BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

TRẦN CÔNG THỨC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ
GIA CÔNG CƠ-NHIỆT ĐẾN TỔ CHỨC VÀ CƠ TÍNH CỦA
THÉP SONG PHA ĐƯỢC LUYỆN TỪ SẮT XỐP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

TRẦN CÔNG THỨC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ
GIA CÔNG CƠ-NHIỆT ĐẾN TỔ CHỨC VÀ CƠ TÍNH CỦA
THÉP SONG PHA ĐƯỢC LUYỆN TỪ SẮT XỐP

Chuyên ngành:
Mã số:

KHCN cấp Nhà nước do TCT MIREX chủ trì, đã cho phép tham gia thực hiện
Dự án và đảm nhiệm một số nhiệm vụ trong mục nghiên cứu sử dụng sắt xốp
luyện thép hợp kim phục vụ kinh tế và quốc phòng. Dự án đã giúp về vật chất
và tinh thần trong toàn bộ quá trình thực hiện Luận án. Cám ơn Nhóm nghiên
cứu luyện thép hợp kim từ sắt xốp, đã trao nhiệm vụ thực hiện nghiên cứu cơ
sở khoa học xây dựng quy trình công nghệ xử lý cơ nhiệt một mác thép DP cụ
thể, phục vụ sản xuất quốc phòng, chính là nội dung của Đề tài Luận án.
Xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn Ban giám đốc, Phòng sau đại học, Khoa
Cơ khí - Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi
trong quá trình học tập và hoàn thành Luận án.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai thầy PGS. TS Đinh Bá Trụ
và PGS. TS Nguyễn Trường An đã hết lòng truyền đạt, hướng dẫn lý thuyết
và thực nghiệm khoa học, giải đáp thắc mắc và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho
tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và hoàn thành Luận án.
Xin được tỏ lòng biết ơn chân thành đến các Thầy Cô và các nhân viên
Phòng thí nghiệm thuộc Bộ môn Gia công áp lực và BM Vật liệu và Công nghệ
Vật liệu Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Công nghệ - TC CNQP, đã giúp đỡ
bổ sung kiến thức, thực nghiệm khoa học và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi
trong quá trình nghiên cứu, học tập và thu thập số liệu để tôi hoàn thành được
Luận án.
Xin chân thành cảm ơn các Giáo sư trong hội đồng chấm Luận án Tiến
sỹ đã cho cho phép tôi được trình bày Luận án và đánh giá bản Luận án của tôi.


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................. ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................. vi

2.3.1. Cơ chế hóa bền do lệch ...................................................................................... 39
2.3.2. Các cơ chế hãm lệch trong thép DP .................................................................. 39
2.4. Lý thuyết hóa bền thép DP bằng hạt F và M nhỏ............................................... 42
2.4.1. Cơ sở lý thuyết hóa bền bằng hạt nhỏ thép DP ............................................... 42
2.4.2. Một số giải pháp làm nhỏ hạt trong thép DP .................................................... 44
2.5. Nhiệt động học chuyển biến tổ chức pha F và M................................................ 46
2.5.1. Ảnh hưởng nhiệt độ nung ủ và tỷ phần pha...................................................... 46
2.5.2. Ảnh hưởng của thời gian giữ nhiệt.................................................................... 48
2.5.3. Ảnh hưởng tốc độ nguội .................................................................................... 50
2.6. Kết luận chương 2 ................................................................................................. 50
Chương 3 - THỰC NGHIỆM KHOA HỌC .............................................................. 52
3.1. Lưu đồ thực nghiệm và các thiết bị thí nghiệm ................................................... 52
3.2. Thực nghiệm xác định thuộc tính nhiệt động ...................................................... 53
3.2.1. Thành phần thép nghiên cứu ............................................................................. 53
3.2.2. Thuộc tính nhiệt động của mác thép DP nghiên cứu ....................................... 54
3.2.3. Xác định tổ chức pha của thép bằng kính hiển vi quang học .......................... 56
3.2.4. Xác định các mức biến đổi của thông số thực nghiệm xử lý nhiệt ................. 57
3.3. Xác định các đặc trưng cơ tính của thép .............................................................. 58
3.4. Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm .............................................................. 59
3.4.1. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm .............................................................. 59
3.4.2. Xử lý số liệu bằng phần mềm STATISICA ..................................................... 64
3.4.3. Thí nghiệm kiểm chứng ..................................................................................... 65
3.5. Kết luận chương 3 ................................................................................................. 66


