Nghiên Cứu Về Thép Austenit Mangan Cao: Tính Chất và Ứng Dụng

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Dự án mở rộng quy mô sản xuất thép hợp kim phụ vụ phát triển công nghiệp hỗ trợ ngành cơ khí tại, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng

• Tác giả: Nguyễn Dương Nam
• Người hướng dẫn: TS Đào Hồng Bách
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu
• Đề tài: Nghiên Cứu Về Thép Austenit Mangan Cao: Tính Chất và Ứng Dụng
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặc điểm của thép austenit mangan cao
• 1.2. Phân tích điều kiện làm việc và phá hủy của chi tiết búa đập làm bằng thép Mn cao
• 1.2.1. Phân tích điều kiện làm việc của chi tiết chế tạo từ thép austenit mangan cao làm việc trong điều kiện cần độ dai va đập và chống mài mòn cao
• 1.2.2. Các dạng sai hỏng, nguyên nhân và cách khắc phục
• 1.3. Một số tiêu chuẩn thép austenit mangan cao
• 1.4. Tình hình nghiên cứu thép austenit mangan cao
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Cơ chế hóa bền thép austenit mangan cao
• 2.2. Nguyên lý hóa bền thép austenit mangan cao
• 2.3. Quá trình hóa bền biến dạng của thép austenit mangan cao theo cơ chế biến dạng
• 2.4. Ảnh hưởng của cacbit
• 2.5. Cơ chế hóa bền thép austenit mangan cao bằng chuyển biến mactenxit
• 2.6. Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến thép austenit mangan cao
• 2.7. Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon và mangan
• 2.8. Ảnh hưởng của hàm lượng Crom
• 2.9. Ảnh hưởng của hàm lượng Vanadi
• 2.10. Ảnh hưởng của các nguyên tố khác
• 2.11. Ảnh hưởng của tạp chất
• 2.12. Ảnh hưởng của đất hiếm
• 2.13. Đặc điểm điều kiện đúc thép austenit mangan cao
• 2.14. Ảnh hưởng của các thông số nhiệt lý tới tổ chức của hợp kim đúc
• 2.15. Ảnh hưởng của công nghệ đúc rót
• 2.16. Nguồn gốc tạp chất trong thép
• 2.17. Nhiệt luyện thép austenit mangan cao
• 2.17.1. Mục đích nhiệt luyện
• 2.17.2. Chuyển biến Austenit trong thép austenit mangan cao khi nung nóng
• 2.18. Sự hòa tan cacbit và đồng đều hóa austenit trong thép austenit mangan cao. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến cơ tính thép austenit mangan cao
• 2.19. Phân tích quy trình xử lý nhiệt
• 2. PHẦN 2: THỰC NGHIỆM
• 3. CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THÉP AUSTENIT MANGAN CAO
• 3.1. Nội dung nghiên cứu
• 3.2. Chế tạo mẫu nghiên cứu
• 3.3. Nhiệt luyện các mẫu nghiên cứu
• 3.4. Phương pháp nghiên cứu. Xác định thành phần hóa học. Quan sát tổ chức
• 3.5. Thử va đập mẫu
• 3.6. Đánh giá quá trình mài mòn. Quá trình phá hủy mẫu do va đập. Xác định tổng hàm lượng cacbit
• 3.7. Phân tích cấu trúc Rơnghen
• 3.8. Phương pháp hiển vi điện tử quét
• 3.9. Phương pháp EDS + mapping
• 3.10. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua
• 3. PHẦN 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 4. CHƯƠNG 4: ẢNH HƯỞNG CỦA NGUYÊN TỐ CROM VÀ VANADI
• 4.1. Ảnh hưởng của hàm lượng Cr (0%; 2% và 2.5%) đến tổ chức và cơ tính của thép austenit Mn cao với hàm lượng Mn là khoảng 15%. Ảnh hưởng đến tổ chức tế vi sau nhiệt luyện
• 4.2. Ảnh hưởng đến độ cứng và tính chống mài mòn
• 4.3. Ảnh hưởng đến độ dai va đập
• 4.4. Ảnh hưởng của hàm lượng Vanadi đến tổ chức và cơ tính của thép
• 4.4.1. Ảnh hưởng đến tổ chức tế vi
• 4.4.2. Tính chất tế vi sau nhiệt luyện
• 4.5. Phân tích SEM, EDS, mapping và TEM
• 4.6. Ảnh hưởng đến độ cứng và khả năng chịu mài mòn
• 4.7. Ảnh hưởng của đất hiếm đến tổ chức và cơ tính của thép austenit Mn cao
• 4.7.1. Tổ chức tế vi
• 4.7.2. Độ cứng, độ dai va đập và mài mòn
• 5. CHƯƠNG 5: ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT LUYỆN ĐỐI VỚI THÉP Mn15Cr2V
• 5.1. Trạng thái đúc của thép
• 5.2. Thành phần hóa học
• 5.3. Tổ chức tế vi
• 5.4. Tỷ phần và phân bố cacbit
• 5.5. Trạng thái nung dưới nhiệt độ austenit hóa
• 5.6. Các quy trình nhiệt luyện
• 5.6.1. Quy trình 1
• 5.6.2. Quy trình 2
• 5.6.3. Quy trình 3
• 5.6.4. Lựa chọn nhiệt xử lý nhiệt trung gian
• 5.6.5. Lựa chọn nhiệt xử lý và thời gian austenit hóa
• 5.6.6. Quy trình nhiệt luyện 3b: (nung trung gian 650°C, nung tôi 1100°C)
• 5.7. Cơ tính hợp kim sau nhiệt luyện
• 5.7.1. Độ dai va đập
• 6. CHƯƠNG 6: ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH VA ĐẬP VÀ XỬ LÝ NHIỆT ĐỘ THẤP
• 6.1. Thép hợp kim hóa bằng Cr
• 6.1.1. Độ cứng của mẫu
• 6.1.2. Tổ chức tế vi mẫu dưới tác dụng va đập
• 6.1.3. Phân tích ảnh SEM và EDS
• 6.1.4. Kết quả quan sát bằng TEM
• 6.2. Thép hợp kim hóa bằng V và Cr
• 6.2.1. Tổ chức tế vi (quang học)
• 6.2.2. Phân tích ảnh TEM
• 6.3. Thép hợp kim hóa Cr, V và biến tính bằng đất hiếm
• 6.3.1. Tổ chức tế vi sau va đập (quang học)
• 6.3.2. Quan sát ảnh TEM
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ

