Tóm tắt Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của hợp kim hóa Vr, V và quá trình xử lý nhiệt tới tổ chức và tính chất của thép 15%mn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI 
NGUYỄN DƯƠNG NAM 
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HỢP KIM HÓA Cr, V 
VÀ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NHIỆT TỚI TỔ CHỨC VÀ TÍNH 
CHẤT CỦA THÉP 15%Mn 
 Chuyên ngành: Kỹ thuật Vật liệu 
 Mã số: 62520309 
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU 
Hà Nội - 2016 
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 
1. Nguyen Duong Nam, Le Thi Chieu, Hoang Thi Ngoc 
Quyen, Pham Mai Khanh (2013), Improvement of properties of 
High Manganese steel by alloy elements addtion and heat 
treatment. AFC12 
2. Nguyễn Dương Nam, Phạm Mai Khánh, Lê Thị Chiều, 
Hoàng Thị Ngọc Quyên (02/2014), Nghiên cứu ảnh hưởng của 
hàm lượng Cr đến tổ chức và tính chất của thép Mn cao,Tạp chí 
Khoa học công nghệ kim loại, ISSN 1859-4344, pp44-47. 
3. Nguyen Ngoc Huan, Nguyen Duong Nam, Le Thi Chieu, 
Hoang Thi Ngoc Quyen, Pham Mai Khanh (10/2014), Influence 
Of Rare-Earth (RE) On Microstructure And Properties Of High 
Manganese Steel, RCMME, ISBN: 978-604-911-942-2, pp104-
106. 
4. Pham Mai Khanh, Nguyen Duong Nam, Le Thi Chieu, 
Hoang Thi Ngoc Quyen (2015), Effects Of Chromium Content 
And Impact Load On Microstrucrure And Properties Of High 
Manganese Steel, Materials Science Forum. ISSN 0255-5476, 
pp297-300. 
5. Nguyen Duong Nam, Le Thi Chieu, Pham Mai Khanh, 
Pham Huu Kien (02/2015), Effect of heat treatment on the 
microstructure and mechanical properties of High Manganese 
Steel 15Mn2Cr1V, International Journal of Engineering 
Research And Management (IJERM), ISSN: 2349-2058, 
Volume-02, Issue-02, pp15-17. 
6. Nguyen Duong Nam, Le Thi Chieu, Ta Duc Anh, Doan Minh 
Duc, Pham Mai Khanh (10/2015), Influence of Intermediating 
Heating Stage of The Heat Treatment Process On 
Microstructures and Properties of High Manganese Steel 
Mn15Cr2V; AFC13; ISBN: 978-604-938-550-6,pp174-179. 
7. Nguyen Duong Nam, Le Thi Chieu, Dao Hong Bach, Chu 
Tien Hung, Pham Mai Khanh (10/2015), Influence of Vanadium 
Content on the Microstructure and Mechanical Properties of 
High-Manganese Steel Mn15Cr2; AFC13; ISBN: 978-604-938-
550-6, pp126-130. 
Công trình được hoàn thành tại: 
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
Người hướng dẫn khoa học: 
 1. PGS.TS. Đào Hồng Bách 
 2. PGS.TS. Lê Thị Chiều 
 Phản biện 1: 
 Phản biện 2: 
 Phản biện 3: 
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ 
cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
 Vào hồi .. giờ, ngày .. tháng .. năm  
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 
 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 
 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam 
1 
MỞ ĐẦU 
Tính cấp thiết của luận án: 
 Thép austenite magan cao là thép hợp kim với hàm lượng Mn cao 
(trên 10%). Sau khi xử lý nhiệt, trước khi chịu tải, thép có tổ chức 
austenite với độ dai cao và độ cứng thấp. Trong quá trình làm việc, 
dưới tải trọng va đập, lớp bề mặt của thép bị biến cứng làm tăng khả 
năng chịu mài mòn cho chi tiết. Đây là đặc điểm rất đặc trưng, riêng 
biệt của loại thép này. Trong quá trình làm việc những chi tiết chế 
tạo từ thép austenite mangan cao sẽ bị chịu đồng thời hai tác động 
lớn là va đập theo ứng suất pháp và chà xát theo ứng suất tiếp, ban 
đầu chi tiết chịu tác động va đập, sau đó bị chà xát và dẫn đến chi tiết 
mòn dần. 
 Họ thép austenite mangan cao đã và đang đóng vai trò quan trọng 
trong công nghiệp. Nhiều ngành công nghiệp ứng dụng thép 
austenite mangan với một lượng lớn như ngành sản xuất xi măng, vật 
liệu xây dựng, ngành khai khoáng, khai thác đất đá, máy xúc, trong 
các thiết bị đập nghiền khoáng vật... và rất nhiều ngành khác nữa. 
Tuy nhiên, hiện nay các nhà sản xuất trong nước hiện đang còn nhiều 
vấn đề vướng mắc là chất lượng sản phẩm còn thấp, mài mòn nhanh, 
tuổi thọ làm việc thấp. 
 Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu thép mangan cao 
và cho đến nay nhiều tác giả vẫn không ngừng nghiên cứu để tìm 
hiểu bản chất thực sự của quá trình biến cứng nhằm nâng cao chất 
lượng và mở rộng phạm vi ứng dụng của chúng. 