v
Chương 4 - NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CƠ NHIỆT ĐẾN TỔ CHỨC VÀ CƠ TÍNH THÉP DP.................................................. 68
4.1. Nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ đến tổ chức của thép DP .............. 68
4.1.1. Tổ chức tế vi của mác thép trong các trạng thái nhiệt luyện ........................... 68
4.1.2. Quan hệ thông số công nghệ với độ lớn hạt ferit ............................................. 70


Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến peclit thành ôstenit khi nung thép

Ac3

Nhiệt độ kết thúc chuyển biến peclit thành ôstenit khi nung

Ar1

Nhiệt độ kết thúc chuyển biến ôstenit thành peclit khi làm nguội

Ar3

Nhiệt độ bắt đầu chuyển pha ferit từ ôstenit khi làm nguội

b

Vec tơ Burgers

b0, bj, bjr,
Các hệ số hàm hồi quy
bjrk, bjj
B, k
Hằng số phụ thuộc bản chất vật liệu
CM

Hàm lượng cacbon trong mactenxit (%)

d


R0,2

Giới hạn chảy quy ước (MPa)

Re

Giới hạn chảy (MPa)

Rm

Giới hạn bền kéo (MPa)

r,

Bán kính mầm mactenxit dạng đĩa

T

Nhiệt độ nung trong vùng tới hạn hai pha (0C)


vii

T,

T
Tkt

Giá trị nhiệt độ lý thuyết cần thiết để chuyển biến trượt mạng
từ ôstenit thành mactenxit

Ký hiệu hàm hồi quy chung

y

Tỷ số rèn

Yi

Ký hiệu hàm hồi quy tại điểm thí nghiệm i

u

Độ giãn dài đồng đều (%)

1, 2,..,
n

Giới hạn bền của các pha 1, 2, …,n tương ứng (MPa)

y

Giới hạn chảy thực (MPa)

t

Giới hạn bền thực (MPa)



Ứng suất kéo

VM

Tỷ phần pha mactenxit (%)

Vγ

Tỷ phần pha ôstenit (%)

vn

Tốc độ nguội tới hạn (0C/s)

Z

Độ thắt tỷ đối (%)



Pha ferit, hằng số hóa bền do lệch

’, , b

Các pha mactenxit, ôstenit, bainit



Mức độ biến dạng (%)

n


Sai số tuyệt đối hoặc phần dư giữa giá trị lý thuyết của hàm hồi
quy và giá trị thực nghiệm tại điểm thí nghiệm I (I = yi - Yi)
Hiệu số giữa giá trị cận trên và cận dưới của biến thực khi khảo
sát trong quy hoạch thực nghiệm
Lượng tăng độ bền gây ra do mật độ lệch