Tóm tắt

I. Thép Austenit Mangan Cao Tổng Quan Về Vật Liệu Tiềm Năng

Thép austenit mangan cao, hay còn gọi là thép Mn cao, là một loại thép hợp kim đặc biệt với hàm lượng mangan vượt quá 10%. Điểm nổi bật của loại thép này nằm ở khả năng tự hóa bền khi chịu tải trọng, đặc biệt là tải trọng va đập. Điều này có nghĩa là, khi thép chịu tác dụng của lực, lớp bề mặt sẽ trở nên cứng hơn, tăng khả năng chống mài mòn. Trước khi chịu tải, thép có tổ chức austenit với độ dai cao và độ cứng thấp, tạo điều kiện cho sự biến dạng dẻo. Khả năng tự hóa bền này làm cho thép austenit mangan cao trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng chịu tải trọng cao và chống mài mòn tốt. Loại thép này thường được sử dụng để chế tạo các chi tiết máy móc, thiết bị trong các ngành công nghiệp nặng như khai thác mỏ, xây dựng, đường sắt và ô tô.

1.1. Đặc điểm nổi bật của thép hàm lượng mangan cao

Thép austenit mangan cao sở hữu tổ chức austenit sau quá trình xử lý nhiệt, mang lại độ dai cao và độ cứng ban đầu thấp. Khả năng tự hóa bền khi chịu tải trọng, đặc biệt là va đập, là đặc tính độc đáo. Theo nghiên cứu, lớp bề mặt thép có thể tăng độ cứng đáng kể sau khi chịu tác động của lực, nâng cao khả năng chống mài mòn. Điều này giúp kéo dài tuổi thọ và hiệu suất của các chi tiết máy móc.

1.2. Thành phần hóa học cơ bản của thép Mn cao

Thành phần hóa học chủ yếu của thép austenit mangan cao bao gồm sắt (Fe), mangan (Mn) với hàm lượng trên 10%, và carbon (C). Hàm lượng mangan cao đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định pha austenit ở nhiệt độ phòng. Ngoài ra, các nguyên tố hợp kim khác như crom (Cr), niken (Ni), vanadi (V), molypden (Mo) có thể được thêm vào để cải thiện các tính chất cơ học khác như độ bền, độ dẻo, và khả năng chống ăn mòn.

