Đặc tính phá hủy cơ học của thép hợp kim Bo

Trong bài báo này đưa ra một số kết quả nghiên cứu các tính chất cơ học phá huỷ cửa thép hợp kim bo mác C50B.

Mechanical fracture charaters of Bo steels

TS. Nguyễn Văn Sưa Viện luyện kim đen

Tóm tắt

    Bài báo này đưa ra các kết quả nghiên cứu các tính chất về cơ học phá huỷ của thép hợp kim bo mác C50B. Đó là độ dai phá huỷ K_ic và cơ chế phá huỷ. Đây là các tính chất quan trọng đánh giá khả năng chống phá huỷ của vật liệu, đặc biệt quan trọng đối với các chi tiết ở dạng ống thành dầy, tấm dầy như nòng súng, vỏ tầu thuỷ, vỏ lò phản ứng hạt nhân...

Abtract

    This paper presents research resuls on practive charater of Bo steel mark C50B. K_ic figue factor and practive mechanison. It’s very important properties on ability to resist produce of specialy for tube of high thickness, thick plat as gun barsel, ship body, body of nuclear reactor.

1. Đặt vấn đề

    Bo là nguyên tố được Humphry Davy và Gaylussac phát minh năm 1808. Bo là một nguyên tố á kim, có các đặc tính gần giống nguyên tố cacbon. Lúc đầu người ta chưa biết được hết ảnh hưởng của bo trong thép và hàm lượng tối ưu của nó. Sau đó các nhà luyện kim đã phát minh ra rằng chỉ cần cho một lượng nhỏ bo (0,0005-0,006%) sẽ có ảnh hưởng lớn đến tính tôi của thép nên có thể dùng bo để thay thế các nguyên tố hợp kim đắt tiền và chiến lược như mangan, crôm, molypđen, vanađi và niken. Tuy nhiên, mãi đến những năm 1970 người ta mới nghiên cứu được cơ chế ảnh hưởng của bo đến các tính chất của thép nhờ những thiết bi khoa học chính xác.

    Với những kết quả nghiên cứu như vậy đã khẳng định bo là nguyên tố hợp kim rất tiềm năng cho thép. Thép bo sau khi nhiệt luyện sẽ có độ cứng cao và độ dẻo tốt. Chính vì thế, thép bo được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như thép dụng cụ, thép chế tạo máy, thép làm chi tiết bắt chặt và cả trong ngành công nghiệp quốc phòng... ảnh hưởng lớn nhất của bo lên các tinh chất của thép là làm tăng độ cứng và độ bền. Độ cứng của thép đạt lớn nhất khi hợp kim hoá bo ở hàm lượng từ 0,002 đến 0,006%, tuỳ thuộc vào thành phần hoá học của thép nền, chủ yếu là hàm lượng cacbon. Vượt quá giới hạn này thì sẽ gây ra thiên tích bo trên biên giới các hạt austenit, không những làm giảm độ cứng mà còn làm giảm độ dai va đập, gây ra tính dòn và bở nóng cho thép [1].

    Để cải thiện độ cứng cho thép thì bo trong thép phải ở trạng thái nguyên tử. Như vậy, trong quá trình sản xuất thép phải có biện pháp bảo vệ bo để nguyên tố này phát huy được tác dụng lớn nhất [2-4]. Tác dụng của bo cũng bị giảm đi nếu áp dụng chế độ nhiệt luyện không đúng. Ví dụ, nhiệt độ austenit hoá quá cao có thể gây ra tiết pha giầu bo.

    Độ cứng của thép bo phụ thuộc vào hành vi của ôxy, cacbon và nitơ trong thép. Bo phản ứng với ôxy tạo thành ôxit bo (B₂O₃), với cacbon tạo thành xêmentit-bo sắt (Fe₃(C,B)) và bo-cacbid sắt (Fe₂₃(C,B)₆) và với nitơ tạo thành nitrid bo (BN). Có thể giảm tổn thất bo do ôxy bằng cách khử triệt để ôxy bằng FeSi và Al. Các nguyên tố tạo nitrid mạnh như titan, nhôm, zirkon bảo vệ cho bo khỏi phản ứng với nitơ.

    Khả năng hình thành cacbid bộ dạng Fe₂₃(B,C)₆ là một vấn đề đã được các nhà nghiên cứu về thép bo rất chú trọng. Đặc biệt là từ những năm 1970 trở lại đây, những nghiên cứu về quá trình tiết pha Fe₂₃(B,C)₆ trong austenit quá nguội...

