Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đương lượng đến cơ tính của thép 16Mn

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đương lượng đến cơ tính của thép 16Mn. Các mẫu thép được nấu-luyện trong lò cảm ứng trung tần để đạt thành phần hóa học theo yêu cầu, đúc thỏi và rèn nóng.

Effect of equivalent carbon content on mechanical properties of steel 16Mn

Bùi Anh Hòa, Nguyễn Minh Thuyết Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

TÓM TẮT

    Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đương lượng đến cơ tính của thép 16Mn. Các mẫu thép được nấu-luyện trong lò cảm ứng trung tần để đạt thành phần hóa học theo yêu cầu, đúc thỏi và rèn nóng. Kết quả thu được cho phép kết luận có thể sử dụng hàm lượng cacbon đương lượng trong việc lựa chọn thành phần của các nguyên tố C Mn, Si trong thép để cơ tính của sản phẩm đáp ứng được tiêu chuẩn đặt ra. Trong điều kiện nghiên cứu này, hàm lượng cacbon đương lượng của thép 16Mn được xác định cần phải lớn hơn 0,41%. Ngoài ra, kết quả cũng cho thấy hàm lượng Mn của thép tăng từ 0,75% đến 1,58% còn có tác dụng làm giảm kích thước của ferit từ 70μm xuống 30μm và góp phần tăng tỷ lệ peclit trong thép từ 40% lên 60%.

    Từ khóa: cacbon đương lượng, cơ tính, ferit, peclit.

ABSTRACT

    In this work the effect of equivalent carbon content on mechanical properties of steel 16Mnis is investigated with desired chemical composition. Samples were prepared from alloy steel melted in a medium-frequency induction furnace then ingot-casted and hot-forged. The obtained results showed that the equivalent carbon content could be used to select content of C, Mn, Si in the steel, so that mechanical properties of this steel meet all the requirements. In the present condition, equivalent carbon content of the steel 16Mn was determined to be more than 0.41%. It was found that an increase of Mn content in the steel from 0.75% to 1.58% caused a decrease in grain size of fer- rite from 70μm to 30μm and contributed in an increase of pearlite ratio in the steel from 40% to 60%.

    Keywords: equivalent carbon, mechanical properties, ferrite, pearlite.

1. Đặt vấn đề

    Thép 16Mn được sử dụng nhiều trong các kết cấu xây dựng, trong công nghiệp đóng tầu, và trong sản xuất các loại bình chứa chịu áp lực. Loại thép này đòi hỏi phải có độ bền cao, tính dẻo và tính hàn tốt để dễ cán thành tấm mỏng hoặc chế tạo các kết cấu lớn. Theo tiêu chuẩn [1], yêu cầu về thành phần hóa học và cơ tính của thép 16Mn như liệt kê trong Bảng 1.

    Như vậy, nguyên tố hợp kim chủ yếu của loại thép này là mangan (Mn) có giá thành thấp hơn các nguyên tố hợp kim khác nên góp phần làm giảm chi phí sản xuất, tăng sức cạnh tranh của thép 16Mn trên thị trường. Do hàm lượng C và các nguyên tố như Mn, Si trong thép có ảnh hưởng khác nhau tới đặc tính của thép nên cacbon đương lượng (C_đl ) thường được sử dụng để đánh giá tổng quát mức độ ảnh hưởng của các nguyên tố đến cơ tính và tính hàn của các loại thép kết cấu thông dụng.

    Đối với hệ thép C-Mn như thép 16Mn, C_dl có thể được xác định bởi công thức (1) do Deardon-O’Niell đề xuất và được Viện Nghiên cứu Quốc tế về Hàn (IIW) sử dụng để đánh giá tính hàn của thép [2,3]; tuy nhiên, công thức (2) được sử dụng phổ biến hơn để đánh giá cơ tính (độ bền, độ cứng) của loại thép kết cấu [4].Trong nghiên cứu này, công thức (2) được sử dụng để tính toán hàm lượng C_dl với mục đích đánh giá sự ảnh hưởng đồng thời của các nguyên tố như C, Mn và Si đến cơ tính của thép 16Mn.

    Ngoài ra, ảnh hưởng của nguyên tố Mn đến tổ chức và độ cứng tế vi của các mẫu thép cũng được xem xét và nghiên cứu. .