ix

2. Danh mục chữ viết tắt
Chữ viết
Nguồn gốc
tắt
AHSS Advanced High Strength Steel
B

Dịch nghĩa
Thép độ bền cao tiên tiến

Bainite

Bainit

BH

Bake Hardening

Biến cứng nung

CP


Thép độ bền cao

IF

Interstitial Free Steel

Thép không có nguyên tử xen kẽ

KHCN
SI

Khoa học công nghệ
Sponge Iron

Sắt xốp

Transformation Induced
Plasticity
Twinning Induced Plasticity

Dẻo nhờ chuyển biến hay chuyển
biến do dẻo
dẻo do song tinh

LCP

Law mixture phase

Luật cộng pha


Product of Strength and
Elongation

Tích số giới hạn bền và độ giãn
dài tương đối
Quy hoạch thực nghiệm

Ferrite

Ferit

QHTN
F


x

FG

Fine grain

Kích thước hạt nhỏ mịn

FLD

Forming Limit Diagram

Biến dạng tới hạn


Bảng 3.1: Thành phần hóa học mác thép sau khi nấu và tinh luyện ............... 54
Bảng 3.2: Các nhiệt độ tới hạn ........................................................................ 54
Bảng 3.3: Kết quả thử nghiệm tốc độ nguội của các môi trường ................... 56
Bảng 3.4: Bảng ma trận thực nghiệm.............................................................. 60
Bảng 3.5: Bảng kết quả thực nghiệm .............................................................. 60
Bảng 3.6: Bảng giá trị, độ tin cậy của các đặc trưng cơ tính thép ................. 61
Bảng 3.7: Tổng hợp giá trị tối ưu của các hàm hồi quy .................................. 64
Bảng 3.8: Kết quả thực nghiệm kiểm chứng................................................... 66
Bảng 4.1: So sánh một số chỉ tiêu cơ tính của thép nghiên cứu ..................... 77
Bảng 4.2: Bộ thông số công nghệ cho các chỉ tiêu tối ưu............................... 94
Bảng 4.3: Bộ thông số công nghệ tối ưu về độ bền - độ dẻo .......................... 95


xii
DANH MỤC HÌNH ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Phân loại thép theo quan hệ độ bền và tính dẻo ............................... 6
Hình 1.2: Đặc điểm tổ chức mác thép AHSS ................................................... 9
Hình 1.3: Ba thế hệ thép AHSS ...................................................................... 10
Hình 1.4: Hệ số biến cứng n phụ thuộc biến dạng của thép DP ..................... 13
Hình 1.5: So sánh các chỉ tiêu cơ học của nhóm thép CP, DP và TRIP ......... 13
Hình 1.6: Sơ đồ sản xuất thép theo công nghệ truyền thống và tiên tiến ....... 15
Hình 1.7: Công nghệ hoàn nguyên trực tiếp MIDREX .................................. 15
Hình 1.8: Sơ đồ công nghệ xử lý nhiệt thép HSLA, DP, CP, TRIP ............... 16
Hình 1.9: Tốc độ phát triển ứng dụng thép AHSS trong sản xuất ô tô ........... 17
Hình 1.10: Biểu đồ thay đổi tỷ phần thép AHSS trong sản xuât ô tô ............. 17
Hình 1.11: Các chi tiết chế tạo bằng thép DP và thép HSLA trong ô tô ........ 17
Hình 1.12: Ảnh hưởng của các NTHH tới độ bền của thép DP ..................... 19
Hình 1.13: Tổ chức của thép DP - F và M ...................................................... 21
Hình 1.14: Giản đồ pha thép DP ..................................................................... 21
Hình 1.15: Tổ chức SEM của thép DP hạt siêu mịn ....................................... 22

Hình 2.13: Chuyển biến tạo pha rắn ............................................................... 42
Hình 2.14: Quan hệ độ bền và độ lớn hạt F trong biểu thức Hall-Petch ........ 43
Hình 2.15: Quan hệ ứng suất-biến dạng với các kích thước hạt ..................... 43
Hình 2.16: Các dạng chuyển động của lệch trong một hạt và truyền sang..... 44
Hình 2.17: Quan hệ các chỉ tiêu cơ tính với độ lớn hạt F ............................... 44
Hình 2.18: Quan hệ cỡ hạt F với hàm lượng các nguyên tố vi lượng và C .... 45
Hình 2.19: Sơ đồ mô tả làm nhỏ hạt Ô bằng xử lý nhiệt chu kỳ .................... 46
Hình 2.20: Giản đồ quan hệ nhiệt độ nung và tỷ phần pha của thép DP.............. 47
Hình 2.21: Quan hệ tỷ phần pha với nhiệt độ nung vùng 2 pha ..................... 47