1.3. Ứng dụng tiềm năng trong nhiều ngành công nghiệp

Nhờ những đặc tính vượt trội, thép austenit mangan cao được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nặng. Ứng dụng trong ngành ô tô để chế tạo các chi tiết chịu lực, chi tiết chống mài mòn. Ứng dụng trong ngành khai thác mỏ cho các thiết bị nghiền, sàng, và vận chuyển vật liệu. Ứng dụng trong ngành đường sắt cho bánh xe, đường ray. Ngoài ra, thép austenit mangan cao còn được sử dụng trong sản xuất các thiết bị quân sự, thiết bị xây dựng, và các ứng dụng đặc biệt khác.

II. Thách Thức Bài Toán Cần Giải Quyết Về Thép Mn Cao

Mặc dù có nhiều ưu điểm, việc sử dụng thép austenit mangan cao cũng đối mặt với một số thách thức. Một trong những vấn đề chính là khả năng gia công kém do độ cứng tăng lên khi biến dạng. Điều này gây khó khăn trong quá trình cắt gọt, tạo hình, và hàn. Bên cạnh đó, chi phí sản xuất cao hơn so với các loại thép thông thường cũng là một rào cản. Nghiên cứu và phát triển các phương pháp gia công hiệu quả, cũng như tìm kiếm các giải pháp giảm chi phí sản xuất là rất cần thiết để mở rộng ứng dụng của loại thép này. Ngoài ra, việc tối ưu hóa thành phần hóa học và xử lý nhiệt để cải thiện các tính chất cơ học và khả năng chống mài mòn cũng là một hướng đi quan trọng.

2.1. Khó khăn trong gia công và tạo hình thép austenit

Độ cứng tăng lên nhanh chóng khi thép austenit mangan cao bị biến dạng là nguyên nhân chính gây khó khăn trong quá trình gia công. Các phương pháp cắt gọt thông thường có thể gặp khó khăn do mòn dao nhanh chóng và bề mặt gia công không đạt yêu cầu. Các phương pháp tạo hình nguội cũng đòi hỏi lực lớn hơn và có nguy cơ gây nứt, gãy. Cần có các nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ sản xuất thép austenit mangan cao để giải quyết vấn đề này.

2.2. Chi phí sản xuất cao so với thép thông thường

Hàm lượng mangan cao và các nguyên tố hợp kim khác làm tăng chi phí nguyên vật liệu. Quá trình xử lý nhiệt phức tạp hơn cũng làm tăng chi phí sản xuất. Để cạnh tranh với các loại thép khác, cần tìm kiếm các giải pháp giảm chi phí nguyên vật liệu, tối ưu hóa quy trình sản xuất, và phát triển các phương pháp mạ điện thép austenit mangan cao tiết kiệm chi phí.

2.3. Yêu cầu tối ưu hóa thành phần và xử lý nhiệt

Để đáp ứng các yêu cầu khắt khe của các ứng dụng khác nhau, cần tối ưu hóa thành phần hóa học và xử lý nhiệt thép austenit mangan cao. Điều này đòi hỏi các nghiên cứu sâu rộng về ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim, các thông số nhiệt luyện, và cơ cấu tổ chức thép austenit mangan cao đến các tính chất cơ học và khả năng chống mài mòn.

III. Phương Pháp Nâng Cao Tính Chất Cơ Học Thép Austenit Mn Cao

Có nhiều phương pháp để nâng cao tính chất cơ học thép austenit mangan cao. Đầu tiên, việc kiểm soát chặt chẽ thành phần hóa học là rất quan trọng. Việc bổ sung các nguyên tố hợp kim như crom, vanadi, niken, molypden có thể cải thiện độ bền, độ dẻo, và khả năng chống ăn mòn. Thứ hai, xử lý nhiệt đóng vai trò then chốt trong việc điều chỉnh cơ cấu tổ chức và tính chất cơ học của thép. Các phương pháp nhiệt luyện khác nhau, như ủ, tôi, ram, có thể được áp dụng để đạt được các tính chất mong muốn. Thứ ba, các phương pháp gia công bề mặt như phun bi, cán nguội có thể được sử dụng để tạo ra lớp bề mặt hóa bền, tăng khả năng chống mài mòn.