 Trong một thời gian dài quá trình biến cứng của thép mangan cao 
được giả thích là do sự chuyển pha từ austenite sang mactenxit dưới 
tải trọng va đập. Khoảng mười năm gần đây nhiều nhà khoa học 
nhận thấy rằng với hàm lượng mangan 13% và hàm lượng cacbon 
trên 1%, austenite rất ổn định, chuyển biến mactenxit hiếm khi xảy 
ra hoặc chỉ xảy ra ở nhiệt độ âm rất sâu. Nhiều nhà khoa học thiên về 
quan điểm cho rằng vật liệu được hóa bền do xô lêch, song tinh cản 
trượt được nhiều nhà khoa học quan tâm. 
 Trên thế giới cũng đã có nhiều thay đổi trong phương pháp tăng 
bền cho thép Mn cao như: hợp kim hóa kết hợp với xử lý nhiệt, 
phương pháp đúc hai lớp, phương pháp cấy thanh cacbit tăng khả 
năng chống mài mòn. 
 Trong luận án này tác giả nghiên cứu phương pháp tăng bền bằng 
cách hợp kim hóa kết hợp với quy trình xử lý nhiệt hợp lý để tạo ra 
tổ chức austenite hạt nhỏ với các hạt cacbit nhỏ mịn phân bố bên 
2 
trong. Tổ chức như vậy vừa tăng độ dai, vừa tăng khả năng chống 
mài mòn cho thép, đồng thời cũng là tổ chức có khả năng cản trở 
mạnh sự chuyển động của lệch, dẫn đến biến cứng nhanh chóng và 
hiệu quả khi chi tiết chịu va đập. Tác giả cũng đã nghiên cứu quá 
trình biến cứng vật liệu qua va đập để kiểm nghiệm phương pháp xử 
lý tăng bền đã lựa chọn. 
 Với mong muốn nâng cao chất lượng, tuổi thọ làm việc của thép 
austenite mangan cao đề tài của luận án được lựa chọn là: “Nghiên 
cứu ảnh hưởng của hợp kim hóa Cr, V và quá trình xử lý nhiệt tới 
tổ chức và tính chất của thép 15%Mn”. 
 Các kết quả nghiên cứu đã được áp dụng tại Công ty Cơ khí Đúc 
Thắng Lợi. 
Mục đích của đề tài luận án: 
 Nghiên cứu ảnh hưởng của Cr, V và quá trình xử lý nhiệt đến hình 
thái tổ chức của và khả năng hóa bền của thép austenite mangan cao 
làm thay đổi tổ chức, sự phân bố cacbit và giảm kích thước hạt pha 
nền nhằm mục đích thay đổi cơ tính, tăng tuổi thọ làm việc cho hệ 
thép austenite mangan cao với hàm lượng Mn là 15%. Thăm dò 
nghiên cứu ảnh hưởng của đất hiếm đến tổ chức và cơ tính của thép 
austenite mangan cao. 
Ý nghĩa khoa học của đề tài luận án: 
* Đã phân tích ảnh hưởng các nguyên tố tạo cacbit Cr, V đối với 
tăng cơ tính cho thép austenite mangan cao. 
* Trên cơ sở phân tích quá trình trình tiết và hòa tan cacbit, quá trình 
làm nhỏ hạt austenite, xác định được quy trình nhiệt luyện hợp lý, 
tăng khả năng chống mài mòn và tăng độ dai va đập cho thép.... 
*Trên cơ sở phân tích năng lượng khuyết tật xếp và bằng phương 
pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) đã xác định được cơ chế 
biến cứng cơ học của thép austenite mangan cao Mn15Cr2V dưới tác 
dụng của lực va đập, từ đó tìm ra phương pháp tăng khả năng biến 
cứng cho thép. Việc làm nhỏ hạt austenite sẽ có tác dụng tạo nhiều 
định hướng song tinh dưới tác dụng của tải trọng dẫn đến tăng khả 
năng hóa bền của thép. Cacbit nhỏ mịn hòa tan phân bố trong nền 
góp phần tăng tính chống mài mòn cho thép; ngăn cản quá trình 
chuyển động của lệch. 
Trong quá trình biến cứng khi chịu va đập, thép Mn15Cr2V không 
xảy ra chuyển biến mactenxit. 
3 
* Đã xác định được các phần tử cacbit, austenite trong thép ở kích 
thước nano và phân tích ảnh hưởng của lớp nano bề mặt trong việc 
tăng cứng cho thép austenite mangan cao. 
Phương pháp nghiên cứu: 
- Tập hợp tài liệu về thép mangan cao trong và ngoài nước. 
- Sử dụng các phương pháp nghiên cứu như phương pháp tổng hợp, 
đánh giá phân tích, phương pháp chế tạo mẫu đúc, các phương pháp 
xử lý kết quả thực nghiệm 
Những điểm mới của luận án: 
1. Xác định ảnh hưởng của Cr, V và đất hiếm đến tổ chức và cơ tính 
của thép austenite mangan cao 15%Mn. 
2. Đã xác định được hình thái của cacbit Cr7C3 và VC dưới dạng các 
hạt nano phân tán trên nền austenite và phân tích ảnh hưởng của 
chúng đến khả năng làm nhỏ hạt austenite khi đúc và khi nhiệt luyện. 