2.Thực nghiệm

    Các mẫu thép sử dụng cho thí nghiệm được chế tạo theo quy trình: (1) nấu chảy thép phế trong lò điện cảm ứng trung tần và hợp kim hóa để đạt được thành phần hóa học theo yêu cầu; (2) rót đúc trong khuôn kim loại với kích thước thỏi thép 40x200mm; (3) rèn nóng thỏi thép xuống 25 mm trong phạm vi nhiệt độ 1100~ 900°C, sau đó để nguội tự nhiên ngoài không khí; (4) chuẩn bị mẫu cho thử cơ tính kiểm tra tổ chức tế vi,... với hình dạng và kích thước theo tiêu chuẩn quy định.

    Kết quả phân tích thành phần hóa học của các mẫu thép 16Mn được trình bày trong Bảng 2.

Bảng 2. Thành phần hóa học của các mẫu thép 16Mn (%)

    C_dl được tính theo công thức (2). Hàm lượng Mn trong mẫu S1 (0,75%) và hàm lượng C trong mẫu S3 (0,27%) được chọn thấp hơn (đối với Mn) và cao hơn (đối với C) so với tiêu chuẩn thường sử dụng để làm rõ hơn vai trò của cacbon đương lượng cũng như của nguyên tố C hoặc Mn đối với cơ tính của loại thép 16Mn này.

3. Kết quả và thảo luận

    Kết quả kiểm tra cơ tính của các mẫu thép trong Bảng 3 cho thấy tất cả các mẫu thí nghiệm đều có độ bền cao và tính dẻo tốt hơn so với yêu cầu (xem Bảng 1). Tuy nhiên, mẫu S1 có giới hạn chảy chỉ đạt 305 MPa, trong khi yêu cầu là ≥ 315 MPa. Điều này có thể được giải thích là do hàm Để thấy rõ ảnh hưởng đồng thời của các nguyên tố, mối quan hệ giữa hàm lượng cacbon đương lượng và cơ tính của các mẫu thép 16Mn được biểu diễn trong Hình 1.    

Hình 1. Mối quan hệ giữa C_đl và cơ tính của mẫu thép 16Mn

Bảng 3. Cơ tính của các mẫu thép 16Mn

    Giới hạn bền của các mẫu thép được thấy là tăng lên theo hàm lượng cacbon đương lượng; ngược lại, độ giãn dài của các mẫu thép lại bị giảm xuống mặc dù vẫn đảm bảo yêu cầu đặt ra. Mẫu S1 có C_dl thấp (0,35%), cụ thể là hàm lượng Mn quá thấp (0,75%) nên giới hạn chảy không đạt yêu cầu. Để đạt được chỉ tiêu cơ tính quy định, thành phần hóa học của thép 16Mn cần điều chỉnh C_dl lớn hơn 0,41% bằng cách giữ nguyên hàm lượng C, Si và tăng hàm lượng Mn lên khoảng 1,05%; hoặc là có thể tăng đồng thời C và Mn. Với mục đích làm rõ hơn vai trò của cacbon đương lượng, các mẫu thép được kiểm tra tổ chức tế vi trên kính hiển vi quang học. Tổ chức tế vi đặc trưng của các mẫu thép 16Mn gồm pha ferit (màu trắng) và pha peclit (màu đen) như trong Hình 2.

Hình 2. Tổ chức tế vi của mẫu thép 16Mn

    Dựa trên ảnh tổ chức tế vi, kích thước trung bình của ferit được xác định qua đường kính của các vòng tròn tương ứng với mỗi hạt ferit. Có thể nhận xét rằng, khi hàm lượng Mn tăng từ 0,75% (mẫu S1) đến 1,58% (mẫu S2) thì kích thước ferit giảm từ 70μm (mẫu S1) xuống 30μm (mẫu S2). Kết quả này góp phần củng cố thêm kết luận của Rongjie SONG [6] về vai trò làm giảm kích thước ferit khi tăng hàm lượng Mn trong thép. Trong nghiên cứu của mình [7], Eddy Alfaro LOPEZ cũng đã kết luận rằng hàm lượng Mn trong thép tăng lên sẽ làm giảm nhiệt độ chuyển biến austenit khi làm nguội. Chính điều này là nguyên nhân làm chậm lại quá trình tạo thành ferit và dẫn tới làm giảm kích thước ferit.

