Phân tích sự hình thành và nứt vỡ của hiện tượng phân bố không đồng đều phốt pho trong thép kết cấu cacbon.
Hiện nay, các loại thép cuộn và thanh thép kết cấu cacbon thông dụng do các nhà máy thép trong nước cung cấp có đường kính từ φ5.5 đến φ45, và phạm vi phổ biến hơn là φ6.5 đến φ30. Có nhiều sự cố về chất lượng do sự phân bố không đồng đều của phốt pho trong nguyên liệu thép cuộn và thanh thép kích thước nhỏ. Bài viết này sẽ đề cập đến ảnh hưởng của sự phân bố không đồng đều của phốt pho và phân tích sự hình thành các vết nứt để các bạn tham khảo.
Việc bổ sung phốt pho vào sắt có thể làm khép kín vùng pha austenit trong giản đồ pha sắt-cacbon. Do đó, khoảng cách giữa đường rắn và đường lỏng phải được mở rộng. Khi thép chứa phốt pho được làm nguội từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn, nó cần phải trải qua một phạm vi nhiệt độ rộng. Tốc độ khuếch tán của phốt pho trong thép chậm. Lúc này, sắt nóng chảy có nồng độ phốt pho cao (điểm nóng chảy thấp) sẽ lấp đầy các khoảng trống giữa các nhánh tinh thể đông đặc đầu tiên, do đó tạo thành sự phân bố không đồng đều của phốt pho.
Trong quá trình dập nguội hoặc ép đùn nguội, thường thấy các sản phẩm bị nứt. Kiểm tra và phân tích cấu trúc kim loại của các sản phẩm bị nứt cho thấy ferit và perlit được phân bố thành các dải, và có thể thấy rõ một dải sắt trắng trong nền. Trong ferit, có các tạp chất sunfua màu xám nhạt hình dải không liên tục trên nền ferit hình dải này. Cấu trúc hình dải này do sự phân bố không đồng đều của sunfua photphua gây ra được gọi là "đường ma". Điều này là do vùng giàu phốt pho trong khu vực có sự phân bố phốt pho không đồng đều nghiêm trọng xuất hiện màu trắng sáng. Do hàm lượng phốt pho cao trong vùng trắng sáng, hàm lượng cacbon trong vùng trắng sáng giàu phốt pho bị giảm hoặc hàm lượng cacbon rất nhỏ. Bằng cách này, các tinh thể hình cột của phôi đúc liên tục phát triển về phía trung tâm trong quá trình đúc liên tục vùng giàu phốt pho. Khi phôi đông đặc, các nhánh cây austenit được kết tủa đầu tiên từ thép nóng chảy. Lượng phốt pho và lưu huỳnh có trong các nhánh tinh thể này bị giảm, nhưng thép nóng chảy đông đặc cuối cùng lại giàu tạp chất phốt pho và lưu huỳnh, chúng đông đặc giữa các trục nhánh tinh thể. Do hàm lượng phốt pho và lưu huỳnh cao, lưu huỳnh sẽ tạo thành sunfua, và phốt pho sẽ hòa tan trong ma trận. Nó khó khuếch tán và có tác dụng giải phóng cacbon. Cacbon không thể tan chảy vào, vì vậy xung quanh dung dịch rắn phốt pho (hai bên dải ferit trắng) có hàm lượng cacbon cao hơn. Nguyên tố cacbon ở cả hai bên của dải ferit, tức là ở cả hai bên của vùng giàu phốt pho, lần lượt tạo thành một dải perlit hẹp, không liên tục song song với dải ferit trắng, và tách biệt với mô bình thường liền kề. Khi phôi được nung nóng và ép, các trục sẽ kéo dài dọc theo hướng cán. Chính xác là do dải ferit chứa nhiều phốt pho, tức là sự phân bố phốt pho không đồng đều nghiêm trọng dẫn đến sự hình thành cấu trúc dải ferit rộng và sáng nghiêm trọng, với các dải sunfua màu xám nhạt rõ ràng trong dải rộng và sáng của thân nguyên tố. Dải ferit giàu phốt pho với các dải sunfua dài này là cấu trúc mà chúng ta thường gọi là "đường ma" (xem Hình 1-2).
