Han giao trinh vat lieu han 16 9 2019 docx 3293

LỜI GIỚI THIỆUTrong công nghiệp sản xuất cơ khí ngày nay, xu hướng phát triển để đạt được chất lượng sản phẩm cao, năng xuất lao động cao, giá thành cạnh tranh, sản xuất đã theo hướng ứn

UỶ BAN NHÂN DÂN TỈNH BÌNH ĐỊNH

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ QUY NHƠN

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: VẬT LIỆU HÀN NGÀNH/NGHỀ: CÔNG NGHỆ HÀN

TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG

Ban hành kèm theo Quyết định số: 99/QĐ-CĐKTCNQN ngày 14 tháng 3 năm 2018

của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ Quy Nhơn

Bình Định, năm 2018

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN

Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình lưu hành nội bộ nên các nguồn thông tin

có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.

Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.

LỜI GIỚI THIỆU

Trong công nghiệp sản xuất cơ khí ngày nay, xu hướng phát triển để đạt được chất lượng sản phẩm cao, năng xuất lao động cao, giá thành cạnh tranh, sản xuất đã theo hướng ứng dụng các thành tự khoa học kỹ thuật: sử dụng vật liệu hợp lý, tự động hoá quá trình sản xuất ở mức độ cao, đúng các công nghệ tiên tiến…

Nhằm đáp ứng nhu cầu của người học trong việc nghiên cứu lý thuyết vật liệu chuyên ngành Hàn, chúng tôi đã đầu tư nghiên cứu, sưu tầm và biên soạn cuốn giáo

trình Vật Liệu Hàn để cung cấp cho người học những kiến thức từ tổng quát về tính

hàn tổng quát đến cụ thể của từng loại vật liệu để từ đó là cơ sở cho nghiên cứu trong học tâp và ứng dụng trong thực tế sản xuất.

Giáo trình Vật Liệu Hàn cung cấp đầy đủ kiến thức vật liệu chuyên ngành hàn

là cơ sở nghiên cứu để người học tiếp tục nghiên cứu các môn học khác Giáo trình bao gồm 8 chương:

1 Khái niệm chung về thép và tính hàn của thép

2 Đặc điểm công nghệ và tính hàn của kim loại màu, hợp kim màu

3 Đặc điểm và tính hàn của gang

4 Nhiệt luyện và hoá nhiệt luyện

5 Vật liệu dùng trong hàn điện nóng chảy

6 Vật liệu dùng trong hàn cắt hơi

7 Vật liệu dùng trong hàn vẩy

8 Vật liệu phi kim loại

Trong quá trình biên soạn giáo trình không tránh được những thiếu sót, rất mong được sự đóng góp ý kiến của các bạn đồng nghiệp và của các em sinh viên để chúng tôi hiệu chỉnh hoàn thiện.

Mọi đóng góp xin gởi về địa chỉ Email: thanhsangcdnqn@gmail.com

Xin chân thành cảm ơn!

BIÊN SOẠN

Nguyễn Thanh Sang

MỤC LỤC

1.1 Lý thuyết hợp kim 6 1.1.1 Khái niệm, đặc điểm và ứng dụng 6

1.2 Thép Cacbon 15 1.2.1 Khái niệm, đặc điểm và ứng dụng của thép Cacbon 15 1.2.2 Thành phần và ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chất 16 1.2.3 Tiêu chuẩn ký hiệu và phân loại các mác thép 17

1.3 Thép hợp kim 33 1.3.1 Khái niệm, đặc điểm và ứng dụng của thép hợp kim 33 1.3.2 Tác dụng nguyên tố hợp kim đến tính chất của thép hợp kim 34

CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ VÀ TÍNH HÀN CỦA KIM LOẠI

2.1 Nhôm và hợp kim nhôm 49

3.1 Khái niệm, đặc điểm, ứng dụng của gang 59

3.3 Phân loại 60 3.4 Tính hàn của gang 61

4.1.3 Tác dụng của nhiệt luyện đối với ngành cơ khí 72 4.1.4 Các tổ chức đạt được khi nung nóng và làm nguội thép 73 4.1.5 Các dạng hỏng xảy ra khi nhiệt luyện thép 78 4.2 Hóa nhiệt luyện 79

5.1 Que hàn hồ quang tay 83

5.2 Thuốc hàn 99

5.3 Vật liệu hàn trong môi trường khí bảo vệ 104

Bảng 5.24 : Kích thước, khối lượng các cuộn dây hàn 107

6.1 Vật liệu dùng trong hàn hơi 123

- Khối lượng riêng của axêtylen là: 1,09 Kg/m

123

6.2 Vật liệu trong cắt hơi 129

7.1 Khái niệm về hàn vẩy 133 7.2 Các loại vẩy hàn 133

7.3 Thuốc hàn 134

8.1 Polyme, cao su, chất dẻo 136

GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: Vật liệu hàn

Mã môn học: MH10

Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học/mô đun:

- Vị trí: Môn học được bố trí trước các mô đun chuyên ngành.

- Tính chất: Là môn học lý thuyết cơ sở cung cấp những kiến thức cơ bản về cấu trúc kim loại; thành phần, tính chất và phạm vi ứng dụng của thép cacbon, thép hợp kim, đồng - hợp kim đồng, nhôm - hợp kim nhôm, gang và các loại vật liệu dùng trong ngành Hàn.

- Ý nghĩa và vai trò của môn học: Sau khi học xong người học có kiến thức về tính hàn của từng loại vật liệu từ đó là cơ sở để ứng dụng vào thực tế sản xuất.

Mục tiêu của môn học/mô đun:

+ Tham gia học tập và làm bài đầy đủ.

Nội dung của môn học

Bài 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ THÉP VÀ TÍNH HÀN CỦA THÉP

Mã bài: MH10-01

Giới thiệu:

Trước thời kì Phục Hưng người ta đã chế tạo thép với nhiều phương pháp kém hiệu quả, nhưng đến thế kỉ 17 sau tìm ra các phương pháp có hiệu quả hơn thì việc sử dụng thép trở nên phổ biến hơn Với việc phát minh ra quy trình Bessemer vào giữa thế kỉ 19, thép đã trở thành một loại hàng hoá được sản xuất hàng loạt ít tốn kém Trong quá trình sản xuất càng tinh luyện tốt hơn như phương pháp thổi ôxy, thì giá thành sản xuất càng thấp đồng thời tăng chất lượng của kim loại Ngày nay thép là một trong những vật liệu phổ biến nhất trên thế giới và là thành phần chính trong xây dựng,

đồ dùng, công nghiệp cơ khí Thông thường thép được phân thành nhiều loại tùy theo thành phần hóa học, mục đích sử dụng và cấp bậc và được các tổ chức đánh giá xác nhận theo chuẩn riêng.

Mục tiêu:

- Trình bày và vẽ được giản đồ trạng thái Fe-C

- Trình bày tác dụng của các nguyên tố hợp kim đến tính chất của thép

- Trình bày ký hiệu và tính hàn của thép cacbon và thép hợp kim

- Rèn luyện tính tự giác, ý thức trong khi tham gia học tập.

Nội dung

1.1 Lý thuyết hợp kim.

1.1.1 Khái niệm, đặc điểm và ứng dụng

Hợp kim là vật thể của nhiều nguyên tố và mang tính chất kim loại (dẫn điện, dẫn nhiệt, dẻo, dễ biến dạng, có ánh kim…)

Nguyên tố chủ yếu trong hợp kim là nguyên tố kim loại Hợp kim có thể được tạo nên giữa các nguyên tố kim loại với nhau, hoặc giữa nguyên tố kim loại với phi kim loại.

Ví dụ:

+ Thép cacbon là hợp kim của nguyên tố kim loại và phi kim loại (Fe+C)

+ Latông là hợp kim của hai nguyên tố kim loại (Cu+Zn)

Thành phần của các nguyên tố trong hợp kim được biểu thị theo phần trăm khối lượng mỗi nguyên tố Tổng các thành phần trong hợp kim luôn bằng 100% và đôi khi còn dùng tỷ lệ phần trăm nguyên tử.

Hình 1.1 Hỗn hợp cơ học (a) và dung dịch xen kẽ (b)

Hợp kim được sử dụng nhiều trong ngành cơ khí vì nó có những đặc tính ưu việt hơn hẳn so với kim loại nguyên chất và giá thành thấp hơn so với kim loại nguyên

+ Tính cắt gọt tốt hơn.

Chính vì thế trong thực tế hầu như chỉ sử dụng hợp kim.

* Các định nghĩa cơ bản về hợp kim :

- Pha (F): là cấu phần đồng nhất của hợp kim cùng tổ chức và cùng trạng thái (khi ở trạng thái rắn phải có cùng kiểu mạng và thông số mạng), được ngăn cách bằng một bề mặt phân pha đủ lớn.

- Hệ: là tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng (các pha tồn tại ổn định trong một điều kiện bên ngoài xác định).

- Hệ cân bằng: hệ được coi là hệ cân bằng khi các quá trình xảy ra trong hệ có tính thuận nghịch.

- Quá trình thuận nghịch: những quá trình mà khi có sự thay đổi của một yếu tố bên ngoài hoặc bên trong sẽ làm hệ biến đổi theo một hướng Khi yếu tố bên ngoài đó thay đổi theo chiều ngược lại và đi qua các giai đoạn như hướng biến đổi trước.

- Cấu tử (nguyên) (N): là những cấu phần độc lập của hệ (có thể là đơn chất hoặc hợp chất) có thành phần hóa học ổn định mà nó có nhiệm vụ cấu tạo nên tất cả các pha của hệ.