    So sánh tổ chức tế vi của các mẫu thép (xem Hình 2) còn cho thấy tỷ lệ peclit trong thép cũng tăng lên từ 40% (mẫu S1) lên 60% (mẫu S2) khi hàm lượng cacbon đương lượng tăng từ 0,35% lên 0,56%. C và Mn là những nguyên tố có khả năng tạo cacbit [5,6] nên tăng hàm lượng của chúng sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành phức cacbit trong peclit, dẫn tới làm giảm hàm lượng C hòa tan trong ferit và nâng cao tính dẻo của pha này. Vì vậy, để làm sáng tỏ cần tiến hành các nghiên cứu chi tiết hơn thông qua kiểm tra độ cứng tế vi và phân bố nguyên tố bằng phổ phân tán năng lượng tia rơngen (EDX) của ferit và peclit trong các mẫu thép.

    Mối quan hệ giữa hàm lượng cacbon đương lượng và độ cứng tế vi của các mẫu thép 16Mn được mô tả trong Hình 3.

Hình 3. Mối quan hệ giữa C_đl và độ cứng tế vi của các mẫu thép

    Nhìn chung, độ cứng của peclit và ferit tăng lên khi hàm lượng cacbon đương lượng tăng. Mẫu S1 có hàm lượng C_dl , thấp (0,35%) nên độ cứng của peclit cũng thấp hơn so với mẫu S2 và S3 có hàm lượng Cát cao hơn. Nguyên nhân có thể là do hàm lượng C và Mn tăng lên sẽ dẫn tới tăng tỷ lệ xêmentit trong peclit, kết quả là làm tăng độ cứng của peclit. Tương tự, độ cứng của ferit cũng tăng lên khi tăng hàm lượng C_dl từ 0,35% (mẫu S1) đến 0,56% (mẫu S2) và 0,60% (mẫu S3). Về cơ bản. ferit được hình thành do sự hòa tan của nguyên tử C vào trong Fe-α [8] nên hàm lượng C trong thép tăng lên sẽ làm tăng độ cứng của ferit. Mn là nguyên tố có thể hòa tan vô hạn vào Fe-α [5,8] nhưng khi thép được làm nguội chậm ngoài không khí thì các nguyên tử Mn có thể đã khuếch tán một phần ra khỏi dung dịch Fe-α và tạo thành phức cacbit (Fe,Mn)xC trong peclit [6]. Vì vậy, độ cứng của ferit không phải được quyết định bởi hàm lượng Mn mà là do hàm lượng C nên độ cứng của ferit trong mẫu S3 (có %Mn = 1,39 và %C=0,27) cao hơn trong mẫu S2 (có %Mn = 1,58 và %C=0,21).

    Trong thực tế, hàm lượng C trong thép 16Mn thường được khống chế nhỏ hơn 0,22% để tăng độ dẻo và nâng cao tính hàn của thép; và nguyên tố tăng bền chủ yếu là Mn với hàm lượng nhỏ hơn 1,60%. Ngoài ra, sử dụng các biện pháp như làm nguội nhanh sau cán hoặc hợp kim hóa vi lượng sẽ làm nhỏ kích thước của hạt ferit xuống khoảng 10mm và làm tăng mạnh độ bền của loại thép này [9, 10]. Kết quá vi phân tích (EDX) của ferit cho thấy khi hàm lượng Mn trong mẫu S2 lớn (Hình 4b) thì Pic của Mn xuất hiện rõ nét hơn so với mẫu S1 (Hình 4a). Điều này chứng tỏ Mn có hòa tan vào Fe-α là cùng với C đã hóa bền cho ferit, dẫn tới làm tăng độ bền của thép. Khi hàm lượng Mn trong thép tăng lên, lượng Mn hòa tan vào Fe-α sẽ tăng lên tương ứng.

