Tài liệu ảnh hưởng của thông số công nghệ cơ – nhiệt đến tổ chức và cơ tính của thép trip cmnsi luyện từ sắt xốp.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ----------------------- ĐINH VĂN HIẾN ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CƠ - NHIỆT ĐẾN TỔ CHỨC VÀ CƠ TÍNH CỦA THÉP TRIP CMnSi LUYỆN TỪ SẮT XỐP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ----------------------- ĐINH VĂN HIẾN ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CƠ - NHIỆT ĐẾN TỔ CHỨC VÀ CƠ TÍNH CỦA THÉP TRIP CMnSi LUYỆN TỪ SẮT XỐP Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS ĐINH BÁ TRỤ 2. PGS.TS NGUYỄN VĂN CHÚC HÀ NỘI - 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả trong Luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Tác giả luận án Đinh Văn Hiến ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và thực hiện Luận án tiến sĩ, tôi đã nhận được sự giúp đỡ và tạo điều kiện rất nhiều của tập thể giáo viên hướng dẫn, các tập thể và cá nhân trong và ngoài đơn vị công tác. Qua đây, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới: 1. Tập thể giáo viên hướng dẫn PGS.TS Đinh Bá Trụ và PGS.TS Nguyễn Văn Chúc hướng dẫn và định hướng các nội dung khoa học của đề tài Luận án; 2. Lãnh đạo Viện Khoa học và Công nghệ quân sự; thủ trưởng và các cán bộ, nhân viên Phòng Đào tạo/Viện Khoa học và Công nghệ quân sự; thủ trưởng và cán bộ phụ trách đào tạo của Viện Tên lửa; tập thể Phòng Công nghệ/Viện Tên lửa, nơi tôi học tập và công tác đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện Luận án; 3. Dự án KHCN cấp nhà nước (giai đoạn 2014-2017) do Công ty MIREX chủ trì và “nhóm nghiên cứu thép hợp kim luyện từ sắt xốp”, nơi đã sản xuất được sắt xốp sạch, chứng minh khả năng đưa sắt xốp thành nguyên liệu luyện thép và tính khả thi luyện thép hợp kim từ sắt xốp, nơi khởi nguồn cho một hướng nghiên cứu mới – Thép độ bền cao tiên tiến AHSS luyện từ sắt xốp, đã cung cấp ý tưởng nghiên cứu cho đề tài Luận án, giúp đề tài luyện được mác thép TRIP theo yêu cầu và hỗ trợ vật chất cho tôi triển khai các thực nghiệm; 4. Các chuyên gia, nhà khoa học đã cho Luận án nhiều ý kiến đóng góp quý báu; 5. Các cán bộ, nhân viên Phòng thí nghiệm Khí động-Động lực/Viện Tên lửa; Bộ môn Công nghệ vật liệu/Học viện KTQS; Trung tâm thực nghiệm và sản xuất Mỏ và Luyện kim Tam Hiệp/Viện KH&CN Mỏ-Luyện kim; Phòng thí nghiệm trọng điểm vật liệu điện, điện tử quốc gia/Viện Khoa học vật liệu/Viện hàn lâm KH&CN Việt Nam; Viện Khoa học kỹ thuật vật liệu/Trường Đại học BKHN; Khoa Hóa học/Trường Đại học KHTN; Công ty cơ khí và tự động hóa MIO ... đã giúp đỡ tôi làm thí nghiệm; 6. Gia đình, người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, chia sẻ và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện Luận án. iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT............................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................. xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ........................................................................................... xii MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1 Chương 1. ĐẶC ĐIỂM THÉP AHSS-TRIP VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ............... 5 1.1. Một số khái niệm liên quan ............................................................................... 5 1.1.1. Thép HSLA ................................................................................................ 5 1.1.2. Thép AHSS................................................................................................. 5 1.1.3. Thép TRIP .................................................................................................. 7 1.2. Thành phần-tổ chức-cơ tính của thép AHSS và TRIP ...................................... 8 1.2.1. Thành phần và tổ chức tế vi thép AHSS và TRIP ...................................... 8 1.2.2. Cơ tính thép AHSS và TRIP .................................................................... 13 1.3. Công nghệ sản xuất và ứng dụng của thép AHSS và TRIP ............................ 17 1.3.1. Công nghệ sản xuất thép AHSS ............................................................... 17 1.3.2. Công nghệ cơ-nhiệt sản xuất thép TRIP .................................................. 22 1.3.3. Ứng dụng của thép AHSS và thép TRIP .................................................. 24 1.4. Sắt xốp MIREX - nguyên liệu quan trọng sản xuất thép AHSS ở Việt Nam ........................................................................................................................ 25 1.5. Kết luận chương 1 ........................................................................................... 