- Bậc tự do của hệ (T): là số các yếu tố bên ngoài (P, T

) hoặc bên trong (thành phần) có thể thay đổi được mà hệ không bị thay đổi trạng thái.

1.1.2 Cấu trúc tinh thể hợp kim

b Phân loại dung dịch rắn

Dựa vào kiểu hòa tan của chất tan trong mạng dung môi, nghĩa là kiểu sắp xếp của nguyên tử chất tan trong mạng tinh thể dung môi thì dung dịch rắn được phân thành: dung dịch rắn thay thế, dung dịch rắn xen kẽ và dung dịch rắn có trật tự.

* Dung dịch rắn thay thế

- Khái niệm: Dung dịch rắn thay thế là dung dịch rắn trong đó các nguyên tử chất tan chiếm chỗ của nguyên tử dung môi tại vị trí các nút mạng

Hình 1.2 Dung dịch rắn thay thế

- Đặc điểm: Dung dịch rắn thay thế giữ nguyên kiểu mạng của dung môi nhưng tạo ra các sai lệch điểm trong mạng tinh thể nên tạo ứng suất dư trong mạng và dấu của ứng suất dư phụ thuộc vào đường kính nguyên tử chất tan.

- Điều kiện tạo dung dịch rắn thay thế:

Điều kiện kích thước:

100%≤15% với: Δd = d

- d

; 𝑑 =

𝐵 2

Trong đó:

d

: đường kính nguyên tử dung môi

d

: đường kính nguyên tử chất tan Nếu sai khác đường kính nguyên tử càng nhỏ thì càng dễ tạo dung dịch rắn thay thế.

- Các loại dung dịch rắn thay thế: Dung dịch rắn thay thế có thể có dạng hòa tan

vô hạn hoặc hòa tan có hạn.

Dung dịch rắn thay thế hòa tan có hạn: tồn tại một giới hạn hòa tan của chất tan trong dung môi.

Tỉ lệ dung môi x

: x

+ x

= 1

Tỉ lệ chất tan x

: x

< 1 Dung dịch rắn thay thế hòa tan vô hạn: x

= 1

- Điều kiện tạo thành hòa tan vô hạn:

+ Dung môi và chất tan phải có cùng kiểu mạng.

Từ nguyên lý "thay thế" thấy rằng: nếu hai nguyên A và B hòa tan vô hạn vào nhau thì chúng phải có kiểu mạng giống nhau Điều kiện giống nhau về kiểu mạng chỉ mới là điều kiện cần Khả năng tạo thành dung dịch rắn vô hạn còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác Nhiều nguyên tố có kiểu mạng giống nhau nhưng chưa chắc đã tạo nên dung dịch rắn vô hạn Dựa vào bảng hệ thống tuần hoàn ta thấy thông thường các nguyên tố cùng một chu kỳ thì có kiểu mạng giống nhau.

+

100% < 15%

Sự tương quan về đường kính nguyên tử khi đường kính nguyên tử của các nguyên thành phần A và B không giống nhau nên khi hòa tan vào nhau chúng tạo ra sai lệch điểm và xung quanh một nguyên tử hoà tan xuất hiện trường sai lệch đàn hồi.

Sự sai khác đường kính nguyên tử giữa các nguyên A và B càng lớn, nồng độ hòa tan càng cao thì mức độ sai lệch mạng càng nhiều và đến một mức nào đó mạng trở nên không ổn định Khi đó, sự sai khác về đường kính nguyên tử chất tan (d

) và đường kính nguyên tử dung môi (d

) không vượt quá 15% Điều này giải thích tại sao đại đa

số các dung dịch rắn thay thế được tạo thành giữa các kim loại với nhau, chỉ một số ít trường hợp là giữa kim loại và á kim.

+ Chỉ số nồng độ điện tử C

(số điện tử hóa trị của dung dịch rắn tạo thành) phải nhỏ hơn C

giới hạn.

+ Tương quan về độ âm điện ( ): Sai khác về độ âm điện càng nhỏ thì khả năng hòa tan vô hạn càng tăng.

* Dung dịch rắn xen kẽ

- Khái niệm: Dung dịch rắn xen kẽ là loại dung dịch rắn mà các nguyên tử chất tan đi vào vị trí các lỗ hổng trong mạng tinh thể dung môi.

Hình 1.3 Dung dịch rắn xen kẽ

- Đặc điểm của dung dịch rắn xen kẽ:

+ Giữ nguyên kiểu mạng của dung môi, tồn tại các sai lệch điểm loại nút xen

kẽ, tạo ra trường ứng suất lớn hơn do kích thước lỗ hổng nhỏ hơn nhiều so với đường kính nguyên tử.

+ Không thể xảy ra dạng dung dịch rắn hòa tan vô hạn.

+ Dung dịch rắn xen kẽ có độ bền và độ cứng cao hơn so với dung dịch rắn thay thế do mức độ xô lệch mạng lớn hơn.

- Điều kiện tạo dung dịch rắn xen kẽ:

Điều kiện kích thước:

Nếu sai khác nguyên tử càng lớn thì càng dễ tạo ra dung dịch rắn xen kẽ.

Trong đó:

E

: Năng lượng biên của miền Brillouin trong chất tan

E

: Năng lượng biên của miền Brillouin trong dung môi.

c Tính chất chung của dung dịch rắn

- Mang tính chất của dung môi với hợp kim, dung môi phải là kim loại do đó dung dịch rắn mang tính kim loại.

- Trong dung dịch rắn tồn tại nhiều khuyết tật mạng do sự xen kẽ hoặc thay thế của các nguyên tử chất tan, mức năng lượng tự do cao hơn nguyên tử nguyên chất do

đó kém ổn định hơn.

- Độ bền, độ cứng và độ rắn thường cao hơn kim loại nguyên chất.

1.1.2.2 Các pha trung gian

a Khái niệm

Các pha trung gian là dạng cấu trúc hợp kim tạo bởi các cấu tử có kiểu mạng riêng biệt của mình, không phụ thuộc vào kiểu mạng của các nguyên tạo ra nó.

b Các loại pha trung gian

Các pha trung gian có rất nhiều loại khác nhau phụ thuộc vào kích thước nguyên tử tương đối giữa các nguyên, hóa trị của các nguyên và vị trí của các nguyên trong bảng hệ thống tuần hoàn:

- Khi d

/d

< 0,59 tạo thành pha xen kẽ với các kiểu mạng đơn giản của các nguyên tố kim loại, có kiểu mạng khác cả A và B (pha xen kẽ đơn giản) Thường là các loại cacbit VC, WC, TiC

Đặc điểm: Độ hạt nhỏ, độ cứng và độ bền cao, được dùng làm các pha hóa bền

lý tưởng cho hợp kim.

- Khi d

/d

> 0,59 tạo thành pha xen kẽ có kiểu mạng tinh thể phức tạp, có tới hàng chục ô cơ bản trong một nguyên tử (pha xen kẽ phức tạp) Ví dụ: Fe

C, Mn

C,

Cr

C

Đặc điểm: Có kiểu mạng rất phức tạp.

Tính chất: Có độ cứng, độ bền cao và nhiệt độ nóng chảy cao Thường dùng hóa bền cho hợp kim làm việc ở nhiệt độ thường.

* Pha điện tử (Pha Hum - Rôzêri)

Là pha tạo nên bởi các kim loại có hóa trị khác nhau, được hình thành có kiểu mạng riêng nhưng phải thỏa mãn quy luật về trị số nồng độ điện tử C

.

Pha điện tử có ba dạng cơ bản:

- Pha β: C

= 3 / 2 - Có kiểu mạng lập phương thể tâm A2

trong một ô cơ bản

- Pha ε: C

= 7 / 4 - Có kiểu mạng lục giác.

Với

Trong đó:

n

, n

: chỉ số của các nguyên trong cấu tạo pha

v

, v

: hóa trị của các nguyên.

Là các pha trung gian có dải thành phần từ A

B → AB

.

Đặc điểm: pha σ có kiểu mạng rất phức tạp, tính giòn rất cao, vùng thành phần rộng do đó làm giảm cơ tính rất mạnh của hợp kim, khi lựa chọn hợp kim tránh hình thành pha σ.

1.1.2.3 Hỗn hợp cơ học

a Khái niệm

Hỗn hợp cơ học là các tổ chức của hợp kim có hai pha cùng tồn tại trong một thể thống nhất, hai pha được tạo ra cùng một lúc và giữ nguyên bề mặt phân pha.

Phản ứng cùng tinh xảy ra ở nhiệt độ và thành phần xác định.

Đặc điểm của hỗn hợp cơ học cùng tinh là có nhiệt độ nóng chảy thấp nên có tính đúc tốt, nhưng lại có tính giòn cao dẫn đến khó gia công áp lực.

- Hỗn hợp cơ học cùng tích: là dạng hỗn hợp cơ học tiết ra cùng một lúc ở thể rắn.

c Thành phần tạo nên hỗn hợp cơ học

- Hai dung dịch rắn

- Một dung dịch rắn + một pha trung gian (phổ biến nhất)

- Hai pha trung gian

1.1.3 Các dạng cấu tạo của hợp kim

Có thể nói tính chất của hợp kim phụ thuộc vào sự kết hợp của các nguyên tố cấu tạo nên chúng Khi ở dạng lỏng, các nguyên tố hòa tan lẫn nhau để tạo nên dung dịch lỏng Tuy nhiên, khi làm nguội ở trạng thái rắn sẽ hình thành các tổ chức pha của hợp kim, có thể sẽ rất khác nhau do tác dụng với nhau giữa các nguyên tố Có thể có các tổ chức pha như sau:

- Tổ chức một pha (một kiểu mạng tinh thể):

+ Khi các nguyên tố trong hợp kim tác dụng hòa tan ở trạng thái rắn, gọi là dung dịch rắn.