xiv
Hình 2.22: Tỷ lệ ôstenit của 4 thép khác nhau phụ thuộc nhiệt độ................. 47
Hình 2.23: Quá trình hòa tan (a) và đồng đều ôstenit (b) quan hệ nhiệt độ và
thời gian của thép ............................................................................................ 48
Hình 2.24: Quan hệ tỷ phần F với thời gian giữ nhiệt trong điều kiện biến dạng
trước khác nhau (a), nhiệt độ nung khác nhau (b) .......................................... 48
Hình 2.25: Động học ôstenit hóa đẳng nhiệt................................................... 49
Hình 2.26: Quan hệ giữa tỷ phần Ô với thời gian giữ nhiệt ........................... 49
Hình 2.27: Quan hệ tỷ phần mactenxit với thời gian và nhiệt độ ................... 49
Hình 3.1: Lưu đồ thực nghiệm ........................................................................ 52
Hình 3.2: Giản đồ pha (Thermo - Calc) .......................................................... 55
Hình 3.3: Giản đồ CCT(a) và biểu đồ tỷ phần các pha với nhiệt độ (b) ......... 55
Hình 3.4: Biểu đồ giãn nở nhiệt mẫu thép nghiên cứu ................................... 55
Hình 3.5: Kính hiển vi quang học AXIO-A2M .............................................. 56
Hình 3.6: Tổ chức tế vi: a - sau đúc, b - sau rèn .................................................. 56
Hình 3.7: Tổ chức tế vi của thép DP nghiên cứu sau xử lý nhiệt ................... 57
Hình 3.8: Tổ chức thép DP và xác định tỷ phần F+M bằng ImageJ .............. 57
Hình 3.9: Sơ đồ chu trình xử lý nhiệt thực nghiệm ....................................... 58
Hình 3.10: Minh họa biểu đồ tìm bộ thông số công nghệ tối ưu .................... 65

Hình 4.27: Ảnh hưởng của TSCN đến giới hạn bền ....................................... 79
Hình 4.28: Biểu đồ 3D quan hệ 3 TSCN với giới hạn chảy ........................... 80
Hình 4.29: Quan hệ giới hạn chảy với đặc trung tổ chức ............................... 81
Hình 4.30: Ảnh hưởng của TSCN đến giới hạn chảy ..................................... 82
Hình 4.31: Biểu đồ 3D quan hệ 3 TSCN với hệ số hóa bền ........................... 83
Hình 4.32: Quan hệ Rm/Re với đặc trung tổ chức ........................................... 84
Hình 4.33: Ảnh hưởng của TSCN đến hệ số hóa bền ..................................... 85
Hình 4.34: Ảnh đồ quan hệ độ giãn dài tương đối với đặc trưng tổ chức ...... 86
Hình 4.35: Ảnh hưởng của TSCN đến độ giãn dài ......................................... 87
Hình 4.36: Biểu đồ 3D quan hệ 3 TSCN với độ thắt tỷ đối ............................ 88


xvi
Hình 4.37: Ảnh đồ quan hệ độ thắt tỷ đối với đặc trưng tổ chức ................... 88
Hình 4.38: Ảnh hưởng của TSCN đến độ thắt tỷ đối Z .................................. 89
Hình 4.39: Biểu đồ 3D quan hệ 3 TSCN với chỉ số hấp thụ năng lượng ....... 90
Hình 4.40: Quan hệ chỉ số hấp thụ năng lượng với đặc trưng tổ chức ........... 90
Hình 4.41: Ảnh hưởng của TSCN đến chỉ số hấp thụ năng lượng ................. 91
Hình 4. 42: Biểu đồ 3D quan hệ 3 TSCN với hệ số biến cứng n .................... 92
Hình 4.43: Quan hệ hệ số biến cứng n với đặc trưng tổ chức ........................ 92
Hình 4.44: Ảnh hưởng của TSCN đến hệ số biến cứng n .............................. 93
Hình 4.45: Quan hệ giới hạn bền và độ giãn dài tương đối thép song pha sau xử
lý cơ nhiệt ........................................................................................................ 95
Hình 4.46: Quan hệ giới hạn bền - độ giãn dài thép DP nghiệm chứng ......... 96


