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

    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]