3. Đưa ra quy trình xử lý nhiệt hoàn toàn khác với quy trình nhiệt 
luyện truyền thống đối với mác thép austenite mangan cao 
Mn15Cr2V. Với quy trình đó cơ tính của thép được cải thiện rõ rệt. 
4. Trên cơ sở phân tích năng lượng khuyết tật xếp và bằng phương 
pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) đã xác định được cơ chế 
biến cứng cơ học của thép austenite mangan cao Mn15Cr2V dưới tác 
dụng của lực va đập, từ đó tìm ra phương pháp tăng khả năng biến 
cứng cho thép. Việc làm nhỏ hạt austenite sẽ có tác dụng tạo nhiều 
định hướng song tinh dưới tác dụng của tải trọng dẫn đến tăng khả 
năng hóa bền của thép. Cacbit nhỏ mịn hòa tan phân bố trong nền 
góp phần tăng tính chống mài mòn cho thép; ngăn cản quá trình 
chuyển động của lệch. Trong quá trình biến cứng khi chịu va đập, 
thép Mn15Cr2V không xảy ra chuyển biến mactenxit. 
5. Phân tích tìm kiếm được các hạt nano austenite trên bề mặt của 
thép dưới tác dụng của lực va đập. 
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 
1. 1 Đặc điểm của thép austenite mangan cao 
 Thép austenite mangan cao là loại thép có tính chống mài mòn đặc 
biệt cao khi làm việc trong điều kiện va đập, dưới tác dụng của ứng 
suất pháp. 
1.2 Phân tích điều kiện làm việc và phá hủy của chi tiết chế tạo 
từ thép austenite mangan cao 
1.2.1 Phân tích điều kiện làm việc của chi tiết chế tạo từ thép 
austenite mangan cao làm việc trong điều kiện cần độ dai va đập 
và chống mài mòn cao 
4 
 Thép austenite mangan cao được ứng dụng chính trong chế tạo các 
chi tiết như búa đập, tấm lót, răng gầu xúc Các chi tiết này đều 
làm việc trong điều kiện va đập, chịu mài mòn và bị chà xát. Trong 
nội dung của luận án, một số vấn đề về điều kiện làm việc có liên 
quan đến vật liệu đã được đề cập. 
 Từ các phân tích trên có thể thấy, vật liệu làm búa đập phải có thể 
chịu được tải trọng lớn khi va đập mạnh và có thể chịu được mài 
mòn trong quá trình bị chà xát. Có nghĩa là vật liệu làm búa đập phải 
vừa mềm dẻo ở bên trong (để không bị vỡ khi va đập mạnh) lại vừa 
cứng vững bên ngoài (để ít bị bào mòn bởi hạt quặng). Trong điều 
kiện làm việc của búa, thép austenite mangan cao do có mangan cao 
có tổ chức thuần austenite 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 biến cứng do có austenite chuyển biến thành mactenxit hoặc tạo ra 
các song tinh cùng các xô lệch mạng. 
1.2.2. Các dạng sai hỏng, nguyên nhân và cách khắc phục 
1.3. Các dạng thép austenite mangan cao 
1.4. Tình hình nghiên cứu thép austenite mangan cao 
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 
2.1. Cơ chế hóa bền thép austenite mangan cao 
Thép austenite mangan cao với hàm lượng mangan lớn (trên 
10%Mn). Mangan là nguyên tố mở rộng vùng γ nên thép thuộc loại 
austenite (có tổ chức austenite ổn định ở nhiệt độ thường). Với tổ 
chức austenite, thép có độ dai cao, độ cứng thấp, song khi làm việc 
dưới áp lực cao và bị va đập, austenite (với mạng A1 rất nhay cảm 
với hóa bền biến dạng) bị biến dạng dẻo mạnh và biến cứng mạnh. 
Kết quả là làm tăng mạnh độ cứng và tính chống mài mòn của lớp bề 
mặt, còn lõi vẫn giữ nguyên tổ chức ban đầu nên duy trì được độ dai. 
Hiện tượng này của thép austenite mangan cao được gọi là “hóa bền 
biến dạng”. 
2.1.2. Nguyên lý hóa bền thép austenite mangan cao 
Khi thép mangan cao chịu tải trọng va đập, mạng tinh thể của 
austenit bị xô lệch, xuất hiện khuyết tật xếp (sự phá hủy cấu trúc theo 
trật tự cũ, sự thay đổi cấu trúc). Giá trị của năng lượng khuyết tật xếp 
phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng chủ yếu là yếu tố nội tại, tức là 
thành phần của thép [22,41]. 
Năng lượng khuyết tật xếp được tính theo biểu thức Theo OLSON 
và COHEN trong tài liệu số [22,40]: 
5 
 [2.1] 
Theo các tác giả [22], [40], và nhiều tác giả khác, năng lượng 
khuyết tật đóng vai trò quyết định trong việc chịu lực, biến dạng, tổ 
chức sẽ là song tinh hay mactenxit dạng ε. 
Tổ chức mactenxit dạng ε chỉ có thể được tạo thành khi năng lượng 
khuyết tật nhỏ hơn 18mJ/m2, khi đó việc chuyển mạng từ lập phương 
tâm mặt sang lục giác xếp chặt thuận lợi, trong khi song tinh được 
tạo ra khi năng lượng khuyết tật có giá trị từ 12-35mJ/m2 [22] còn 
băng trượt được tạo ra khi năng lượng khuyết tật là 35mJ/m2. 