27 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TỔ CHỨC VÀ CƠ TÍNH CỦA THÉP TRIP .................................................................................................................... 28 2.1. Độ bền và độ dẻo của thép TRIP ..................................................................... 28 2.1.1. Luật trộn pha áp dụng trong thép TRIP.................................................... 28 2.1.2. Các nguyên lý hãm lệch để tăng bền sử dụng trong thép TRIP ............... 29 2.1.3. Hóa bền bằng dung dịch rắn và tiết pha phân tán trong thép TRIP ......... 30 2.1.4. Nguyên lý hóa bền và tăng dẻo bằng làm nhỏ hạt trong thép TRIP ........ 32 iv 2.1.5. Hai nguyên lý hóa bền và tăng dẻo bằng chuyển biến pha trong thép TRIP ................................................................................................................... 33 2.2. Nhiệt động học hình thành tổ chức thép TRIP và các yếu tố ảnh hưởng ........ 41 2.2.1. Cơ sở nhiệt động học hình thành tổ chức thép TRIP ............................... 41 2.2.2. Ảnh hưởng của C, Mn, Si đến động học hình thành tổ chức thép TRIP ................................................................................................................... 44 2.2.3. Ảnh hưởng của thông số cơ-nhiệt đến sự tạo thành tổ chức thép TRIP .. 45 2.3. Quan hệ thành phần C, Mn và Si với tổ chức và cơ tính thép TRIP ............... 47 2.4. Kết luận chương 2 ........................................................................................... 51 Chương 3. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .............................................................. 53 3.1. Sơ đồ công nghệ thực nghiệm ......................................................................... 53 3.2. Phương pháp chuẩn bị phôi và xác định các thông số nhiệt động .................. 55 3.2.1. Mác thép nghiên cứu ................................................................................ 55 3.2.2. Xác định các thông số nhiệt động ............................................................ 56 3.2.3. Gia công chuẩn bị phôi............................................................................. 58 3.3. Phương pháp xác định tổ chức và cấu trúc pha ............................................... 58 3.3.1. Nhận diện các tổ chức pha bằng hiển vi quang học ................................. 58 3.3.2. Đo cỡ hạt và tỷ lệ các pha ........................................................................ 59 3.3.3. Nhận diện austenit dư và mactenxit sau biến dạng bằng nhiễu xa tia X ......................................................................................................................... 60 3.4. Phương pháp xác định miền thông số gia công cơ-nhiệt ................................ 60 3.4.1. Xác định mức độ biến dạng cán nguội .................................................... 61 3.4.2. Xác định miền thông số xử lý nhiệt ......................................................... 63 3.5. Phương pháp xác định các đặc trưng cơ tính .................................................. 66 3.6. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm ............................................................. 66 3.7. Phương pháp xử lý số liệu bằng phần mềm thống kê Statistica ...................... 72 3.8. Kết luận chương 3 ........................................................................................... 73 Chương 4. ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CƠ-NHIỆT ĐẾN TỔ CHỨC VÀ CƠ TÍNH THÉP TRIP CMnSi LUYỆN TỪ SẮT XỐP ................................................. 75 v 4.1. Một số nhận xét về thành phần, tổ chức và cơ tính thép TRIP nghiên cứu .... 75 4.2. Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến tổ chức thép TRIP nghiên cứu ........ 78 4.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian nung đến tỷ phần và cỡ hạt ferit ... 78 4.2.2. Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến tỷ phần bainit ........................... 81 4.2.3. Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến tỷ phần và cỡ hạt austenit dư ... 81 4.3. Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến các đặc trưng bền ............................ 86 4.3.1. Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến giới hạn bền ............................. 86 4.3.2. Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến giới hạn chảy ........................... 91 4.3.3. Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến hệ số hóa bền ........................... 94 4.4. Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến các đặc trưng dẻo ............................ 96 4.4.1. Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến độ giãn dài tương đối ............... 96 4.4.2. Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến hệ số biến cứng ........................ 