Các thép với hàm lượng cacbon trung bình như C45 và 40Cr được dùng rộng rãi trong cơ khí chế tạo tại Việt nam và thường trải qua các công đoạn nhiệt luyện hóa tốt. Tuy nhiên, khi ram ở các vùng nhiệt độ khác nhau có thể gặp hiện tượng giòn ram. Do vậy, bài báo này nhằm nghiên cứu hiện tượng giòn ram và ảnh hưởng của nhiệt độ ram đến tổ chức và cơ tính của các loại thép nói trên.
Temper embrittlement and influence of tempering temperature on microstructure and mechanical properties of C45 and 40Cr steels
Trịnh Văn Trung, Phùng Thị Tố Hằng
Viện khoa học và kỹ thuật vật liệu, trường Đại học Bách khoa Hà nội
Ngày nhận bài: 4/1/2015, Ngày duyệt đăng: 8/2/2015
Tóm tắt
Ảnh hưởng của nhiệt độ ram đến tổ chức và tính chất của các thép với hàm lượng cacbon trung bình (C45 và 40Cr) được khảo sát ở các nhiệt độ khác nhau. Kết quả cho thấy nhiệt độ ram càng tăng thì nhìn chung làm giảm độ cứng và làm tăng độ dai va đập của các thép. Tuy nhiên, độ dai va đập không tăng đều khi tăng nhiệt độ ram. Thép 40Cr khi ram ở khoảng 300 oC xuất hiện hiện tượng giòn ram loại I và ở nhiệt độ khoảng 550 oC có hiện tượng giòn ram loại II, trong khi thép C45 thì chỉ có hiện tượng giòn ram loại I khi ram ở khoảng 300 oC. Ảnh tổ chức tế vi cho thấy biên giới ăn mòn tạo cấu trúc dạng “kênh” sâu với mẫu khi ram ở 300 và 550 oC.
Từ khóa: thép cacbon trung bình, giòn ram, độ dai va đập, chuyển pha, biên giới hạt.
Abstract
The effect of tempering temperature on microstrucrure and mechanical properties of quenched medium carbon steels (C45 and 40Cr) was investigated at different tempering temperatures. The results show that the hardness decreases and the toughness in general increases with increasing tempering temperature. However, the impact toughness did not increase gradually. In case of 40Cr steel, tempered martensite embrittlement (TME) phenomenon occurred at approximately 300 oC and temper embrittlement (TE) occured at ≈ 550 oC. Only tempered martensite embrittlement occurred at about 300 oC for C45 steel. SEM images of the samples show the deep “channel- like” grain boundary in tempered samples at 300 and 550 oC.
Keywords: medium carbon steel, tempered embrittlment, impact toughness, phase transformation, grain boundary.
1. Đặt vấn đề
Khi tiến hành ram một số thép ở các nhiệt độ ram khác nhau thì có thể xảy ra hiện tượng giòn ram, trên đồ thị phụ thuộc độ dai va đập vào nhiệt độ ram thấy có 2 cực tiểu ở hai khoảng nhiệt độ ram, tương ứng với hai loại giòn ram loại I và loại II.
Giòn ram loại I thể hiện rất rõ trong thép hợp kim khi ram ở khoảng trên 200 oC (rõ nhất trong khoảng 280 ÷ 350 oC), khi đó độ dai va đập rất thấp. Nguyên nhân có thể là do cacbit ε (Fe2,4C) được tiết ra có dạng tấm là cacbit không ổn định [1,2]. Trên 200 oC gần vùng nhiệt độ gây giòn ram loại I, cacbit này bắt đầu hòa tan, cacbit ổn định hơn là Fe3C bắt đầu được hình thành. Các nguyên tử cacbon từ cacbit ε hòa tan bắt đầu khuếch tán đến các mầm Fe3C dễ dàng theo biên giới hạt. Sự khuếch tán này tạo nên sự phân bố không đều về hàm lượng cacbon trong thép, đó là sự tập trung cacbon với mật độ cao ở biên giới. Khi nhiệt độ ram tăng lên, sự khuếch tán tăng lên, đến mức lượng cacbon tập trung ở biên giới cao hơn nhiều so với trong hạt. Pacyna và cộng sự [3] đã chỉ ra rằng hiện tượng giòn ram loại I phụ thuộc rất mạnh vào hàm lượng cacbon. Ngoài ra còn phụ thuộc vào độ thô của các cacbit [4], nguyên nhân của sự phá hủy giòn. Đây là loại giòn ram không tránh được do vậy phải tránh ram ở các nhiệt độ gây giòn tùy thuộc vào từng mác thép. Các thép cacbon cũng bị giòn ram loại này và xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn.