Các yếu tổ ảnh hưởng đến năng lượng khuyết tật xếp 
- Thành phần hóa học 
Thành phần thép có ảnh hưởng to lớn đến SFE. Cacbon tăng giá trị 
của SFE ít nhất là 12mJ/m2 ứng với 1%, theo quy luật tuyến tính. 
Khi cacbon phân bố tại vùng gần khuyết tật, giá trị đó càng lớn hơn 
(74mJ/m
2
). Vì vậy thường chỉ quan sát thấy chuyển biến mactenxit 
trong các thép có hàm lượng cacbon nhỏ hơn 0,6%. 
Ảnh hưởng của mangan đến SFE rát phức tạp. Trong khoảng từ 0 
đến 12%, magan làm giảm SFE theo mức: cứ 1% giảm 5 mJ/m2. 
Theo hình 2.3 các thép có hàm lượng cacsbon nhỏ hơn 1% mới có 
năng lượng khuyết tật nhỏ hơn 18mJ/m2 và có khả năng chuyển biến 
thành mactenxit ε 
2.1.2 Quá trình hóa bền biến dạng của thép austenite mangan 
cao theo cơ chế song tinh và xô lệch 
 Từ những năm 2000 trở về đây, dưới sự trợ giúp của thiết bị phân 
tích hiện đại, nhiều tài liệu trên thế giới đã phát hiện thấy rằng độ 
cứng của thép ausenite mangan cao tăng lên trong quá trình làm việc 
không phải do chuyển biến mactenxit, hay ít ra là trong phần lớn các 
Hình 2.3: Ảnh hưởng của C và Mn đến 
năng lượng khuyết tật xếp 
Hình 2.4: Ảnh hưởng của C và Mn 
đến nhiệt động học chuyển biến 
6 
trường hợp không phải là chuyển biến mactenxit. Nhiều nghiên cứu 
khẳng định sự tăng độ cứng trong quá trình làm việc của thép 
austenite mangan cao là do xô lệch xếp chồng, do song tinh, do 
khuyết tật và do biên giới của austenite tạo ra trong quá trình biến 
dạng. Quan sát ảnh hiển vi điện tử truyền qua (hình 2.14) có thể dễ 
dàng nhận thấy các giải song tinh xuất hiện trên bề mặt mẫu, điều 
này chứng tỏ không có sự chuyển biến từ austenite sang mactenxit. 
Bề mặt biến dạng dẻo của thép là kết quả của biến dạng song tinh 
(twin) và khuyết tật sắp xếp (stack fault). 
Hình 2.14: Ảnh hiển vi điện tử truyền qua của thép austenite mangan cao 
a) song tinh b) Ảnh vi nhiễu xạ nền austenite [49]. 
 Nghiên cứu của tác giả Yunhua SU và cộng sự tại Học viện kỹ 
thuật cơ điện tử thuộc trường Đại học Kiến trúc và Công nghệ Xian 
chỉ ra rằng độ chống mài mòn của thép austenite mangan cao tăng 
lên đáng kể khi năng lượng tác động lớn, có liên hệ tới sự phát triển 
của cấu trúc tế vi trong suốt quá trình tác động. Bề mặt biến dạng 
dẻo của thép là kết quả của biến dạng song tinh (twin) và khuyết tật 
xếp (stack fault). Sự tương tác giữa chúng và xô lệch mạng gây ra 
cấu trúc hạt nano austenite bị lồng vào trong cấu trúc vô định hình. 
Điều đó có lợi trong việc nâng cao cơ tính cùng khả năng chống mài 
mòn của thép austenite mangan cao [57]. 
Hình 2.16: Ảnh hiển vi phân giải cao của thép austenite mangan cao sau 
biến dạng [57]. 
2.1.3 Ảnh hưởng của cacbit 
 Các quan điểm trước đây cho rằng khi hợp kim hóa bằng các 
nguyên tố tạo cacbit thì quá trình biến cứng của austenite sẽ trở nên 
khó khăn và cacbit có thể gây giòn cho thép khi chị ... dai va đập cao nhất (115 J/cm2). 
Mẫu được hợp kim hóa 2%V (mẫu số 6) có giá trị độ dai va đập thấp 
nhất (26 J/cm2). 
4.3 Ảnh hưởng của đất hiếm đến tổ chức và cơ tính của thép 
austenite mangan cao 
4.3.1 Phân tích tổ chức tế vi 
Tổ chức tế vi của mẫu thép sau đúc khi không biến tính và có biến 
tính bằng đất hiếm. Mẫu có hàm lượng V là 1%, không biến tính có 
kích thước hạt sau đúc tương đương cấp 5 theo ASTM, kích thước 
hạt trung bình là 3.910μm2. 
Hình 4.21 là ảnh tổ chức các mẫu sau khi nhiệt luyện. Có thể thấy 
rằng cả các mẫu biến tính và không biến tính, các hạt cacbit đều đã 
hòa tan hoàn toàn vào trong nền austenite và kích thước hạt austenite 
đều đạt cấp 6 theo ASTM. Tuy nhiên mẫu biến tính có tổ chức đồng 
đều hơn so với mẫu không biến tính. 