+ Khi các nguyên tố trong hợp kim tác dụng hóa học ở trạng thái rắn, gọi là hợp chất hóa học.

- Tổ chức hai pha trở lên (có từ hai kiểu mạng tinh thể trở lên): khi giữa các pha trong hợp kim có tác dụng cơ học với nhau gọi là hỗn hợp cơ học.

* Dung dịch rắn

Khi nguyên tử của hai hay nhiều nguyên tố được sắp xếp trong cùng một kiểu mạng Có thể chia dung dịch rắn làm hai loại: dung dịch rắn xen kẽ và dung dịch rắn thay thế.

Dung dịch rắn xen kẽ Nếu nguyên tử của nguyên tố hòa tan (B) xen kẽ ở khoảng hở của các nguyên tử trong dung môi (A) thì ta có dung dịch rắn xen kẽ Sự hòa tan xen kẽ bao giờ cũng có giới hạn.

- Dung dịch rắn thay thế Nếu nguyên tử của nguyên tố hòa tan (B) thay thế nguyên tử của nguyên tố dung môi (A) thì ta có dung dịch rắn thay thế.

- Cơ tính chung của dung dịch rắn: có độ cứng thấp, độ bền thấp tuy nhiên độ

dẻo và độ dai cao do có cấu tạo mạng tinh thể của kim loại nguyên chất.

* Hợp chất hóa học

Trong nhiều loại hợp kim, nhiều pha được tạo thành do sự liên kết giữa các nguyên tố khác nhau theo một tỷ lệ nhất định gọi là hợp chất hóa học Mạng tinh thể của hợp chất khác với mạng thành phần Hợp chất hóa học trong hệ có tính ổn định cao hoặc có nhiều dạng hợp chất khác nhau.

Ví dụ: Nguyên tố sắt và cacbon tạo nên Fe

C rất ổn định, nhưng nguyên tố Cu với Zn có thể cho ta nhiều dạng hợp chất như: CuZn, Cu

Zn

, CuZn

,…

- Cơ tính chung của hợp chất hóa học: có độ cứng cao, độ dòn cao do có kiểu

mạng tinh thể phức tạp không giống với kiểu mạng của kim loại nguyên chất đồng thời

có nhiệt độ phân hủy cao (t

nc

cao).

* Hỗn hợp cơ học

Trong hệ hợp kim, có những nguyên tố không hòa tan vào nhau cũng không liên kết tạo thành hợp chất hóa học mà chỉ liên kết với nhau bằng lực cơ học thuần túy, thì gọi hợp kim đó là hỗn hợp cơ học Như vậy hỗn hợp cơ học không làm thay đổi mạng nguyên tử của nguyên tố thành phần Vì để tạo được liên kết cơ học nguyên tử các nguyên tố thành phần khác nhau nhiều về kích thước và mạng tinh thể.

Cơ tính chung của hỗn hợp cơ học: phụ thuộc vào cơ tính của các pha tạo thành Muốn đánh giá cơ tính của hợp kim tạo thành tại nhiệt độ xác định phải căn cứ vào tỉ

lệ cấu tạo và cơ tính của các pha tạo thành.

1.1.4 Giản đồ pha và dung dịch rắn xen kẽ

- Xác định các trạng thái tới hạn của hợp kim ở tất cả các vị trí để phục vụ cho

xử lí nhiệt luyện hợp kim.

- Lựa chọn phương án sản xuất hợp kim một cách hợp lý nhất.

1.1.4.3 Giản đồ trạng thái sắt-cacbon

Giản đồ pha Fe - C (Fe - Fe3C) được trình bày ở hình 1.4 với các ký hiệu các tọa độ (nhiệt độ

C - thành phần cacbon, %) đã được quốc tế hóa như sau:

A (1539 - 0); B (1499 - 0,5); C (1147 - 4,3); D (~1250 - 6,67);

E (1147 - 2,14); F (1147 - 6,67); G (911 - 0); H (1499 - 0,10);

J (1499 - 0,16); K (727 - 6,67); L (0 - 6,67); N (1392 - 0);

P (727 - 0,02); Q (0 - 0,006); S (727 - 0,80).

Một số đường có ý nghĩa thực tế rất quan trọng như sau:

- ABCD là đường lỏng để xác định nhiệt độ chảy lỏng hoàn toàn hay bắt đầu kết tinh.

- AHJECF là đường rắn để xác định nhiệt độ bắt đầu chảy hay kết thúc kết tinh.

- ECF (1147

C) là đường cùng tinh, xảy ra phản ứng cùng tinh

- PSK (727

C) là đường cùng tích, xảy ra phản ứng cùng tích

- ES - giới hạn hòa tan cacbon trong Feγ.

- PQ - giới hạn hòa tan cacbon trong Feα.

Hình 1.4 Giản đồ trạng thái Fe-C

L: dung dịch lỏng hoà tan vô hạn của Fe và C

ACD: đường lỏng ở mọi nhiệt độ > ACD thì hợp kim ở trạng thái lỏng

Xe: xementit

Fe

(C): Austenit viết tắt là As, ký hiệu là γ

Peclit viết tắt là P

Ferit viết tắt là F ký hiệu là α

Điểm C: là điểm cùng tinh, có nhiệt độ cùng tinh là 1147

C, thành phần cùng

Lêđêburit Led1 là hỗn hợp cơ học cùng tinh của Xe trên nền As

Điểm S: là điểm cùng tích, có nhiệt độ cùng tích là 727

C, có thành phần cùng tích là 0,8%C Phản ứng cùng tích là As

< 727→ (F + Xe) còn gọi là Peclit Peclit là hỗn hợp cơ học cùng tích của Xe phân bố trên nền Ferit.

Tuỳ theo hình dạng của Xe trên nền của Ferit nên có Peclit tấm có độ cứng khoảng 200 ÷ 220 HB và Peclit hạt có độ cứng khoảng ≤180 HB Peclit tấm và peclit hạt đều có 0,8%C, tỉ lệ F và Xe là như nhau nhưng độ cứng khác nhau.

Ledeburit 1 (Led1: As+Xe) tồn tại ở 1147÷727

C Phản ứng (As + Xe) (P + Xe) còn gọi là Ledeburit 2 Led2 là hỗn hợp cùng tích của P và Xe tồn < 727→

tại ở nhiệt độ < 727

C, %C > 2,14%C.

Bản chất Xe

, Xe

, Xe

đều là Fe

C nhưng khác nhau về điều kiện hình thành và

có ảnh hưởng rất khác nhau đối với tính chất của hợp kim Fe-C

+ Xementit 1: L

làm nguội tới nhiệt độ < CD tạo thành L

+ Xe

tiếp tục làm nguội < 1147

C tạo thành Led

+ Xe

, tiếp tục làm nguội <727

C tạo thành Led

+ Xe

Xementit1 tạo thành từ pha lỏng ở nhiệt độ > 1147

C và %C > 4,3%

Nhiệt độ thường thì Xe

có dạng tinh thể lớn màu trắng gọi là “Đại lộ Xementit” làm cho hợp kim Fe-C chứa Xe

có tính chất rất cứng > 55HRC rất giòn và hầu như không

có độ dẻo

+ Xementit 2: tại đường SE tồn tại ở nhiệt độ 727 ÷1147

C, thành phần Cacbon từ 0,8÷2,14% Khi làm nguội As

dưới SE tạo thành As

+Xe

tiếp tục làm nguội <727

C tạo thành P + Xe

Nếu Xe

có dạng lưới màu trắng bao quanh các tinh thể P tấm thì gọi là lưới Xe

Lưới Xe

có đặc tính là làm tăng mạnh tính chống mài mòn cho thép và làm tăng tính giòn cho thép trong khi không làm tăng độ cứng cho nên các loại thép >0,8%C có Xe

thì độ cứng khoảng 220HB hầu như không đổi nhưng tính giòn tăng theo hàm lượng Xe Thực tế với các loại thép thông dụng %C

≤1,3%.

Đường PQ là đường giới hàn hoà tan của C trong F, ở nhiệt độ thường tới

727

C, thành phần 0,006 ÷ 0,02%C Khi là nguội F

tới nhiệt độ nhỏ hơn PQ tạo thành F

+ Xe

Quá trình hình thành Xe

từ F đòi hỏi thời gian rất dài có thể lên đến vài chục năm Nó làm suy giảm cơ tính của kết cấu thép theo thời gian sử dụng: Đây là hiện tượng hoá giòn F dẫn tới giới hạn thời gian sử dụng kết cấu thép.

1.2 Thép Cacbon

1.2.1 Khái niệm, đặc điểm và ứng dụng của thép Cacbon

Khái niệm: Thép Cacbon là hợp kim trên cơ sở sắt và cacbon với hàm lượng cacbon nhỏ hơn 2,14% Trong thực tế, thép cacbon không phải là hợp kim chỉ gồm Fe

và C do điều kiện nấu luyện còn nhiều các nguyên tố lẫn với thép với hàm lượng nhất định, nhỏ hơn giới hạn cho phép đó là các tạp chất Tạp chất thường có như Mn, Si, P,

S, H

, N

, các tạp chất ngẫu nhiên như Cr, Ni, Cu, Mo, Ti,

Giới hạn cho phép của các tạp chất rất khác nhau, tuy nhiên đều thỏa mãn nguyên tắc: Sự có mặt của tạp chất không gây ảnh hưởng đáng kể tới tổ chức và tính chất của thép, kể cả ảnh hưởng có lợi Thành phần của thép cacbon thông thường, ngoài Fe ra còn được giới hạn như sau: C < 2%, Mn ≤ 0,5 ÷ 0,8 %, Si ≤ 0,3 ÷ 0,6 %, P

≤ 0,05 ÷ 0,06 %, S ≤ 0,05 ÷ 0,06 %.