3.1. Kiểm soát thành phần hóa học để tối ưu tính chất

Việc kiểm soát chặt chẽ thành phần hóa học thép austenit mangan cao là bước đầu tiên để đạt được các tính chất mong muốn. Hàm lượng mangan cần được điều chỉnh phù hợp để đảm bảo ổn định pha austenit. Các nguyên tố hợp kim khác như Cr, V, Ni, Mo có thể được thêm vào để cải thiện độ bền, độ dẻo, và khả năng chống ăn mòn. Nghiên cứu cần tập trung vào việc xác định tỷ lệ tối ưu của các nguyên tố hợp kim để đạt được sự cân bằng tốt nhất giữa các tính chất.

3.2. Xử lý nhiệt Bí quyết điều chỉnh cơ cấu và tính chất

Xử lý nhiệt thép austenit mangan cao là một quá trình quan trọng để điều chỉnh cơ cấu tổ chức và tính chất cơ học. Các phương pháp nhiệt luyện khác nhau như ủ, tôi, ram có thể được áp dụng để thay đổi kích thước hạt, phân bố pha, và trạng thái ứng suất. Việc lựa chọn chế độ nhiệt luyện phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

3.3. Gia công bề mặt Tăng cường khả năng chống mài mòn

Các phương pháp gia công bề mặt như phun bi, cán nguội, mạ điện có thể được sử dụng để tạo ra lớp bề mặt hóa bền, tăng khả năng chống mài mòn cho thép austenit mangan cao. Lớp bề mặt hóa bền có độ cứng cao hơn, khả năng chịu nén tốt hơn, và ít bị mài mòn hơn so với lớp bên trong. Nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các phương pháp gia công bề mặt hiệu quả và kinh tế.

IV. Nghiên Cứu Cơ Chế Biến Dạng TWIP TRIP Của Thép Mn Cao

Cơ chế biến dạng TWIP (Twinning-Induced Plasticity) và cơ chế biến dạng TRIP (Transformation-Induced Plasticity) là hai cơ chế quan trọng ảnh hưởng đến tính chất cơ học thép austenit mangan cao. Cơ chế TWIP liên quan đến sự hình thành song tinh trong quá trình biến dạng, giúp tăng khả năng hấp thụ năng lượng và cải thiện độ dẻo. Cơ chế TRIP liên quan đến sự chuyển pha từ austenit sang martensite dưới tác dụng của ứng suất, giúp tăng độ bền và độ cứng. Nghiên cứu về hai cơ chế biến dạng này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hóa bền và phát triển các loại thép có tính chất cơ học vượt trội.

4.1. Cơ chế biến dạng TWIP Tăng độ dẻo thông qua song tinh

Cơ chế biến dạng TWIP đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ dẻo của thép austenit mangan cao. Sự hình thành song tinh trong quá trình biến dạng giúp chia nhỏ hạt austenit, tạo ra nhiều rào cản cho sự di chuyển của lệch, và tăng khả năng hấp thụ năng lượng. Các nghiên cứu về cơ chế TWIP tập trung vào việc điều khiển quá trình hình thành song tinh để đạt được độ dẻo tối ưu.

4.2. Cơ chế biến dạng TRIP Tăng độ bền nhờ chuyển pha

Cơ chế biến dạng TRIP giúp tăng độ bền và độ cứng của thép austenit mangan cao. Sự chuyển pha từ austenit sang martensite dưới tác dụng của ứng suất tạo ra các vùng có độ cứng cao, cản trở sự di chuyển của lệch, và tăng khả năng chịu tải. Các nghiên cứu về cơ chế TRIP tập trung vào việc điều khiển quá trình chuyển pha để đạt được độ bền và độ cứng tối ưu.