    Đồng thời đã có nhiều nghiên cứu về phương pháp nhiệt luyện thép bo. Gần đây, người ta đã chú ý nghiên cứu quá trình tiết pha của Fe₂₃(C,B)₆ và các dạng cacbit khác khi ram thép bo [5]. Bằng kỹ thuật hiển vi điện tử xuyên thấu và quét và nhiễu xạ rơnghen, Shi Chong Zhe đã khẳng định khi ram thép C50B trong khoảng nhiệt độ 490-720°C có 3 loại cacbid được tiết ra từ mactensit là Fe₃C, Fe₂₃(C,B)₆ và Fe₃(C,B).

    Nhóm nghiên cứu này cho rằng Fe₂₃(B,C)₆ được tạo thành từ các mầm rồi lớn lên. Còn pha Fe₃(C,B) được tạo ra từ Fe₃C sau khi hấp phụ thêm bo. ở nhiệt độ ram thấp thì pha Fe₃C tiết dễ hơn pha Fe₂₃(C,B)₆, nhưng ở nhiệt độ ram cao thì hai pha này gần như tiết ra đồng thời. Sự tồn tại ổn định của pha Fe₂₃(C,B)₆ là trong khoảng nhiệt độ 600 - 900°C [5].

    Như vậy, khi ram thép bo đầu tiên tiết ra pha Fe₃C, sau đó mới tiết ra pha Fe₂₃(C,B)₆, còn pha Fe₃(C,B) tiết ra sau cùng. Fe₂₃(C,B)₆ hình thành các tâm mầm trong pha mẹ mactensit, còn pha Fe₃(C,B) được tạo thành từ Fe₃C hấp thụ thêm B. Độ cứng của thép bo phụ thuộc chặt chẽ vào điều kiện austenit hoá. Khi nhiệt độ austenit hoá tăng lên trên 1.000°C thì độ cứng của thép bo giảm [2].

    Thép bo phải ram ở nhiệt độ thấp hơn các thép khác khi muốn giữ độ cứng như nhau. Bo làm chậm sự tạo thành ferit và peclit [6,7] và như vậy sẽ thúc đẩy sự tạo thành mactensit khi làm nguội nhanh.

    Theo các tác giả này thì khi cho 0,002 - 0,003% B vào thép cacbon sẽ có tác dụng tăng độ cứng như 0,7% Cr, 0,5% Mo và 1,0% Ni. Bo chỉ có tác dụng khi được hoà tan trong các hạt khi làm nguội nhanh hơn là cho phép khuyếch tán ra biên giới hạt khi làm nguội chậm.

    Trong bài báo này đưa ra một số kết quả nghiên cứu các tính chất cơ học phá huỷ cửa thép hợp kim bo mác C50B.

2. Chuẩn bị mẫu và phương pháp nghiên cứu

2.1. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu

    Thép hợp kim bo C50B được nấu luyện trong lò trung tần Radyne 300 Kg/mẻ từ các nguyên liệu: thép đầu mẩu cán loại Ct5, FeB, than điện cực grafit và các chất khử khí FeMn, Fesi và Al. Sau khi nấu luyện, thép được tinh luyện điện xỉ trên thiết bi điện xỉ 100 KVA của Viện Luyện kim đen với xỉ ANF-6. Thành phần hoá học của thép sau điện xỉ: C= 0,500%; Si=0,302%; Mn=0,656%; B=0,0051%; S = 0,015% và P = 0,017%. Sau khi rèn ở khoảng nhiệt độ 1.100 - 850°C thép được tôi ở 850°C/dầu và ram cao ở 600°C/kk. Từ thép này chế tạo mẫu thử gồm các mấu đo tính chất cơ học truyền thống (thử kéo, đo độ dai va đập, độ cứng), mẫu kim tương và mẫu đo độ dai phá huỷ.

2.2. Phương pháp nghiên cứu

    Sử dụng thiết bị quang phổ phát xạ FOUNDRY MASTER (CHLB Đức) để phân tích thành phần hoá học, đặc biệt là B ở hàm lượng rất nhỏ.

    Sử dụng máy thử kéo nén vạn năng UMN-50 để xác định độ bền, thiết bị con lắc Charpy để đo độ dai va đập và thiết bị INSTRON 8801 (Anh) để đo độ bền phá hủy theo ASTM E399-97 [10].

    Dùng kính hiển vi quang học Axiovert (CHLB Đức) để nghiên cứu tổ chức tế vi của thép.

    Dùng kính hiển vi điện tử quyết EMAX do hãng HITACHI (Nhật Bản) chế tạo để nghiên cứu cơ chế phá huỷ.

3. Kế quả đạt được

3.1 Tính chất cơ học

    Tính chất cơ học của thép C50B (độ bền, tính dẻo sau khi tôi và ram và độ cứng) được nêu trong bảng 1.

