịch tôi
3.3.3.2. Điều kiện kẹp mẫu khi tôi
3.3.3.3. Các thông số chế độ tôi
3.4. Kết quả tính toán mô phỏng trường nhiệt độ trong mẫu tôi
3.4.1. Trường nhiệt độ phân bố trong mẫu tôi
3.4.2. Đường nguội tại một số vị trí khảo sát
3.5. Kết quả mô phỏng quá trình chuyển biến pha trong mẫu tôi
3.6. Kết quả tính toán độ cứng của mẫu tôi trong dung dịch polyme
3.7. Kết quả tính toán mô phỏng trường ứng suất trong mẫu tôi
3.8. Kết quả tính toán biến dạng của mẫu tôi trong dung dịch polyme
3.9. Kết luận chương 3
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
4.1. Pha chế dung dịch tôi polyme
4.1.1. Nguyên liệu pha chế dung dịch tôi polyme

4.1.2. Công thức pha chế dung dịch tôi polyme PVP
4.1.3. Công thức pha chế dung dịch tôi polyme PAG
4.1.4. Tính toán thể tích dung dịch tôi
4.2. Xác định các tính chất của dung dịch tôi
4.2.1. Phương pháp phân tích cơ chế làm nguội của dung dịch polyme
4.2.2. Đo độ nhớt của dung dịch tôi
4.2.3. Đo đường nguội và xác định hệ số truyền nhiệt của dung dịch tôi
4.2.4. Kiểm tra sự ôxi hóa của polyme bằng phân tích nhiệt trọng lượng/
quét vi sai (TG/DSC)
4.2.5. Kiểm tra các nhóm chức và liên kết phân tử của dung dịch polyme
bằng phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)
4.2.6. Xác định khối lượng phân tử của polyme trong dung dịch tôi bằng
phổ cộng hưởng từ hạt nhân - Nuclear Magnetic Resonance (NMR)
4.3. Thực nghiệm tôi mẫu
4.3.1. Mẫu thí nghiệm
4.3.2. Thiết bị nhiệt luyện
4.3.3. Quy trình tôi mẫu

41
41
41
42
43
43
43
44
45
45
45
46

46
46
48
51
51
52
53
53
53
55
58
61
62
68
71
72
72
72
72
73
73
75
75
76
77
80
82
82
83
83

83
84
iv


4.4. Các kiểm tra đánh giá sau tôi
4.4.1. Kiểm tra biến dạng của mẫu sau tôi
4.4.2. Kiểm tra ứng suất dư trên mẫu sau tôi bằng nhiễu xạ Rơngen (XRD)
4.4.3. Nghiên cứu tổ chức tế vi trên kính hiển vi quang học
4.4.4. Xác định tổ chức kim loại bằng nhiễu xạ Rơngen (XRD)
4.4.5. Nghiên cứu cấu trúc và thành phần pha bằng nhiễu xạ điện tử tán xạ
ngược (EBSD)
4.4.6. Kiểm tra độ cứng của mẫu sau tôi
4.5. Kết luận chương 4
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN
5.1. Cơ chế làm nguội khi tôi trong dung dịch polyme PVP và PAG
5.2. Ảnh hưởng của nồng độ polyme đến nhiệt dung riêng và độ nhớt của
dung dịch tôi
5.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ polyme đến nhiệt dung riêng của dung dịch
tôi
5.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ polyme đến độ nhớt của dung dịch tôi
5.3. Ảnh hưởng của nồng độ polyme đến tốc độ nguội của dung dịch tôi
5.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ polyme đến tốc độ nguội của dung dịch tôi
PVP
5.3.2. Ảnh hưởng của nồng độ polyme đến tốc độ nguội của dung dịch tôi
PAG
5.3.3. So sánh khả năng làm nguội của dung dịch tôi PVP và PAG với dầu
5.4. Ảnh hưởng của dung dịch tôi polyme đến biến dạng của mẫu tôi
5.5. Ảnh hưởng của dung dịch tôi polyme đến ứng suất dư trong mẫu tôi
5.6. Ảnh hưởng của dung dịch làm nguội polyme đến tổ chức tế vi của thép

OL 100Cr1,5
5.6.1. Cấu trúc tế vi của thép OL 100Cr1,5 khi tôi trong một số môi trường
5.6.2. Phân tích thành phần pha trong mẫu thép OL 100Cr1,5 sau khi tôi
bằng kỹ thuật EBSD
5.7. Ảnh hưởng của dung dịch tôi polyme đến độ cứng của thép OL 100Cr1,5
5.8. Khả năng tái sử dụng của dung dịch tôi polyme PVP và PAG
5.8.1. Độ nhớt của dung dịch polyme qua các lần tôi
5.8.2. Tốc độ nguội của dung dịch polyme qua các lần tôi
5.8.3. Kiểm tra sự ôxi hóa của polyme bằng kỹ thuật phân tích nhiệt
TG/DSC
5.8.4. Xác định các nhóm chức và liên kết phân tử polyme bằng phổ hồng
ngoại (FT-IR)
5.8.5. Xác định khối lượng phân tử của polyme sau các lần tôi bằng phổ
cộng hưởng từ hạt nhân (1H-NMR)
5.9. Kết luận chương 5
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN & KIẾN NGHỊ
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
Phụ lục 1: Tính toán thể tích và khối lượng của mẫu tôi bằng phần mềm
Solidworks 2016.0
Phụ lục 2: Các thông số để tính toán thể tích dung dịch tôi tối thiểu
Phụ lục 3: Các loại mẫu chuẩn để xác định đường nguội của dung dịch tôi

84
84
85
86
88
88

89
89
90
90
93
93
94
96
96
98
100
101
103
108
109
113
123
125
125
126
129
131
132
134
135
136
137
143
143
144

145
v


Phụ lục 4: Phương pháp Phân tích phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)
Phụ lục 5: Phương pháp phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)
Phụ lục 6: Mẫu đo biến dạng khi tôi
Phụ lục 7: Phương pháp xác định ứng suất dư bằng nhiễu xạ Rơngen

145
146
148
149

vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu /
Viết tắt
%A
%T









1, 2, 3
1, 2, 3
el
H2O
Le

max
pl
RS, RS,I,
RS,II, RS,III
T
th
tp
tp
tr
xy
xy, zx, yz
z, y, x
𝑜
𝑡𝑚
𝛼̅
𝑡ℎ
𝜀𝑖 (𝑇)
𝜀𝑗𝑡ℎ (𝑇)
𝜎𝑦𝑎
1
H NMR
A
A1
a1, a2, a3

ACR
Ag
As
BCT

Đơn vị

[mPa.s]

[µm]
[o]
[o]
[o]
[MPa]

Ý nghĩa
Phần trăm hấp thụ
Phần trăm truyền qua
Độ nhớt động lực học
Ứng suất cắt
Độ nhớt động học
Bước sóng
Góc giữa chùm tia tới với trục của 3

Góc giữa hình chiếu của chùm tia tới trên mặt phẳng mẫu
với trục của 1
Góc nhiễu xạ
Ứng suất bề mặt

Ứng suất chính theo các phương 1, 2, 3

Độ biến dạng dọc theo các trục chính
Biến dạng đàn hồi

[oC]
o

[ C]

Nhiệt độ của môi trường tôi nước nước
Nhiệt độ Leidenfrost
Ứng suất cắt (ứng suất tiếp) cực đại
Biến dạng dẻo

Ứng suất dư, ứng suất dư loại 1, ứng suất dư loại 2, ứng
suất dư loại 3
Gradient nhiệt độ
Biến dạng nhiệt
Biến dạng dẻo chuyển biến
Biến dạng dẻo khi chuyển pha

[oC]

Biến dạng do chuyển pha
Độ xê dịch
Ứng suất tiếp trên mặt phẳng xy, zx, yz
Ứng suất pháp theo phương z, y, x
Nhiệt dộ ứng với austenit quá nguội kém ổn định nhất
Hệ số giãn nở nhiệt thực

