90

Hiện tượng giòn ram của thép 40Cr

Embrittlement of 40Cr steels

TRỊNH VĂN TRUNG1,2,*, HOÀNG VĂN VƯƠNG1, ĐỖ KIM TRANH3
1. Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Số 1 Đại Cồ Việt, Hà Nội
2. Viện VJIIST, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Số 1 Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội
3. Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ, số 565 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội
*Email: trung.trinhvan@hust.edu.vn

Ngày nhận bài: 21/4/2020, Ngày duyệt đăng: 5/6/2020

 TÓM TẮT

Hiện tượng giòn ram của thép 40Cr được nghiên cứu bằng cách tiến hành tôi thép ở 860 oC trong 20 phút, nguội trong dầu, sau đó ram trong 2 giờ ở các nhiệt độ 250, 300, 375, 450, 500, 550 và 600 oC với các môi trường nguội khi ram khác nhau là nước, dầu và không khí. Kết quả nghiên cứu tổ chức tế vi, độ cứng, độ dai và đập và tổ chức pha được khảo sát bằng kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử quét, thiết bị đo độ cứng đa năng, thiết bị nhiễu xạ Rơnghen cho thấy hiện tượng giòn ram loại I của thép 40Cr xảy ra tại khoảng 300 oC nhưng không thực sự rõ ràng, còn hiện tượng giòn ram loại II tại nhiệt độ khoảng 500 oC khi nguội chậm trong không khí nhưng có thể không xuất hiện khi nguội nhanh hơn trong các môi trường dầu hoặc nước.

Từ khóa: giòn ram loại I, giòn ram loại II, thép 40Cr.

ABSTRACT

The embrittlement of 40Cr steel was studied by conducting the austempering process of this steel at 860 oC for 20 minutes, quenching in oil, then tempering for 2 hours at 250, 300, 375, 450, 500, 550, and 600 oC with different cool environments including water, oil and air. Results of the research on microstructure, hardness, toughness and phase structure were investigated by optical microscope, scanning electron microscope, multifunctional hardness tester, X-ray diffraction show that tempered martensite embrittlement of 40Cr steel occured at about 300 oC but not really clear, while the tempered embrittlement oCcured at temperature of 500 oC with slow cooling rate in air but it did not oCcur with higher cooling rate in oil or water.

Keywords: tempered martensite embrittlement, tempered embrittlement, 40Cr steel.

1.  ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện tượng giòn có thể đặc trưng bởi giá trị độ dai va đập thấp. Có thể kể đến một số loại giòn như giòn mactensit, giòn bainit ram (tempered bainite embrittlement) [1], giòn mactensit ram (tempered martensite embrittlement) hay còn gọi là giòn ram loại I, giòn ram (tempered embrittlement) hay còn gọi là giòn ram loại II, giòn do chiếu xạ (radiation embrittlement) [2], giòn hyđro [3], giòn thủy ngân [4],v.v. Trong đó, hay được đề cập nhất là hiện tượng giòn ram loại I và loại II (hình 1).

Hình 1. Hiện tượng giòn ram loại I (ở khoảng 250-400 oC) và loại II (ở khoảng 450-650 oC) [1]
Thép hợp kim crôm với hàm lượng cacbon trung bình như 40Cr có cơ tính tổng hợp tốt sau quá trình nhiệt luyện hóa tốt (tôi + ram cao) nên được dùng rộng rãi làm các chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập cao trong cơ khí chế tạo. Để thay đổi cơ tính của các thép trên theo yêu cầu của từng chi tiết cụ thể khác nhau chúng thường được ram ở các nhiệt độ khác nhau, tuy nhiên khi ram ở các vùng nhiệt độ (250÷400) oC và (450÷ 650) oC có thể gặp hiện tượng giòn ram. Giòn ram ở nhiệt độ (250÷400) oC (giòn ram loại I) là không thuận nghịch và không sửa chữa được nên trong cơ khí khi nhiệt luyện cần tránh ram thép 40Cr ở khoảng nhiệt độ này. Các thép kể trên thường trải qua công đoạn nhiệt luyện hóa tốt nên có thể bị giòn ram trong khoảng (450÷ 650) oC (giòn ram loại II). Đây là loại giòn ram thuận nghịch và có thể sửa chữa được bằng cách tăng tốc độ nguội khi ram hay bổ sung lượng thích hợp một số nguyên tố hợp kim như môlipđen.

