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 Kic 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. Kic 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.