Giòn ram loại II thường xảy ra trong thép được hợp kim hóa thấp bằng Cr, Mn, Cr-Ni, Cr-Mn khi ram ở khoảng (500-600 oC) với cách làm nguội chậm thông thường sau ram (trong không khí).
Nguyên nhân có thể là do nguội chậm thuận lợi cho sự tiết ra các pha giòn ở biên giới hạt [1]. D.S. Stein [5] tổng hợp các nghiên cứu và cho thấy nguyên nhân chủ yếu là sự tiết các tạp chất như Sb, As, Sn và P, đồng thời là sự tăng việc tiết các nguyên tử kim loại chuyển tiếp có đường kính nguyên tử lớn như Cr hay Ni ra ngoài biên, dẫn đến sự suy yếu liên kết giữa các hạt, gây nên phá hủy giòn.
Mặc dù đã được nghiên cứu từ lâu nhưng hiện tượng giòn ram gần đây (2013) vẫn được quan tâm nhiều [3], đặc biệt về mặt cơ chế xảy ra ở biên giới hạt, bằng các phương pháp phân tích hiện đại như hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và phổ điện tử Auger. Các thép với hàm lượng cacbon trung bình như C45 và 40Cr được dùng rộng rãi trong cơ khí chế tạo tại Việt nam và thường trải qua các công đoạn nhiệt luyện hóa tốt. Tuy nhiên, khi ram ở các vùng nhiệt độ khác nhau có thể gặp hiện tượng giòn ram. Do vậy, bài báo này nhằm nghiên cứu hiện tượng giòn ram và ảnh hưởng của nhiệt độ ram đến tổ chức và cơ tính của các loại thép nói trên.
2. Thực nghiệm
Thành phần hóa học các mác thép C45 và 40Cr được xác định bằng phương pháp quang phổ phát xạ. Mẫu nghiên cứu được cắt và chế tạo thành hai loại khác nhau. Mẫu khối (hình 1a) có kích thước 10x10x15 mm được dùng cho việc nghiên cứu tổ chức tế vi và đo độ cứng ở các chế độ ram khác nhau. Mẫu thử độ dai va đập Charpy (hình 1b) có kích thước 10x10x55 mm với khía hình chữ V ở giữa một mặt, sâu 2 mm với góc ở đỉnh chữ V là 45o.
Bảng 1. Nhiệt độ và thời gian ram cho hai mác thép nghiên cứu
| Tram ( oC)
Mác thép |
250 | 300 | 450 | 550 | 600 |
| Thời gian giữ nhiệt (giờ) | |||||
| C45 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 40Cr | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
Các mẫu thép C45 được tôi ở nhiệt độ 850 oC, thời gian giữ nhiệt 10 phút, tôi trong nước lạnh. Các mẫu thép 40Cr được tôi ở nhiệt độ 860 oC, thời gian giữ nhiệt 12 phút, môi trường tôi là dầu nóng.
Sau đó, các mẫu thép được ram trong 2 giờ ở các nhiệt độ ram khác nhau (bảng 1) để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến tổ chức và cơ tính của các thép nhằm khảo sát hiện tượng giòn ram.
Kính hiển vi quang học (Axiovert25A) và hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM) được sử dụng để nghiên cứu tổ chức tế vi của thép. Độ cứng được đo bằng phương pháp HRC. Độ dai va đập được xác định theo tiêu chuẩn ASTM E23.
3. Kết quả và thảo luận
Kết quả phân tích thành phần hóa học các mẫu thép C45 và 40Cr được đưa ra trong bảng 2.