Khi sử dụng TEM mới phát hiện ra rằng trong hạt austenite có tồn 
tại các hạt cacbit. 
4.3.2 Ảnh hưởng của biến tính đến kết quả độ cứng, độ dai va 
đập và mài mòn 
Phân tích giá trị độ cứng cho thấy mẫu có biến tính cho giá trị độ 
cứng cao hơn so với mẫu không thực hiện biến tính (240HB so với 
223HB). 
Kết quả độ dai va đập cho thấy khi thực hiện biến tính bằng đất 
hiếm với quy trình xử lý nhiệt như ở trên giá trị độ dai va đập thu 
được là 132 J/cm2 cao hơn so với 115 J/cm2 của mẫu không được 
biến tính. Điều này cho thấy, vai trò của chất biến tính trong việc làm 
nhỏ hạt và nâng cao cơ tính của thép. 
Mẫu khi được biến tính bằng đất hiếm khối lượng hao mòn có giảm 
đi so với mẫu không được biến tính. Mẫu không được biến tính hao 
mòn 7.5% còn mẫu hợp kim hóa lượng hao mòn là 3%. 
CHƯƠNG 5 ẢNH HƯỞNG CỦA QUY TRÌNH XỬ LÝ NHIỆT 
ĐỐI VỚI THÉP Mn15Cr2V 
5.1 Trạng thái đúc của thép 
5.1.2 Tổ chức tế vi 
16 
Tổ chức của thép gồm hai thành phần chính: nền austenite và 
cacbit. Theo bảng tiêu chuẩn ASTM, kích thước hạt của austenite 
sau đúc trên hình 5.1 được xác định cấp hạt ở cấp hạt 5 kích thước 
trung bình của hạt là: 3,910µm2. 
Trong tổ chức sau đúc của có mặt rất nhiều hạt cacbit, phân bố 
xung quanh biên giới hạt vói kích thước khá lớn. 
5.1.3 Phân bố và tỷ phần cacbit 
Hình 5.3a chỉ sự phân bố cacbit của mẫu sau đúc và hình 5.3b là 
đánh giá tỷ phần cacbit. Trong mẫu đúc, tỷ phần cacbit là 6.12%. 
5.2 Sự tiết cacbit khi nung mẫu đúc dưới nhiệt độ austenite hóa 
Kết hợp các phương pháp nghiên cứu: tổ chức tế vi trên kính hiển 
vi quang học (hình 5.4), phân tích: Ảnh SEM BSED (hình 5.5), phân 
tích đường nồng độ các nguyên tố khi quét qua hạt, EDS Line (hình 
5.6) và Phân tích EDS điểm (hình 5.7) có thể đi đến kết luận rằng tại 
nhiệt độ xử lý ở 650oC từ austenite sau đúc, các hạt cacbit của Cr, V 
hoặc dạng cacbit phức được tiết ra. Kích thước các hạt này rất nhỏ, 
khoảng cách giữa chúng cũng rất nhỏ. 
17 
Trong quá trình nung tôi tiếp theo, các hạt cacbit có vai trò như 
những chốt ngăn chặn quá trình lớn hạt khi nung lên đến nhiệt độ 
austenite hóa là trên 1000
o
C. 
5.3 Giới thiệu các quy trình nhiệt luyện 
5.3.1. Giản đồ trạng thái 
5.3.2 Kết quả nghiên cứu khi xử lý mẫu theo quy trình 1 
Ảnh tổ chức tế vi cho thấy là với thép Mn15Cr2V, do trong thành 
phần có chứa các nguyên tố tạo cacbit như Cr, V nên khi nhiệt luyện 
theo quy trình 1 các nguyên tố tạo cacbit mạnh như Cr, Ti, 
Mo,làm chậm quá trình chuyển biến austenite và tạo cacbit. 
Vì vậy mặc dù sau khi tôi, lượng cacbit trong mẫu đã giảm nhưng 
tổ chức không khác nhiều so với sau khi đúc, vẫn còn một số carbit 
chưa hòa tan và đặc biệt có một số phân bố dọc theo biên giới hạt 
austenite. 
5.3.3 Kết quả nghiên cứu khi xử lý mẫu theo quy trình 2 
Ảnh tổ chức tế vi cho thấy: Ở biên giới hạt, cacbit không còn thô 
và tập trung liên tục nhưng vẫn còn một số hạt phân tán nằm trên 
biên giới. 
 Ở biên giới hạt các hạt nghi ngờ là cacbit ở trên ảnh quang học khi 
phân tích EDS thấy xuất hiện các nguyên tố V, Cr. Đây là những 
nguyên tố tạo cacbit mạnh. 
5.3.4 Nhiệt luyện theo quy trình 3 
Khác hẳn với quy trình 1 và 2 quy trình 3 được thực hiện theo các 
bước: mẫu sau đúc, được nung ở nhiệt độ thấp hơn austenite hóa gọi 
là nung trung gian, sau đó mới nung đến nhiệt độ austenite hóa. 