4.3. So sánh và kết hợp TWIP và TRIP để đạt tính chất tối ưu

Cả cơ chế TWIP và cơ chế TRIP đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc kết hợp hai cơ chế này có thể giúp đạt được sự cân bằng tốt nhất giữa độ bền, độ dẻo, và khả năng chống mài mòn. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc thiết kế thành phần hóa học và quy trình xử lý nhiệt để kích hoạt cả hai cơ chế biến dạng này một cách hiệu quả.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Thép Austenit Mangan Cao Trong Công Nghiệp

Thép austenit mangan cao có nhiều ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp nhờ tính chất cơ học vượt trội và khả năng tự hóa bền. Trong ngành khai thác mỏ, thép được sử dụng để chế tạo các chi tiết chịu mài mòn cao như răng gầu, tấm lót máy nghiền, và má nghiền. Trong ngành xây dựng, thép được sử dụng cho các chi tiết chịu tải trọng lớn như bánh răng, trục khuỷu, và các chi tiết máy xúc, máy ủi. Trong ngành đường sắt, thép được sử dụng cho bánh xe, đường ray, và các chi tiết chịu va đập. Ngoài ra, thép austenit mangan cao còn được sử dụng trong sản xuất các thiết bị quân sự, thiết bị nông nghiệp, và các ứng dụng đặc biệt khác.

5.1. Ứng dụng trong ngành khai thác mỏ Thiết bị chịu mài mòn

Trong ngành khai thác mỏ, thép austenit mangan cao được sử dụng rộng rãi để chế tạo các chi tiết chịu mài mòn cao như răng gầu, tấm lót máy nghiền, má nghiền, và các chi tiết máy sàng. Độ bền cao, độ dẻo tốt, và khả năng tự hóa bền giúp các chi tiết này chịu được tải trọng lớn và môi trường làm việc khắc nghiệt, kéo dài tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì.

5.2. Ứng dụng trong ngành xây dựng Chi tiết chịu tải trọng lớn

Trong ngành xây dựng, thép austenit mangan cao được sử dụng cho các chi tiết chịu tải trọng lớn như bánh răng, trục khuỷu, và các chi tiết máy xúc, máy ủi. Độ bền cao, độ dẻo tốt, và khả năng chịu va đập giúp các chi tiết này hoạt động ổn định và an toàn trong điều kiện làm việc khắc nghiệt.

5.3. Ứng dụng trong ngành đường sắt An toàn và độ bền

Trong ngành đường sắt, thép austenit mangan cao được sử dụng cho bánh xe, đường ray, và các chi tiết chịu va đập. Độ bền cao, độ dẻo tốt, và khả năng chống mài mòn giúp các chi tiết này đảm bảo an toàn và độ bền trong quá trình vận hành, giảm chi phí bảo trì và thay thế.

VI. Kết Luận Triển Vọng Phát Triển Của Thép Austenit Mangan Cao

Thép austenit mangan cao là một vật liệu tiềm năng với nhiều ứng dụng trong công nghiệp. Nghiên cứu và phát triển các phương pháp gia công hiệu quả, giảm chi phí sản xuất, và tối ưu hóa tính chất cơ học sẽ mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới cho loại thép này. Việc nghiên cứu sâu về cơ chế biến dạng TWIP và cơ chế biến dạng TRIP sẽ giúp phát triển các loại thép có tính chất cơ học vượt trội, đáp ứng các yêu cầu khắt khe của các ứng dụng khác nhau. Nghiên cứu mới nhất về thép austenit mangan cao tập trung vào việc ứng dụng công nghệ nano, xử lý bề mặt tiên tiến, và các phương pháp hợp kim hóa mới để cải thiện tính chất và mở rộng phạm vi ứng dụng.

6.1. Tóm tắt các ưu điểm và thách thức của thép Mn cao

Thép austenit mangan cao có nhiều ưu điểm như độ bền cao, độ dẻo tốt, khả năng tự hóa bền, và khả năng chống mài mòn. Tuy nhiên, cũng có những thách thức như khó khăn trong gia công, chi phí sản xuất cao, và yêu cầu tối ưu hóa thành phần hóa học và xử lý nhiệt.

6.2. Hướng nghiên cứu và phát triển trong tương lai

Hướng nghiên cứu và phát triển trong tương lai của thép austenit mangan cao tập trung vào việc phát triển các phương pháp gia công hiệu quả, giảm chi phí sản xuất, tối ưu hóa tính chất cơ học, và nghiên cứu sâu về cơ chế biến dạng TWIP và cơ chế biến dạng TRIP. Việc ứng dụng công nghệ nano, xử lý bề mặt tiên tiến, và các phương pháp hợp kim hóa mới cũng là những hướng đi tiềm năng.