Trong quá trình phá hủy giòn, vết nứt có thể phát triển dọc theo biên hạt/tinh giới (Intergranular fracture) hay xuyên qua hạt (Transgranular fracture). Giòn ram với vết gãy xuyên hạt thường xuất hiện trong thép ít tạp chất và liên quan đến sự hình thành các cacbit từ sự phân hóa austenit dư nằm ở giữa các kim mactensit trong quá trình ram [5]. 

Trong khi đó, giòn ram với vết gãy theo biên thường xẩy ra trong thép thông thường (độ sạch thương mại – commercial-purity) liên quan đến hiệu ứng kết hợp giữa việc tích tụ các tạp chất P hay S trong giai đoạn nung tôi (austenit hóa) và việc cùng tích tụ Cr, Ni hoặc tạo thành cacbit trong quá trình ram ở biên giới hạt austenit sơ cấp [6]. Nồng độ tạp chất như P, Sb, và Sn ở biên giới càng cao thì nồng độ của Ni cùng tích tụ (co- segregation) với các tạp chất ra biên giới càng lớn và nhiệt độ chuyển biến giòn-dẻo càng tăng và hiện tượng giòn càng lớn trong thép Cr-Ni.

Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về hiện tượng giòn ram đối với các mác thép khác nhau khi ram ở các vùng gây giòn ram (500÷550) oC. Các kết quả nghiên cứu hầu hết đánh giá mức độ ảnh hưởng của các tạp chất và các nguyên tố gây giòn trong các chi tiết máy tới hiện tượng giòn ram, tuy nhiên vẫn còn nhiều điểm chưa được rõ về hiện tượng này và đòi hỏi các kỹ thuật phân tích bề mặt như phổ điện tử Auger để phát hiện các nguyên tố tạp chất tiết ra trên biên giới. Trong nghiên cứu này chủ yếu tiến hành khảo sát hiện tượng giòn ram trong thép 40Cr là loại thép phổ biến dùng trong cơ khí chế tạo ở Việt Nam và ảnh hưởng của môi trường nguội khi ram đến hiện tượng giòn ram của loại thép này.

2.  THỰC NGHIỆM

Thành phần hóa học của các mác thép 40Cr được xác định bằng phương pháp quang phổ phát xạ được thể hiện trên bảng 1.

Bảng 1. Thành phần hóa học của thép 40Cr

Mẫu nghiên cứu được cắt và gia công thành mẫu thử độ dai va đập Charpy theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 321-1:2007 (ISO148-1:2006).

Mẫu có kích thước 10x10x55 mm với khía hình chữ V (sâu 2 mm với góc ở đỉnh chữ V là 45o và bán kính đáy là 0,25 mm) ở giữa một bên mặt của mẫu.

Thép được nung tôi ở 860 oC trong 20 phút, nguội trong dầu, sau đó ram trong 2 giờ ở các nhiệt độ 250, 300, 375, 450, 500, 550 và 600 ovới các môi trường nguội khác nhau là nước, dầu và không khí.

Tổ chức tế vi được xác định bằng kính hiển vi quang học AxioCom và kính hiển vi điện tử quét NANOSEM450, độ cứng HRC được đo bằng thiết bị đo độ cứng đa năng Wilson Wolpert, thành phần pha được phân tích bằng thiết bị nhiễu xạ tia Rơnghen Panalytical X’PERT PRO.

1.  KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Trong nghiên cứu này, sau tôi ở 860 oC và nguội trong dầu, tổ chức chủ yếu là mactensit, cacbit và austenit dư, thép có độ cứng khoảng 59 HRC và độ dai va đập khoảng 4,976 J/cm2.

Hình 2. Ảnh tổ chức tế vi của thép 40Cr ram tại các nhiệt độ a) 250, b) 300, c) 375, d) 450, e) 500, f) 550 và g) 600 oC nguội trong không khí, với độ phóng đại 500 lần

Hình 2 cho thấy ảnh tổ chức tế vi của thép 40Cr khi ram ở các nhiệt độ khác nhau. Theo lý thuyết, giai đoạn ram tại 250 oC mactensit tôi chuyển biến thành mactensit ram, austenit dư cũng bắt đầu chuyển biến một ít thành mactensit ram.