Đặc điểm và ứng dụng: Thép cacbon được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

và đời sống do có các ưu điểm sau.

- Rẻ tiền, dễ nấu luyện và trên hết không dùng các nguyên tố hợp kim đắt tiền.

- Có cơ tính nhất định (chẳng hạn độ cứng sau khi tôi của thép C cao không thua kém hợp kim có lượng C tương tự) và nhất là có tính công nghệ tốt như dễ đúc,

hàn, rèn, dập, kéo sợi, gia công cắt gọt…tốt hơn so với thép hợp kim Tuy nhiên so với thép hợp kim thì thép C có nhược điểm cơ bản sau.

+ Độ bền ở trạng thái cung cấp (thường hoá) và trạng thái ủ thấp, giới hạn đàn hồi không vượt quá 700MPa, chưa kể đến khi đó thì độ dẻo, độ dai cũng giảm

đi rất mạnh.

+ Độ thấm tôi của thép C nói chung thấp, khó có thể tôi thấu một chi tiết

có đường kính 15mm, mà muốn tôi thì phải chọn môi trường tôi mạnh mà khi đó dễ dẫn tới nguy cơ biến dạng nhiều và thậm chí gây nứt vỡ.

+ Độ bền và nhất là độ cứng ở nhiệt độ cao (>300

C) rất thấp.

+ Độ bền chống mài mòn thấp.

1.2.2 Thành phần và ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chất

Như đã giới thiệu ở trên, thép cacbon không chỉ là hợp kim của Fe và C mà ngoài ra nó còn lẫn thêm vài nguyên tố khác và được giới hạn như sau: C < 2%, Mn ≤ 0,5 ÷ 0,8 %, Si ≤ 0,3 ÷ 0,6 %, P ≤ 0,05 ÷ 0,06 %, S ≤ 0,05 ÷ 0,06 %.

Trong ngành chế tạo máy thép cacbon được sử dụng có hàm lượng cacbon C = 0,06÷0,9%, thép cacbon thấp dùng trong kết cấu hàn thường có hàm lượng C< 0,25%

Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chất của thép cacbon

1.2.2.1 Mangan (Mn): được cho vào thép khi tinh luyện dưới dạng fero-Mn, để khử Oxy và lưu huỳnh theo phản ứng sau:

MnO và MnS nổi lên đi vào xỉ và bị đưa ra khỏi lò Khi hoà tan vào ferit lượng Mn dư thừa sẽ nâng cao độ bền, độ cứng của pha này, do vậy làm tăng cơ tính của thép Tuy nhiên do hàm lượng Mn trong thép Cacbon ít (≤0,8%) nên tác dụng này không rõ rệt Tác dụng chủ yếu của Mn trong thép Cacbon là khử Oxy và hạn chế sự

có mặt của Lưu huỳnh.

1.2.2.2 Silic (Si): được cho vào nhiều loại thép để khử oxy một các triệt để hơn (cùng với Nhôm) theo phản ứng sau:

SiO

và Al

O

nổi lên, đi vào xỉ và bị đưa ra khỏi lò Lượng Si còn lại hoà tan vào ferit cũng như Mn, nâng cao độ bền, độ cứng cho pha này Nhưng trong thép Cacbon lượng Si cũng chỉ giới hạn nhỏ hơn 0,6% Si, nên tác dụng này cũng không rõ rệt (còn Al cháy mạnh hầu như không còn lại trong thép lỏng)

1.2.2.3 Photpho (P): có mặt trong thép từ quặng hay từ than (khi luyện gang) Dù ở dạng hoà tan trong ferit hay ở dạng liên kết Fe

P, nó đều làm cho thép bị giòn, đặc biệt

là ở trạng thái nguội, đó là hiện tượng giòn nguội (hay bở nguội), do vậy chỉ hạn chế

sự có mặt của P dưới mức cho phép, đối với thép Cacbon thông thường lượng P nhỏ hơn 0,06% P Riêng với thép dễ cắt, để nâng cao khả năng gãy phoi lượng P có thể cao tới 0,08 ÷ 0,15% P.

1.2.2.4 Lưu huỳnh (S): Cũng như photpho, lưu huỳnh có mặt trong thép từ quặng và nhất là từ than khi nấu luyện Cùng tinh (Fe + FeS) có nhiệt độ nóng chảy thấp (988

C)

nằm ở biên giới hạt Khi nung nóng thép để gia công áp lực, cung tinh này bị mềm và chảy ra, làm thép bị đứt ở biên giới hạt, có cảm tưởng bị phá huỷ giòn, đó là hiện tượng giòn nóng (hay bở nóng), như vậy phải hạn chế sự có mặt của lưu huỳnh dưới mức cho phép, đối với thép Cacbon thông thường nhỏ hơn 0,06% S Riêng với thép dễ cắt, để nâng cao khả năng gãy phoi, lượng S có thể cao tới 0,08 ÷ 0,30% S.

1.2.3 Tiêu chuẩn ký hiệu và phân loại các mác thép

1.2.3.1 Ký hiệu và phân loại theo tiêu chuẩn Việt Nam

a Phân loại theo hàm lượng cacbon

- Thép có hàm lượng Cacbon thấp (C < 0,25%) nói chung độ bền, độ dẻo dai,

độ cứng thấp hiệu quả hóa bền bằng nhiệt luyện không cao, nên chủ yếu được sử dụng làm các chi tiết dập nguội và kết cấu xây dựng Đây là loại thép có tính hàn tốt.

- Thép có hàm lượng Cacbon trung bình (C = 0,25 ÷ 0,5%) có cơ tính tổng hợp tương đối cao, do vậy thường được sử dụng làm các vật liệu kết cấu như các chi tiết chịu tải trọng tĩnh, va đập nhẹ (như trục, bánh răng…) với kích thước nhỏ Đây là loại thép có tính hàn trung bình.

- Thép có hàm lượng Cacbon tương đối cao (C = 0,55 ÷ 0,70%) có độ cứng, độ đàn hồi cao nhất Đây là loại thép có tính hàn hạn chế.

- Thép có hàm lượng Cacbon cao (C > 0,7%) có độ cứng và tính chống mài mòn cao thường được sử dụng làm các khuôn dập nguội, dụng cụ cắt có tốc độ thấp Đây là loại thép có tính hàn xấu

b Theo tổ chức trên giản đồ pha Fe-C

- Thép trước cùng tích (C < 0,8 %), thành phần gồm Peclit + Ferit

- Thép cùng tích (C = 0,8%), thành phần gồm Peclit

- Thép sau cùng tích (C > 0,8%), thành phần gồm Peclit + Xêmentit II

c Phân loại theo chất lượng

Căn cứ vào mức độ đồng nhất của các thành phần hóa học, tổ chức và đặc biệt

là mức độ tạp chất có hại như P và S, người ta chia thành các loại:

- Thép Cacbon chất lượng thường có 0,06 % S và 0,07% P

- Thép Cacbon chất lượng tốt, không cho phép lớn hơn 0,04%S và 0,035%P

- Thép Cacbon chất lượng cao, không cho phép vượt quá 0,025% mỗi nguyên tố.

- Thép Cacbon chất lượng đặc biệt, có hàm lượng 0,015% S và 0,025% P

d Phân loại theo công dụng

* Thép Cacbon chất lượng thường:

Loại này cơ tính không cao, chỉ dùng để chế tạo các chi tiết máy, các kết cấu chịu tải trọng nhỏ Thường dùng trong ngành xây dựng, giao thông Nhóm thép thông dụng này hiện chiếm tới 80% khối lượng thép dùng trong thực tế, thường được cung cấp ở dạng qua cán nóng (tấm, thanh, dây, ống, thép hình: chữ U, I, thép góc, ) Nhóm thép này có các mác thép sau:

Theo TCVN 1765-75 nhóm thép này được ký hiệu bằng chữ CT (C: là Cacbon, T: thường) với con số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu.

Ví dụ: CT38, CT42,…

Ngoài ra người ta còn chia nhóm thép này thành ba phân nhóm nhỏ:

Phân nhóm A: chỉ quy định về cơ tính mà không quy định về thành phần hóa học

Phân nhóm B: chỉ quy định về thành phần hóa học mà không quy định về cơ tính Thép thuộc nhóm này ký hiệu thêm chữ B trước chữ CT, ví dụ: BCT31

Phân nhóm C: được quy định cả về cơ tính và thành phần hóa học (bao gồm cả nhóm A và nhóm B) Ký hiệu thêm chữ C vào trước chữ CT, ví dụ CCT31.

Bảng 1 1 Cơ tính quy định của mác thép phân loại theo nhóm A

0,15

* Thép cacbon kết cấu:

Là loại thép có hàm lượng tạp chất S, P rất nhỏ, cụ thể: S ≤ 0,04%, P ≤ 0,035%, tính năng lý hoá tốt thuận tiện, hàm lượng Cacbon chính xác và chỉ tiêu cơ tính rõ ràng Theo TCVN 1766-75, nhóm thép này được ký hiệu bằng chữ C với con số chỉ lượng Cacbon trung bình theo phần vạn Ví dụ: thép C40 là thép Cacbon kết cấu với lượng Cacbon trung bình là 0,40% Thép Cacbon kết cấu dùng để chế tạo các chi tiết

máy chịu lực cao như các loại trục, bánh răng, lò xo v.v Loại này thường được cung cấp dưới dạng bán thành phẩm với các mác thép sau: C08, C10, C15, C20, C30, C35, C40, C45, C50, C55, C60 C65, C70, C80, C85.