6.3. Vai trò của thép Mn cao trong ngành vật liệu và công nghiệp

Thép austenit mangan cao đóng vai trò quan trọng trong ngành vật liệu và công nghiệp nhờ tính chất cơ học vượt trội và khả năng đáp ứng các yêu cầu khắt khe của các ứng dụng khác nhau. Việc phát triển và ứng dụng rộng rãi loại thép này sẽ góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí, và tăng cường tính cạnh tranh của các ngành công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Phần 1: Cơ sở lý thuyết. Phần 2: Thực nghiệm. Phần 3: Kết quả và bàn luận. Phần 4: Kết luận chung 3 PH LÝ THUYT  TNG QUAN 1.

m ca thép austenit mangan cao Từ năm 1878, nh luyện kim người Anh tên l Robert Hadfield đã bắt tay vào nghiên cứu các hợp kim của sắt với các nguyên tố khác, đặc biệt là với mangan. Năm 1882 Hadfield đã nấu luyện thép với hm lượng magan cao (gần 13%). Sau đó bốn năm, nh luyện kim trẻ tuổi của x ứ Sepfin ny đã ghi trong nhật ký của mình như sau: “t u nhng thí nghin vic sn xut mt loi thép va cng thi li va dai. Các thí nghi n mt kt qu  t quan tr  sc làm hin hành ca các nhà luyi vi các hp kim ca st”.

Năm 1883, ông được cấp bằng phát minh đầu tiên của nước Anh về thép mangan sản xuất bằng cách pha feromangan giàu mangan vào s ắt. Trong nhng năm tiếp theo, ông ti ếp tục nghiên cứu nhng vấn đề liên quan với thép mangan. Năm 1883, các công trình của ông “Nghiên cu v mangan và vi c s dng nó trong ngành luyn kim”, “Nghiên c u v mt s tính cht mi phát hic ca st và mangan” v “Nghiên cu v thép mangan” đã ra đời. Các công trình nghiên c ứu ny đã chỉ ra rằng, nếu được tôi trong nước thì loại thép mangan này có thêm nh ng tính chất mới, rất ưu việt.

Sau đó, Hadfield còn nhận được hàng lo ạt bằng phát minh na liên quan với việc nhiệt luyện thép mangan, v đến năm 1901 thì ông được trao bằng phát minh về kết cấu của lò dùng để nung thép mangan trướ c khi tôi. Thép austenit mangan cao là lo ại thép có tính ch ống mi mòn đặc biệt cao khi làm việc trong điều kiện va đập, dưới tác dụng của ứng su ất pháp. Dưới tác dụng của ứng suất tiếp (như phun cát) thép ny lại bị mi mòn khá nhanh, như các loại thép khác. Sau khi đúc và nhiệt luyện, thép austenit mangan cao có t ổ chức austenit, chứa cacbon và mangan cao.

Dưới tải trọng va đập, austenit ở bề mặt nơi chịu va đập sẽ bị biến cứng, có độ cứng cao, trong khi đó lõi vẫn gi nguyên tổ chức austenit dẻo dai. Do cơ chế tự biến cứng khi chịu va đập nên lớp bề mặt cứng luôn tồn tại cho đến khi bị mài mòn hết.1: Mt ct gi pha Fe-13Mn-C [29] 4 Thành phần hóa học của thép austenit mangan cao thông thường như sau: Mn = 10 – 14%; C = 1,0 – 1,4%; tỷ lệ Mn : C = 10: 1 Giản đồ hình 1.1 cho thấy rằng với thành phần nguyên tố như thường sử dụng, sau khi nung nóng đồng đều hóa thành phần trên 10000 C, các nguyên tố hợp kim hòa tan hoàn toàn vào austenit, khi làm nguội nhanh trong nước, thép có thành ph ần đồng nh ất là γ (austenit). Thép có thành phần khác nhau austenit sẽ chuyển thành mactenxit ở các nhiệt độ khác nhau nhưng nói chung nhiệt độ bắt đầu chuyển biến (Ms ) ở nhi ệt độ âm. Với thép chứa 13%Mn, 1,2%C nhiệt độ chuyển bi ến là -1960 C [29], vì vậy sau khi đúc nung tôi trên 10000C và làm nguội trong nước thép có tổ chức hoàn toàn austenit.