5.3.4.1 Lựa chọn nhiệt độ xử lý nhiệt trung gian 
Để chọn chế độ nung trung gian trước khi thực hiện khâu nung tôi 
ở 1100oC luận án đã tiến hành nung trung gian ở các nhiệt độ khác 
nhau. Các nhiệt độ thử nghiệm để lựa chọn là: mẫu 5a được nung ở 
600
o
C, mẫu 5b nung 650oC, mẫu 5c nung 700oC, tiếp theo các mẫu 
được tiến hành nung ở nhiệt độ austenite hóa là 1100oC. 
Các kết quả về tổ chức tế vi và cơ tính cho thấy ở chế độ nung 
trung gian 650
oC sau đó nung tiếp đến 1100oC cho kết quả là tốt 
18 
nhất. Như vậy, có thể thấy rằng nhiệt độ nung trung gian thích hợp 
đối với mác thép này là ở 650oC rồi sau đó xử lý ở nhiệt độ austenite 
hóa tiếp theo. 
5.3.4.2 Lựa chọn nhiệt độ austenite hóa 
Để lựa chọn chế dộ austenitee hóa hợp 
lý, luận án tiến hành nung ở austenite hóa 
ở hai nhiệt độ nung: 1050oC và 1100oC, 
cùng một nhiệt độ nung trung gian là 
650
o
C. 
 Quy trình 3a: Nung trung gian 
650
oC, giữ nhiệt trong 2 giờ, nung tôi 
ở 1050oC, giữ nhiệt trong 2 giờ. 
Tổ chức mẫu sau khi nhiệt luyện ở 
quy trình 3a nhận thấy cacbit vẫn còn trong tổ chức nhưng ít hơn rất 
nhiều so với quy trình 1. Kích thước hạt austenite sau nhiệt luyện 
theo quy trình 3a đạt trung bình là: 1,950µm2. Xác định theo bảng 
ASTM ở cấp hạt 6. 
So với trạng thái đúc (lượng cacbit là 6,12%), sau nhiệt luyện theo 
quy trình 3a, lượng cacbit giảm xuống còn khoảng 4%. 
Với các kết quả thu được ở quy trình 3a có thể kết luận rằng ở nhiệt 
độ austenite hóa là 1050oC là không phù hợp cho mẫu có thành phần: 
15%Mn+2%Cr+1%V. 
5.3.4.3 Quy trình nhiệt luyện 3b: (nung trung gian 650oC, nung tôi ở 
1100
o
C) 
Do đã xác định nhiệt độ nung trung gian là 650oC, các thí nghiệm 
được tiến hành với thời gian nung trung gian 01h, 02h và 03h. 
Các kết quả phân tích về mặt tổ chức cho thấy quy trình xử lý nhiệt 
nung ở 650oC trong 02h và nung tiếp đến 1100oC trong 02h sẽ có 
được kết quả tốt hơn cả. 
Kết quả phân tích sự phân bố và tỷ lệ cacbit: 
Phân tích ảnh tổ chức tế vi nhận thấy: Khi thực hiện nhiệt luyện 
theo quy trình 3 không còn cacbit tập trung ở biên giới hạt mà chỉ 
thấy những cacbit phân tán trên nền austenite, chứng tỏ rằng với quy 
19 
trình nhiệt luyện 3b các cacbit V đã tan hầu hết vào trong nền và chỉ 
còn một số ít phân tán. Phân tích phần trăm cacbit đối với mẫu số 2 
sau khi xử lý theo quy trình 3b nhận thấy: Tỷ lệ cacbit còn lại sau khi 
xử lý ở 650oC trong 02h và nung tiếp đến nhiệt độ austenite hóa là 
1100
o
C trong 02h tỷ lệ cacbit thu được còn 0.35% so với 4% của quy 
trình 3a. 
 Từ kết quả phân tích mapping (hình 5.29) nhận thấy: Cơ bản các 
nguyên tố phân bố đồng đều trên toàn bộ tiết diện của mẫu 
Với phóng đại khoảng 150.000 lần, kết quả EDS phát hiện trong tổ 
chức có mặt các hạt có kích thước rất nhỏ mịn màu đen. Phân tích 
thành phần các điểm đó thấy hàm lượng V và Cr cao hơn hẳn so với 
nền. Xét sự tương quan giữa tổng các nguyên tố hợp kim và cacbon 
có thể xác định những điểm màu đen đó chính là cacbit. 
Kết quả phân tích ảnh TEM cho thấy có các hạt cacbit hình vuông 
rất rõ, gần với cabit VC, kích thước khoảng 40nm phân tán trên nền 
austenite. 
5.4. So sánh cơ tính các quy trình nhiệt luyện 
5.4.1. So sánh độ cứng 
5.4.2. So sánh độ dai va đập 
Hình 5.32 : Biểu đồ giá trị độ cứng của mẫu tại các quy trình xử lý khác nhau 
20 
Giá trị độ dai va đập của mẫu nhiệt luyện theo quy trình 3b cao hơn 
hẳn so với quy trình 1 và quy trình 2 và quy trình 3a. Điều này có thể 
giải thích là với quy trình nhiệt luyện 3b cacbit đã được hòa tan hầu 
hết vào trong hạt austenite, lượng còn lại là cacbit vanadi có độ cứng 
cao, kích thước khoảng 40nm (hình 5.32) dẫn đến độ dai va đập tăng 
lên một cách rõ rệt. Ngoài ra độ hạt austenite khi nhiệt luyện theo 
quy trình này nhỏ hơn so với các quy trình khác, là nguyên nhân 
khiến cho giá trị độ dai va đập đạt được giá trị cao vượt trội. 
