Luyenkim.Net - Thép austenit mangan cao: quá khứ, hiện tại và tương lai (phần 2)

Trang chủ

Khoa học công nghệ

Kỹ thuật vật liệu

Thép austenit mangan cao: quá khứ, hiện tại và tương lai (phần 2)

(0 votes)

09/03/2007

Fe-Mn & Fe-Ni

Luyenkim.NET: Có một việc đề ra là đi nghiên cứu trường cường độ cân bằng của các mác thép này sẽ giúp ích rất lớn trong việc phát triển các họ hợp kim phi từ tính và được sử dụng nhiều để chế tạo các vỏ chứa vật liệu siêu dẫn làm việc trong môi trường nhiệt độ thấp.

Còn có một mác thép không thể không nhắc đến đó là họ thép Austenite làm xupap xả động cơ ô tô là 21-2N và 21-4N cả hai đều chứa 9% Mn. Việc nghiên cứu những lĩnh vực này nhằm mục đích cung cấp kiến thức làm cơ sở để ta cải tiến những mác hợp kim cũ, điều này sẽ được khẳng định thông qua những thông tin trong bài báo mà chúng tôi đưa đến hội thảo lần này.

Điểm qua một vài tính chất kim loại học vật lý của họ thép Mangan cao: Thép Mangan cao, cụ thể hơn là các mác thép được đưa ra trong bài báo này là hợp kim cơ bản trên cơ sở sắt gồm các hệ cơ bản được dẫn ra sau đây: Fe-Mn; Fe-C-Mn; Fe-N-Mn; Fe-Cr-Mn; Fe-Cr-N-Mn; và Fe-C-Ni-N-Mn. Giản đồ pha cho ta mô tả thích hợp về các pha, tổ chức, nhiệt độ và thành phần tương ứng cũng như mối quan hệ phụ thuộc giữa chúng vào nhiệt độ

Hình 1: Giản đồ pha Fe-Mn và Fe-Ni

(trục hoành trên biểu diễn % nguyên tử Mn tan vào trong sắt theo nhiệt độ trục hoành dưới biểu thị % khối lượng Mn theo nhiệt độ và trên giản đồ biểu diễn chung cho hai hệ Fe-Mn và Fe-Ni). Trong hình này ta thấy rõ sự tương đồng giữa Ni và Mn trong Fe và khả năng hòa tan vào sắt theo nhiệt độ. Cả hai nguyên tố Ni và Mn đều mở rộng vùng γ và vì lẽ đó Ni và Mn còn có một tên gọi khác là nguyên tố Austenite hóa.

Hình 2: Giản đồ pha Fe-Mn-C

Ở hình 2 dẫn ra một giản đồ 3 nguyên của hệ Fe-C-Mn. Nhìn vào giản đồ ta thấy ở vùng nhiệt độ trên đường Acm là tổ chức Austenite. Tổ chức này được tạo ra do sự tạo thành dung dịch rắn của Mn và C. Tính ổn định của tổ chức này chịu sự chi phối bởi hàm lượng hai nguyên tố Mn và C trong sắt và thành phần tồn tại ổn định tổ chức này ở nhiệt độ thường và kể cả ở nhiệt độ thấp được mô tả rõ trên hình, cho thấy tổ chức Austenite rất ổn định tồn tại ở nhiệt độ -320F tức -195ºC. Hàm lượng C cao trong thép có mối quan hệ mật thiết với tính ổn định của tổ chức Austenite và C có khả năng tan nhiều vào tổ chức Austenite này hơn. Hạt cacbit phát triển mạnh theo nhiệt độ được thấy rõ trong hình 3

Hình 3: Độ tan của C trong thép 13%Mn

. Mác phổ dụng nhất trong chuỗi mác thép qui chuẩn ASTM 128 được tìm ra ở khu vực gạch song song (hình 2). Có thể thừa nhận là Fe-18Mn-0. 5C gần giống với mác thép dùng làm vòng đai hiện nay vốn được phát triển từ mác này lên.