Bảng 2. Thành phần hóa học của các mác thép nghiên cứu
| Mác thép | Thành phần hóa học (%) | ||||||
| C | Si | Mn | Cr | Mo | P | S | |
| C45 | 0,497 | 0,197 | 0,747 | 0,138 | 0,020 | 0,014 | 0,019 |
| 40Cr | 0,438 | 0,209 | 0,706 | 0,832 | 0,017 | 0,020 | 0,008 |
3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ram tới tổ chức tế vi và độ cứng
Hình 2a và 2b cho thấy tổ chức tế vi ở trạng thái cung cấp của thép C45 và 40Cr. Đây là các thép trước cùng tích, tổ chức cơ bản gồm peclit và ferit, trong đó phần màu sáng là ferit còn phần màu sẫm là peclit. Trong thép C45, xementit trong peclit có dạng tấm. Peclit trong thép 40Cr là hỗn hợp của (Ferit + Fe3C + (Fe,Cr)3C), trên hình 2b, vừa thấy cacbit dạng tấm đồng thời với cacbit dạng hạt. Hình 2c và 2d cho thấy tổ chức của thép C45, 40Cr sau khi tôi. Tổ chức chính gồm có mactenxit tôi và austenit dư. Mactenxit hình kim khá nhỏ mịn có màu sẫm, austenit dư là phần pha màu sáng nằm xen giữa các kim mactenxit. Trong thép 40Cr, vùng sáng nhiều hơn so với thép C45, điều này thể hiện lượng austenit dư nhiều hơn, nguyên nhân là do các nguyên tố hợp kim như Cr trong thép làm hạ thấp điểm Ms (điểm bắt đầu chuyển biến austenit thành mactenxit). Bên cạnh đó ở thép 40Cr sau tôi trên ảnh tổ chức tế vi (hình 2d) còn quan sát thấy một số các pha dạng hạt nhỏ mịn nằm xen giữa mactenxit và austenit dư, đó có thể là các xementit hợp kim của Cr hoặc Mn chưa hòa tan hết ở nhiệt độ austenit hóa. Trong khi đó, ở thép C45 (chứa khoảng 0,75 % Mn, hình 2c) cũng xuất hiện các pha dạng hạt nhưng ít hơn nhiều.
Hình 3a-e là các ảnh tổ chức tế vi của thép C45 sau khi ram ở các nhiệt độ 250, 300, 450, 550 và 600 oC. Theo sự tăng của nhiệt độ ram, tổ chức tế vi thay đổi theo chiều hướng sau: ở 250 oC do tổ chức tế vi là mactenxit ram và cacbit ε dạng tấm nhỏ mịn và phân tán, do vậy hình thái tổ chức về cơ bản vẫn thô nhưng đã nhỏ mịn hơn so với mactenxit tôi. ở 300 oC ta thấy tổ chức mactenxit ram nhỏ mịn hơn nữa, cacbit ε dần biến thành xementit dạng hạt nhỏ mịn và phân tán. Nhiệt độ ram càng cao (ở 450, 550 và 600 oC), quan sát thấy các xementit dạng hạt lớn lên, chúng thô hơn so với ram tại 300 oC. Hình 3f-k là ảnh tổ chức tế vi của thép 40Cr sau khi ram ở các nhiệt độ 250, 300, 450, 550 và 600 oC. Cũng tương tự, tại 250 oC tổ chức tế vi là mactenxit ram và cacbit ε dạng tấm rất nhỏ mịn và phân tán. Nhiệt độ càng cao (300, 450, 550, và 600 oC) xementit hợp kim nhiều hơn và thô hơn.