Biến dạng nhiệt của pha i tại nhiệt độ T

Biến dạng nhiệt của pha j tại nhiệt độ T
Giới hạn chảy của pha austenit
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton
o

[ C]

[oC]

Độ hấp thụ
Nhiệt độ tới hạn dưới của thép
Trị số định hướng theo các phương
Alkali polyacrylate
Diện tích hạt trung bình
Nhiệt độ bắt đầu tạo thành austenit
Chính phương tâm khối
vii


Bo
c/a
CCT
Cct
Cdd
Cnước
Cp
CPAG
CPVP
CR
CR300

CRmax
d
Dnorm
Dnorm,max
do
DSC
DTA
Dx
Dy
Dz

E
EBSD
EO
Eout
Est
Eth
FCC
FE-SEM
FTIR
G
GMP
GTN
Hi 0
HTC
HV
Io, I
JMA
K

[ppm]

Độ chính phương
Chuyển biến khi làm nguội liên tục (Continuous Cooling
Transformation)
[J/(kg.K)] Nhiệt dung riêng của chi tiết
[J/(kg.K)] Nhiệt dung riêng của dung dịch tôi.
[J/kg.K] Nhiệt dung riêng của nước
[J/(kg.K)] Nhiệt dung riêng của thép
[J/kg.K] Nhiệt dung riêng của PAG
[J/kg.K] Nhiệt dung riêng của PVP
[oC/s]
Tốc độ nguội (Cooling rate)
o
[ C/s]
Tốc độ nguội tại nhiệt độ 300oC
[oC/s]
Tốc độ nguội lớn nhất
Khoảng cách mặt tinh thể

[mm]
[mm]

Biến dạng tổng
Biến dạng tổng lớn nhất
Khoảng cách mặt tinh thể khi ứng suất dư bằng 0

Phân tích nhiệt quét vi sai (Differential scanning
calorimetry)
Phân tích nhiệt vi sai (Differential Thermal Analysis)

[mm]
[mm]
[mm]
[N/mm2]

Biến dạng theo phương x
Biến dạng theo phương y
Biến dạng theo phương z
Mô đun Young
Nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược (Electron Backscatter
Diffraction)

[J/kg]

Etylen oxide
Nhiệt năng truyền từ chi tiết vào môi trường tôi tức thời
Sự thay đổi nhiệt năng tức thời trong chi tiết tôi
Enthalpy
Lập phương tâm mặt
Kính hiển vi điện tử quét bức xạ trường (Field Emission
Scanning Electron Microscopy)

Phổ biến đổi hồng ngoại Fourier
Modun trượt
[mm]
Độ mở của khe nhẫn chữ C theo tính toán mô phỏng
[mm]
Độ mở của khe nhẫn chữ C theo đo đạc thực nghiệm
Entanpy tiêu chuẩn của pha i

2
[W/m K] Heat transfer coefficient - Hệ số trao đổi nhiệt
Vickers Hardness
Cường độ bức xạ trước và sau khi hấp thụ
Định luật Johnson-Mehl-Avrami
[W/mmK] Hệ số dẫn nhiệt của thép
Hằng số hóa bền
Hệ số biến dạng dẻo chuyển biến

K
tp

K
m1
m2

Từ trường tác động

[%]
[%]

Tỉ phần khối lượng của polyme và của nước
Tỉ phần khối lượng của nước
viii


mb
mct
mdd
mH2O

mp
Ms
n
n’
n1
n2
NDT
NMR
PAG

[g]
[g]
[g]
[g]
[g]
[oC]
[mm]
[mm]
[%]
[%]

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (Nuclear Magnetic Resonance)

Poly alkylene glycol

PAO

PEOX
PO
PSA

PTHH (FE)
PVA
PVP
Qct
Qdd
ReH
ReL
RF
RS
Rybề mặt
Rylõi
Seqv
Seqv,max
Seqv,min
Sxx
Sxx,max
Sxx,min
Sxy
Syy
Syy,max
Syy,min
Syz
Szx
Szz
Szz,max
Szz,min
T
T1
T∞

Khối lượng bột polyme
Khối lượng của chi tiết tôi
Khối lượng dung dịch cần pha
Khối lượng nước lọc RO
Khối lượng của PVP nguyên chất trong bột polyme
Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactenxit
Độ rộng khe hở mẫu nhẫn chữ C trước nhiệt luyện
Độ rộng khe hở mẫu nhẫn chữ C sau nhiệt luyện
Hàm lượng của PVP trong bột nhập về
Nồng độ dung dịch cần pha
Nondestructive Testing

Poly alkylene oxide

[J]
[J]
MPa
MPa

[MPa]
[MPa]
[MPa]
[MPa]
[MPa]
[MPa]
[MPa]
[MPa]
[MPa]
[MPa]
[MPa]

[MPa]
[MPa]
[MPa]
[MPa]
[oC]
(oC)

Poly ethyl oxazoline
Propylene oxide
Poly sodium acrylate
Phần tử hữu hạn
Poly vinyl alcohol
Poly vinyl pyrrolidone
Nhiệt lượng do mẫu tôi tỏa ra
Nhiệt lượng mà dung dịch tôi thu vào
Giới hạn chảy trên
Giới hạn chảy dưới
Năng lượng tần số sóng radio
Ứng suất dư
Giới hạn chảy ở bề mặt
Giới hạn chảy trong lõi
Ứng suất tương đương
Ứng suất tương đương lớn nhất
Ứng suất tương đương nhỏ nhất
Ứng suất pháp theo phương x
Ứng suất pháp theo phương x lớn nhất
Ứng suất pháp theo phương x nhỏ nhất
Ứng suất tiếp trong mặt phẳng XY
Ứng suất pháp theo phương y
Ứng suất pháp theo phương y lớn nhất

Ứng suất pháp theo phương y nhỏ nhất
Ứng suất tiếp trong mặt phẳng YZ
Ứng suất tiếp trong mặt phẳng ZX
Ứng suất pháp theo phương z
Ứng suất pháp theo phương z lớn nhất
Ứng suất pháp theo phương z nhỏ nhất
Độ truyền qua
Nhiệt độ ban đầu của dung dịch
nhiệt độ của môi trường tôi
ix


TG
TMS
Tn
Ts
Tt

Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermogravimetry)
Chất tetrametylsilan
o

[ C]
(oC)
[oC]

Giản đồ Time-Temperature-Austenitization

TTA

TTT
v
V0
V1
V2
Vct
Vdd
VH2O
Vth
wo
Y
α
αi
δ
ΔFα’→γ

Nhiệt độ của mẫu khi nhấc ra khỏi dung dịch
Nhiệt độ tại bề mặt chi tiết
Nhiệt độ tôi của mẫu
Đường cong chữ C (Temperrature Time Transformation)
Tốc độ cắt
Thể tích ban đầu

3

[cm ]
[cm3]
[cm3]
[cm3]
[cm3]

[m/s]
[N/mm2]
[W/m2K]
[ppm]
[cal/mol]

Δl
ΔV/V

[mm]

ε
εx
εy
εz
ρ
ρct
ρdd
τm
ῡ
υo
Є

[%]

[kg/mm3]
[kg/m3]

[cm-1]

Thể tích của dung dịch cần pha với nồng độ n2%
Thể tích của dung dịch PAG ban đầu cần lấy để pha
Thể tích của chi tiết
Thể tích dung dịch
Thể tích của nước cần lấy pha chế
Tốc độ nguội tới hạn
Tốc độ khuấy
Giới hạn chảy của thép
Hệ số trao đổi nhiệt
Hệ số gian nở nhiệt
Độ dịch chuyển hóa học