Họ thép không gỉ Mn thường thấy nhất nằm ở vùng giàu Fe trong giản đồ pha Fe-Cr-Mn và đây cũng là hệ đã và đang được nghiên cứu rộng rãi. Người có công nghiên cứu đầu tiên là Schafmeister. Điều này thấy rõ trên đường đẳng nhiệt 700ºC (1292F) trên hình 4

Hình 4: Giản đồ hệ Fe-Mn-Cr tại nhiệt độ 700C

. Rất khó có thể xác định được vùng biên pha của sắt sigma vì có sự tan lẫn vào nhau giữa dung dịch rắn Fe-Mn và Fe-Cr thấy rõ trên hình. Vùng không gỉ của thép có liên hệ chặt chẽ với điều này. Xuất phát từ thực nghiện chỉ ra rằng không thể tăng hàm lượng Cr lên quá 15% được ngoại trừ là trong sắt denta. Nếu hàm lượng C ở dưới ngưỡng này có thể phải bù thêm bằng các nguyên tố cho thêm như N hay là Ni sao cho lượng Cr vượt lên qua giới hạn cần thiết. Một đường lỏng giả thiết của hệ Fe-Cr-Mn được xây dựng bởi Revlin được thấy trong hình 5.

Hình 5: Đườn lỏng của hệ Fe-Mn-C

Revlin tiếp tục thí nghiệm ở các nhiệt độ đẳng nhiệt 800ºC (1472F); 900ºC (1652F); 1000ºC (1832F); và 1200ºC (2192F). Đường đẳng nhiệt ở 1000ºC (1832F) được coi như đường nhiệt động học chuẩn của hệ này (hình 6).

Hình 6: Giản đồ pha hệ Fe-Mn-Cr tại 1000C

Trong một nghiên cứu gần đây trong vùng giàu sắt trên giản đồ Fe-Cr-Mn với lượng Mn ở mức khống chế chỉ 8% được Uhrenius thực nghiệm ở hai mức nhiệt độ là 800ºC(1472F) và 750ºC(1382F) kết quả thể hiện trên hình 7.

Hình 7: Hệ Fe-Cr-Mn tại nhiệt độ 850 và 750C

Một giản đồ khác của hệ Fe-Cr-Mn ở 4K cung cấp những hiểu biết về tổ chức của hệ ở nhiệt độ thấp trong đó vùng Austenite cũng được phác họa rõ trên hình 8.

Hình 8: Giản đồ pha Fe-Mn-Cr tại 4K

Macstensit αlpha và êta cùng với sắt delta và sigma cũng được thấy rõ trên hình.

Ngoài ra còn nhiều hệ hợp kim khác có giản đồ pha rất đặc biệt. Một ví dụ điển hình là giản đồ minh họa ảnh hưởng tiềm ẩn của Ni cho vào đối với tổ chức sắt gama ở 1075ºC (1965F). Những thông tin từ rút ra từ giản đồ này rất hữu ích trong việc nghiên cứu ra họ thép Cr-Mn-Ni trong dãy mác thép 200 ở trên. Theo đó khi ta tăng hàm lượng Cr trong thép lên trên 15% là lý do chính của hiện tượng gỉ và vì vậy việc đưa Ni vào trở lên rất cần thiết điều này được chứng minh trong hình 9.

Hình 9 : Tổ chức của thép Cr-Mn khi hàm lượng Ni biến đổi từ 0 đến 10%.

Nito cũng là nguyên tố có ảnh hưởng rất mạnh trong việc mở rộng vùng Austenite được thấy rõ nhất trong thép có thành phần 15 đến 20% Cr và 12.5 đến 18% Mn. Tương tự như vậy hình 10 cho thấy sự ảnh hưởng rõ rệt của Nito, với hàm lượng 0.3%N cho phép tăng lượng Cr cho vào lên tới 16 đến 19%.

Hình 10: Ảnh hưởng của N đến vùng Austenite (cùng một lượng Cr, Mn nếu % N trong thép càng cao thì vùng austenite càng mở rộng.

Thậm chí có một phương pháp khá đơn giản khác cho phép nghiên cứu về thành phần pha Austenite đó là sử dụng giản đồ Schaeffler (hình 11) cung cấp một phương pháp tính thành phần pha nhờ một quy tắc gọi là quy tắc tay đòn. Tỷ số Mn:Ni bằng 2:1 cho việc thay thế Ni bằng Mn trong thép không gỉ Austenit.

Hình 11: Ảnh hưởng của thành phần đến độ tan của C và N

(Còn nữa)

Biên dịch: TRƯƠNG XUÂN TIỆP
Hiệu đính và giới thiệu: Nguyễn Hoàng Việt
Mọi ý kiến góp ý xin gửi về Địa chỉ email này đang được bảo vệ khỏi chương trình thư rác, bạn cần bật Javascript để xem nó