98 4.4.3. Ảnh hưởng của thông số công nghệ đến chỉ số hấp phụ năng lượng PSE ................................................................................................................... 101 4.5. Các phân vùng thông số công nhệ tối ưu theo tương quan độ bền - độ dẻo . 103 4.6. Ứng dụng chế độ công nghệ tối ưu độ dẻo trong xử lý bán thành phẩm dập ........................................................................................................................ 105 4.7. Kết luận chương 4 ......................................................................................... 106 KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................................... 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ.............................. 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 111 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ý nghĩa Ký hiệu/viết tắt A Độ giãn dài tương đối, [%] AHSS Thép độ bền cao tiên tiến (Advanced High Strength Steel) Ac1, Ac3 Nhiệt độ bắt đầu, kết thúc chuyển biến austenit khi nung (trạng thái không cân bằng), [0C] Ae1, Ae3 Nhiệt độ bắt đầu, kết thúc chuyển biến austenit ở trạng thái cân bằng, [0C] BH Biến cứng nung (Bake Hardening) Bs , M s Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến bainit, mactenxit, [0C] b Véc tơ Burgers b0, bi, bij, bii Các hệ số trong phương trình hồi quy CP (Thép) có cấu trúc pha phức hợp (Complex Phase Steel) C0 Hàm lượng cacbon của thép, [% khối lượng] C Hàm lượng cacbon của ferit, [% khối lượng] Cb Hàm lượng cacbon của bainit, [% khối lượng] C Hàm lượng cacbon của austenit [% khối lượng] CIA Hàm lượng cacbon của austenit trong vùng tới hạn, [% khối lượng] Cd Hàm lượng cacbon của austenit dư, [% khối lượng] cnt Nồng độ nguyên tử hòa tan DP (Thép) song pha (Dual Phase Steel) d Kích thước hoặc cỡ hạt, [µm] d Kích thước (cỡ hạt) hạt ferit, [µm] d’ Kích thước (cỡ hạt) hạt mactenxit, [µm] dd Kích thước (cỡ hạt) hạt austenit dư, [µm] FLC Đường cong biến dạng tới hạn (Forming Limit Curve) f Tỷ phần thể tích pha hoặc hạt phân tán, [%] f , fb, f và f’ Tỷ phần thể tích ferit, bainit, austenit và mactenxit, [%] f+b Tỷ phần thể tích ferit + bainit, [%] f*b Tỷ phần thể tích cuối cùng của banit, [%] feq Tỷ phần thể tích austenit trong vùng tới hạn ở trạng thái cân vii bằng, [%] fIA Tỷ phần thể tích austenit khi nung trong vùng tới hạn, [%] fd0 Tỷ phần thể tích austenit dư ban đầu (khi chưa biến dạng), [%] fd Tỷ phần thể tích austenit dư còn lại khi chịu một mức độ biến dạng nhất định, [%] ̅̅̅̅ Tỷ lệ thể tích austenit dư trung bình, [%] G Mô đun trượt (xê dịch), [GPa] hoặc Năng lượng tự do Gibbs GN Lực động lực nhỏ nhất cho chuyển biến bainit HSLA (Thép) hợp kim thấp độ bền cao (High Strength Low Alloy Steel) h, k, l Các chỉ số Miller của mặt tinh thể IF (Thép) không có nguyên tử xen kẽ (Interstitial Free Steel) IF-HS (Thép) không có nguyên tử xen kẽ độ bền cao (Interstitial Free High Strength Steel) I, I Cường độ nhiễu xạ của ferit và austenit K Hệ số bền trong luật biến cứng động lực,  = K.n, [MPa] KHCN Khoa học công nghệ Kc Hệ số bền trong các luật hóa bền dung dịch rắn Kd Hệ số biểu diễn trở lực biên giới hạt trong luật hóa bền HallPetch k, k0, k1, k2 Các hệ số hiệu chỉnh Mild Thép cacbon thấp (chứa tối đa 0,25%C) (Mild Steel) MS Thép mactenxit (Martensite Steel) Ms Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactenxit, [0C] M sσ Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactenxit nhờ ứng suất, [0C] M s Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến mactenxit do biến dạng, [0C] N Số lượng thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm NTHK Nguyên tố hợp kim N, Tổ hợp chập i và j của các đỉnh ferit và austenit trên giản đồ nhiễu xạ tia X n Hệ số biến cứng theo luật biến cứng động lực hoặc chỉ số mũ dùng chung cho các phương trình lý thuyết n Mật độ lệch viii LF Lò thùng (Ladle Furnace) - Tinh luyện thép bằng thổi khí trơ PSE Tích số giới hạn bền và độ giãn dài tương đối (Product of Tensile Strength and Elongation) Q Năng lượng hoạt hóa QHTN Quy hoạch thực nghiệm Rhkl Tham số phụ thuộc bước sóng và góc phản xạ của tia X Rp Giới hạn chảy đơn hoặc giới hạn chảy quy ước tại mức độ biến dạng dẻ 0,2% khi thử kéo, [MPa] Rm Giới hạn bền, [MPa] r Hệ số dị hướng phẳng của tấm rn Bán kính mầm mactenxit dạng đĩa s Chiều dày của tâm mầm mactenxit dạng đĩa T Nhiệt độ TRIP (Thép) dẻo do chuyển biến pha (TRansformation Induced Plasticity Steel) TSCN Thông số công nghệ TWIP (Thép) dẻo do song tinh (TWinning Induced Plasticity Steel) T0 Giá trị nhiệt độ lý thuyết tại đó năng lượng tự do của austenit và mactenxit bằng nhau, [0C] TB Nhiệt độ nguội đẳng nhiệt trong vùng chuyển biến bainit, [0C] Tnc Nhiệt độ nóng chảy, [0C] T+ Nhiệt độ nung trong vùng tới hạn, [0C] t Thời gian giữ nhiệt tB Thời gian giữ nhiệt khi nguội