Chênh lệch năng lượng tự do giữa 2 pha mactenxit và
austenit
Độ rộng khe hở mẫu nhẫn chữ C
Sự thay đổi thể tích khi chuyển biến austenit thành
mactenxit
Hệ số biến dạng nhiệt của thép
Biến dạng theo phương x
Biến dạng theo phương y
Biến dạng theo phương z
Khối lượng riêng của thép
Khối lượng riêng của vật liệu
Nhiệt dung riêng của dung dịch
Thời gian austenit quá nguội kém ổn định nhất
Số sóng
Tần số cộng hưởng
Độ biến dạng theo phương (,)

x

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1
Bảng 2.2
Bảng 3.1
Bảng 3.2
Bảng 3.3
Bảng 3.4
Bảng 3.5
Bảng 3.6
Bảng 3.7
Bảng 3.8
Bảng 4.1
Bảng 4.2
Bảng 4.3
Bảng 4.4
Bảng 4.5
Bảng 4.6
Bảng 4.7
Bảng 4.8
Bảng 4.9
Bảng 4.10
Bảng 4.11
Bảng 4.12
Bảng 4.13
Bảng 4.14
Bảng 4.15
Bảng 4.16
Bảng 4.17

Bảng 4.18
Bảng 4.19
Bảng 4.20
Bảng 5.1
Bảng 5.2
Bảng 5.3

Thành phần hóa học của thép OL 100Cr1,5 theo một số tiêu chuẩn
Một số tính chất của thép OL 100Cr1,5
Ký hiệu các tổ chức của thép trong phần mềm Sysweld 2017.0
Các thông số chế độ tôi mẫu chữ C bằng thép OL 100Cr1,5
Thời điểm bắt đầu chuyển biến mactenxit tại một số nút trên mặt đáy
của mô hình
Thời điểm bắt đầu chuyển biến mactenxit tại một số nút trên tiết diện
ngang của mô hình
Hàm lượng mactenxit, bainit và austenit dư lớn nhất nhận được khi
tôi mẫu nhẫn chữ C trong một số môi trường
Độ cứng lớn nhất và độ cứng nhỏ nhất nhận được khi tôi mẫu nhẫn
chữ C trong một số môi trường
Giá trị lớn nhất của các thành phần ứng suất khi tôi mẫu chữ C
trong một số môi trường (kẹp ngang)
Biến dạng theo các phương (tại nút 584) khi tôi mẫu nhẫn chữ C
trong một số môi trường ở trường hợp kẹp ngang
Kết quả tính toán khối lượng dung dịch PVP dùng để tôi mẫu chuẩn
Inconel 600
Kết quả tính toán thể tích dung dịch PAG dùng để tôi mẫu chuẩn
Inconel 600
Kết quả tính toán khối lượng dung dịch PVP dùng để tôi mẫu chữ C
bằng thép OL 100Cr1,5
Kết quả tính toán thể tích dung dịch PAG dùng để tôi mẫu chữ C

bằng thép OL 100Cr1,5
Thiết bị, mẫu, cốc đựng dung dịch làm nguội và hình ảnh thí nghiệm
Thiết bị đo độ nhớt động lực học
Thành phần hóa học của hợp kim inconel 600
Thông số kỹ thuật của thiết bị USB - 4718
Các thông tin thu được từ các đồ thị phân tích nhiệt TG và DSC
Thiết bị phân tích nhiệt TG/DSC
Thiết bị phân tích phổ hồng ngoại FT/IR-6300 JASCO
Thiết bị phân tích phổ cộng hưởng từ hạt nhân Jeol ECA 400 MHz
Thành phần hóa học của thép ổ lăn sử dụng nghiên cứu
Lò nhiệt luyện Nabertherm – CHLB Đức
Thiết bị đo kích thước YИM21
Thiết bị đo ứng suất dư bằng nhiễu xạ Rơngen
Kính hiển vi quang học và thông số kỹ thuật
Thiết bị phân tích tổ chức kim loại bằng nhiễu xạ Rơngen
Thiết bị phân tích cấu trúc pha và thành phần pha bằng nhiễu xạ
điện tử tán xạ ngược (EBSD)
Máy đo độ cứng tế vi và thông số kỹ thuật
Ảnh hưởng của nồng độ polyme đến nhiệt dung riêng của dung dịch
tôi
Độ nhớt của dung dịch PVP ở các nồng độ khác nhau
Độ nhớt của dung dịch polyme PAG ở các nồng độ khác nhau

Trang
15
16
48
53
56
57

61
62
68
71
74
74
75
75
75
76
78
79
81
81
82
83
83
84
85
86
87
88
88
89
93
94
95
xi

Bảng 5.4
Bảng 5.5
Bảng 5.6
Bảng 5.7
Bảng 5.8
Bảng 5.9
Bảng 5.10
Bảng 5.11
Bảng 5.12
Bảng 5.13
Bảng 5.14
Bảng 5.15
Bảng 5.16
Bảng PL1.1
Bảng PL1.2
Bảng PL2.1
Bảng PL3.1

Các thông số làm nguội của các dung dịch tôi khác nhau được suy
ra từ đường cong tốc độ nguội của dụng dịch PVP
Các thông số làm nguội của các dung dịch tôi khác nhau được suy
ra từ đường cong tốc độ nguội của dung dịch PAG
Biến dạng theo phương X của mẫu chữ C dày 20 mm khi tôi trong
một số môi trường
Các thông tin đo đạc ứng suất dư  tại vị trí N310 bằng máy D/MAX
RAPID II Rigaku và phần mềm tính toán ứng suất 2DP (2D Data
Processing)
Ứng suất dư tại các vị trí N310 và N480 trên bề mặt mẫu chữ C bằng
thép OL 100Cr1,5 sau khi tôi trong một số môi trường
Hàm lượng các pha mactenxit và austenit dư tại vùng A và B trên

mẫu tôi trong các môi trường khác nhau
So sánh hàm lượng pha mactenxit và austenit tại vùng B trên mẫu
tôi trong các môi trường khác nhau giữa mô phỏng và thực nghiệm
Độ cứng Vickers [Kg/mm2] tại các vùng đo trên mẫu khi tôi trong
các môi trường khác nhau
Tốc độ nguội lớn nhất và tốc độ nguội tại nhiệt độ 300oC của dung
dịch PVP 4% sau các lần tôi
Tốc độ nguội lớn nhất và tốc độ nguội tại nhiệt độ 300oC của dung
dịch PAG 15% sau các lần tôi
Bảng quy kết các vân phổ của dung dịch polyme PVP 4% ban đầu
Cấu trúc phân tử của PVP và độ chuyển dịch hóa học của các
proton trong PVP
Khối lượng phân tử PVP trong dung dịch sau một số lần tôi
Thể tích và khối lượng mẫu chuẩn bằng vật liệu Inconel 600 (theo
tiêu chuẩn ISO 9950: 1995)
Thể tích và khối lượng mẫu chữ C bằng thép OL 100Cr1,5
Các thông số để tính toán thể tích dung dịch tôi tối thiểu
So sánh các loại mẫu đo tốc độ nguội trong các tiêu chuẩn

97
100
102
106

107
123
123
124
127
129

131
133
134
143
144
144
145

xii


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 0.1
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6

Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 2.8
Hình 2.9
Hình 2.10

Hình 2.11
Hình 2.12
Hình 2.13
Hình 2.14
Hình 2.15
Hình 2.16
Hình 2.17
Hình 2.18
Hình 2.19
Hình 2.20
Hình 2.21
Hình 2.22