 trạng thái đúc khi lm nguội chậm (ví dụ nhi ệt độ dỡ khuôn thấp) và khi hóa già thép có tổ chức austenit và cacbit. Về tính chất thép austenit mangan cao có một số tính chất sau: - Có độ cứng, dẻo dai đặc biệt khi chịu tải trọng l ớn tính chất này càng cao khi tải trọng càng lớn. - Tính cơ học: độ bền σb = 800 – 1000Mpa, độ dãn dài σs = 40 – 50%. - Có tính đúc rất tốt nhưng tính gia công cơ khí kém.1: a thép austenit mangan cao [6] Độ ngót khi đông đặc Độ co tuyến tính tự do Nhiệt độ đường lỏng 6,0% 2,4 - 3,0% Khoảng 14000 C Thép này có t ổ chức hoàn toàn austenit, d tiết ra cacbit loại (Fe,Mn)3C.

Do đó cần phải có một chế độ nhiệt luyện khắt khe để đảm bảo luôn luôn được t ổ chức austenit hoàn toàn không có cacbit tiết ra. u kin làm vic và phá hy ca chi tit ch to t thép austenit mangan cao 1.   u kin làm vic ca chi ti t ch to t thép austenit mangan cao làm vi u kin c p và chng mài mòn cao Thép austenit mangan cao được ứng dụng chính trong chế tạo các chi tiết như búa đập, tấm lót, răng gầu xúc… Các chi tiết ny đều lm việc trong điều kiện va đập, chịu mi mòn. Trong nội dung của luận án, một số vấn đề về điều kiện lm việc có liên quan đến vật liệu đã được đề cập.

Để có thể giới thiệu về điều kiện lm việc của các chi tiết được chế tạo từ thép mangan cao, xin viện dẫn búa đập quặng như một ví dụ. Búa đập được lắp trong máy nghiền búa. Các chi tiết trong máy nghiền bao gồm khối quay trục chính, đĩa, trục ống v búa. Phần chính lm việc của máy nghiền búa l roto và búa.

Các ổ đĩa của động cơ roto xoay nhanh trong khoang nghiền. Khi nạp nguyên liệu thô vo máy qua cửa cấp liệu do tác động của búa tốc độ cao, kích thước nguyên liệu được nghiền nhỏ. Dưới roto có đĩa sng để sng các vật liệu với kích thước nhỏ hơn so với lưới sàng sẽ được ra v gi lại phần bột chưa đạt tiêu chuẩn cho việc nghiền tiếp cho đến khi đạt đến kích thước chuẩn. Vật liệu được nạp vo máy nghiền từ phía trên của máy, nhờ trọng lượng bản thân rơi hoặc trượt theo máng v vùng ra đập của búa đang quay với tốc độ cao.

Sau va đập, vật liệu bị vỡ thnh nhiều mảnh v bay với góc phản chiếu khoảng 90 0, tạo thnh một vùng đập nghiền. Khi bay, các mảnh vỡ đập vo các tấm lót (được gắn vo 5 các tấm phản hồi) trên thnh vỏ máy, bật ngược trở lại đầu búa để nghiền tiếp, cứ như vậy cho đến khi đủ nhỏ lọt qua mẳt sang ra ngoi. Kích thước của sản phẩm cuối cùng có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi các đĩa sng. Khoảng cách gia các roto v các đĩa sng cng có thể được điều chỉnh theo yêu cầu khác nhau.2: Mô phng quá trình làm vic ca chi tip làm t thép austenit mangan cao [9] Phần làm việc chịu mài mòn chính của búa đập l đầu búa.

Chiều di đầu búa được lựa chọn theo kích thước của viên đá nạp lớn nhất. Nếu Dmax ≤ 10 mm thì l = (1,4 -1,8) Dmax D max = (100 -400) mm thì l = 0,6 Dmax  Dmax: kích thước đá nạp lớn nhất. l: chiều di đầu búa (thông thường chiều di đầu búa được chọn bằng 0.5 chiều dài cả búa). Động năng của búa: E = M oV2/2  Mo : là khối lượng búa (kg).