Hình 4 thể hiện sự thay đổi độ cứng trung bình của các mẫu thép C45 và 40Cr sau tôi phụ thuộc vào nhiệt độ ram. ở 250 oC, độ cứng của các thép giảm khá nhiều khi so với độ cứng ở trạng thái sau tôi (47 HRC so với 55 HRC ở thép C45 và 45 HRC so với 54 HRC ở thép 40Cr), thép ít giòn hơn do giảm được ứng suất bên trong do cacbon tiết bớt ra khỏi dung dịch rắn, giảm xô lệch mạng. Khi ram ở nhiệt độ 300 oC, cacbon tiết ra khỏi mactenxit nhiều hơn, mactenxit ít quá bão hòa cacbon hơn, độ chính phương giảm gần đến 1 để trở thành ferit, cacbit ε (Fe2÷2,4C) ở dạng tấm mỏng chuẩn bị biến đổi để trở thành xementit dạng hạt [3]. Do cacbon đã tiết hết ra khỏi dung dịch rắn nên độ cứng giảm đi đáng kể so với sau tôi. Khi tiếp tục ram cao ở 450; 550 và 600 oC thép không còn chuyển biến pha mới, chỉ có quá trình sáp nhập, lớn lên của các phần tử xementit hạt. Do vậy, độ cứng của thép giảm đi mạnh. Độ cứng của cả 2 loại thép khi ram đều giảm theo chiều tăng của nhiệt độ ram. ở 250 và 300 oC, độ cứng của các mẫu thép C45 còn duy trì cao hơn độ cứng các mẫu thép 40Cr. Tuy nhiên, nhiệt độ ram càng cao thì đối với 40Cr do có mặt của Cr, sự tiết xementit hợp kim (Fe,Cr)3C xảy ra ở nhiệt độ cao hơn, do vậy, duy trì được độ cứng cao hơn thép C45 ở vùng nhiệt độ này.
3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ram đến độ dai va đập
Sự thay đổi độ dai va đập của các mẫu thép C45 và 40Cr sau tôi ở các nhiệt độ ram khác nhau được thể hiện trên hình 5. Đối với thép C45, độ dai va đập thấp nhất khi ram ở nhiệt độ 250 và 300 oC, đồng thời, tại tiết diện gãy vỡ của các mẫu thử có dạng phá hủy giòn (tiết diện gãy vỡ không thay đổi với công phá hủy mẫu nhỏ (hình 6a và bảng 3). Do vậy có thể thấy rằng, khi ram ở vùng nhiệt độ này thì thép C45 sẽ xảy ra hiện tượng giòn. Ram ở các nhiệt độ cao hơn, độ dai va đập và công phá hủy các mẫu thép tăng nhanh. Tuy nhiên, thép C45 khi ram ở nhiệt độ 550 oC, độ dai va đập có xu hướng tăng chậm. Song quan sát bề mặt phá hủy của mẫu thử dai va đập ta nhận thấy tiết diện phá hủy có thay đổi (hình 6b), công phá hủy mẫu vẫn khá cao, do vậy có thể thấy được mẫu bị phá hủy dẻo.
Đối với thép 40Cr, đường phụ thuộc độ dai va đập vào nhiệt độ ram có một điểm cực tiểu khi ram thép tại nhiệt độ 300 oC, với giá trị ak = 0,07437 J/mm2, tương ứng với công phá hủy mẫu nhỏ (bảng 3). Kết hợp với quan sát bề mặt phá hủy của mẫu thử dai va đập thấy tiết diện của mẫu không thay đổi (hình 6c) chứng tỏ mẫu 40Cr khi ram ở nhiệt độ 300 oC xuất hiện hiện tượng giòn ram (giòn ram loại I). Độ dai va đập sau đó tăng nhanh theo nhiệt độ ram và có xu hướng tăng chậm lại khi ram thép 40Cr tại nhiệt độ 550 oC. Tuy chưa xuất hiện cực tiểu độ dai va đập ở khoảng nhiệt độ ram (500-600) oC nhưng đã thấy sự giảm rõ rệt độ dai va đập ở 550 oC so với thép C45 khi ram ở cùng nhiệt độ (ak = 0,91 J/mm2 của thép 40Cr so với ak = 1,145 J/mm2 của thép C45). Hiện tượng suy giảm độ dai này của thép 40Cr kết hợp với mặt gãy của mẫu thử dai va đập bằng phẳng hơn, co thắt ít hơn (hình 6d) và công phá hủy nhỏ (bảng 3) cho thấy dấu hiệu của sự giòn ram loại II khi ram thép 40Cr tại vùng nhiệt độ xung quanh 550 oC.
Bảng 3. Công phá hủy mẫu (Kv) của các mẫu thép ở các nhiệt độ ram khác nhau
| Tram ( oC) | Kv (J) – C45 | Kv (J) – 40Cr |
| 250 | 7,21 | 6,58 |
| 300 | 7,21 | 5,95 |
| 450 | 59,82 | 61,78 |
| 550 | 91,69 | 72,82 |
| 600 | 94,92 | 108,00 |
3.3. Biên giới hạt của các mẫu bị phá hủy giòn
Để làm rõ và nghiên cứu sâu hơn về hiện tượng giòn ram đối với thép 40Cr tại nhiệt độ 300 và 550 oC, các mẫu thép 40Cr ram ở các nhiệt độ trên được tẩm thực sâu, sau đó được chụp ảnh SEM để quan sát tổ chức và trạng thái các vùng biên giới hạt.