Đối tượng nghiên cứu của luận án
Đường nguội tại tâm mẫu hình trụ kích thước 12,5  63.5 mm
làm bằng thép không gỉ 18/8 trong các môi trường khác nhau
Đường tốc độ nguội trong các dung dịch với thành phần dầu khác
nhau trên mẫu hình cầu đường kính 20 mm
Đường nguội trong các môi trường khác nhau tại tâm mẫu hình
trụ kích thước 12,7 × 38 mm
Liên kết hydro của polyme với nước
So sách giá trị Grossmann và khả năng làm nguội của các loại
dung dịch polyme với dầu, nước và nước muối
Đặc tính làm nguội của dung dịch ACR với các nồng độ khác
nhau, nhiệt độ bể tôi là 26.7o C. Mẫu thử kích thước 10 × 60 mm,
làm từ thép không gi austenit, tốc độ khuấy là 0.2 m/s
Đường nguội lý tưởng
Giản đồ TTT (đường cong chữ C) của thép 100Cr6
Giản đồ CCT của thép 100Cr6
Biểu đồ xác định tốc độ nguội tới hạn

Tổng hợp PVP từ vinyl pyrrolidone
Tổng hợp PAG từ EO và PO
Đường nguội và đường cong tốc độ nguội trong quá trình tôi
Sự chuyển tiếp giữa pha lỏng – hơi do sự thấm ướt trong giai
đoạn sôi màng
Hệ số truyền nhiệt, trường nhiệt độ và gradient nhiệt độ trên mẫu
hình trụ khi cả 3 cơ chế truyền nhiệt xuất hiện đồng thời
Cơ chế truyền nhiệt trong dung dịch polyme
Sự khác nhau trong 3 giai đoạn làm nguội của 2 loại polyme:
Không có hiện tượng hòa tan ngược (a) và hòa tan ngược (b)
Các thông số nguội từ đường cong nguội và tốc độ nguội của
dung dịch polyme
Đường cong tốc độ nguội của dung dịch PEOX với các nồng độ
khác nhau và nước
Đường nguội khi tôi quả cầu niken trong nước ở nhiệt độ bể tôi
và tốc độ khuấy khác nhau
Ảnh hưởng của tốc độ khuấy và nhiệt độ bể tôi
Ảnh hưởng của nhiệt độ bể tôi và tốc độ khuấy đến nhiệt độ
Leidenfrost (ϑLe) khi tôi mẫu hình cầu và khi tôi mẫu trụ
Hình ảnh màng hơi hình thành trên quả cầu (a) và trên mẫu hình
trụ (b)
Tốc độ nguội của dung dịch PVP K30 thay đổi theo nhiệt độ
dung dịch khác nhau
Đường cong nguội và tốc độ nguội của dung dịch polyme PEOX
5% ở nhiệt độ 300C với tốc độ khuấy khác nhau
Mạng tinh thể của mactenxit
Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon trong thép đến thông số mạng
và độ chính phương của mactenxit
Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon trong thép đến điểm Ms và Mf

Trang
2
6
6
6
9
10
11

14
16
17
18
19
19
20
21
22
22
23
24
24
25
25
26
26
26
27
28
28

29
xiii


Hình 2.23
Hình 2.24
Hình 2.25
Hình 2.26
Hình 2.27
Hình 2.28
Hình 2.29
Hình 2.30
Hình 2.31

Hình 2.32
Hình 2.33
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10
Hình 3.11
Hình 3.12
Hình 3.13
Hình 3.14

Hình 3.15
Hình 3.16

Hình 3.17
Hình 3.18
Hình 3.19
Hình 3.20
Hình 3.21
Hình 3.22

Ảnh hưởng của kích thước hạt austenit đến nhiệt độ Ms
Sự thay đổi năng lượng tự do của austenit và mactenxit theo nhiệt
độ
Sơ đồ biến dạng Bain
Khối lập phương biểu diễn trạng thái ứng suất 3 chiều của vật
liệu và elip xoay biến dạng
Biểu đồ thể hiện khái niệm ứng suất dư loại 1, 2, 3
Ứng suất trong các quá trình tôi không và có chuyển biến pha
Sự hình thành ứng suất dư nhiệt dọc trục mẫu hình trụ khi làm
nguội nhanh
Sự thay đổi thể tích theo hàm lượng cacbon khi xảy ra các chuyển
biến trong chi tiết làm bằng thép cacbon
Hậu quả của ứng suất kéo đối với những thay đổi tương đối của
chiều dài trong suốt quá trình nguội nhanh của mẫu thép được
austenit hóa so với nguội chậm
Sự hình thành ứng suất dọc trục mẫu hình trụ do chuyển biến pha
khi làm nguội nhanh
Các khả năng tạo ứng suất dư sau tôi (b-e) so sánh với sự sinh ra
của ứng suất dư nhiệt (a)
Sơ đồ biểu diễn nguyên lý cộng gộp của Scheil

Kích thước tiết diện và mô hình 3D của mẫu nghiên cứu
Loại phần tử lựa chọn để rời rạc hóa mô hình nhẫn chữ C
Mô hình PTHH của mẫu nghiên cứu dạng nhẫn chữ C
Một số nút khảo sát kết quả tính toán mô phỏng quá trình tôi
Hệ số dẫn nhiệt của thép 100Cr6 theo nhiệt độ
Nhiệt dung riêng của thép 100Cr6 theo nhiệt độ
Tỷ trọng (khối lượng riêng) của thép 100Cr6 theo nhiệt độ
Enthalpy của thép 100Cr6 theo nhiệt độ
Mô đun đàn hồi của thép 100Cr6 theo nhiệt độ
Hệ số biến dạng nhiệt của thép 100Cr6 theo nhiệt độ
Giới hạn chảy của thép 100Cr6 theo nhiệt độ
Bề mặt (vỏ) trao đổi nhiệt với dung dịch tôi
Hàm số trao đổi nhiệt HTC của một số môi trường tôi
Các trường hợp kẹp mẫu nhẫn chữ C khi tôi
Trường nhiệt độ phân bố trong mẫu tôi tại các thời điểm a) 0
giây; b) 3,025409 giây; c) 7,024849 giây và d) 500 giây sau khi
mẫu được nhúng vào trong dung dịch PVP 4%
Đường nguội của một số nút trên mặt đáy của mô hình khi tôi trong
dung dịch PVP 4%
Đường nguội của một số nút trên mặt tiết diện ngang của mô hình
khi tôi trong dung dịch PVP 4%
Kết quả chuyển biến pha sau khi tôi mẫu 500 giây trong dung
dịch PVP 4%
Diễn biến quá trình chuyển biến pha tại các nút 584 và 19775 khi
tôi mẫu trong dung dịch PVP 4%
Độ cứng của mẫu sau khi tôi 500 giây trong dung dịch PVP 4%
Cơ chế gây ra ứng suất do chuyển biến pha khi tôi thép

29
31

31
33
34
35
36
36
37

38
39
42
46
47
47
48
49
49
49
50
50
50
51
51
52
52
54

56
57
59

60
61
63
xiv


Hình 3.23
Hình 3.24

Hình 3.25

Hình 3.26
Hình 3.27
Hình 3.28

Hình 3.29
Hình 4.1
Hình 4.2
Hình 4.3
Hình 4.4
Hình 4.5
Hình 4.6
Hình 4.7
Hình 4.8
Hình 4.9
Hình 4.10
Hình 5.1
Hình 5.2
Hình 5.3
Hình 5.4