đẳng nhiệt trong vùng chuyển biến bainit, [Phút] t+ Thời gian giữ nhiệt khi nung trong vùng tới hạn, [Phút] u Thể tích của một đơn vị con bainit VD (Lò) khử khí chân không (Vacuum Degassing Furnace) VIM (Lò) nấu luyện cản ứng chân không (Vacuum Induction Melting Furnace) VOD (Lò) khử cacbon và khí chân không (Vacuum Oxygen Decarburization Furnace) Vng Tốc độ nguội, [0C/s] ix Vth Tốc độ nguội tới hạn, [0C/s] vln Tốc độ lớn lên của hạt vsm Tốc độ sinh mầm X1 Biến mã hóa của biến thực T+ X2 Biến mã hóa của biến thực t+ X3 Biến mã hóa của biến thực TB X4 Biến mã hóa của biến thực tB Y Ký hiệu hàm hồi quy chung Yi Giá trị hàm hồi quy tại điểm thí nghiệm i Yi Giá trị thí nghiệm tại điểm thí nghiệm i y Tỷ số rèn hoặc tỷ số biến dạng Z 0 Z Ký hiệu giá trị biến thực chung trong quy hoạch thực nghiệm Giá trị của biến thực tại tâm miền khảo sát của biến thực trong quy hoạch thực nghiệm , ’, , b,  Các pha ferit, mactenxit, austenit, bainit, cacbit (hoặc xementit) và P và peclit  Hằng số hình học hoặc hằng số hiệu chỉnh c Biến dạng trượt  Biến dạng dài  Mức độ biến dạng h Mức độ cán nguội, [%] u Mức độ biến dạng đồng đều khi kéo TRIP Mức độ biến dạng gây do do chuyển pha mactenxit , b, ’ và d Mức độ biến dạng của các pha ferit, bainit, mactenxit và austenit dư +b Mức độ biến dạng trung bình của hỗn hợp pha ferit và bainit j Hệ số phương trình hồi quy nói chung X Góc nhiễu xạ của tia X  Mật độ lệch 0 Mật độ lệch ban đầu GND Mật độ lệch hình học cần thiết tham gia biến dạng  Ứng suất x 0 Ứng suất chảy của vật đa tinh thể khi không có tương tác lệch 0c Ứng suất chảy khi lệch bắt đầu chuyển động c Ứng suất chảy của vật đa tinh thể  c* Độ chênh ứng suất chảy giữa mactenxit và austenit ,b,’và d Ứng suất (độ bền) chảy động của ferit, bainit, mactenxit và austenit dư +b Ứng suất (độ bền) chảy động của hỗn hợp pha ferit và bainit ij Các thành phần của tensơ ứng suất  Ứng suất trượt gây ra do ngoại lực đặt vào c Ứng suất trượt tới hạn i Ứng suất cản trượt do nội ma sát  Ứng suất trượt của tập hợp lệch có mật độ lệch  G Năng lượng tự do cần thiết để hình thành một tâm mầm mactenxit (’) dạng đĩa có bán kính r và chiều dày s U Năng lượng cơ học GBD Năng lượng biến dạng trên một đơn vị thể tích mactenxit (’) GHH Năng lượng tự do hóa học trên một đơn vị thể tích của mactenxit (’) Năng lượng sinh mầm mactenxit tới hạn   Năng lượng bề mặt trên một đơn vị diện tích bề mặt /’ Gm0 Lực động lực của chuyển biến tại thời điểm bắt đầu ram austenit Z Hiệu số giữa giá trị cận trên và cận dưới của biến thực khi khảo sát trong quy hoạch thực nghiệm i Sai số tuyệt đối giữa giá trị lý thuyết tính theo hàm hồi quy ( Yi ) và thực nghiệm ( Yi ) tại điểm thí nghiệm thứ I ( i  Yi  Yi ) xi DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Thành phần hóa học của thép HSLA và thép AHSS. ................................. 8 Bảng 1.2. Thành phần hóa học của một số thép TRIP theo tiêu chuẩn. ................... 11 Bảng 1.3. Một số thép dùng trong ô tô [110]. ........................................................... 15 Bảng 1.4. Thành phần hóa học của một vài nguyên liệu dùng luyện thép [77]. ....... 19 Bảng 1.5. Thành phần hóa học một số loại sắt xốp do Việt Nam sản xuất. ............. 26 Bảng 2.1. Ảnh hưởng của tỷ phần pha thép TRIP lên cơ tính. ................................. 39 Bảng 3.1. Thiết bị, phần mềm và phương pháp chính sử dụng trong Luận án. ........ 54 Bảng 3.2. Cơ tính thép dùng chế tạo các ống vỏ động cơ tên lửa. ............................ 55 Bảng 3.3. Thành phần mẻ liệu (tính cho 50 kg thép thành phẩm). ........................... 55 Bảng 3.4. Thành phần hóa học thép sau nấu và tinh luyện. ...................................... 56 Bảng 3.5. Các nhiệt độ tới hạn của thép nghiên cứu. ................................................ 56 Bảng 3.6. Giá trị R của ferit và austenit sử dụng bức xạ Cu-K [42]. .................... 60 Bảng 3.7. Dải giá trị, khoảng phân tán và độ tin cậy của các đặc trưng cơ tính thép nghiên cứu. ........................................................................................................ 66 Bảng 3.8. Bảng QHTN và kết quả các đặc trưng tổ chức và cơ tính theo phương án 1. ........................................................................................................................... 67 Bảng 3.9. Bảng QHTN và kết quả các đặc trưng tổ chức và cơ tính theo phương án 2. ........................................................................................................................... 68 Bảng 3.10. Các hàm mục tiêu theo biến mã hóa. ...................................................... 69 Bảng 3.11. Các hàm mục tiêu theo biến thực. .......................................................... 70 Bảng 3.12. Nghiệm và giá trị tối ưu giới hạn chảy theo mô hình và thực nghiệm. .. 