Hình 4. Phổ EDX của ferit trong các mẫu thép 16Mn

    Điều này cũng được Rongjie SONG [6] khẳng định khi thực hiện vi phân tích phổ phân tán năng lượng trên hiển vi điện tử truyền qua (TEM-EDS) hàm lượng Mn trong ferit của thép C-Mn. Tuy nhiên, giới hạn hòa tan của Mn vào Fe-α cũng như sự hình thành phức cacbit trong peclit cần được nghiên cứu kỹ lưỡng hơn.

4. Kết luận

    Các kết quả thu được từ nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cacbon đương lượng đến cơ tính của thép 16Mn cho phép đưa ra một số kết luận như sau:

    (1) Khi hàm lượng cacbon đương lượng trong thép 16Mn tăng thì độ bền của thép tăng lên và độ dẻo giảm xuống. Khi hàm lượng C_dl tăng từ 0,35% đến 0,56% thì giới hạn bền tăng từ 5 ÷ 10MPa lên 613 MPa, giới hạn chảy tăng từ 305MPa lên 336MPa và độ giãn dài thay đổi trong phạm vi 28~24%. Để đạt được các chỉ tiêu về cơ tính, hàm lượng cacbon đương lượng của thép 16Mn trong điều kiện nghiên cứu này phải lớn hơn 0,41%. Dựa trên hàm lượng cacbon đương lượng tính toán có thể lựa chọn thành phần hóa học của các nguyên tố C, Mn và Si trong thép một cách hợp lý.

    (2) Mn là nguyên tố hợp kim rất quan trọng đối với thép 16Mn. Tăng hàm lượng Mn trong thép 16Mn sẽ có tác dụng làm nhỏ ferit, tăng cường sự tạo thành xementit và hóa bền ferit: kết quả là làm tăng độ bền nhưng vẫn đảm bảo tính dẻo của thép. Khi hàm lượng Mn của thép 16Mn tăng từ 0,75% đến 1,58% thì kích thước của ferit giảm từ 70mm xuống 30mm và tỷ lệ peclit trong thép tăng từ 40% lên 60%. Theo ước tính, hàm lượng Mn nên khống chế lớn hơn 1,05% để thép có thể đạt được độ bền và độ dẻo cần thiết theo yêu cầu.

    (3) Cần tiến hành nghiên cứu sâu hơn về sự hiện diện của nguyên tố Mn trong ferit và vai trò của Mn trong việc tạo thành xementit trong peclit của thép 16Mn trên các thiết bị hiện đại và kính hiển vi có độ phân giải cao hơn.

[symple_box color="yellow" text_align="left" width="100%" float="none"]

Tài liệu trích dẫn

1. Ngô Trí Phúc, Trần Văn Địch, Sổ tay sử dụng thép thế giới; Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2005
2. Vladimir Ginzburg. Robert Ballas; Flat rolling fundamentals; CRC Press 2000 pp. 141-142
3. John F. Lancaster; Metallurgy of welding (6th edition); Allen&Unwin Publisher, London, 2005
4. Shunichi HASHIMOTO and Morifumi NAKAMURA; Effect of microalloying elements on mechanical proper- ties of reinforcing bars; ISIJ international, Vol. 46, 2006. No. 10. pp. 1510-1515
5. James H. Davidson; Microstructure of steels and cast irons, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York, 2004
6. Rongjie SONG, Dirk PONGE and Dierk RAABE; Influence of Mn content on the microstructure and mechan- ical properties of ultrafine grain C-Mn steels; ISIJ international, Vol. 45, 2005, No. 11, pp. 1721-1726
7. Eddy Alfaro LOPEZ, Martin Herrea TREJO; Effect of C and Mn variations upon the solidification mode and surface cracking susceptibility of peritectic steels; ISIJ international, Vol. 49, 2009, No. 6, pp. 851-858
8. Lê Công Dưỡng (chủ biên); Vật liệu học;Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1997
9. Han DONG, Xịngun SUN, Weijun HUI; Grain refinement in steels and the application trials in China; ISIJ inter- national, Vol. 48, 208, No. 8, pp. 1126-1132
10. Hailong YI, Linxiu Du, Guodong Wang; Development of a hot-rolled low carbon steel with high yeld strength; ISIJ international, Vol. 46, 2006, No. 5, pp. 750-758

[/symple_box][symple_clear_floats]