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết

Dự án KHCN cấp Nhà nước 2014-2017, do Công ty MIREX chủ trì, với
nhiệm vụ: Hoàn thiện công nghệ sản xuất sắt xốp và sản xuất thử nghiệm
thép hợp kim từ sắt xốp phục vụ kinh tế và quốc phòng, đã sản xuất được sắt
xốp rắn với tổng sắt đạt 94  96% và luyện được hàng chục mác thép hợp kim
các loại, với sản lượng hàng trăm tấn, như mác thép hợp kim 38CrNi3MoVA,
30CrMnSi, thép dập vuốt sâu S10C,... Từ nhu cầu sản xuất phôi thép DP dập
vỏ động cơ đạn phản lực R122, thay thế nhập ngoại, nhận thấy cần có các
nghiên cứu cơ bản về cơ sở lý thuyết và công nghệ tạo phôi thép từ nhóm AHSS
theo hướng vừa có độ bền cao vừa có tính dẻo tốt đáp ứng các chỉ tiêu cơ học
và áp dụng công nghệ đưa sản phẩm vào phục vụ sản xuất quốc phòng. Chính
vì vậy, hướng nghiên cứu sản xuất thép AHSS nói chung và đề tài cụ thể nghiên
cứu lĩnh vực công nghệ chuyên biệt về ảnh hưởng của thông số công nghệ
gia công cơ - nhiệt đến tổ chức và cơ tính của thép song pha được luyện từ
sắt xốp là việc cần thiết, mở ra một hướng phát triển mới trong lĩnh vực ứng
dụng công nghệ mới tại Việt Nam.
2. Mục tiêu của luận án
Sau quá trình nghiên cứu Luận án đã đạt được mục tiêu là:
Đã xác lập các quy luật về mối quan hệ giữa 3 thông số công nghệ xử lý
nhiệt (nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt và tốc độ nguội) với tổ chức và cơ tính
phôi thép song pha; tổ chức tế vi đã đáp ứng đúng là tổ chức 2 pha F và M, có
độ lớn hạt cấp siêu mịn, tỷ phần pha nằm trong giới hạn chung của thép DP và
chỉ tiêu cơ tính vừa có độ bền cao và tính dẻo tốt, tương đương mác thép
DP500/800 theo tiêu chuẩn ASTM, các quy luật quan hệ được thiết lập có thể
làm nền tảng để xây dựng các quy trình công nghệ sản xuất tại nhà máy.
3. Tính khoa học - tính thực tiễn - tính mới của luận án
- Tính khoa học
a. Luận án đã dựa trên các lý thuyết cơ bản về hóa bền do chuyển biến
pha, luật cộng pha và lý thuyết độ bền - độ dẻo của thép, đã tiến hành thực



