Chương 1. Đặc điểm thép AHSS-TRIP và công nghệ sản xuất. Cơ sở lý thuyết về tổ chức và cơ tính thép TRIP. Phương pháp thực nghiệm.
Ảnh hưởng của thông số cơ-nhiệt đến tổ chức và cơ tính thép TRIP CMnSi luyện từ sắt xốp. ĐẶC ĐIỂM THÉP AHSS-TRIP VÀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT 1. Một số khái niệm liên quan 1. Thép HSLA Thép HSLA thuộc nhóm thép hợp kim kết cấu có hàm lượng C thấp, các nguyên tố hợp kim (NTHK) là Mn, Si, Cr, Ni, Cu … và có thể thêm nguyên tố vi lượng như Ti, Nb, V …, tổng hàm lượng NTHK nhỏ hơn 5% [62].
Thép được cung cấp ở trạng thái cán nóng, tổ chức là ferit + peclit và được hóa bền bằng công nghệ nung tôi trên nhiệt độ Ac3 và ram, tổ chức là mactenxit ram. Do có thành phần hợp kim thấp nên cơ tính tổng hợp của thép tốt hơn thép cacbon. Trong nhóm thép HSLA có phân nhóm thép CMnSi, được sản xuất dưới dạng tấm, thanh U-I-V và dùng rộng rãi làm kết cấu thép, khung vỏ ô tô, vỏ tàu. Thép có giới hạn bền từ 450-700 MPa, độ giãn dài tương đối từ 10-27%.
Do yêu cầu phát triển cần có thép bền, dẻo hơn và cùng với ứng dụng các thành tựu công nghệ cuối thế kỷ 20, thế giới đã cho ra đời nhóm thép AHSS. Thép AHSS Hình 1. Quan hệ giới hạn bền với độ giãn dài của một số thép kết cấu [110]. Thép AHSS được phát triển từ thép HSLA nhóm CMnSi và có thể thêm nguyên tố khác, nhưng được sản xuất bằng công nghệ mới, từ sử dụng công nghệ luyện thép sạch bằng sắt hoàn nguyên trực tiếp (sắt xốp) và tinh luyện ngoài lò, đến dùng công nghệ cơ-nhiệt đặc biệt tạo tổ chức đa pha, các pha có tỷ phần thể tích (sau đây gọi tắt là tỷ phần) nhất định và độ hạt nhỏ như: thép song pha - thép DP 6 (có 2 pha ferit và mactenxit); thép dẻo do chuyển biến pha - thép TRIP (có 3 pha ferit, bainit, austenit dư); thép cấu trúc pha phức hợp - thép CP (có các pha ferit, peclit, bainit, mactenxit, austenit dư); thép mactenxit - thép MS (chủ yếu là mactenxit), … Nhờ công nghệ mới nên tăng được độ bền và độ dẻo, giới hạn bền của thép đến 1200 MPa (riêng thép MS đến 2000 MPa), mà vẫn có được độ dẻo tốt, độ giãn dài tương đối từ 5-40% (Hình 1.
Hiện nay, thép AHSS đã phát triển đến thế hệ 3 (Hình 1. Hướng phát triển chung của thép AHSS là tìm ra và sử dụng các hiệu ứng tổ chức đặc biệt để đồng thời nâng cao cả độ bền và độ dẻo: - Thép AHSS thế hệ 1 [40]. Nhóm này dựa trên hiệu ứng tổ chức đa pha với nền ferit và các pha rắn phân tán bainit, mactenxit và/hoặc austenit dư, gồm các thép DP, TRIP, CP, MS. Thép TRIP có thêm hiệu ứng chuyển pha austenit dư thành mactenxit khi biến dạng dẻo.
Nhóm này có độ bền và tính biến dạng tạo hình tốt hơn thép HSLA, giá thành sản xuất thấp. Thép DP được nghiên cứu từ những năm 1970, thép TRIP khoảng năm 1990 ., một số mác thép đã được đưa vào sản xuất đầu tiên tại các nước phát triển như Mỹ, Đức, Nhật Bản. và được ứng dụng mạnh mẽ trong công nghiệp sản xuất ô tô từ sau năm 2000. - Thép AHSS thế hệ 2 [10], [40].