70 Bảng 3.13. Nghiệm và giá trị tối ưu giới hạn bền theo mô hình và thực nghiệm. .... 71 Bảng 3.14. Nghiệm và giá trị tối ưu độ giãn dài theo mô hình và thực nghiệm. ...... 71 Bảng 3.15. Nghiệm và giá trị tối ưu PSE theo mô hình và thực nghiệm. ................. 71 Bảng 3.16. Phân tích ảnh hưởng các yếu tố X2, X3, X4 đến giới hạn chảy Rp1. ......... 72 Bảng 4.1. So sánh các đặc trưng tổ chức thép TRIP nghiên cứu với tổ chức điển hình của thép TRIP.................................................................................................... 76 Bảng 4.2. So sánh cơ tính thép TRIP nghiên cứu với một số thép. .......................... 77 xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Quan hệ giới hạn bền với độ giãn dài của một số thép kết cấu [110]. ........ 5 Hình 1.2. Tổ chức thép HSLA và AHSS [53]............................................................. 9 Hình 1.3. Tổ chức thép TRIP trước và sau khi biến dạng [60]. ................................ 12 Hình 1.4. Đóng góp của chuyển pha mactenxit đến tăng bền, tăng dẻo của thép TRIP [38]................................................................................................................... 12 Hình 1.5. Quan hệ độ giãn dài với tỷ phần austenit dư của thép TRIP và DP [29]. ........................................................................................................................... 12 Hình 1.6. Quan hệ độ bền kéo và độ giãn dài của một số thép [28]. ........................ 14 Hình 1.7. Cơ tính của thép TRIP, DP và HSLA có cùng giới hạn chảy [110]. ........ 15 Hình 1.8. Ảnh hưởng của hệ số biến cứng đến khả năng dập tấm trong thép HSLA340 và thép TRIP600 [81]. ............................................................................. 16 Hình 1.9. Biểu đồ FLC của thép TRIP600, DP600, HSLA340 và DDS [81]........... 17 Hình 1.10. Lưu trình công nghệ sản xuất thép kinh điển và tiến tiến. ...................... 18 Hình 1.11. Sơ đồ công nghệ cơ-nhiệt sản xuất một số thép AHSS [40]. .................. 21 Hình 1.12. Hai sơ đồ công nghệ cơ-nhiệt sản xuất thép TRIP [124]. ....................... 22 Hình 1.13. Một số sản phẩm chế tạo từ thép AHSS [100]. ...................................... 25 Hình 1.14. Sơ đồ xử lý cơ tính thép AHSS dùng dập nóng sản phẩm [113]. ........... 25 Hình 1.15. Sản phẩm dập vuốt sâu từ thép TRIP, DP và MS [25], [111]. ................ 25 Hình 2.1. Mô tả cách xác định độ bền và độ biến dạng của vật thể đa pha [49]. ..... 28 Hình 2.2. So sánh ứng suất vi mô và ứng suất tính toán xét và không xét đến đóng góp của mactenxit [71]. .................................................................................... 29 Hình 2.3. Cơ chế sinh lệch [99]. ............................................................................... 30 Hình 2.4. Ảnh hưởng của NTHK đến giới hạn chảy ferit [30]. ................................ 30 Hình 2.5. Đóng góp của các cơ chế hóa bền đến độ bền của thép [57]. ................... 31 Hình 2.6. Ảnh hưởng của Nb đến cơ tính thép TRIP [60]. ....................................... 31 Hình 2.7. Ảnh hưởng của Ti đến cơ tính thép TRIP [84]. ........................................ 31 Hình 2.8. Quan hệ cơ tính với cỡ hạt ferit trong thép TRIP CMnSi [114]. .............. 32 Hình 2.9. Lệch dịch chuyển qua biên hạt trong tổ chức hạt nhỏ [99]. ...................... 33 Hình 2.10. Mô tả tích tụ lệch tại phân giới pha trong thép TRIP [118]. ................... 34 Hình 2.11. Tổ chức bainit trong thép TRIP [22]: ...................................................... 34 xiii Hình 2.12. Quan hệ ứng suất-biến dạng ferit và bainit của các thép TRIP [39]. ...... 34 Hình 2.13. Năng lượng tự do của mactenxit và austenite [33]. ................................ 36 Hình 2.14. Ứng suất cần thiết gây ra chuyển biến mactenxit dưới tải cơ học [33]. ........................................................................................................................... 36 Hình 2.15. Mặt chảy Misses của pha nền: 1- không có chuyển pha; 2- có chuyển pha mactenxit. ........................................................................................................... 37 Hình 2.16. Lệch hình thành quanh hạt mactenxit [71].............................................. 37 Hình 2.17. Đường cong ứng suất-biến dạng và tốc độ biến cứng của thép TRIP [76]. ........................................................................................................................... 38 Hình 2.18. Mức độ biến dạng của pha nền tăng khi tăng tỷ lệ pha rắn thứ hai [21]. ........................................................................................................................... 39 Hình 2.19. Quan hệ giới hạn bền và độ giãn dài của một số thép TRIP [112]. ........ 