4

5. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
Theo yêu cầu của sản xuất, chọn mác thép nghiên cứu có thành phần
nhóm CMnSi và các chỉ tiêu cơ tính tương đương thép DP450/780 và
DP500/800, được luyện từ sắt xốp MIREX, rèn từ D250mm xuống D14mm
làm mẫu thí nghiệm; tiến hành xử lý nhiệt, trọng tâm nghiên cứu 3 thông số
công nghệ: Nhiệt độ nung, thời gian giữ nhiệt và tốc độ nguội, với hàm mục
tiêu về độ bền và độ dẻo của thép, thông qua sự tác động hình thành tổ chức 2
pha F và M có độ lớn hạt nhỏ và tỷ phần pha trong phạm vi tiêu chuẩn.
6. Nội dung Luận án
Luận án ngoài mở đầu và kết luận, gồm 4 chương chính như sau:
1- Tổng quan về thép AHSS - thép DP và sắt xốp. Tổng quan về tài liệu
các tác giả thế giới đã nghiên cứu về thép AHSS và DP, từ đó đưa ra các nội
dung Luận án cần nghiên cứu.
2 - Cơ sở lý thuyết về tổ chức và cơ tính thép DP
Khảo cứu tài liệu, thuyết minh cơ sở lý thuyết tăng bền của thép song
pha với 3 lý thuyết: Lý thuyết cộng pha; lý thuyết hóa bền do hạt nhỏ mịn; lý
thuyết độ bền và độ dẻo do lệch và hãm lệch.
Khảo cứu quá trình nhiệt động học chuyển biến pha để tạo pha F và M; có
độ hạt nhỏ siêu mịn và tỷ phần pha M theo yêu cầu cơ tính của thép song pha.
3 - Thực nghiệm khoa học.
Trình bày các phương pháp, thiết bị và công cụ dùng để thực nghiệm
theo lưu đồ thực nghiệm. Xác định các thuộc tính nhiệt động của thép nghiên
cứu, làm điều kiện ban đầu, sử dụng phương pháp QHTN làm cơ sở, xác lập
miền thông số công nghệ thực nghiệm, số thực nghiệm, thực hành thực nghiệm
thử tổ chức và cơ tính, xử lý số liệu, xác lập hàm hồi quy để tìm giá trị cực trị
của các mục tiêu. Sử dụng phần mềm dựng biểu đồ 3D và đồng mức để tìm
miền công nghệ phù hợp yêu cầu.


cán dạng tấm và thép thanh có tiết diện I - U - T dùng trong các công trình xây
dựng, các kết cấu thiết bị và khung dầm xe ô tô các loại. Tuy thép có giới hạn
bền nhỏ hơn 700MPa, giới hạn chảy đến 500MPa, độ giãn dài từ 10 đến 30%,


7

nhưng được sản xuất với một khối lượng rất lớn phục vụ chế tạo các kết cấu
thép, vì vậy nghiên cứu cải tiến để tăng độ bền và độ dẻo, rất có ý nghĩa về kinh
tế và kỹ thuật.
Từ yêu cầu thực tiễn, nhóm thép CMnSi được nghiên cứu nâng cao chất
lượng về độ bền và độ dẻo theo xu hưởng thay đổi tổ chức bằng tác động của
công nghệ biến dạng - xử lý nhiệt. Từ đó thép độ bền cao tiên tiến AHSS ra đời,
tạo một sự đổi mới về chất làm tăng độ bền và độ dẻo, đang dần thay thế thép
hợp kim thấp độ bền cao.
1.1.2. Thép độ bền cao tiên tiến - AHSS
Thép AHSS được nghiên cứu từ những năm 1960, được phát triển mạnh
sau những năm 1980. Từ thành tựu về công nghệ hoàn nguyên trực tiếp sắt
(luyện gang phi cốc), thu được sản phẩm có hàm lượng P và S thấp dưới
0,015%, nhờ đó tạo tiền đề cho luyện ra mác thép chất lượng cao, tiếp sau sử
dụng công nghệ biến dạng và xử lý nhiệt tạo được mác thép có số lượng pha
nhất định (F, M, B, Ô dư), với độ lớn hạt siêu mịn và có tỷ phần thể tích các
pha nhất định. Từ đó ta được thép AHSS có cơ tính tổng hợp cao hơn các mác
thép HSLA, có giới hạn bền cao đến siêu cao, trên 1200MPa và độ giãn dài vẫn
bảo đảm trên 20%.
1.1.3. Thép song pha
Thép song pha (DP) là một trong các mác thép thuộc nhóm độ bền cao
tiên tiến AHSS, mác thép có tổ chức hai pha F và M đồng tác dụng; pha ferit
dẻo làm nền và pha mactenxit rắn nằm xen kẽ trên phân giới hạt của pha ferit,
có độ lớn hạt siêu mịn. Hai pha ferit và mactenxit có tỷ phần thể tích nhất định,