Hình 5.5
Hình 5.6
Hình 5.7
Hình 5.8
Hình 5.9
Hình 5.10

Trường ứng suất dư Von Mises (Seqv) sau khi tôi mẫu trong dung
dịch PVP 4% ở các trường hợp: a) kẹp dọc và b) kẹp ngang
Trường ứng suất dư Von Mises (a) và các ứng pháp theo các
phương X (b), Y (c) và Z (d) sau khi tôi mẫu 500 giây trong dung
dịch PVP 4%, trong trường hợp kẹp ngang
Trường ứng suất tiếp trong các mặt phẳng XY (a), YZ (b) và ZX
(c) sau khi tôi mẫu 500 giây trong dung dịch PVP 4%, trong
trường hợp kẹp ngang
Diễn biến thay đổi các thành phần ứng suất tại nút 706 khi tôi
mẫu trong dung dịch PVP 4%, trong trường hợp kẹp ngang
Chuyển vị tổng (Dnorm) sau khi tôi trong dung dịch PVP 4% ở các
trường hợp: a) kẹp dọc và b) kẹp ngang
Chuyển vị của mẫu tôi theo các phương: X (a) , Y (b), Z (c) và
biến dạng tổng (d) sau khi tôi mẫu trong dung dịch PVP 4%,
trong trường hợp kẹp ngang
Diễn biến hình thành biến dạng tại nút 584 khi tôi mẫu trong
dung dịch PVP 4%, trong trường hợp kẹp ngang
Các loại polyme nghiên cứu làm dung dịch tôi: a) PVP và b)
PAG
Đường cong nguội đo được khi tôi mẫu ở 830 oC trong nước
Mẫu dùng để đo đường nguội của dung dịch tôi
Thiết bị đo tốc độ nguội USB – 4718
Sơ đồ thí nghiệm đo đường nguội

Một số đường cong đặc trưng thu được của kỹ thuật phân tích
nhiệt tiêu chuẩn
Hình dạng mẫu chữ C: a) sau khi cắt dây, b) sau khi mài và đánh
bóng
Quy trình nhiệt luyện (tôi) mẫu chữ C bằng thép OL 100Cr1,5
Mẫu chữ C trước và sau nhiệt luyện
Mẫu chữ C sau tôi (a), mẫu chữ C sau khi cắt đôi (b) và các vùng
nghiên cứu tổ chức tế vi (c)
Cơ chế làm nguội khi tôi của mẫu inconel 600 hình trụ kích thước
(9x45mm) trong dung dịch PVP 4% (a) và trong nước (b)
Hình ảnh chi tiết khi được làm nguội trong nước và dung dịch
PVP 4%
Đường cong nguội trong nước và dung dịch PVP 4% ứng với 3
giai đoạn của quá trình nguội
Cơ chế làm nguội khi tôi của mẫu inconel 600 hình trụ kích thước
(9x45mm) trong dung dịch PAG 10%
Ảnh hưởng của nồng độ polyme đến nhiệt dung riêng của dung
dịch tôi
Độ nhớt của dung dịch tôi polyme PVP ở các nồng độ
Độ nhớt của dung dịch tôi polyme PAG ở các nồng độ
Đường cong nguội khi tôi trong dung dịch polyme ở các nồng độ
PVP
Tốc độ nguội của dung dịch PVP ở các nồng độ so sánh với nước
và dầu
Đường cong nguội khi tôi trong dầu và trong dung dịch PVP 4%

64
65

66

67
68
69

70
72
77
78
78
79
81
83
84
84
87
90
91
91
92
94
95
95
96
96
97
xv


Hình 5.11

Hình 5.12
Hình 5.13
Hình 5.14
Hình 5.15
Hình 5.16
Hình 5.17
Hình 5.18
Hình 5.19
Hình 5.20
Hình 5.21

Hình 5.22
Hình 5.23
Hình 5.24
Hình 5.25
Hình 5.26
Hình 5.27
Hình 5.28
Hình 5.29

Hình 5.30

Hình 5.31

Hình 5.32

Hình 5.33

Hình 5.34

Tốc độ nguội của dung dịch PVP 4% và dầu
Đường cong nguội khi tôi trong dung dịch polyme ở các nồng độ
PAG
Thời gian tồn tại màng hơi trong dung dịch PAG ở các nồng độ
Tốc độ nguội của dung dịch PAG ở các nồng độ được so sánh với
nước và dầu
Đường cong nguội khi tôi trong dầu, dung dịch PVP 2%, PVP
4%, dung dịch PAG 10 và 15%
Xác định biến dạng theo phương X của mẫu chữ C sau khi tôi
So sánh biến dạng của mẫu chữ C giữa mô phỏng và thực nghiệm
Vị trí khảo sát ứng suất dư trên mẫu nhẫn chữ C bằng thép OL
100Cr1,5
Ảnh vân nhiễu xạ tia X khi đo ứng suất dư tại vị trí N310 trên bề
mặt mẫu chữ C bằng thép OL 100Cr1,5 sau khi tôi trong nước
Phổ nhiễu xạ tia X khi đo ứng suất dư tại vị trí N310 trên bề mặt
mẫu chữ C bằng thép OL 100Cr1,5 sau khi tôi trong nước
Đồ thị quan hệ 2 = f(sin2) khi đo ứng suất dư tại vị trí N310
trên bề mặt mẫu chữ C bằng thép OL 100Cr1,5 sau khi tôi trong
nước
Nguyên lý xác định các thành phần ứng suất chính phẳng
Mẫu chữ C sau tôi (a) và các vùng nghiên cứu tổ chức tế vi (b)
Tổ chức tế vi của thép OL 100Cr1,5 (x1000) khi tôi trong nước
Tổ chức của thép OL 100Cr1,5 (x1000) khi tôi trong dung dịch
PAG 15%
Tổ chức của thép OL 100Cr1,5 (x1000) khi tôi trong dung dịch
PVP 2%
Tổ chức tế vi của thép OL 100Cr1,5 (x1000) khi tôi trong dầu
Tổ chức của thép OL 100Cr1,5 (x1000) khi tôi trong dung dịch
PVP 4%
Kết quả nhiễu xạ tia X mẫu thép OL 100Cr1,5 khi tôi trong các

môi trường: (a) nước, (b) PAG 15%, (c) PVP 2%, (d) Dầu và (e)
PVP 4%
Ảnh phổ EBSD của vùng A khi tôi mẫu trong nước: (a) cấu trúc
pha, (b) cấu trúc pha + phân bố pha, và (c) thang đo hàm lượng
các pha
Ảnh phổ EBSD của vùng B khi tôi mẫu trong nước: (a) cấu trúc
pha, (b) cấu trúc pha + phân bố pha, và (c) thang đo hàm lượng
các pha
Ảnh phổ EBSD của vùng A khi tôi mẫu trong dung dịch PAG
15%: (a) cấu trúc pha, (b) cấu trúc pha + phân bố pha, (c) phân
bố pha và (d) thang đo hàm lượng các pha
Ảnh phổ EBSD của vùng B khi tôi mẫu trong dung dịch PAG
15%: (a) cấu trúc pha, (b) cấu trúc pha + phân bố pha, (c) phân
bố pha và (d) thang đo hàm lượng các pha
Ảnh phổ EBSD của vùng A khi tôi mẫu trong dung dịch PVP 2%:
(a) cấu trúc pha, (b) cấu trúc pha + phân bố pha, (c) phân bố pha
và (d) thang đo hàm lượng các pha

98
98
99
99
101
102
103
103
104
105
105

107
108
109
110
110
111
111
112

113

114

115

116

117

xvi


Ảnh phổ EBSD của vùng B khi tôi mẫu trong dung dịch PVP 2%:
(a) cấu trúc pha, (b) cấu trúc pha + phân bố pha, (c) phân bố pha
và (d) thang đo hàm lượng các pha
Ảnh phổ EBSD của vùng A khi tôi mẫu trong dầu: (a) cấu trúc
pha, (b) cấu trúc pha + phân bố pha, (c) phân bố pha và (d)
thang đo hàm lượng các pha
Ảnh phổ EBSD của vùng B khi tôi mẫu trong dầu: (a) cấu trúc
pha, (b) cấu trúc pha + phân bố pha, (c) phân bố pha và (d)

thang đo hàm lượng các pha
Ảnh phổ EBSD của vùng A khi tôi mẫu trong dung dịch PVP 4%:
(a) cấu trúc pha, (b) cấu trúc pha + phân bố pha, (c) phân bố pha
và (d) thang đo hàm lượng các pha
Ảnh phổ EBSD của vùng B khi tôi mẫu trong dung dịch PVP 4%:
(a) cấu trúc pha, (b) cấu trúc pha + phân bố pha, (c) phân bố pha
và (d) thang đo hàm lượng các pha
Các vùng đo và vết đo độ cứng tế vi trên mẫu chữ C
Độ nhớt của dung dịch 2% PVP và 4% PVP sau 50, 100, 150 và
200 lần tôi
Độ nhớt của dung dịch PAG 10% và PAG 15% sau 50, 100, 200
lần tôi
Tốc độ nguội của dung dịch 4% PVP sau các lần tôi
Mối quan hệ giữa độ nhớt và tốc độ nguội lớn nhất PVP 4%
Tốc độ nguội của dung dịch PAG 15% sau 1, 50, 100, 150 và 200
lần tôi
Đường cong TG/DSC của polyme PVP
Đường cong TG/DSC của polyme PAG
Phổ FTIR của polyme PVP 4% ban đầu
Phổ hồng ngoại của dung dịch polyme PVP 4% qua các lần tôi
Phổ 1H NMR của dung dịch tôi PVP 4% lúc chưa tôi (a), sau 100
tôi (b) và sau 200 lần tôi (c)