40 Hình 2.20. Biểu đồ ứng suất-biến dạng của thép TRIP 0,14C-1,5Mn-1,5Si0,5Cu [35]. ................................................................................................................ 40 Hình 2.21. Giản đồ pha hệ Fe-C-Mn-Si. ................................................................... 41 Hình 2.22. Động học kết tinh lại ferit và hình thành austenit (thép CMnSi) [122]. ......................................................................................................................... 41 Hình 2.23. Giản đồ nguội đẳng nhiệt của austenit trong thép TRIP. ........................ 42 Hình 2.24. Mô tả chuyển biến bainit [15]. ................................................................ 43 Hình 2.25. Đường cân bằng năng lượng T0 giữa ferit và austenit [22]. .................... 43 Hình 2.26. Quan hệ nhiệt độ nung với tỷ phần austenit dư [101]. .......................... 45 Hình 2.27. Tổ chức thép TRIP khi nguội đến nhiệt độ phòng [49]. ......................... 46 Hình 2.28. Quan hệ tỷ phần austenit dư với nhiệt độ bainit [98].............................. 47 Hình 2.29. Quan hệ tỷ phần austenit dư với thời gian đẳng nhiệt bainit [86]........... 47 Hình 2.30. Sự phụ thuộc của hàm lượng C nhiệt độ và thời gian nguội đẳng nhiệt: .......................................................................................................................... 48 Hình 2.31. Quan hệ tỷ phần austenit dư với hàm lượng C trong thép TRIP xC1,2Mn-1,2Si [109]. .................................................................................................... 48 Hình 2.32. Ảnh hưởng C đến tỷ phần austenit dư và cơ tính của thép TRIP xC1,2Mn-1,2Si [109]. .................................................................................................... 48 Hình 2.33. Ảnh hưởng Mn đến tỷ phần austneit dư và cơ tính thép TRIP CMnSi [67]. ........................................................................................................................... 49 xiv Hình 2.34. Ảnh hưởng Si đến tỷ phần austneit dư và cơ tính thép TRIP CMnSi [67]. ........................................................................................................................... 50 Hình 2.35. Quan hệ tỷ phần austenit dư và cơ tính với hàm lượng Si và Mn trong thép TRIP CMnSi [116]................................................................................... 50 Hình 2.36. Quan hệ giới hạn bền với hàm lượng C-Mn-Si trong thép TRIP. .......... 51 Hình 2.37. Quan hệ độ giãn dài tương đối với hàm lượng C-Mn-Si trong thép TRIP. ......................................................................................................................... 51 Hình 3.1. Sơ đồ công nghệ thực nghiệm. .................................................................. 53 Hình 3.2. Quan hệ tỷ lệ pha với nhiệt độ nung. ........................................................ 56 Hình 3.3. Biểu đồ đo giãn nở nhiệt thép nghiên cứu. ............................................... 57 Hình 3.4. Quan hệ giữa nhiệt độ Ms, Bs và hàm lượng C, Mn, Si của austenit phụ thuộc nhiệt độ trong vùng tới hạn tính toán theo Jmatpro. ................................ 57 Hình 3.5. Tổ chức tế vi thép nghiên cứu sau đúc, rèn và cán nóng. ......................... 58 Hình 3.6. Mô tả cách xác định tỷ phần pha bằng ImageJ. ........................................ 59 Hình 3.7. Sơ đồ gia công cơ-nhiệt nghiên cứu.......................................................... 60 Hình 3.8. Rạn nứt trên mẫu cán nguội 85%. ............................................................. 61 Hình 3.9. Tổ chức tế vi các mẫu thép với các mức độ cán nguội khác nhau. ........... 62 Hình 3.10. Tổ chức tế vi các mẫu thép cán nguội với các mức độ biến dạng khác nhau được nung ở 7500C, giữ nhiệt 10 phút và làm nguội trong nước. ........... 62 Hình 3.11. Tổ chức tế vi các mẫu thép cán nguội với các mức độ biến dạng khác nhau được nung ở 7800C, giữ nhiệt 10 phút và làm nguội trong nước. ........... 62 Hình 3.12. Tổ chức tế vi các mẫu thép cán nguội với các mức độ biến dạng khác nhau được nung ở 8100C, giữ nhiệt 10 phút và làm nguội trong nước. ........... 62 Hình 3.13. Sự phụ thuộc của tỷ phần pha ferit, austenite và cơ hạt ferit vào nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt khi nung trong vùng tới hạn. ............................................. 63 Hình 3.14. Quan hệ tỷ phần austenit dư với nhiệt độ và thời gian bainit. ................ 64 Hình 3.15. Biểu đồ nhiệt độ khi nung tại các nhiệt độ khác nhau và làm nguội trong muối nóng chảy ở 4000C. ................................................................................ 65 Hình 3.16. Tốc độ nguội tới hạn thép nghiên cứu tính toán theo Jmatpro tại các nhiệt độ nung khác nhau. .......................................................................................... 