* Thép cacbon dụng cụ

Là loại thép có hàm lượng Cacbon cao (0,70÷1,3%), có hàm lượng tạp chất P

và S thấp (< 0,025%) Thép Cacbon dụng cụ tuy có độ cứng cao sau khi nhiệt luyện nhưng chịu nhiệt thấp nên chỉ dùng làm các dụng cụ như đục, dũa hay các loại khuôn dập, các chi tiết cần độ cứng cao Theo TCVN 1822-76, nhóm thép này được ký hiệu bằng chữ CD với con số chỉ lượng Cacbon trung bình theo phần vạn Ví dụ: CD70 là thép Cacbon dụng cụ với 0,70% C Loại thép này gồm các mác thép: CD70, CD80, CD90, CD130 tương đương với thép Liên xô là: Y7, Y8, Y9, Y13.

* Thép Cacbon có công dụng riêng:

Thép đường ray cần có độ bền và khả năng chịu mài mòn cao đó là loại thép Cacbon chất lượng cao có hàm lượng C và Mn cao (0,50 ÷ 0,8% C, 0,6 ÷ 1,0% Mn) Ray hỏng có thể dùng để chế tạo các chi tiết và dụng cụ như đục, dao, nhíp, dụng cụ gia công gỗ, Dây thép các loại: dây thép Cacbon cao và được biến dạng lớn khi kéo

Cacbon thấp thường được mạ kẽm hoặc thiếc dùng làm dây điện thoại và trong sinh hoạt Dây thép có thành phần 0,5 ÷ 0,7% C dùng để cuốn thành các lò xo tròn.

Trong kỹ thuật còn dùng các loại dây cáp có độ bền cao được bện từ các sợi dây thép nhỏ Thép lá để dập nguội: có hàm lượng cacbon và Si nhỏ (0,05÷0,2%C và 0,07÷0,17%Si) Để tăng khả năng chống ăn mòn trong khí quyển, các tấm thép lá mỏng có thể được tráng Sn (gọi là sắt tây) hoặc tráng Zn (gọi là tôn tráng kẽm).

e Phân loại theo phương pháp luyện ra thép

Trong lò chuyển: không khống chế được thành phần của thép, lẫn nhiều tạp chất Ít sử dụng

Thép luyện trong lò Mác-tanh chất lượng thép tốt hơn nhưng giá thành cao Thép luyện trong lò điện cho chất lượng tốt nhất, nhưng giá thành cao hơn.

f Phân loại theo mức độ khử ôxy.

Thép sôi: mức độ khử ôxy không triệt để, chất lượng thép thấp, thép hay bị giòn nguội Loại thép này thường dùng cho các kết cấu có nhiệt độ dương Thép bị nứt nóng dẫn đến kết cấu khi hàn cho chiều sâu ngấu nhỏ Ưu điểm: rẻ tiền

Thép lặng: mức độ khử ôxy triệt để, chất lượng tốt hơn so với thép sôi.

Thép nửa lặng: là loại trung gian giữa thép sôi và thép lặng, chỉ được khử Oxy bằng fero Mn và Al.

g Phân loại theo độ bền

σ

giới hạn chảy quy ước – là ứng suất dưới tác dụng của nó sau khi bỏ lực thử kéo mẫu bị biến dạng dư 0,2% so với chiều dài ban đầu

Ví dụ: Thép CT 38 có σ

= 320 ÷ 420 Mpa; σ

= 210 ÷ 220 Mpa

Thép CT 42 có σ

= 420 ÷ 540 Mpa; σ

= 240 ÷ 260 Mpa

1.2.3.2 Ký hiệu theo tiêu chuẩn Nhật Bản

- Thép Cacbon kết cấu chất lượng thường: SSxxx hay SMxxx với xxx là chỉ số chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu

- Thép kết cấu Cacbon chất lượng cao: Ký hiệu SxxC với xx là số chỉ lượng Cacbon phần vạn

- Thép Cacbon dụng cụ: Ký hiệu là SKx với x từ 1 đến 7

1.2.3.3 Ký hiệu theo tiêu chuẩn Mỹ (ASME/ASTM)

- Thép Cacbon được ký hiệu theo ASME: SA-nnn Ký hiệu A-nnn theo ASTM nhưng chưa được chấp nhận bởi tiêu chuẩn ASME B&PV Code.

Bảng 1.3 Ký hiệu mác thép của Mỹ

SA-27 Đặc điểm kỹ thuật cho đúc thép, Carbon, cho ứng dụng chung (Lưu

ý: thông tin nguồn lấy từ ASTM A-27-95 [R2000], 2002 Edition.)

SA-53 Đặc điểm kỹ thuật cho Ống, Thép, Màu đen và Mỏng, Kẽm, Hàn và

Dàn: Năm 2004 với Addend 2005

SA-105 Đặc điểm kỹ thuật cho thép rèn thép rèn ứng dụng: 2004 với 2005

Addenda.

SA-106 Đặc điểm kỹ thuật cho ống thép Carbon đúc chịu nhiệt độ cao: 2004

với Addend 2005.

SA-134 Thông số kỹ thuật cho Ống, Thép, Điện – Hàn điện nóng chảy (Kích

thước NPS 16 và hơn): 2004 với 2005 Addenda

A-139 Thông số kỹ thuật cho Ống thép hàn điện hồ quang nóng chảy, (Lưu

ý: thông tin nguồn được lấy từ ASTM A-139-00, 2002 Edition).

SA-192 Đặc điểm kỹ thuật cho ống nồi hơi bằng thép carbon không rỉ chịu

áp suất cao: 2004 với 2005 Addenda.

SA-210 Đặc điểm kỹ thuật cho lò nung từ thép cacbon trung bình và ống siêu

nóng: 2004 với 2005 Addenda.

1.2.5 Tính hàn của thép Cacbon

1.2.5.1 Khái niệm về tính hàn của kim loại.

a Khái niệm về tính hàn của kim loại và hợp kim

* Một số khái niệm cơ bản liên quan đến tính hàn của thép

- Theo truyền thống: Tính hàn của vật liệu là khả năng có thể hàn được, để chỉ mức độ dễ hàn hay khó hàn, đối với một kim loại hay hợp kim nào đó, hay nói cách khác tính hàn là tổ hợp các tính chất của kim loại, hay hợp kim cho phép nhận được liên kết hàn, thỏa mãn các yêu cầu và chất lượng cần thiết

- Theo định nghĩa của Hội Hàn Mỹ (AWS) tính hàn là khả năng hàn được của vật liệu cơ bản trong điều kiện chế tạo được quy định trước nhằm tạo ra kết cấu thích hợp với thiết kế cụ thể và có tính năng thích hợp với mục đích sử dụng.

- Định nghĩa về tính hàn nêu trong tiêu chuẩn quốc tế ISO 581:1980 cũng nêu lên 3 khía cạnh tương tự, được coi là thước đo khả năng:

+ Nhận được mối hàn lành lặn không bị nứt

+ Đạt được cơ tính thích hợp

+ Tạo được mối hàn có khả năng duy trì tính chất trong quá trình vận hành.

Về mặt thực tiễn tính hàn được thể hiện thông qua 3 nhóm chỉ tiêu là:

+ Các chỉ tiêu về tính toán (liên quan đến chế độ nhiệt)

+ Các chỉ tiêu về độ lành lặn (chủ yếu là liên quan đến khả năng hình thành nứt) + Các chỉ tiêu về mặt tính chất trong quá trình vận hành

b Phân loại tính hàn:

Theo truyền thống tính hàn của vật liệu được qui ước chia thành 4 nhóm như sau:

* Vật liệu có tính hàn tốt: Bao gồm các vật liệu cho phép hàn được bằng nhiều

phương pháp hàn khác nhau, với chế độ nhiệt có thể điều chỉnh trong phạm vi rộng, không cần sử dụng các biện pháp công nghệ phức tạp (như xử lý nhiệt: nung nóng sơ

bộ, nung nóng kèm theo, nhiệt luyện sau khi hàn, …) mà vẫn đảm bảo nhận được liên kết hàn có chất lượng cần thiết.

Ví dụ: Thép Cacbon thấp và phần lớn thép hợp kim thấp đều thuộc nhóm này.

* Vật liệu có tính hàn thoả mãn: (hay còn gọi là có tính hàn trung bình) So

với nhóm trên, nhóm này chỉ thích hợp với một số phương pháp hàn nhất định, các thông số chế độ hàn chỉ có thể thay đổi trong phạm vi hẹp, yêu cầu về vật liệu hàn chặt chẽ hơn Một số biện pháp công nghệ như nung nóng sơ bộ, xử lý nhiệt sau khi hàn, …

có thể được sử dụng.

Ví dụ: Một số mác thép hợp kim thấp, thép Cacbon trung bình, thép hợp kim trung bình thuộc nhóm này.

* Vật liệu có tính hàn hạn chế: Gồm những vật liệu cho phép nhận được các

liên kết hàn với chất lượng mong muốn trong các điều kiện khắc khe về công nghệ và vật liệu hàn Thường phải sử dụng các biện pháp xử lý nhiệt hoặc hàn trong môi trường khí bảo vệ đặc biệt (khí trơ, chân không…) chế độ hàn nằm trong phạm vi rất hẹp Tuy vậy liên kết hàn vẫn có khuynh hướng bị nứt và dễ xuất hiện các khuyết tật khác làm giảm chất lượng sử dụng của kết cấu hàn.