Nhóm này dựa trên hiệu ứng biến dạng dẻo gây ra song tinh (hiệu ứng TWIP) và hiệu ứng TRIP, thép có tổ chức nền là austenit. Chúng được phát triển trên cơ sở thép mangan cao với hàm lượng Mn khoảng 1730%, cùng một vài nguyên tố khác như Si, Al, Cr. Nhóm này có độ bền cao trên 900 MPa, độ giãn dài tương đối đến 60%. Chúng được nghiên cứu từ sau năm 2000, nhưng bị hạn chế phát triển do đắt đỏ và công nghệ phức tạp.
- Thép AHSS thế hệ 3 [40]. Nhóm này được phát triển từ nhóm thép AHSS thế hệ 1 theo hướng tạo tổ chức hạt siêu nhỏ mịn, cấp độ nanomet để khai thác tối đa tiềm năng thuộc tính bền, dẻo nhờ hiệu ứng hóa bền bằng tổ chức hạt siêu nhỏ, chuyển đổi cơ chế biến dạng trong hạt sang cơ chế biến dạng bằng trượt biên hạt và chuỗi các hạt. Nhóm này có cơ tính tổng hợp nằm trung gian giữa AHSS thế hệ 1 và AHSS thế hệ 2. Thép đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển.
Thép TRIP Thép TRIP là một phân nhóm thép AHSS thế hệ 1, thép tổ chức đa pha, có pha austenit dư chiếm tỷ lệ từ 5-20%, ở dạng các đảo nhỏ, cô lập, nằm phân tán trong tổ chức nền ferit/bainit, các pha có tỷ phần nhất định và độ hạt nhỏ; pha austenit dư có thể chuyển biến thành mactenxit khi biến dạng dẻo (hiệu ứng TRIP) để hóa bền, tăng tính chống biến dạng dẻo cục bộ và cải thiện độ dẻo [40], [96]. Thép có thành phần C từ 0,1-0,4%, được hợp kim hóa bằng Mn, Si và có thể thêm nguyên tố khác [40]. Thép có độ bền cao và khả năng biến dạng tạo hình tốt, dải giới hạn bền từ 600-1050 MPa, độ giãn dài tương đối từ 15-40%. Từ khóa TRIP viết tắt của cụm từ “Transformation Induced Plasticity” được dịch thống nhất trong Luận án là “dẻo do chuyển biến pha”.D Fischer và các cộng sự [46], [48] “Transformation Induced Plasticity”, trong khái niệm cổ điển có thể giải thích là “.tính dẻo tăng lên đáng kể trong khi một pha thay đổi do chịu tác dụng của ngoại lực, ở đó, ứng suất tương đương tương ứng nhỏ hơn ứng suất chảy của vật liệu.
Theo từ điển vật lý của Giáo sư Charles-Poole xuất bản bởi Elsevier [32], “Transformation Induced Plasticity” là một trường hợp của “Transformation Plasticity”. “Transformation Plasticity” (tạm dịch là “dẻo chuyển biến”) được hiểu là “sự xuất hiện biến dạng cơ học phi đàn hồi được gây ra bởi chuyển biến pha”. Khi “Transformation Plasticity” xuất hiện trong quá trình biến dạng của kim loại, chuyển biến pha được gây ra bởi ứng suất cơ học, khi đó, chuyển biến pha sẽ tạo ra biến dạng bổ xung (additional strain) theo phương lực tác dụng, được quy cho là “Transformation Induced Plasticity” hay dẻo do chuyển biến pha. Trường hợp khác của “Transformation Plasticity” xuất hiện khi nung hoặc làm nguội qua vùng nhiệt độ chuyển biến pha, tức là động lực xuất hiện “Transformation Plasticity” là do nhiệt.
Trong khi đó, động lực xuất hiện “Transformation Induced Plasticity” là do lực cơ học (lực ngoài). Khái niệm “dẻo do chuyển biến pha” của Giáo sư Charles-Poole [32] phù 8 hợp với khái niệm về thuật ngữ này trong nhiều tập san khoa học khác. Trong thép, hiệu ứng dẻo do chuyển biến pha hay hiệu ứng TRIP phổ biến xuất hiện kèm theo chuyển biến của austenit thành mactenxit khi chịu tải cơ học. Lưu ý, thép TRIP luôn tiềm ẩn hiệu ứng TRIP khi chịu tác dụng của ngoại lực hoặc gia công tạo hình, nhưng hiệu ứng TRIP có thể xuất hiện hoặc không, tùy thuộc vào điều kiện nhiệt độ và tốc độ biến dạng, trạng thái ứng suất và biến dạng.