65 Hình 3.17. Mẫu thử kéo (dày 2 mm). ........................................................................ 66 Hình 3.18. Sơ đồ thiết kế tìm kiếm miền tối ưu TSCN. ........................................... 73 xv Hình 4.1. Tổ chức tế vi của mẫu 80B-4 sau xử lý cơ-nhiệt. ..................................... 75 Hình 4.2. Tổ chức tế vi của mẫu 80B-14. ................................................................. 76 Hình 4.3. Tổ chức tế vi của mẫu 80-B23. ................................................................. 76 Hình 4.4. Quan hệ giới hạn bền và độ giãn dài tương đối của thép TRIP nghiên cứu. ............................................................................................................................ 77 Hình 4.5. Biểu đồ ứng suất-biến dạng của thép nghiên cứu ở trạng thái cán nóng, xử lý TRIP và thép 08. .................................................................................... 78 Hình 4.6. Quan hệ tỷ phần và cỡ hạt ferit với nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt khi nung. .......................................................................................................................... 79 Hình 4.7. Mô tả thực tế tỷ phần austenit tăng và cỡ hạt ferit giảm khi tăng nhiệt độ nung trong vùng hai pha. ...................................................................................... 79 Hình 4.8. Quan hệ tỷ phần bainit với các TSCN. ......................................................... 80 Hình 4.9. Quan hệ tỷ phần austenit dư với các TSCN. ................................................. 82 Hình 4.10. Đường nhiệt độ cân bằng T0 của austenit có thành phần hợp kim của thép nghiên cứu tính theo Jmatpro. ........................................................................... 83 Hình 4.11. Quan hệ cỡ hạt austenit dư với các TSCN. ................................................. 85 Hình 4.12. Quan hệ giới hạn bền với các TSCN. ......................................................... 87 Hình 4.13. Biểu đồ ứng suất-biến dạng của thép nghiên cứu ứng với mẫu 80IA5 và 80IA-8. .............................................................................................................. 88 Hình 4.14. Biểu đồ nhiễu xạ X-ray mẫu thép 80B-14 trước và sau khi kéo. ............ 89 Hình 4.15. Quan hệ giới hạn bền với thời gian giữ nhiệt bainit trong thép TRIP 0,1C-1,51Mn-0,94Si-0,49Cu [87]. ............................................................................ 90 Hình 4.16. Quan hệ giới hạn chảy với các TSCN. ....................................................... 92 Hình 4.17. Quan hệ giữa hệ số hóa bền với các TSCN. ............................................... 95 Hình 4.18. Quan hệ giữa độ giãn dài tương đối với các TSCN. ................................... 97 Hình 4.19. Quan hệ hệ số biến cứng với các TSCN. .................................................... 99 Hình 4.20. Quan hệ giữ PSE với các TSCN. ............................................................. 102 Hình 4.21. Phân vùng tổ chức và TSCN theo tương quan độ bền-độ dẻo. ............. 103 Hình 4.22. Quan hệ độ bền-độ dẻo thép TRIP CMnSi kiểm chứng. ...................... 105 Hình 4.23. Bán thành phẩm trước và sau khi dập. .................................................. 106 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Luận án Hiện nay, ngành luyện kim thế giới đang phát triển theo hướng sản xuất các loại thép bền hơn, dẻo hơn, giá thành thấp và công nghệ thân thiện môi trường hơn. Cuối thế kỷ 20, ngành thép thế giới đã có nhiều cuộc cách mạng công nghệ: công nghệ hoàn nguyên trực tiếp quặng sắt cho sản phẩm là sắt (gang) hoàn nguyên trực tiếp, trong đó, có sắt xốp, có hàm lượng C và tạp chất P, S thấp, được dùng thay gang và sắt phế để luyện các mác thép chất lượng cao; công nghệ luyện thép lò điện và tinh luyện thứ cấp khử sâu tạp chất, nhất là các khí; công nghệ đúc liên tục thay thế đúc gù và đúc cán liên tục thay thế cán thô; công nghệ cơ-nhiệt tạo các hiệu ứng tổ chức đặc biệt có lợi cho thuộc tính cơ học. Nhờ ứng dụng các thành tựu khoa học công nghệ (KHCN) mới, thép độ bền cao tiên tiến (thép AHSS) đã ra đời như thép song pha (thép DP), thép dẻo do chuyển biến pha (thép TRIP)... Thép AHSS có ưu việt là có sự kết hợp hài hòa độ bền cao, độ dẻo tốt và biến cứng nguội lớn. Thép được dùng để chế tạo các kết cấu chịu lực như vỏ khung dầm xe ô tô; dập sâu tạo ống chịu áp lực như vỏ bình cao áp, động cơ phản lực trong quốc phòng … Thép AHSS đang tạo ra một cuộc mạng về sử dụng vật liệu bền-dẻo, như công bố của hãng FSV-Mỹ [110], tỷ lệ sử dụng thép AHSS năm 2007 là 9,5% và tăng lên 34,8% năm 2015, nhờ đó, khối lượng phần thân xe giảm 25%. Trong khi đó, công nghệ sản xuất thép trong nước vẫn theo hướng