Tại 300 và 375 oC là giai đoạn cacbon trong mactensit ram được tiết ra nhiều hơn làm mactensit nghèo cacbon, cacbit ɛ (Fe2÷2,4C) dần chuyển biến thành xementit Fe3C nhỏ mịn (Trôxtit ram). Thép 40Cr tại 450, 500 và 550 oC không còn chuyển biến tổ chức, chỉ còn sự lớn lên, sát nhập xementit ở dạng hạt thô hơn (Xoocbit ram). Ngoài ra, do sự có mặt của nguyên tố Cr nên cacbit trong thép 40Cr có thể là dạng xementit hợp kim (Fe,Cr)3C hoặc Cr7C3. Các tổ chức này tương đối nhỏ mịn nên khó quan sát được trên ảnh hiển vi quang học.

Hình 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ ram tới độ cứng trung bình của thép 40Cr với các môi trường ram khác nhau (không khí, dầu và nước)

Hình 3 thể hiện sự thay đổi độ cứng trung bình của các mẫu thép 40Cr sau tôi phụ thuộc vào nhiệt độ ram khi nguội trong ba môi trường không khí, dầu và nước.

Khi nhiệt độ ram tăng dần thì độ cứng của thép giảm dần. Sau khi tôi, thép được ram ở 250 oC giữ nhiệt 2 h tổ chức nhận được là mactensit ram có độ cứng giảm so với mactensit sau tôi song lại ít giòn hơn, giảm được ứng suất bên trong do cacbon tiết bớt ra khỏi dung dịch rắn quá bão hòa làm giảm xô lệch mạng, tuy nhiên vẫn chưa giảm nhiều. Khi nhiệt độ ram tiếp tục tăng, phần lớn cacbon được tiết ra dưới dạng cabit, mactensit nghèo cacbon, độ chính phương giảm dần về tới 1 để trở thành ferit và tạo cacbit ɛ (Fe2÷2,4C) ở dạng tấm mỏng lớn dần bị biến thành xementit ở dạng hạt nhỏ mịn và phân tán. Khi ram ở nhiệt độ lớn hơn 450 oC thép không còn chuyển pha mới, chỉ có quá trình sát nhập, lớn lên của các phần tử như xementit ở dạng hạt nên độ cứng của thép tiếp tục giảm. Các mẫu khi ram ở 600 oC độ cứng giảm mạnh, tuy nhiên sự thay đổi đó không dùng được để đánh giá hiện tượng giòn của thép.

Bảng 2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và môi trường nguội khi ram tới độ dai va đập (J/cm2) của thép 40Cr

Hình 4 và bảng 2 thể hiện ảnh hưởng của nhiệt độ ram và môi trường làm nguội đến độ dai va đập của thép 40Cr có thể thấy độ dai (5,718 ¸ 7,238 J/cm2) của thép khi ram ở khoảng nhiệt độ 300 oC là rất thấp. Kết hợp việc kiểm tra bề mặt mẫu sau khi phá hủy va đập (hình 5) nhận thấy diện tích bề mặt gãy của mẫu khi ram ở nhiệt độ này gần như không thay đổi trong cả ba môi trường làm nguội, qua đó cho thấy mẫu ram ở nhiệt độ 300 oC bị phá hủy giòn (giòn ram loại I).

Hình 4. Ảnh hưởng của nhiệt độ ram tới độ dai va đập của thép 40Cr ở các môi trường ram khác nhau (không khí, dầu và nước)

Thép 40Cr ram ở khoảng nhiệt độ 500 oC thấy xuất hiện điểm cực tiểu trên đồ thị phụ thuộc của độ dai va đập vào nhiệt độ khi làm nguội trong không khí. Làm nguội trong môi trường dầu điểm cực tiểu không xuất hiện hoặc không rõ ràng, còn ram và làm nguội trong không khí điểm cực tiểu thể hiện rõ hơn. Bề mặt mẫu phá hủy vẫn thể hiện mẫu bị phá hủy hỗn hợp giòn-dẻo (hình 5). Hiện tượng suy giảm độ dai này của thép 40Cr ở 500 oC cho thấy dấu hiệu của sự giòn ram loại II khi ram thép 40Cr tại vùng nhiệt độ 500 oC khi nguội trong không khí. Tuy nhiên, sau ram nếu nguội nhanh bằng nước thì không xuất hiện cực tiểu ở 500 oC chứng tỏ có thể hạn chế hiện tượng giòn ram bằng cách nguội nhanh”.