CHƯƠNG 6 HÓA BỀN THÉP AUSTENITE MANGAN CAO 
6.1 Ảnh hưởng của hàm lượng Cr 
 Từ kết quả độ cứng thấy rõ: sau một 1000 lần va đập với tải trọng 
như đã trình bày ở mục 3.4.3 tất cả các mẫu đều tăng độ cứng khi 
lượng Cr tăng độ cứng của mẫu tăng lên. 
Tổ chức tế vi của mẫu sau va đập 1000 lần tải trọng như đã trình 
bày ở mục 3.4.3 của các mẫu. Khi các mẫu hợp kim hóa Cr sau nhiệt 
luyện. Trên ảnh. Không phát hiện thấy tổ chức mactenxit, chỉ phát 
hiện thấy song tinh định hướng khác nhau theo định hướng hạt. 
Hình 6.5: Ảnh TEM mẫu 2 sau khi va đập a) Ảnh trường sáng; (b) Ảnh 
trường tối; (c)Ảnh vi nhiễu xạ 
Từ ảnh trường sáng và ảnh trường tối (TEM) trên hình 6.5 có thể 
nhận thấy các giải song tinh trong mẫu sau khi bị va đập trong tinh 
thể của mẫu 2. Độ rộng của các giải song tinh có kích cỡ nano. Ảnh 
vi nhiễu xạ (hình 6.5c) cho thấy cấu trúc tinh thể của thép austenite 
mangan cao sau va đập là các hệ mạng FCC với các mặt tinh thể 
định hướng song song, khẳng định rõ thêm sự xuất hiện của tổ chức 
song tinh từ pha austenite trong thép austenite mangan. 
21 
6.2 Ảnh hưởng của V đến khả năng biến cứng sau va đập và xử 
lý ở nhiệt độ âm 
6.2.1. Ảnh hưởng của vannadi đến khả năng biến cứng sau va 
đập
 Giá trị độ cứng của lõi có thể coi là độ cứng sau nhiệt luyện. Mẫu 
có hợp kim hóa (M5) đều cao hơn so với mẫu không được hợp kim 
hóa (M4). Điều này được giải thích là do khi tiến hành hợp kim hóa 
thêm V với quy trình xử lý nhiệt 3b có xuất hiện cacbit phân tán bên 
trong nền austenite. Giá trị độ cứng của cả hai mẫu M4 và M5 hơn so 
với khi xứ lý mẫu khi -80oC. Tại bề mặt mẫu M5 đạt giá trị 395HV 
khi xử lý 370HV khi xử lý ở -80oC; tương với mẫu M4 là 301HV 
266HV (ở -80oC). 
6.2.2 Kết quả phân tích chức tế vi các mẫu 
 Sau khi xử lý nhiệt theo quy trình 3b, tiến hành va đập khoảng 
3000 lần với lực tác dụng là như đã trình bày ở mục 3.4.3 xử lý ở 
nhiệt độ -80oC các mẫu (được hợp kim hóa V hay không hợp kim 
hóa V) đều không phát hiện thấy tổ chức mactenxit mà chỉ nhận thấy 
có xuất hiện song tinh ở trên bề mặt của mẫu. 
 Hình 6.8 là ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). 
Mẫu (M4) là mẫu không có V (6.8a) và M5 là mẫu là và có V (6.8b). 
Các mẫu trải qua nhiệt luyện và va đập. Trên ảnh TEM không thấy 
có sự xuất hiện tổ chức mactenxit mà có thể nhận thấy rất rõ các giải 
song tinh. Trong mẫu chứa V, các giải song tinh có vẻ sắc nét hơn. 
Hình 6.8: Ảnh TEM của các mẫu sau khi xử lý nhiệt, va đập 
22 
Khi hạ nhiệt độ mẫu xuống đến -80oC cũng không nhận thấy xuất 
hiện mactenxit trong tổ chức ở cả hai mẫu không có V (mẫu M4) và 
có V (mẫu M5). Trên các ảnh nhìn thấy cacbit Cr (hình 6.9a) tương 
tự hình tròn và cacbit V hình vuông (hình 6.9b). Ngoài ra trên hình 
6.9b) có dấu hiệu của lệch mạng của các mẫu sau va đập (các đường 
màu đen) và các điểm tương tác giữa lệch và pha cacbit hình vuông 
nhỏ mịn. 
6.3 Ảnh hưởng của đất hiếm đến khả năng biến cứng trong thép 
mangan cao khi chịu va đập và xử lý ở nhiệt độ âm 
6.3.1. Ảnh hưởng của đất hiếm đến kết quả độ cứng 
Từ kết quả độ cứng có thể nhận thấy là với cùng một nhiệt độ xử 
lý, mẫu biến tính (M7) có giá trị độ cứng cao hơn so với mẫu không 
biến tính (M5): Ở nhiệt độ thường giá trị độ cứng bề mặt của M7 đạt 
tới 420H trong khi đó mẫu M5 là 395HV; Ở -80oC giá trị độ cứng ở 
bề mặt tương ứng là 396HV với mẫu M7 và 370HV với mẫu M5. 