118

Hình PL3.1 Hình dạng và kích thước mẫu chuẩn theo các tiêu chuẩn JIS K2242 (a)
và ISO 9950: 1995 (b)
Hình PL4.1 Phổ hồng ngoại (IR) của một hợp chất hữu cơ
Hình PL4.2 Mô hình hoạt động của phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier
Hình PL5.1 Sơ đồ phổ kế cộng hưởng từ hạt nhân

Hình PL5.2 Độ dịch chuyển hóa học phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton (1H

145

Hình 5.35

Hình 5.36

Hình 5.37

Hình 5.38

Hình 5.39

Hình 5.40
Hình 5.41
Hình 5.42
Hình 5.43
Hình 5.44
Hình 5.45
Hình 5.46
Hình 5.47
Hình 5.48
Hình 5.49
Hình 5.50

119

120

121

122

124
125
126
127
128
128
129
130
131
132
133

146
146
147
148

NMR)
Hình PL5.3 Phổ 1H NMR của một hợp chất
Hình PL6.1 Các kích thước của mẫu chữ C được dùng bởi (a) Bates và các

148
149

cộng sự và (b) Webster và Laird

Hình PL7.1 Sơ đồ chụp nghiêng trong phương pháp sin2
151
Hình PL7.2 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của d (311) vào sin2 trên mẫu hợp 152

kim nhôm 5056 được phun bi

xvii


MỞ ĐẦU
Trong thực tế, các công nghệ xử lý nhiệt nói chung, công nghệ tôi nói riêng luôn chiếm
một vị trí quan trọng trong quá trình sản xuất, chế tạo các chi tiết máy và có vai trò quyết
định đến tuổi thọ cũng như độ tin cậy trong quá trình làm việc đối với một số loại chi tiết
máy đặc thù như bánh răng, ổ lăn, chi tiết trục,... Phần lớn các chi tiết máy sau khi được
tạo hình bằng các quá trình như đúc, gia công áp lực hay cắt gọt thường phải được chuyển
tiếp đến quá trình nhiệt luyện để nâng cao độ cứng, độ bền và khả năng chịu tải. Các chi
tiết máy quan trọng làm việc trong những điều kiện nặng nề như chịu ma sát lớn, bị mài
mòn, chịu tải nặng và đa số các dụng cụ (cắt, biến dạng nguội) đều phải qua nhiệt luyện
tôi và ram [1]. Công dụng chính của tôi (kết hợp với ram thấp) là nâng cao độ cứng và
tính chống mài mòn cho thép, do đó kéo dài được thời hạn làm việc của các chi tiết máy
chịu mài mòn, đồng thời tôi cũng nâng cao được độ bền và khả năng chịu tải của chi tiết
máy, cho nên nguyên công tôi thép chiếm vị trí đặc biệt quan trọng trong nhiệt luyện thép
[2]. Tôi cùng với ram sẽ quyết định đến cơ tính của thép phù hợp với điều kiện làm việc,
do đó quyết định đến tuổi thọ của chi tiết máy.
Do nguyên công tôi là một trong những nguyên công cuối cùng khi chi tiết máy đã ở
dạng thành phẩm, cho nên nếu hư hỏng ở khâu này sẽ gây ra lãng phí công sức và chi phí
ở những quá trình gia công trước đó, vì thế cần phải hết sức chú ý và tuân thủ các chế độ
và quy trình công nghệ tôi. Trong quá trình tôi, nếu môi trường tôi và/ hoặc chế độ và kỹ
thuật tôi không phù hợp thì chi tiết máy có thể bị nứt, cong vênh hoặc độ cứng không đạt
yêu cầu. Chất lượng của sản phẩm tôi phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: nhiệt độ nung,

thời gian giữ nhiệt, tốc độ làm nguội, cách kẹp và hướng nhúng chi tiết vào môi trường
tôi, … trong đó tốc độ làm nguội giữ vai trò quan trọng nhất.
Đối với vật liệu và kết cấu cụ thể của chi tiết máy, việc lựa chọn môi trường tôi phù
hợp có ý nghĩa hết sức quan trọng, nó là yếu tố chính quyết định đến chất lượng của sản
phẩm tôi. Môi trường tôi phải có tốc độ nguội đủ lớn (lớn hơn giá trị tốc độ nguội tới
hạn) để khi làm nguội thép không chuyển sang tổ chức có độ cứng thấp, mặt khác môi
trường tôi phải có tốc độ nguội đủ nhỏ để ứng suất sinh ra trong chi tiết tôi không quá lớn
nhằm ngăn ngừa khả năng gây ra nứt hoặc biến dạng cong vênh chi tiết tôi, nhất là ở vùng
chuyển biến mactenxit.
Do mỗi loại thép có một nhiệt độ chuyển biến mactenxit và tốc độ nguội tới hạn khác
nhau, nên môi trường tôi phù hợp với chúng cũng sẽ khác nhau. Hiện nay, môi trường tôi
chủ yếu vẫn là nước và dầu, trong đó môi trường tôi nước thường được dùng để tôi thép
cácbon và các chi tiết có hình dạng đơn giản vì môi trường tôi này có tốc độ nguội rất lớn
nên dễ gây ra nứt và làm biến dạng chi tiết tôi [3]. Môi trường tôi dầu có độ nhớt cao,
nhiệt dung thấp và có tốc độ nguội nhỏ nên chỉ phù hợp cho một số loại thép hợp kim.
Mặt khác, dầu dễ bắt cháy, rất không an toàn khi tôi và gây ô nhiễm môi trường. Dầu
cũng không phù hợp để tôi cho các chi tiết có kích thước lớn, tôi tần số hoặc tôi trong lò
liên tục. Hơn nữa trong thực tế, có rất nhiều chi tiết trong ngành thực phẩm, dược phẩm
hoặc những dụng cụ y tế làm bằng thép hợp kim, … được khuyến cáo không dùng dầu
để tôi do không bảo đảm được an toàn sức khỏe.
Do đó, nhu cầu nghiên cứu tìm ra môi trường tôi an toàn, thân thiện với môi trường,
không gây ô nhiễm, có tốc độ nguội không quá lớn để tránh nứt, không gây ra biến dạng
cho chi tiết tôi và có thể thay thế cho dầu để tôi cho thép hợp kim là rất cần thiết và cấp
bách trong thời điểm hiện nay.
Xuất phát từ những lý do trên mà ý tưởng nghiên cứu tìm ra môi trường tôi phù hợp
đối với một dạng chi tiết và vật liệu cụ thể được hình thành và triển khai trong đề tài
“Nghiên cứu ảnh hưởng của dung dịch tôi polyme đến tổ chức, tính chất, biến dạng của
1