Hình 5. Ảnh hưởng của nhiệt độ ram tới độ dai va đập của thép 40Cr ở các môi trường ram khác nhau

Sau tôi, các pha mactensit và cacbit hình thành và còn lại một ít austenit dư. Hai vạch nhiễu xạ (101) và (110) của pha mactensit (JCPDS #44- 1290) quá gần nhau nên chồng chập làm một và làm độ rộng của đỉnh nhiễu xạ lớn hơn so với của pha ferit. Khi ram, có chủ yếu là các cacbit của sắt (như Fe3C, Fe2,5C, Fe5C2, Fe7C3,…) và cacbit Cr7C3 hoặc xementit hợp kim (Fe,Cr)3C (hình 6).

Hình 6. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của các mẫu thép 40Cr ở trạng sau ram ở 500 oC (nguội với các môi trường khác nhau: không khí, dầu và nước) so với trạng thái ủ và tôi

Đặc biệt, sau tẩm thực bằng axit picric rồi chụp bằng hiển vi điện tử quét SEM, mẫu thép 40Cr khi ram ở 500 oC (hình 7a) cho thấy biên giới hạt có dạng kênh rộng và sâu có thể liên quan đến sự tiết cacbon cùng các nguyên tố hợp kim và các tạp chất (như P) tại biên giới hạt và có vai trò quan trọng đối với sự phá hủy giòn của thép khi ram ở 500 oC, vì chúng làm tăng năng lượng tự do của biên giới hạt và làm biên giới hạt dễ bị ăn mòn [7-16]. Cấu trúc dạng kênh rộng của biên giới làm cho quá trình phá hủy rất dễ xẩy ra theo biên giới và làm giảm độ dai va đập của mẫu. Phương pháp dựa vào độ rộng của biên giới sau khi tẩm thực [16] là một cách gián tiếp nghiên cứu hiện tượng giòn ram ở trong nghiên cứu này. Còn ở mẫu ram 600 oC (hình 7b) thì biên giới không sâu rộng bằng, do đó khi ram ở 600 oC thép 40Cr không bị giòn.

Hình 7. Ảnh hiển vi điện tử quét của thép 40Cr khi ram ở a) 500 oC và b) 600 oC, tẩm thực bằng axit picric

Để giải thích được sâu hơn cần thực hiện phân tích sự tích tụ (tiết) ở biên giới hạt của các nguyên tố tạp chất như P (với hàm lượng rất nhỏ) và các nguyên tố hợp kim (như Cr) khi ram bằng phân tích phổ điện tử Auger [13] bề mặt vết gãy của các mẫu thử dai va đập.

Các nghiên cứu về hiện tượng giòn ram đã được nghiên cứu từ lâu, tuy nhiên cơ chế và ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất như P là vô cùng phức tạp vì chúng có hàm lượng nhỏ. Do vậy, trong nghiên cứu này chỉ tập trung phân tích gián tiếp hiện tượng giòn ram thông qua độ rộng biên giới hạt sau quá trình ăn mòn [16].

4.  KẾT LUẬN

Trên cơ sở nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ ram (250, 300, 375, 450, 500, 550 và 600 oC trong 2 giờ) và môi trường làm nguội (nước, dầu và không khí) tới tổ chức và tính chất của thép 40Cr, có thể đưa ra một số kết luận chính sau:

Tổ chức nhận được sau tôi là mactensit tôi và austenit dư có độ cứng khá cao, vào khoảng 59 HRC. Sau ram độ cứng của các thép đều có xu hướng giảm dần theo chiều tăng của nhiệt độ ram khi tổ chức mactensit và austenit dư sau tôi phân hóa thành các tổ chức cân bằng hơn như macten- sit ram, ferit, cacbit sắt, cacbit crôm Cr7C3.