Kết quả độ cứng này cho thấy vai trò của các chất biến tính trong quá 
trình làm tăng bền cho thép. 
6.3.2 Ảnh hưởng của đất hiếm đến tổ chức tế vi sau va đập 
Các kết quả phân tích ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của 
mẫu sau va đập không thấy xuất hiện dạng tổ chức mactenxit đối với 
cả hai mẫu, vẫn chỉ thấy xuất hiện dạng cấu trúc song tinh có độ rộng 
chỉ ở cấp độ nano. Tuy nhiên quan sát kỹ hơn vùng xếp lớp, trên ảnh 
hiển vi điện tử truyền qua với độ phân giải cao nhận thấy rằng khác 
với mẫu không biến tính M5 (hình 6.13a) mẫu biến tính M7 (hình 
6.13b) được biến cứng ở mức độ cao thấy xuất hiện tổ chức dạng lạ: 
Trên các vệt song tinh có nhiều chấm trắng. Theo tác giả [58] thì đó 
là các hạt nano austenite đã được tạo ra bởi sự biến dạng dẻo (chấm 
trắng hình 6.13b). Như vậy qua quá trình biến tạo ra các hạt nano 
austenite. Tổ chức nano austenite xuất hiện trong mẫu có V và biến 
Hình 6.13: Ảnh TEM của mẫu được biến tính (M7) và không biến tính 
(M5) sau va đập 
23 
tính, đạt được mức độ biến cứng lớn (độ cứng cao nhất: 420HV bảng 
6.6, hình 6.10). 
 Khi được xử lý ở -80oC (hình 6.17) trong mẫu M5 ở hình 6.17a 
không thấy rõ dạng tổ chức song tinh ở như ở hình 5.45 mà có dạng 
tổ chức như lệch (hình 6.17a). Trong mẫu M7 là mẫu có biến tính và 
có độ biến cứng cao phát hiện thấy tổ chức lạ rất nhiều hạt màu trắng 
(hình 6.17b). 
KẾT LUẬN CHUNG 
1. Ảnh hưởng của nguyên tố Cr: tốt nhất là hợp kim hóa với hàm 
lượng 2%Cr. Làm nhỏ hạt austenite; tạo được cacbit Cr7C3 có dạng 
cầu. Điều này có được nhờ quá trình nung trung gian khi xử lý nhiệt. 
2. Ảnh hưởng của V tốt nhất là với 1% cho mác thép 15%Mn; 
2%Cr: Làm nhỏ hạt ngay trong quá trình kết tinh; làm nhỏ hạt khi 
nhiệt luyện ở 1100oC khi qua xử lý nhiệt trung gian. Sauk hi nung 
đến 1100oC; trong tổ chức vẫn còn tồn tại cacbit VC có kích thước 
nano phân tán. 
3. Bằng phương pháp phân tích hiển vi điện tử truyền qua TEM: Đã 
nhận diện được các hạt VC có kích thước cỡ 50nm. Các hạt cacbit Cr 
có dạng cầu có kích thước cỡ nano. 
4. Ảnh hưởng của đất hiếm khi biến tính vào thép có hàm lượng 
15%Mn + 2%Cr + 1%V sau khi xử lý nhiệt có kích thước nhỏ mịn 
và cơ tính là tốt nhất. 
5. Đã xây dựng quy trình xử lý nhiệt cho thép Mn15Cr2V qua nung 
trung gian ở 650oC; nung tiếp đến nhiệt độ austenite hóa ở 1100oC 
nhận được tổ chức và cơ tính là tốt nhất. 
24 
6. Đã tiến va đập 1000 lần đối với thép được hợp kim hóa bằng Cr; 
3000 lần đối với thép được hợp kim hóa bằng V và thép hợp kim hóa 
bằng V + RE cho thấy: 
- Thép được hợp kim hóa 1%V + RE cho cơ tính tốt nhất ở lớp bề 
mặt là 420HV (hạt nhỏ nhất). 
- Về mặt tổ chức: Sau va đập ngoài xuất hiện tổ chức dạng song 
tinh; xô lệch mạng; dải trượt và hạt cacbit phân tán còn có xuất hiện 
lớp nano austenit nhưng không tìm thấy dạng tổ chức mactenxit. 
7. Đối với thép Mn15Cr2V dưới tác dụng tải trọng thì cơ chế hóa 
bền của thép là: 
- Tổ chức hạt austenit sau nhiệt luyện là nhỏ mịn. 
- Song tinh và dải trượt. 
- Các hạt nano cacbit nhỏ mịn phân tán trong nền. 
8. Quy trình nhiệt luyện nâng nhiệt lên 650oC giữ nhiệt sau đó nung 
tiếp đến 1100oC đã bước đầu được áp dụng thực tế tại công ty TNHH 
Thắng Lợi – Nam Định. Kết quả dùng để sản xuất thử búa đập đá với 
thành phần: 15%Mn, 2%Cr và 1%V theo quy trình xử lý nhiệt ở trên 
đã nâng được khối lượng đá đập từ 800m3 đá lên 1200m3đá cho một 
giàn búa. Khảo sát tổ chức của búa đập sau khi sử dụng cũng không 
thấy sự xuất hiện của Mactenxit.