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.
| Thành phần hóa học, % | ||||||
| C | Mn | Si | S (≤) | P (≤) | ||
| 0,12 – 0,22 | 1,2-1,6 | 0,20 – 0,55 | 0,045 | 0,045 | ||
| σb (MPa) | σc (MPa) | δ (%) | ||||
| 400 ÷ 590 | ≥ 315 | ≥ 22 | ||||
| Bảng 1. Thành phần hóa học và cơ tính của thép 16Mn | ||||||
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 (Cđl ) 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, Cdl 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 Cdl 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.
| Ký hiệu | C | Mn | Si | S | P | Cdl |
| S-1 | 0,16 | 0,75 | 0,26 | 0,015 | 0,017 | 0,35 |
| S-2 | 0,21 | 1,58 | 0,21 | 0,021 | 0,028 | 0,56 |
| S-3 | 0,27 | 1,39 | 0,35 | 0,016 | 0,023 | 0,60 |
Bảng 2. Thành phần hóa học của các mẫu thép 16Mn (%)
Cdl 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.