Sau khi ram, tại khoảng 300 oC, thép 40Cr có hiện tượng giòn ram loại I. Còn tại nhiệt độ khoảng 500 oC, thép 40Cr có dấu hiệu của giòn ram loại II khi ram làm nguội trong không khí và hiện tượng giòn ở nhiệt độ này có thể được loại bỏ nếu ram và nguội nhanh trong nước.

Phổ điện tử Auger cần được tiến hành để nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố tạp chất đến tính chất giòn ram của loại thép này.

LỜI CẢM ƠN

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (HUST) trong đề tài mã số T2018-PC-088.

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

  1. L. Hu, Z. T. Liu, P. Wang, W. J. Hwa, and M. K. Kang; Mechanism of tempered bainite embrittlement in some structural steels, Mater. Sci. Eng. A, vol. 141, no. 2, 1991, pp. 221-227
  2. A. Nikolaev, A. V. Nikolaeva, and Y. I. Shtrombakh; Radiation embrittlement of low-alloy steels, Int. J. Press. Vessel. Pip., vol. 79, no. 8-10, 2002, pp. 619-636
  3. M. Bromley; Hydrogen Embrittlement Testing of Austenitic Stainless Steels SUS 316 and 316L, B.A.Sc. Thesis, The University of British Columbia, 2008
  4. E. Price and R. G. Norman; A Comparison of hydrogen and mercury embrittlement in AISI 4142 steel, Acta Metall., vol. 35, no. 7, 1987, pp. 1639-1648
  5. Britain, Mechanisms of tempered martensite embrittlement in medium – carbon steels, Mat. Sci. and Eng., vol. 32, no. 10, 1984, pp. 1767-1777
  6. Kwon and C. H. Kim; The Effect of Grain Size on Fracture Behaviour in Tempered Martensite Embrittlement for AISI4340 Steel, Mater. Sci. Eng., vol. 100, 1988, pp. 121-128
  7. F. Stein, Reversible Temper Embrittlement, Annu. Rev. Mater. Sci., vol. 7, no. 1, 1977, pp. 123-153
  8. J. Hickey and J. H. Bulloch; The role of reverse temper embrittlement on some low and high temperature crack extension processes in low carbon, low alloy steels: A review, Int. J. Press. Vessel. Pip., vol. 49, no. 3, 1992, pp. 339-386
  9. Dumoulin, M. Guttmann, M. Foucault, M. Palmier, M. Wayman, and M. Biscondi; Role of Molybdenum in Phosphorus-Induced Temper Embrittlement, Met. Sci., vol. 14, no. January, 1980, pp. 1-15
  10. Goretzki and P. V. Rosenstiel; Scanning Auger investigations of embrittlement phenomena in Cr-Ni and Cr-Mo steels, Spectrochim. Acta Part B At. Spectrosc., vol. 40, no. 5-6, 1985, pp. 853-858
  11. Beneke; The Influence of Nitrogen and Molybdenum on the Sensitization Properties of Low-Carbon Austenitic Stainless Steels, Corrosion Science, vol. 29, no. 5, 1989, pp. 543-555
  12. F. Li, L. Li, E. B. Liu, D. Liu, and X. F. Cui; Temper embrittlement dynamics induced by non-equilibrium segregation of phosphorus in steel 12Cr1MoV, Scr. Mater., vol. 53, no. 3, 2005, pp. 309-313
  13. Ho, D. F. Mitchell, and M. J. Graham; Surface and grain boundary segregation related to the temper embrittlement of a 2Cr-1Mo steel, Appl. Surf. Sci., vol. 15, no. 1-4, 1983, pp. 108-119
  14. Zaoli, X. Tingdong, L. Qingying, and Y. Zongsen; A new interpretation of temper embrittlement dynamics by non-equilibrium segregation of phosphor in steels, J. Mater. Sci., vol. 36, no. 8, 2001, pp. 2055-2059
  15. Pilkington, R. Dicken, and P. Peura; Trace element embrittlement in a 2.25% Cr-1% Mo steel, Mater. Sci. vol. 212, 1996, pp. 191-205
  16. R. Krahe and M. Guttmann; Temper brittleness and grain boundary etching, Metallography, vol. 7, no. 1, 1974, pp. 5-17

Leave a Reply

Your email address will not be published.