Thành phần-tổ chức-cơ tính của thép AHSS và TRIP Thế giới đã và đang nghiên cứu, phát triển các nhóm thép AHSS, trong đó, nhóm thép AHSS thế hệ 1 đã được đưa vào sản xuất và ứng dụng. Theo mục đích nghiên cứu, Luận án chỉ tập trung phân tích các đặc điểm của nhóm thép AHSS thế hệ 1 (sau đây gọi tắt là thép AHSS) và phân nhóm thép TRIP. Thành phần và tổ chức tế vi thép AHSS và TRIP Thép AHSS lấy đặc trưng tổ chức pha làm tiêu chí phân loại, không phân theo thành phần hay công dụng như các thép HSLA truyền thống. Thành phần hóa học của thép HSLA và thép AHSS.
Loại Thành phần hóa học (% khối lượng) Đặc điểm tổ chức Tham khảo thép C Mn Si P S Khác 0,05- 0,5- 0,17- Cr, Ni, Ti, +P HSLA [62] 0,25 1,8 1,5 0,04 0,04 Nb, V (hoặc mactenxit ram) 0,2- [40], [85], 0,06- 1,0- + ’ DP 0,5%Cr, ASTM1079-13, 0,23 2,5 1,0 0,025 0,015 (60-90%, 10-40%’) V, Ti, Nb EN10346 + b + d + và/hoặc ’ [40], [85], 0,1- 1,0- 1,0- Al, Ti, Nb, TRIP (50-60%, 25-40%b, 5- ASTM1079-13, 0,4 2,5 2,2 0,025 0,015 V, Mo, Cu 20%d) EN10346 + b + ’ + P + d [40], 1,0- CP Ti, Nb, V ( 42%, 40%b, 13% ’, ASTM1079-13, 0,25 2,5 1,0 0,025 0,015 5%d) EN10346 1,0- Cr, Mo, B, ’ + lượng nhỏ ferit [40], MS 0,3 2,5 2,0 0,015 0,015 Ti,V, Ni và/hoặc bainit worldautosteel.org Các đặc điểm thành phần và tổ chức tế vi của thép AHSS và thép HSLA nhóm CMnSi được tóm lược trong Bảng 1. Từ bảng này cho thấy: - Thép AHSS thuộc nhóm thép hợp kim thấp họ CMnSi, có hàm lượng C đến 9 0,4%, hàm lượng Mn từ 1-2,5%, Si đến 2,2% và có thể thêm nguyên tố khác Cr, Al, Ti, Nb, V. tùy theo từng phân nhóm thép và công dụng. Thép có độ sạch tạp chất cao, hàm lượng P, S yêu cầu thấp hơn nhiều so với thép HSLA, cụ thể, P 0,025%, S 0,015%.
P và S là hai nguyên tố rất có hại cho thép, gây lên hiện tượng nứt vỡ khi gia công áp lực và làm giảm cơ tính tổng hợp của thép nên cần thiết phải được giảm sâu. Trong luyện kim truyền thống từ gang và sắt phế, để hạ P, S xuống dưới 0,025% là một thách thức không nhỏ. Bên cạnh đó, để có tính năng ưu việt, lượng tạp chất phi kim và khí ([O], [H], [N]) trong thép AHSS yêu cầu phải thấp [107]. Như vậy, muốn đảm bảo chất lượng thành phần hóa học của thép AHSS, cần phải sử dụng công nghệ luyện thép đặc biệt.
Tổ chức thép HSLA và AHSS [53]. - Khác với thép HSLA, thép AHSS được hóa bền bằng hiệu ứng tổ chức đa pha, kết hợp sử dụng các nguyên lý hóa bền truyền thống là hóa bền dung dịch rắn, tiết pha phân tán và làm nhỏ hạt. Với việc hợp kim hóa các nguyên tố C, Mn, Si thích hợp, bằng công nghệ tác động làm thay đổi tổ chức, tạo các pha rắn, độ bền cao bainit, mactenxit, austenit dư nằm phân tán trong nền ferit dẻo, được phối hợp theo tỷ lệ nhất định và độ lớn hạt nhỏ, trong đó, cỡ hạt ferit ≤ 20 µm, các pha dạng đảo cô lập (mactenxit, austenit dư) ≤ 5 µm [29]. Pha ferit đóng vai trò liên kết, quyết định đến tính dẻo của thép; các pha rắn đóng vai trò là phân tử gia cường, quyết định đến độ bền, có tác dụng điều tiết độ bền và độ dẻo của thép.
Do đặc điểm này, nên các thép AHSS mang tên đặc thù tổ chức của từng nhóm thép.