Ví dụ: Phần lớn các loại thép Cacbon cao và thép hợp kim cao thuộc nhóm này.

* Vật liệu có tính hàn xấu: Vật liệu nhóm này thường phải làm bằng các công

nghệ đặc biệt, phức tạp và tốn kém Tổ chức kim loại mối hàn xấu, dễ bị nứt nóng, nứt nguội Cơ tính và khả năng làm việc của liên kết hàn thường thấp hơn so với vật liệu

cơ bản.

Ví dụ: Phần lớn các loại gang và một số hợp kim đặc biệt.

Trước đây người ta cho rằng một số vật liệu không có tính hàn, tức là không thể hàn được Tuy nhiên với sự phát triển của khoa học công nghệ hàn, ngày nay chúng ta

có thể khẳng định rằng tất cả vật liệu đều có tính hàn dù chất lượng có thể đạt được rất khác nhau Sự xuất hiện các vật liệu mới, những loại liên kết hàn mới đòi hỏi chúng ta phải thường xuyên cập nhật kiến thức, nghiên cứu và hoàn thiện những công nghệ hiện

có để tạo ra những kết cấu hàn có chất lượng cần thiết.

1.2.5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính hàn của vật liệu kim loại.

Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến tính hàn của vật liệu kim loại thông qua 4 nhóm chỉ tiêu là:

- Tính chất của vật liệu;

- Phương pháp hàn;

- Thiết kế mối hàn;

- Các điều kiện làm việc của chúng.

a Về khía cạnh tính chất vật liệu của tính hàn có thể được hiểu là khả năng phù

hợp cho hàn và thông thường bao gồm:

+ Các tính chất luyện kim: nhiệt độ nóng chảy và bay hơi, ái lực của kim loại mối hàn với O, N, và H (độ nhạy cảm đối với các vấn đề như rỗ, tính giòn hoặc ẩm);

sự có mặt của lớp màng mỏng trên mặt kim loại cơ bản (oxit, sơn hoặc lớp phủ bề mặt kim loại).

+ Các tính chất vật lý: Các tính chất điện và nhiệt (tính dẫn điện, hệ số giãn nở, nhiệt dung, ẩn nhiệt)

+ Thành phần hóa học (nhạy cảm với nứt,…) và các tính chất cơ học.

b Các điều kiện làm việc có thể được liên quan đến: Môi trường khắc nghiệt:

Ăn mòn, phá hủy giòn trong điều kiện nhiệt độ thấp, sự oxy hoá, từ dão, tính giòn trong điều kiện nhiệt độ cao, và các môi trường khác như sự mài mòn, mỏi, hạt nhân Môi trường càng khắc nghiệt thì càng khó khăn trong việc tìm kiếm vật liệu phù hợp,

và quá trình hàn càng bị hạn chế.

c Thiết kế mối hàn

+ Tiết diện chịu tải của mối hàn, độ bền mối hàn;

+ Khả năng chịu tải trọng động.

d Việc lựa chọn phương pháp hàn liên quan đến các yếu tố

Trong nhiều trường hợp, việc lựa chọn phương pháp hàn có thể có ảnh hưởng nhất định đến khả năng chế tạo liên kết hàn hợp lý và đáp ứng được các điều kiện làm việc.

- Hàn hồ quang tay: Nứt nguội do khuếch tán Hyđro có thể là một vấn đề trong phương pháp hàn này, đặc biệt khi điện cực có vỏ bọc bazơ được sử dụng không thích hợp Việc nứt nóng có nguy cơ thấp hơn khi đối với phương pháp hàn này.

- Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cực không nóng chảy và hàn hồ quang plasma: Các phương pháp hàn này được ít ảnh hưởng đến tính hàn hơn

so với hàn hồ quang tay Nguy cơ nứt nguội do khuếch tán Hydro và nứt nóng là thấp.

- Phương pháp hàn tia (lazer và tia điện tử): Các phương pháp hàn này ít có nguy cơ đối với việc nứt nguội và nứt nóng.

- Hàn hồ quang tay trong môi trường khí hoạt tính bằng điện cực nóng chảy (MAG) dùng khí bảo vệ CO

: Phương pháp hàn này có nguy cơ thấp đối với nứt nguội

do khuếch tán Hydro, phương pháp hàn này có thể xuất hiện vấn đề nứt nóng, nếu tốc

độ hàn và năng lượng đường không hợp lý và có quá nhiều hàm lượng Oxy vào trong kim loại mối hàn.

- Hàn hồ quang bằng dây lõi thuốc: Việc chống nứt nguội và độ dai va đập của mối hàn là tốt nhất nếu kỹ thuật hàn nhiều lượt được sử dụng.

- Hàn điện khí và hàn điện xỉ: các phương pháp hàn này có một số nguy cơ nứt nóng Độ dai va đập nói chung là giảm, yêu cầu cần xử lý thêm nhiệt sau khi hàn và cũng có rất ít khả năng nứt nguội do khuếch tán hydro.

1.2.5.4 Sự hình thành mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt

Mối hàn có thể do kim loại đắp và kim loại cơ bản hoặc chỉ do kim loại cơ bản tạo nên.

Kim loại nóng chảy trong vũng hàn, sau khi kết tinh có tổ chức gần giống kim loại đúc Nó có thành phần hoá học khác với kim loại cơ bản và kim loại đắp Mặc dù kim loại đúc nói chung có cơ tính thấp, mối hàn vẫn có thể có cơ tính cao do trong quá trình hàn, kim loại mối hàn được hợp kim hoá và tinh luyện (khử S, P) mặt khác khi kết tinh nó có tổ chức mịn và thiên tích vùng nhỏ.

a Kim loại mối hàn

Trong quá trình hàn, vũng hàn kết tinh hình thành mối hàn có cấu trúc như sau:

Hình 1.6 Cấu trúc kim loại khi kết tinh a) Sơ đồ tổ chức thô đại kim loại cơ bản và kim loại mối hàn; b) Một phần tổ

chức kim loại mối hàn

1 Vùng phát triển theo lớp (bề mặt kết tinh phẳng); 2 Kết tinh dạng hình kim; 3 Kết tinh dạng hình kim - nhánh cây; 4 - Các hạt kim loại nóng chảy bị quá nhiệt.

-Tại các mầm kết tinh, từ pha lỏng hình thành và phát triển các tinh thể theo 3

dạng: Lớp hạt mịn tinh thể hình kim, tinh thể hình kim-nhánh cây và nhánh cây hình 1.6 Do lớp kim loại lỏng nằm sát với kim loại cơ bản có tốc độ nguội nhanh nên có hạt nhỏ mịn Trong các kim loại kỹ thuật nguyên chất, mối hàn kết tinh chủ yếu theo dạng hình kim Đây là các hạt kim loại song song với nhau theo hướng kết tinh (hướng tản nhiệt) và có kích thước ngang 10

÷10

cm Tinh giới của chúng là nơi tích tụ các tạp chất Theo hướng vào giữa vũng hàn, các hạt này lớn dần và có thể chứa các nhánh cây, khiến chúng dần trở thành các tinh thể hình nhánh cây Phần trung tâm của vũng hàn, vì có tốc độ nguội chậm hơn cả và hướng tản nhiệt không theo một phương nhất định nào nên có tổ chức hạt to và đa diện, đồng thời do thiên tích nên chứa nhiều tạp chất phi kim loại hơn các phần khác.

Khi hàn một lượt, kim loại mối hàn có cấu trúc hình cột, chúng thường bao gồm nhóm các tinh thể kim loại Tuỳ theo hàm lượng phân bố của các tạp chất và tốc độ nguội tổ chức thô đại của kim loại mối hàn có thể là hình kim, hình kim-nhánh cây hoặc hình nhánh cây Tuỳ theo điều kiện hàn, kích thước theo tiết diện ngang của tinh thể hình cột có thể thay đổi trong dải rộng 0,3÷3 mm Các tinh thể có kích thước mịn nhất ở chân mối hàn và càng gần tâm mối hàn chúng càng thô và có cấu trúc hỗn hợp.

So với vật đúc, sự kết tinh của mối hàn không xảy ra một cách liên tục mà mang tính chất chu kỳ của sự giảm nhiệt độ vũng hàn di động.

b Kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt của thép cacbon thấp.

Khi hàn, phần kim loại sát mối hàn, do nhận nhiệt từ mối hàn nên được nung nóng tới nhiệt độ cao hơn nhiệt độ kết tinh lại và có sự thay đổi tổ chức Vùng này được gọi là vùng ảnh hưởng nhiệt Dựa vào giản đồ trạng thái Fe-C, có thể chia vùng ảnh hưởng nhiệt thành các vùng nhỏ sau (hình 1.7)

Hình 1.7 Cấu trúc kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt

* Vùng nóng chảy không hoàn toàn: (hay còn gọi là đường viền chảy).

Đây là vùng sát với bể hàn, ở đây có sự đan xen giữa kim loại nóng chảy và kim loại chưa nóng chảy Ở phần lớn các loại thép, vùng này rất hẹp nên còn được gọi

là đường viền chảy Do ở đây cùng tồn tại hai pha: pha lỏng và pha rắn nên vùng này rất nhạy cảm với ứng suất Điều này đồng nghĩa với việc hay xuất hiện các vết nứt

nóng ở vùng này bởi vì việc sinh ra ứng suất là điều hiển nhiên trong quá trình hàn.

Vùng này, vì có sự tương tác trực tiếp với kim loại lỏng nên là nơi tiếp nhận sự thoát ra

của hydrô, đây là nguyên nhân tạo ra các vết nứt nguội (lạnh) Đối với thép cacbon

thấp thì cấu trúc kim loại của vùng này phổ biến là Cấu trúc Widmannstatten (xem hình vẽ).