truyền thống “Luyện gang lò cao  Luyện thép lò điện  Đúc, cán thành phôi” để sản xuất thép xây dựng, chưa theo hướng công nghệ thế giới sản xuất các loại thép tiên tiến, chất lượng cao phục vụ công nghiệp dân dụng và quốc phòng. Nước ta, hiện đã có 02 nhà máy sản xuất sắt xốp cung cấp ra thị trường (MIREX - Cao Bằng và MATEXIM - Bắc Kạn), đã mở ra triển vọng mới cho ngành vật liệu thép hợp kim Việt Nam, tiền đề cho sản xuất thép chất lượng cao. Năm 2014, nhà nước đã giao cho Công ty MIREX chủ trì dự án KHCN có nhiệm vụ sản xuất thép hợp kim từ sắt xốp phục vụ kinh tế và quốc phòng. Nhờ dự án, một “nhóm nghiên cứu thép hợp kim luyện từ sắt xốp” đã thực hiện các nghiên 2 cứu chuyên sâu cả về lý thuyết và thực nghiệm sản xuất nhiều mác thép khác nhau từ sắt xốp, kết quả cho thấy, thép luyện từ sắt xốp sạch hơn, cơ tính đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn [2]. Từ nguồn kinh phí dự án, MIREX đã đầu tư lò tinh luyện chân không VIM 300 - Nhật Bản, có mục đích dùng tinh luyện, khử tạp chất và các loại khí (O2, H2, N2) để tăng cơ tính tổng hợp, nhất là tính tạo hình các mác thép đặc biệt. Đây là một bước đột phá công nghệ, tạo tiền đề đưa một công nghệ tiên tiến vào sản xuất phôi thép cao cấp ở Việt Nam. Hiện nay, quân đội rất cần sản xuất và cung cấp nhiều loại thép đặc biệt dùng tạo hình các ống chịu áp lực cao bằng công nghệ dập vuốt sâu, đồng thời đòi hỏi độ sạch tạp chất cao, hàm lượng P, S thấp và được khử khí bằng tinh luyện. Trước yêu cầu sản phẩm quốc phòng, “nhóm nghiên cứu thép hợp kim luyện từ sắt xốp” đã thử nghiệm luyện và tinh luyện một số mác thép AHSS - phân nhóm DP, TRIP từ sắt xốp, đã bước đầu khẳng định năng lực công nghệ luyện được thép đúng yêu cầu. Tác giả nhận thấy, cần có nghiên cứu cơ bản tiếp sau công nghệ luyện, nghiên cứu về công nghệ cơ-nhiệt sản xuất nhóm thép TRIP để chứng minh một công nghệ mới áp dụng vào sản xuất phôi thép bền, dẻo ở Việt Nam, phục vụ công nghiệp nội địa, công nghiệp quốc phòng. Do vậy, thực hiện đề tài “Ảnh hưởng của thông số công nghệ cơ - nhiệt đến tổ chức và cơ tính của thép TRIP CMnSi luyện từ sắt xốp” là nhiệm vụ cần thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu xác lập các quan hệ giữa một số thông số công nghệ cơ-nhiệt với cơ tính của một mác thép TRIP CMnSi có xét đến quan hệ trung gian với tổ chức để điều khiển công nghệ nhằm tìm ra các bộ thông số công nghệ tối ưu độ bền và độ dẻo theo yêu cầu sử dụng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Luận án chọn một mác thép TRIP CMnSi luyện từ sắt xốp có thành phần hóa học trong tiêu chuẩn, sử dụng công nghệ cơ-nhiệt tạo thép có hiệu ứng TRIP với tổ chức ba pha ferit, bainit và austenit dư, khảo sát và tìm ra các quy luật. 3 Phạm vi nghiên cứu: Tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của 4 thông số công nghệ cơ-nhiệt là nhiệt độ-thời gian nung, nhiệt độ - thời gian nguội đẳng nhiệt đến tổ chức và cơ tính của thép TRIP nghiên cứu. Chế độ biến dạng cán (yếu tố cơ) được cố định, nhưng được thực nghiệm xác định đảm bảo cho được tổ chức hạt nhỏ mịn. Các thông số công nghệ khác trong quá trình tạo phôi thép cũng được giữ cố định, nhưng được lựa chọn dựa trên các quy luật khoa học sẵn có. - Hàm mục tiêu chính: Các đặc trưng bền (giới hạn chảy, giới hạn bền, tỷ số giới hạn bền trên giới hạn chảy) và các đặc trưng dẻo (độ giãn dài tương đối, hệ số biến cứng và tích số giới hạn bền nhân độ giãn dài tương đối). - Hàm mục tiêu trung gian: tỷ phần và cỡ hạt các pha. 4. Nội dung nghiên cứu 1. Đặc điểm thép AHSS-TRIP và công nghệ sản xuất. Trong đó, trọng tâm giải thích các khái niệm, các đặc điểm cơ bản về thành phần, tổ chức, cơ tính và công nghệ sản xuất thép AHSS, nhất là thép TRIP, từ đó, xác định các nhiệm vụ cần giải quyết của Luận án. 2. Cơ sở lý thuyết về tổ chức và cơ tính của thép TRIP. Trong đó, tập trung phân tích cơ sở lý thuyết độ bền và độ dẻo của thép TRIP, về hình thành tổ chức thép TRIP và các yếu tố ảnh hưởng, về quan hệ thành phần với tổ chức và cơ tính để làm cơ sở khoa học cho thực nghiệm. 3. Thực nghiệm khoa học. Dựa trên phân tích tổng quan và cơ sở lý thuyết, kết hợp các công cụ phần mềm, phương pháp và thiết bị nghiên cứu hiện đại để xác định miền thông số cơ-nhiệt nghiên cứu cho một mác thép CMnSi đã được luyện từ sắt xốp. Tiến hành các thực nghiệm theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm (QHTN) để có bộ số liệu quan hệ giữa biến đầu vào là các thông số cơ-nhiệt với biến mục tiêu là các đặc trưng tổ chức và cơ tính. 4. Ảnh hưởng của thông số công nghệ cơ-nhiệt đến tổ chức và cơ tính của thép TRIP CMnSi luyện từ sắt xốp. Từ số liệu nghiên cứu, thiết lập các quy luật quan hệ Cơ tính - Thông số công nghệ - Tổ chức của thép TRIP nghiên cứu. Phân tích và rút ra các miền thông số công nghệ có độ bền, độ dẻo tối ưu.