TT	Nhiệt luyện	R0,2 Mpa	Rm MPm	A %	ak Jcm-2	Độ cứng HB
2	Tôi và ram	598	849	20	58	-

Bảng 1: Tính chất cơ học của thép C50B

    Bên cạnh những đại lượng cơ lý truyền thống như đã nêu trên, trong những năm gần đây người ta còn xác định khả năng làm việc của vật liệu trong những điều kiện gần giống với điều kiện thực tế dựa trên nguyên lý của cơ học phá huỷ [8, 9]. Đại lượng thường dùng để đánh giá khả năng bền phá hủy là độ bền phá hủy ở trạng thái biến dạng phẳng (plane- strain fracture tuoghness) Kic. Mẫu để đo Kic được chế tạo và quá trình thử cũng như tính toán kết quả được tiến hành trên thiết bị INSTRON 8801 (Anh) theo tiêu chuẩn ASTM E399-97 (Mỹ) [10] tại phòng thí nghiệm Vật liệu tỉnh năng cao (Viện nghiên cứu cơ khí năng lượng và mỏ).

    Kết quả đo được K K_ic = 82,16 Mpa.m^1/2 thể hiện khả năng chống phá huỷ của thép C50PA là rất tốt, đặc biệt đối với các chi tiết dạng ống dầy, tấm dầy, vỏ các lò phản ứng hạt nhân [8].

    Để xác định độ dai va đập của thép, chúng tôi đã sử dụng thiết bị thử con lắc CHARPY. Phép đo độ dai va đập được tiến hành theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 312-1:2007. Độ dai va đập được đo trên ba mẫu và sau đó tính giá trị trung bình (bảng 2). Các số liệu trong bảng 2 cho thấy thép C50B có độ dẻo dai rất tốt (giá trị yêu cầu là ≥ 39 Jcm^-2).

Mẫu	1	2	3	Giá trị TB
A [J/cm2]	54	62	59	58

Bảng 2. Độ dai va đập của thép C50B

    Cơ chế phá huỷ của mặt gẫy được phân thành hai loại: phá huỷ dẻo và phá huỷ dòn [9]. Để nghiên cứu xác định cơ chế phả huỷ của thép, chúng tôi sử dụng kỹ thuật hiển vi điện tử quét trên thiết bị EMAX do hãng HITACHI (Nhật Bản) chế tạo. Cơ chế phá huỷ của thép C50B được nghiên cứu trên mặt gẫy của các mẫu thử độ dai va đập. Kết quả được được nêu trên hình 1 với các độ phóng đại 250 và 500x. Kết quả về hình thái học của bề mặt gẫy như trên hình biểu hiện cơ chế dẻo của thép C50B khi phá huỷ.

3 CẤU TRÚC PHAHA

Hình 1 đến 3

    Kết quả nghiên cửu bằng kính hiển vi quang học cho thấy cấu trúc tế vi của thép C50B sau tôi là mactensit hình kim (hình 2) và sau ram ở 600°C là xoocbit (hình 3). Chính cấu trúc xoocbit đã đảm bảo cho thép có độ bền cao và tính dẻo tốt.

4. Kết luận

    Thép hợp kim bo C50B với một lượng nhỏ B (0,0051%) có độ bền cao và tính dẻo tốt (R_0,2 = 598 Mpa, Rm = 849 Mpa, A = 20% và a_k = 58 Jcm^-2). Đặc biệt thép này có độ dai phá huỷ cao (K_ic = 82,16 Mpa.m^1/2) và cơ chế phá huỷ dẻo. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các chi tiết dạng ống thành dầy và tấm dầy... [symple_box color="yellow" text_align="left" width="100%" float="none"]

Tài liệu tham khảo

1. M Grinberg: Steel industry in Russia & CIS countries in 21th Century Moscow 1994, Vol. 5, p. 182
2. H Herring The International Journal of Thermal Technology, N. 3, 2007
3. Obe Steel Technical Bulletin: Features and Properties of Boron Steel
4. K Banerji and J.E Morral: Boron Steel, Conference Proceedings, The Metallurgical society of AIME, 1980, p. 125
5. Li Chong Zhe and Wang Jing Yi: Joumal of Iron and Steel Reseach, Vol. 8, N. 6, 1996, p. 29
6. K.D.H Bhadeshia and L.E Svensson: International Conference on Modelling and control of Joining Processes, Orlando, USA, 1993, p. 153
7. C Jung et al: ISIJ Intemational, Vol. 35, N. 8, 1995, p. 1001
8. Veles: Mechanical properties and Testing of Metalls, Praha, 1985
9. G.Mikliaev, G.S Neshpor, V.G Kudriashov: Kinetika razrushenie, Moscow 1979
10. ASTME 399-97: Standard Test Method for Plan-Strain Fracture Toughness of Metallic Materials

[/symple_box][symple_clear_floats]