Hình 7 là ảnh SEM chụp tổ chức tế vi của thép 40Cr khi ram ở (a) 300 oC và (b) 550 oC. Nhận thấy, biên giới của mẫu ram ở 300 oC rất rộng (chiều rộng lớn cỡ 1 μm), trong khi biên giới của mẫu thép khi ram ở 550 oC mảnh hơn nhiều (chỉ bằng khoảng 30% chiều rộng biên giới ở 300 oC). Điều này dẫn đến mẫu ram ở 300 oC dễ bị phá hủy giòn hơn và các vết phá hủy dễ dàng lan dọc theo các biên giới hạt. Điều này phù hợp với lý thuyết cho rằng, ở vùng 300 oC có sự khuếch tán mạnh của các nguyên tử cacbon để tạo ra cacbit Fe3C, sau đó biên giới của thép 40Cr khi ram ở 300 và 550 oC đều bị ăn mòn mạnh tạo dạng “kênh” sâu sau khi tẩm thực bằng axit picric kết hợp với chất hoạt động bề mặt. Sự ăn mòn tạo kênh sâu này chứng tỏ có sự tiết cacbon cùng các nguyên tố hợp kim (Cr, Mn) và các tạp chất (đặc biệt là P) ra biên giới hạt [6]. Do vậy làm suy yếu liên kết giữa các hạt dẫn đến phá hủy giòn theo biên giới hạt và gây ra hiện tượng giòn ram ở các nhiệt độ 300 và 550 oC.
4. Kết luận
Đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ ram tới tổ chức và cơ tính của thép C45, 40Cr. Sau khi tôi, thép đã được ram ở 5 chế độ nhiệt độ khác nhau: 250, 300, 450, 550 và 600 oC, đều trong thời gian 2 giờ. Kết quả cho thấy độ cứng của cả hai thép đều có xu hướng giảm dần theo chiều tăng của nhiệt độ ram khi tổ chức mactenxit và austenit dư sau tôi phân hóa thành các tổ chức cân bằng hơn như ferit, xementit và xementit hợp kim (Fe,Cr)3C. Tại 300 oC cả hai thép 40Cr và C45 đều có hiện tượng giòn xảy ra, còn tại nhiệt độ 550 oC chỉ thép 40Cr có dấu hiệu của giòn ram, trong khi thép C45 chưa có hiện tượng này. Đặc biệt kết quả phân tích SEM cho thấy độ rộng biên giới hạt có dạng kênh liên quan đến sự tiết cacbon cùng các nguyên tố hợp kim và các tạp chất (P) ra biên giới hạt, có vai trò quan trọng đối với sự phá hủy giòn, dẻo của thép khi ram ở 300 và 550oC. Để hiểu sâu hơn nữa về cơ chế và ảnh hưởng của các tạp chất, các phương pháp phân tích hiện đại hơn như phổ điện tử Auger cần được sử dụng để nghiên cứu vai trò của các pha và tạp chất tại biên giới hạt, cũng như cần khảo sát chi tiết hơn nữa về nhiệt độ chuyển biến giòn-dẻo.
Tài liệu trích dẫn
- Nghiêm Hùng, Vật liệu học cơ sở, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2007
- Nguyễn Thị Minh Phương và Tạ Văn Thất, Công nghệ nhiệt luyện, NXB Giáo dục, Hà Nội, 2000
- J. Pacyna, A. Kokosza, R. Dziurka, Irreversible temper embrittlement, Archives of materials science and engineering, 2013, pp 67-72
- George F. Vander Voort, Embrittlement of steels, ASM Handbook, Volume 1: Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys, 1990, pp 689-736
- D. S. Stein, Reversible temper embrittlement, Ann. Rev. Mater. Sci., 1977, pp 123-153
- P. R. Krahe, M. Guttmann, Temper brittleness and grain boundary etching, Metallography 7, 1974, pp 70-90