Hình 1. Dây ma bằng thép carbon SWRCH35K 200X
Hình 2. Dây ma (dây ma) bằng thép carbon trơn Q235 500X
Khi cán nóng thép, chỉ cần có sự phân bố không đồng đều của phốt pho trong phôi, thì không thể thu được cấu trúc vi mô đồng nhất. Hơn nữa, do sự phân bố không đồng đều phốt pho nghiêm trọng, cấu trúc "dây ma" sẽ được hình thành, điều này chắc chắn sẽ làm giảm các tính chất cơ học của vật liệu.
Hiện tượng phân bố không đồng đều của phốt pho trong thép cacbon khá phổ biến, nhưng mức độ khác nhau. Khi phốt pho phân bố không đồng đều nghiêm trọng (xuất hiện cấu trúc "đường ma"), nó sẽ gây ra những ảnh hưởng cực kỳ bất lợi cho thép. Rõ ràng, sự phân bố không đồng đều nghiêm trọng của phốt pho chính là nguyên nhân gây ra hiện tượng nứt vật liệu trong quá trình cán nguội. Bởi vì các hạt khác nhau trong thép có hàm lượng phốt pho khác nhau, nên vật liệu có độ bền và độ cứng khác nhau; mặt khác, nó cũng làm cho vật liệu sinh ra ứng suất bên trong, khiến vật liệu dễ bị nứt bên trong. Trong vật liệu có cấu trúc "dây ma", chính xác là sự giảm độ cứng, độ bền, độ giãn dài sau khi gãy và giảm diện tích, đặc biệt là giảm độ dai va đập, dẫn đến hiện tượng giòn nguội của vật liệu, do đó hàm lượng phốt pho và các tính chất cấu trúc của thép có mối quan hệ rất chặt chẽ.
Kiểm tra cấu trúc kim loại: Trong mô "đường mờ" ở trung tâm trường quan sát, có một lượng lớn các sunfua hình elip màu xám nhạt, thuôn dài. Các tạp chất phi kim loại trong thép kết cấu chủ yếu tồn tại dưới dạng oxit và sunfua. Theo tiêu chuẩn GB/T10561-2005 "Bảng phân loại tiêu chuẩn - Phương pháp kiểm tra vi mô hàm lượng tạp chất phi kim loại trong thép", tạp chất loại B được lưu hóa khi hàm lượng vật liệu đạt mức 2,5 trở lên. Như chúng ta đã biết, tạp chất phi kim loại là nguồn tiềm ẩn gây nứt. Sự tồn tại của chúng sẽ làm tổn hại nghiêm trọng đến tính liên tục và độ đặc chắc của cấu trúc vi mô thép, và làm giảm đáng kể độ bền liên hạt của thép. Từ đó suy ra rằng sự hiện diện của sunfua trong "đường mờ" của cấu trúc bên trong thép là vị trí dễ xảy ra nứt nhất. Do đó, các vết nứt do rèn nguội và vết nứt do tôi nhiệt ở nhiều vị trí sản xuất ốc vít là do một lượng lớn sunfua mảnh màu xám nhạt gây ra. Sự xuất hiện của các sợi dệt lỗi như vậy phá hủy tính liên tục của các đặc tính kim loại và làm tăng nguy cơ trong quá trình xử lý nhiệt. "Sợi ma" không thể loại bỏ bằng cách chuẩn hóa, v.v., và các nguyên tố tạp chất cần được kiểm soát chặt chẽ từ quá trình nấu chảy hoặc trước khi nguyên liệu thô vào nhà máy.
Các tạp chất phi kim loại được chia thành alumina (loại A), silicat (loại C) và oxit hình cầu (loại D) theo thành phần và khả năng biến dạng của chúng. Sự tồn tại của chúng làm gián đoạn tính liên tục của kim loại, và các vết rỗ hoặc vết nứt được hình thành sau khi bong tróc. Chúng rất dễ tạo thành nguồn gây nứt trong quá trình ép nguội và gây tập trung ứng suất trong quá trình xử lý nhiệt, dẫn đến nứt do tôi. Do đó, các tạp chất phi kim loại phải được kiểm soát chặt chẽ. Các tiêu chuẩn thép hiện hành GB/T700-2006 "Thép kết cấu cacbon" và GB/T699-2016 "Thép kết cấu cacbon chất lượng cao" không đưa ra yêu cầu rõ ràng về tạp chất phi kim loại. Đối với các bộ phận quan trọng, kích thước hạt thô và hạt mịn của loại A, B và C nói chung không quá 1,5, và kích thước hạt thô và hạt mịn của loại D và Ds không quá 2.
Thời gian đăng bài: 21 tháng 10 năm 2021