* Vùng quá nhiệt:

Đây là vùng kim loại có nhiệt độ tối đa từ 1100

C đến nhiệt độ đường đặc Tổ chức kim loại vùng này gồm các hạt γ thô Kích thước của chúng tăng theo nhiệt độ và thời gian lưu lại ở nhiệt độ trên Ac

Sau khi nguội tổ chức kim loại vùng này là tổ chức Widmanstatten (với độ bền không đổi nhưng độ dai va đập có thể giảm 20÷30%) Đây là khu vực yếu nhất của vùng ảnh hưởng nhiệt.

* Vùng thường hoá:

Tại đây kim loại đạt tới nhiệt độ tối đa cao hơn Ac

một chút (cho tới 1100

C).

Do đó sau khi nguội, nó sẽ có tổ chức hạt mịn với cơ tính cao.

* Vùng kết tinh lại không hoàn toàn:

Nhiệt độ tối đa của vùng này là từ nhiệt độ Ac

đến Ac

Tại đó chỉ xảy ra sự kết tinh lại từ α → γ một cách cục bộ Khi đó tổ chức kim loại gồm các hạt α và γ không đều Sau khi nguội cơ tính khu vực này giảm, đồng thời tổ chức kim loại sẽ gồm các hạt α ban đầu (trước khi hàn) chưa thay đổi, cộng với các hạt α và peclit mịn hình thành từ quá trình kết tinh lại α → γ → α + peclit Ngoài ra có thể xảy ra cả hiện tượng cầu hoá peclit do tác động của nhiệt độ.

* Vùng kết tinh lại:

Đây là vùng mà nhiệt độ tối đa trong khoảng 500

C ÷ Ac

với tổ chức kim loại không khác đáng kể so với ban đầu Nếu trước khi hàn vùng này đã chịu biến dạng dẻo thì khi hàn sẽ xảy ra sự kết tinh lại của các hạt đã bị biến dạng Điều này làm cho tổ chức texture biến đổi thành các hạt đa diện Nếu vùng này được lưu lại một thời gian dài, các hạt đa điện có thể tăng kích thước.

* Vùng già hoá (hay còn gọi là vùng giòn xanh)

Nhiệt độ tối đa tại đây đạt đến 100÷500

C Tổ chức kim loại không khác so với kim loại cơ bản Với thép sôi do lượng oxy và nitơ tương đối cao, nhiệt độ này có thể gây nên sự hình thành các pha không liền mạng như Fe

N

và làm giảm độ dai va đập của thép.

1.2.5.2 Công nghệ hàn thép cacbon thấp và thép kết cấu hợp kim thấp.

Tính hàn của các loại thép này tốt, khi điều kiện công nghệ hàn đảm bảo các yếu tố sau: độ bền, sự đồng đều tính chất kim loại mối hàn với kim loại cơ bản và vùng ảnh hưởng nhiệt và khuyết tật hàn không vượt quá mức cho phép.

Thép có hàm lượng cacbon cực thấp, thông thường đến 0,13%C có tính hàn tốt nhưng không thật thích hợp cho hàn tốc độ cao Hàm lượng cacbon cực thấp kết hợp với hàm lượng mangan thấp (đến 0,30%) là nguyên nhân gây rỗ khí khi hàn thép loại này và có thể khắc phục được bằng cách giảm tốc dộ hàn so với quy trình hàn thông thường cho thép cacbon thấp Đây là những loại thép cho các ứng dụng đòi hỏi gia công biến dạng tạo hình.

Thép cacbon thấp với hàm lượng 0,15÷0,20% C có tính hàn rất tốt và khi hàn không cần sử dụng các biện pháp công nghệ đặc biệt Thép cacbon thấp với hàm lượng 0,25 ÷ 0,30% và hàm lượng mangan đến 1,40% Mn có tính hàn tốt nhưng khi hàm lượng một hoặc một vài nguyên tố hợp kim ở ngưỡng trên, có thể xảy ra nứt nguội chân mối hàn, đặc biệt với mối hàn góc Trong trường hợp như vậy, có thể giảm bớt tốc độ hàn và cường độ dòng điện hàn Để đánh giá mức độ nhạy cảm của thép cacbon thấp đối với nứt chân mối hàn, có thể sử dụng khái niệm đương lượng cacbon C

theo công thức đơn giản sau (1)

C

= C + (

) (1) Nếu C

> 0,40, thép dễ bị nứt chân mối hàn.

Mặc dù hầu hết ứng dụng hàn thép cacbon thấp không đòi hỏi nung nóng sơ bộ, các mối hàn có chiều dày trên 50 mm và những liên kết hàn có độ cứng vững cao cần được nung nóng sơ bộ Việc sử dụng các quá trình hàn ít hydro có thể cho phép giảm nhiệt độ nung nóng sơ bộ Nói chung, thép cacbon thấp có hàm lượng 0,25 ÷ 0,30% C cần được hàn bằng các quá trình hàn ít hydro nếu nhiệt độ bên ngoài thấp hơn 10

C

Cơ tính của mối hàn và liên kết hàn phụ thuộc vào thành phần hóa học mối hàn,

tổ chức kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt và chế độ nhiệt.

a Thành phần hóa học:

Thành phần hóa học của mối hàn khác biệt rất ít so với kim loại cơ bản Nguyên nhân là hàm lượng cacbon thấp hơn so với trong kim loại cơ bản (sử dụng điện cực hoặc lõi que hàn có hàm lượng 0,08 ÷ 0,1% C), nhưng vẫn bảo đảm độ bền cho mối hàn thông qua hợp kim hóa từ vật liệu hàn bằng các nguyên tố Mn và Si Riêng với thép kết cấu hợp kim thấp, sự hợp kim hóa còn xảy ra do hòa tan các nguyên tố hợp kim từ kim loại cơ bản vào kim loại mối hàn.

b Chế độ nhiệt:

Với thép cacbon thấp và thép kết cấu hợp kim thấp, tính chất liên kết hàn được xác định chủ yếu thông qua mức độ hình thành các quá trình kết tinh lại và việc hình thành các hạt thô trong vùng ảnh hưởng nhiệt và trong kim loại mối hàn chứ không

phải do hiện tượng tôi Chế độ hàn được chọn theo tốc độ nguội w nằm trong khoảng

tốc độ nguội tối ưu Δw

nhất định

Tốc độ nguội có ảnh hưởng đến cơ tính của mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt Tốc độ nguội do các yếu tố sau quyết định: chiều dày tấm, chế độ hàn, nhiệt độ ban đầu của liên kết hàn Tốc độ nguội có ảnh hưởng rõ nhất khi hàn hồ quang tay một lớp mối hàn góc, lớp hàn sau cùng của mối hàn góc và mối hàn giáp mối nhiều lớp Đối với hàn nhiều lớp, trừ lớp hàn sau cùng, do sự lặp lại của chu trình nhiệt hàn (có tác dụng ram cao), kim loại có tổ chức hạt mịn, làm cho nhiệt độ chuyển tiếp thấp (có lợi).

Việc bảo đảm sự đồng đều độ bền kim loại mối hàn và kim loại cơ bản khi hàn

hồ quang thép cacbon thấp và thép kết cấu hợp kim thấp thường không gặp khó khăn.

Cơ tính của vùng ảnh hưởng nhiệt phụ thuộc vào điều kiện hàn cụ thể và chế độ nhiệt trước khi hàn.

Khi hàn thép kết cấu hợp kim thấp, sự thay đổi tổ chức kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt biểu hiện rõ hơn so với khi hàn thép cacbon thấp Với thép cán nóng, tại vùng ảnh hưởng nhiệt sẽ xuất hiện tổ chức tôi khi hàn, tức là so với thép cacbon thấp, sự thay đổi cơ tính là lớn hơn Còn với thép hợp kim thấp đã qua nhiệt luyện ở nhà máy cán thép thì có thể xảy ra hiện tượng giảm độ bền ở vùng ram của vùng ảnh hưởng nhiệt Khi đó, sẽ xuất hiện tổ chức trustit hoặc sorbit ram Điều này càng rõ nét khi tại nhà máy cán thép, thép đã được tôi để nâng cao độ bền Trong những trường hợp như vậy, cần sử dụng một số biện pháp công nghệ như hàn phân

đoạn dài, Sau khi hàn, cần tiến hành ram cao.

Các mối hàn từ thép cacbon thấp nói chung không bị nứt nóng Tuy vậy, nếu hàm lượng cacbon cao hơn 0,2% và tấm hàn dày hơn 15 mm, mối hàn góc một lớp hay lớp hàn cuối cùng vẫn có thể bị nứt nóng do tốc độ nguội lớn (làm tăng tốc độ biến dạng của kim loại trong quá trình kết tinh) và hệ sộ ngấu nhỏ ψ

= 0,8 ÷ 1,2 Hơn nữa, tại vùng ảnh hưởng nhiệt có thể xuất hiện tổ chức tôi Biện pháp để khắc phục là tiến hành ram cao.

c Đặc điểm công nghệ và kỹ thuật hàn:

Khi gá lắp trước khi hàn, để bảo đảm độ lớn cần thiết của khe đáy (khe hở hàn),

có thể dùng đồ gá hoặc hàn đính Tiết diện ngang mối hàn đính thường bằng 1/3 tiết diện ngang mối hàn nhưng phải có độ lớn tối đa 25 ÷ 30 mm

và dài khoảng 20 ÷ 120

mm, cách nhau khoảng 500 ÷ 800 mm Có thể hàn đính bằng que hàn có thuốc bọc dày hoặc hàn đính bằng phương pháp hàn bán tự động trong môi trường CO

Khi hàn một lớp, nên hàn đính từ phía đối diện mối hàn nối Khi hàn nhiều lớp, mối hàn đính được đặt ở lớp thứ nhất Do tốc độ nguội lớn khi hàn đính, nhất là khi chi tiết có chiều dày lớn, có thể xuất hiện nứt, khi đó cần nung chảy hoàn toàn mối hàn đính khi thực hiện hàn nối (mối hàn chính).