thép ổ lăn OL100Cr1,5”. Đề tài nghiên cứu thành công sẽ đem lại rất nhiều lợi ích về
mặt khoa học và thực tiễn.
• Mục đích của luận án:
- Xây dựng phương pháp nghiên cứu bài bản, toàn diện và hiệu quả cho bài toán cần tìm
ra môi trường tôi phù hợp nhất đối với một dạng chi tiết và vật liệu cụ thể.
- Chứng minh tính khả thi và lợi ích của việc sử dụng dung dịch polyme hòa tan trong
nước để làm môi trường tôi cho thép hợp kim.
- Tìm ra quy luật ảnh hưởng của nồng độ polyme hòa tan trong nước đến một số tính
chất của chúng như độ nhớt, nhiệt dung riêng và tốc độ nguội.
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
a) Đối tượng nghiên cứu:
Nhằm đáp ứng yêu cầu sử dụng môi trường tôi an toàn, thân thiện với môi trường, tốc
độ nguội có thể điều chỉnh linh hoạt để phù hợp với nhiều loại thép,…, luận án này tập
trung nghiên cứu sử dụng 2 hệ dung dịch polyme hòa tan trong nước là poly alkylene
glycol (PAG) và poly vinyl pyrrolidone (PVP) để làm môi trường tôi.
Mặt khác, do nhu cầu sử dụng rất rộng rãi của các chi tiết ổ lăn trong công nghiệp và
đời sống nên tác giả lựa chọn nghiên cứu quá trình tôi cho vật liệu thép ổ lăn (cụ thể là
mác OL100Cr1,5) với mẫu có dạng chữ C được khoét lệch tâm có hình dáng và kích
thước như mô tả trên hình 0.1. Dạng mẫu này đã được coi như “mẫu chuẩn” dùng để
nghiên cứu quá trình tôi vật liệu [4, 5, 6, 7] bởi vì trên mẫu chữ C có các vùng dày, mỏng
khác nhau, có vị trí góc nhọn, góc tù, có khe mở nên với cùng một mẫu có thể nghiên cứu
được nhiều yếu tố trong quá trình tôi như: truyền nhiệt, chuyển biến pha, độ cứng, ứng
suất và biến dạng.

Hình 0.1 Đối tượng nghiên cứu của luận án
b) Phạm vi nghiên cứu:
Luận án này chỉ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ polyme hòa tan trong
nước đến tốc độ nguội của dung dịch tôi. Không xem xét ảnh hưởng của các yếu tố khác
(như tốc độ khuấy và nhiệt độ dung dịch tôi) đến tốc độ nguội của dung dịch tôi. Quy mô
nghiên cứu của luận án được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm.

• Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Phân tích và lựa chọn các hệ polyme thích hợp để pha chế thành dung dịch tôi cho thép
OL100Cr1,5 ở các nồng độ khác nhau.
- Phân tích các đặc điểm và xác định các tính chất của các dung dịch tôi polyme tự chế
để thu thập dữ liệu đầu vào phục vụ cho bài toán mô phỏng số quá trình tôi thép
OL100Cr1,5.

2


- Xây dựng chương trình tính toán mô phỏng số quá trình tôi mẫu chữ C bằng thép
OL100Cr1,5 trong các môi trường tôi khác nhau, qua đó dự đoán được môi trường tôi
thích hợp nhất đối với dạng chi tiết và vật liệu cho trước.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của môi trường tôi đến tổ chức, độ cứng, ứng suất và biến dạng
của mẫu chữ C bằng thép OL100Cr1,5 khi tôi trong các môi trường khác nhau.
- Nghiên cứu ảnh hưởng của số lần tôi đến tuổi thọ hay khả năng tái sử dụng của dung
dịch tôi polyme hòa tan trong nước.
• Phương pháp nghiên cứu:
Do đây là vấn đề mới nên nếu chỉ nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đơn thuần thì
sẽ mất nhiều thời gian và đặc biệt là rất tốn kém về mặt chi phí thực nghiệm. Trong khi
đó, hiện tại lại có sẵn các công cụ tính toán hiện đại (máy tính điện tử và phần mềm
Sysweld 2017.0 (bản quyền) chuyên dụng cho mô phỏng số quá trình nhiệt luyện), cho
nên để đạt hiệu quả cao và nhanh đến đích do tránh được việc thực nghiệm ở các vùng
thông số công nghệ không phù hợp và tiết kiệm các chi phí thực nghiệm, tác giả lựa chọn
phương pháp nghiên cứu phối hợp giữa: nghiên cứu lý thuyết + tính toán mô phỏng số +
thực nghiệm kiểm chứng.
Cụ thể như sau:
- Nghiên cứu tổng quan để tìm hiểu các công trình đã công bố liên quan đến đề tài ở
trong và ngoài nước, qua đó biết được những gì đã được công bố và tìm ra những nội
dung mới mà luận án cần phải giải quyết.

- Nghiên cứu kỹ các lý thuyết về quá trình tôi thép; về các đặc điểm, tính chất và yêu
cầu của môi trường tôi để qua đó đề ra các giải pháp kỹ thuật và công nghệ thích hợp
nhằm thực hiện thành công mẫu tôi đã chỉ định.
- Sử dụng phương pháp tính toán mô phỏng số để xác định môi trường tôi phù hợp nhất
đối với đối tượng và vật liệu nghiên cứu, nhằm mục đích tiết kiệm thời gian và chi phí
thực nghiệm.
- Sử dụng các trang thiết bị có sẵn phù hợp với điều kiện thực nghiệm để tiến hành thí
nghiệm kiểm chứng các kết quả mô phỏng và xác minh chất lượng của sản phẩm tôi
trong môi trường mới.
- Sử dụng các thiết bị đo, phân tích và phần mềm hiện đại để đo đạc và đánh giá kết quả
nghiên cứu bảo đảm độ tin cậy.
• Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:
a) Ý nghĩa khoa học của luận án:
- Hệ thống hóa và bổ sung các chứng cứ khoa học, các số liệu về công nghệ tôi vật liệu
kim loại bằng dung dịch polyme hòa tan trong nước.
- Làm rõ về cơ chế làm nguội khi tôi trong dung dịch polyme và xác định được ảnh
hưởng của nồng độ cũng như số lần tôi đến tuổi thọ hay khả năng tái sử dụng của dung
dịch tôi polyme.
- Hoàn thiện một phương pháp nghiên cứu bài bản, hiện đại và có hiệu quả cao đối với
các dạng bài toán yêu cầu tìm ra một môi trường tôi phù hợp nhất đối với một dạng
chi tiết và vật liệu cụ thể.
- Khẳng định tính khả thi của phương pháp dự đoán chất lượng sản phẩm tôi bằng kỹ
thuật “thực tế ảo” thông qua máy tính và phần mềm mô phỏng trên cơ sở của thuật
toán phần tử hữu hạn.
b) Ý nghĩa thực tiễn của luận án:
- Lần đầu tiên ở Việt Nam đã ứng dụng thành công kỹ thuật tính toán mô phỏng số vào
nghiên cứu quá trình tôi thép một cách đầy đủ và toàn diện, qua đó khẳng định tính tự
chủ khoa học & công nghệ nội sinh mà không phụ thuộc vào bí quyết của nước ngoài.
3

- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể ứng dụng để chế tạo các chi tiết vòng bi trong
các cơ cấu, máy móc và thiết bị ở nhiều lĩnh vực công nghiệp và dân dụng.
- Luận án mở ra một hướng mới trong đào tạo và nghiên cứu phát triển công nghệ tôi
thép ở Việt Nam. Phương pháp và quy trình nghiên cứu của luận án có thể làm mẫu
để nghiên cứu quá trình tôi cho các chi tiết và chủng loại vật liệu khác.
• Các đóng góp mới của luận án:
1) Xây dựng được mối quan hệ giữa nồng độ của các loại polyme PAG và PVP hòa tan
trong nước đến độ nhớt, nhiệt dung riêng và tốc độ nguội của dung dịch tôi.
2) Xác định được ảnh hưởng của số lần tôi đến tốc độ nguội và khả năng tái sử dụng
của dung dịch tôi polyme loại PAG và PVP.
3) Xác định được ảnh hưởng môi trường tôi polyme đến tổ chức, độ cứng, ứng suất dư
và biến dạng của mẫu nghiên cứu bằng thép OL100Cr1,5 qua đó xác định được môi
trường tôi hiệu quả cho các chi tiết từ thép ổ lăn OL100Cr1,5 là dung dịch nồng độ
4% PVP trong nước.
4) Xây dựng được chương trình mô phỏng số quá trình tôi thép chạy trên phần mềm
Sysweld 2017.0 một cách đầy đủ và toàn diện.
• Kết cấu của luận án:
Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận án được
trình bày trong 05 chương, cụ thể như sau:
Chương 1. Tổng quan về môi trường tôi.
Chương 2. Cơ sở khoa học quá trình tôi thép trong dung dịch polyme.
Chương 3. Nghiên cứu quá trình tôi thép trong dung dịch polyme bằng mô phỏng số.
Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm.
Chương 5. Kết quả nghiên cứu và bàn luận.
Kết luận chung của luận án và kiến nghị.
Danh mục các công trình đã công bố của luận án.
Tài liệu tham khảo.
Phụ lục

4


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔI TRƯỜNG TÔI
1.1. Tổng quan về các môi trường tôi đang được nghiên cứu sử dụng
Hiện nay, môi trường tôi được sử dụng rất đa dạng và phong phú, gồm một số môi
trường tôi dạng lỏng như nước, dầu petroleum, dầu thực vật, dung dịch polyme, nước
chứa muối hoặc chất phụ gia, môi trường tôi khí: heli, hydro, agron, nitơ thường được sử
dụng để tôi cho các chi tiết nhiệt luyện trong lò chân không, môi trường tôi thể rắn như
tấm thép, tấm đồng ở dạng khuôn ép.
❖ Môi trường tôi nước: Nhiệt độ sôi của nước thấp (xấp xỉ khoảng 100oC), trong khi
đó nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactenxit của thép (Ms) thường dao động trong khoảng
380oC ÷ 100oC, nên tốc độ nguội vẫn lớn ngay cả trong giai đoạn chuyển biến thành
mactenxit, do đó dễ gây ra ứng suất và biến dạng lớn cho chi tiết. Một nhược điểm nữa
của môi trường tôi nước là màng hơi rất kém ổn định và nó tồn tại ở những vị trí góc, lỗ
của chi tiết ngay cả khi nhiệt độ của bể tôi đã giảm. Tốc độ làm nguội trong giai đoạn
màng hơi dao động mạnh nên gây ra ứng suất nhiệt, biến dạng và các điểm mềm trên chi
tiết sau tôi. Để hạn chế nhược điểm này cần thiết bị khuấy mãnh liệt…Với những nhược
điểm trên, thì nước thường được dùng làm môi trường tôi cho thép các bon và một số
thép hợp kim thấp với hình dạng đơn giản. Bên cạnh những nhược điểm trên thì môi
trường tôi nước lại có những ưu điểm như: không bắt cháy, an toàn với môi trường tự
nhiên và con người, bề mặt chi tiết sau tôi dễ làm sạch và giá thành thấp.
❖ Môi trường tôi nước muối: Có thể giảm thiểu các nhược điểm của môi trường tôi
nước bằng việc pha thêm một lượng nhỏ các muối vào nước tạo thành nước muối. Do
trong quá trình tôi, các tinh thể muối lắng đọng trên bề mặt chi tiết. Nhiệt độ của chi tiết
cao, nên các phân tử muối bị phân chia mãnh liệt làm màng hơi bị phá hủy nhanh chóng
[8]. Khi hòa tan muối NaCl vào trong nước từ 1% đến 10% thì nhiệt độ duy trì màng hơi
giảm dần, đồng thời tốc nguội nguội tăng. Nếu nồng độ muối trong nước cao hơn nữa thì
tốc độ nguội giảm và ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ trên bề mặt chi tiết.
Ngoài NaCl chúng ta còn có thể dùng muối CaCl2 hoặc Na2CO3 với tốc độ nguội đạt

được cũng tương tự như muối NaCl. Nước muối có một số ưu điểm so với nước là:
+ Nhiệt độ của dung dịch tôi là nước muối ít ảnh hưởng tới tốc độ nguội hơn so với nước
(hình 1.1), nên có thể tôi ở nhiệt độ cao hơn, ở 500C hay 700C cho những loại thép mà
khả năng biến cứng cao hơn.
+ Điểm mềm, ứng suất và biến dạng trên chi tiết ít hơn
+ Tốc độ khuấy ít ảnh hưởng đến khả năng làm nguội của dung dịch tôi
+ Giai đoạn màng hơi giảm hoặc được loại bỏ, dẫn đến sự đồng đều nhiệt trên toàn bộ
chi tiết, làm cải thiện tính đồng nhất về độ cứng của chi tiết sau tôi.
+ Đối với dung dịch chứa hơn 5% khối lượng muối như dung dịch muối kali clorua (KCl),
lithium clorua (LiCl), thường giai đoạn màng hơi tồn tại rất ngắn hoặc không tồn tại
mà chuyển sang giai đoạn sôi bong bóng ngay [9].
Ngoài các ưu điểm như trên thì nước muối còn tồn tại các nhược điểm như sau:
+ Thùng chứa hoặc hệ thống làm mát dễ bị ăn mòn, nên có thể phải sử dụng thép không
gỉ (loại thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn tốt trong môi trường nước muối).
+ Bể tôi phải có nắp đậy để tránh hơi muối thoát ra, gây ảnh hưởng đến người thao tác
và các thiết bị xung quanh.
+ So với nước thì chi phí vật liệu và nhân công cao hơn (việc chuẩn bị dung dịch và kiểm
soát hệ thống đòi hỏi nhiều lao động hơn).
+ Với dung dịch tôi sử dụng các muối nitrat và cyanua, có thể gây độc, cháy và làm ảnh
hưởng tới môi trường. Chất thải cần phải được trung hòa trước khi thải ra môi trường.
5


Hình 1.1 Đường nguội tại tâm mẫu hình trụ kích thước 12,5  63,5 mm
làm bằng thép không gỉ 18/8 trong các môi trường khác nhau (nguồn: [10])
❖ Môi trường tôi là dung dịch nhũ tương nước pha dầu: được phát triển cách đây
nhiều năm, để cải thiện khả năng làm nguội giữa nước và dầu. Tuy nhiên các nghiên cứu
về tính chất nhiệt động học của nước pha dầu cho thấy việc sử dụng thực tế bị hạn chế.
Hình 1.2 cho thấy tốc độ làm nguội phụ thuộc vào hàm lượng dầu trong dung dịch. Khi
hàm lượng dầu lớn hơn 10%, giai đoạn màng hơi có tốc độ nguội chậm hơn so với nước,

và tồn tại đến nhiệt độ rất thấp. Mặt khác khi tôi bằng cách nhúng mẫu vào trong môi
trường, thì màng hơi rất kém ổn định gây ra các điểm mềm, biến dạng chi tiết. Ở nhiệt độ
thấp hơn tốc độ làm nguội cũng giống như trong nước. Khi nhiệt độ dung dịch tăng lên,
thì tốc độ nguội giảm và ít đồng đều hơn cả khi tôi trong môi trường nước (hình 1.3). Do
đó môi trường tôi nước pha dầu thường không được sử dụng để tôi bằng cách nhúng chi
tiết vào trong dung dịch.

Hình 1.2 Đường tốc độ nguội trong các Hình 1.3 Đường nguội trong các môi
dung dịch với thành phần dầu khác nhau trường khác nhau tại tâm mẫu hình trụ
trên mẫu hình cầu đường kính 20 mm kích thước 12,7 × 38 mm (nguồn: [10])
(nguồn: [11])

6