V: Tốc độ dài của búa (m/s). Như vậy có thể thấy trong điều kiện làm vi ệc, tốc độ quay của búa rất cao (100m/s), khi nghiền qu ặng, búa s ẽ bị đồng th ời hai tác động lớn l va đập theo ứng suất pháp và chà xát theo ứng suất tiếp. Tính toán lực đập lên búa đập quặng ước tính khoảng 78N/cm2. Tải trọng va đập trong quá trình làm thí nghiệm được tính toán lớn hơn rất nhiều so với tải trọng mà viên quặng tác dụng lên đầu búa [23].

Ban đầu, khi quặng thô to, búa chủ yếu bị va đập mạnh. Hạt quặng càng nh ỏ, búa sẽ càng bị chà xát nhiều dẫn đến búa sẽ bị mòn dần. Cho đến khi búa mòn nhiều quá thì sẽ phải dừng thiết bị để thay. Từ các phân tích trên có thể thấ y, vật liệu lm búa đập phải có thể chịu được tải trọng lớn khi va đập mạnh và có thể chịu được mài mòn trong quá trình làm việc.

Có nghĩa l vật liệu lm búa đập ph ải vừa mềm dẻo ở bên trong (để không bị vỡ khi va đập mạnh) lại vừa cứng vng bên ngoi (để ít bị bào mòn bởi hạt quặng). Các v ật liệu loại này chỉ có th ể có được hóa nhiệt luyện (thấm bề mặt) hoặc sử dụng thép austenit mangan cao [5, 6]. Tuy nhiên, việc hóa nhi ệt luyện cho chi tiết búa là rất đắt và hiệu qu ả không cao. Vì v ậy, các búa đập quặng thường được chế tạo từ thép austenit mangan cao (thép Hadfield) [6, 11].

Trong điều kiện làm việc của búa, thép austenit mangan cao do có mangan cao có tổ chức thuần austenit nên rất dẻo và có thể chịu được va đập với các loại quặng cứng. Khi va đập với lực tác động mạnh, bề mặt thép bị bi ến cứng do có austenit chuyển biến thành mactenxit hoặc tạo ra các song tinh. Cng va đập nhiều, lớp biến cứng bề mặt này càng 6 hình thành nhiều [5, 6]. Khi kích cỡ hạt quặng nhỏ dần, sự ch xát tăng lên lm lớp bề mặt biến cứng bị mòn d ần đi, xuất hiện lớp bi ến cứng mới.

Quá trình cứ din ra như vậ y cho đến khi búa mòn hẳn và hết hiệu quả sử dụng. Độ cứng của quặng đượ c chia theo thang bảng như sau:  Độ bền v độ cứng.  Độ bền của vật li ệu đặc trưng cho khả năng chống phá hủ y của chúng dưới tác dụng của ngoại lực. Độ bền được biểu thị bằng giới hạn chịu nén củ a Rn (kG/cm2 ) của vật liệu v được chia làm 4 loại: ▬ Kém bền: <100 (than đá, gạch đỏ…) ▬ Trung bình: 100-500 (cát kết) ▬ Bền: 500-2500 (đá vôi, hoa cương, xỉ lò cao…) ▬ Rất bền: >2500 (đá quazt, đá diabaz…)  Độ cứng: hiện nay độ cứng chủ yếu xác định bằng thang 10 bậ c do nhà khoáng vật người Đức Fr.

Mohs đề xuất với 10 vật liệu chuẩn từ mềm tới cứng: Bảng 1.2:  cng và phân loi các loi khoáng vt [8] Lọai Độ cứng Vật liệu chuẩn Tính chất 1 Talc D vạch bằng móng tay Mềm 2 Thạch cao Vạch bằng móng tay 3 Can xit D vạch bằng dao 4 Florit Khó vạch bằng dao Trung bình 5 Apatit Không vạch dược bằng dao 6 Tràng thạch Cứng bằng kính cửa sổ 7 Đá quắc Vạch được thủy tinh 8 Topa Vạch được thủy tinh Cứng 9 Corandong Cắt được thủy tinh 10 Kim cương Cắt được thủy tinh  Độ giòn Đặc trưng cho khả năng bị phá hủy của vật liệu dưới tác động của lực va đập. Độ giòn khác rất lớn gia giới hạn bền nén và bền kéo. Cấu trúc v kích thước tinh thể ảnh hưởng đến tính giòn. Cấu trúc còn quyết định hình dạng của hạt khi vỡ ra trong quá trình nghi ền.