Để ngăn ngừa rỗ khí, nứt và các khuyết tật khác, trước khi hàn phải làm sạch bề mặt khỏi dầu mỡ, gỉ và các chất bẩn khác bám trên bề mặt chi tiết cần hàn trong phạm

vi rộng ít nhất 30 mm về mỗi phía của mối hàn (trên toàn bộ chiều dài đường hàn và theo hướng chiều rộng mối hàn).

Các quá trình hàn điện nóng chảy đã biết đều có thể được sử dụng Tuy nhiên với thép kết cấu hợp kim thấp, việc chọn kỹ thuật và chế độ hàn có ảnh hưởng nhiều đến độ ngấu, phần kim loại cơ bản hòa tan vào mối hàn, cũng như đến thành phần hóa học và tính chất của nó.

1.2.5.3 Tính hàn của thép hợp kim vi lượng

Tính hàn của các loại thép này phức tạp hơn so với của thép cacbon thấp (là loại thép không đòi hỏi phải khống chế lượng hydro hòa tan và không có hạn chế chặt chẽ đối với năng lượng đường).

Có thể hàn thép hợp kim vi lượng đạt yêu cầu bằng hàn hồ quang tay mà không cần giới hạn năng lượng đường, nhưng phải sử dụng que hàn bazơ chứa ít hydro.

Với các loại quá trình hàn sử dụng năng lượng đường cao như hàn trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cực nóng chảy, hàn dưới lớp thuốc và hàn điện xỉ, dễ xảy

ra hiện tượng hạt kim loại tại vùng ảnh hưởng nhiệt bị thô, làm giảm độ bền và độ dai

va đập, nếu không có biện pháp hạn chế năng lượng đường.

Khó khăn lớn nhất khi hàn thép hợp kim vi lượng không phải là do sự thay đổi

tổ chức tế vi trong vùng ảnh hưởng nhiệt mà là do sự chuyển tiếp của các nguyên tố hợp kim từ kim loại cơ bản vào vũng hàn Sự chuyển tiếp này là hàm số của thành phần hóa học của kim loại cơ bản và năng lượng đường (phần kim loại cơ bản hoà tan

và mối hàn) Các yếu tố chính ảnh hưởng đến tính hàn của thép hợp kim vi lượng có hai loại chính sau:

a Độ sạch và thành phần hóa học của thép

Yếu tố này quyết định chất lượng của thép về mặt luyện kim và ảnh hưởng đến vùng ảnh hưởng nhiệt cũng như tính chất nói chung của vật hàn Độ sạch của thép được đo bằng hàm lượng các tạp chất phi kim loại Nếu trong thép có hàm lượng cao các tạp chất phi kim loại trong vùng liền kề kim loại mối hàn thì khả năng nứt sẽ cao khi thép nguội từ nhiệt độ cao Có hại nhất là lưu huỳnh Việc duy trì tỷ lệ Mn/S cao ở mức 20 thường là biện pháp an toàn tránh nứt nóng.

Theo Hrivnák, các tạp chất phi kim loại có thể được chia thành ba nhóm:

Nhóm 1 là các tạp chất trong thép mangan, trong đó có chứa nhôm Đó thường

là MnS, nằm kề với aluminat Hàm lượng sunphit nhôm rất nhỏ Do có nhiệt độ nóng chảy cao, các tạp chất này không hòa tan cho tới nhiệt độ nóng chảy của thép.

Nhóm 2 nằm trong các loại thép chứa nhôm và titan MnS nằm kề aluminat, còn

có cả (Mn, Ti) S Tạp chất (Mn, Ti) S có nhiệt độ nóng chảy rất thấp, do đó không có lợi từ khía cạnh hàn.

Nhóm 3 gồm các tạp chất có trong thép chứa nhôm, titan và niobium Có nhiều

sunphit dạng kết hợp của MnS và AlS Hàm lượng của Ti và Nb nhỏ Các tạp chất này tương tự như nhóm 2, vì vậy dễ làm thép nhạy cảm với nứt nóng.

Các thành phần vi lượng trong thép hợp kim vi lượng đóng vai trò quan trọng trong tính hàn của chúng, nhất là khi sử dụng các kỹ thuật hàn ngấu sâu trong hàn dưới lớp thuốc và hàn điện xỉ, vì có một lượng lớn các thành phần vi lượng đi từ kim loại cơ bản vào kim loại mối hàn Vì vậy mà ngày nay các loại thép hợp kim vi lượng được sản xuất thường có giới hạn trên của Nb giảm từ 0,10% xuống còn 0,06% (với mỗi 0,001 % Nb trong thép hợp kim vi lượng, nhiệt độ chuyển tiếp của nó lại giảm 2

) Xu hướng tương tự cũng có ở hàm lượng vanadium và nitơ trong thép hợp kim vi lượng Giá trị độ dai va đập thấp của kim loại mối hàn thép hợp kim vi lượng khi nó chứa các nguyên tố hợp kim vi lượng từ kim loại cơ bản được giải thích như sau: tốc độ kết tinh

và nguội nhanh của vũng hàn gây nên sự biến cứng của pherit bằng cơ chế bền hóa phân tán rất mịn các pha cacbit và nitrit Điều này làm tăng mật độ lệch mạng và do đó

cả trạng thái ứng suất.

b Loại quá trình hàn

Loại quá trình hàn ảnh hưởng đến tính hàn thông qua ảnh hưởng lên tính chất vùng ảnh hưởng nhiệt và tính chất kim loại mối hàn bằng phần kim loại cơ bản hòa tan vào mối hàn.

* Ảnh hưởng đối với tính chất vùng ảnh hưởng nhiệt:

Trong trường hợp thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp, tính chất vùng ảnh hưởng nhiệt được xác định thông qua đương lượng cacbon (công thức IIW):

Đương lượng cacbon liên quan đến tính thấm tôi của thép, tức là khả năng của kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt tạo mactenzit Các nguyên tố hợp kim nói trên có ảnh hưởng tùy thuộc vào việc chúng có tồn tại trong dung dịch rắn hay không, trong trường hợp đó chúng tăng tính thấm tôi Các nguyên tố tạo nên các loại cacbit phức tạp

và không tham gia vào dung dịch rắn trong quá trình vùng ảnh hưởng nhiệt bị austenit hóa là những nguyên tố không được đưa vào công thức nói trên Nếu dùng cho thép hợp kim vi lượng (vì hàm lượng của vanadium trong thép này rất thấp và nó cũng là nguyên tố tạo cacbit phức tạp) thì không cần đưa vanadium vào công thức nói trên Còn cacbon thì bị lấy một phần để tạo thành cacbit phức tạp, khiến nó khó mà có thể đóng vai trò nguyên tố tăng tính thấm tôi như trong thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp Do đó độ cứng vùng ảnh hưởng nhiệt của thép hợp kim vi lượng sẽ thấp hơn là của thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp có cùng đương lượng cacbon.

Có thể nói rằng thép hợp kim vi lượng ít nhạy cảm hơn đối với nứt nguội do hydro tại vùng ảnh hưởng nhiệt Vì vậy nó cho phép có nhiều hydro hơn trong vật liệu hàn Các hiện tượng xảy ra trong vùng ảnh hưởng nhiệt của thép hợp kim vi lượng khác hoàn toàn so với trong vùng ảnh hưởng nhiệt của thép cacbon thấp và thép hợp kim thấp Chu trình nhiệt khi hàn thép hợp kim vi lượng tạo ra tổ chức tế vi mềm hơn trong vùng ảnh hưởng nhiệt so với trong kim loại cơ bản Mức độ và phạm vi của hiện tượng này tăng theo độ lớn của năng lượng đường Trong vùng ảnh hưởng nhiệt của thép hợp kim vi lượng tạo vùng liền kề đường chảy, các hạt cacbit và cacbonitrit bị hòa tan Vùng tái tạo pha phân tán sẽ phụ thuộc vào tốc độ nguội Dưới nhiệt độ xảy ra hiện tượng hòa tan, sẽ xảy ra hiện tượng tăng kích thước hạt kim loại Ngoài ra trong vùng mà nhiệt độ tối đa nằm dưới nhiệt độ Ac

, sẽ có biến đổi trong phân bố và mật độ lệch mạng Có thể nói, khi nhiệt độ tối đa của vùng ảnh hưởng nhiệt tăng, lúc đầu nhiệt

độ chuyển tiếp tăng do biến cứng bởi pha phân tán Với nhiệt độ tối đa cao hơn nhiệt

độ chuyển tiếp lại giảm do hưởng chung của hiện tượng hóa già quá mức của các hạt phân tán và sự giảm kích thước hạt kim loại Khi nhiệt độ tối đa tiếp tục tăng, kích thước hạt kim loại lại tăng và các hạt phân lán cũng trở nên thô hơn, làm tăng nhiệt độ chuyển tiếp Nói chung, độ bền và độ dai va đập của vùng ảnh hưởng nhiệt bị giảm khi công suất nhiệt hàn tăng (tùy theo loại quá trình hàn).

* Ảnh hưởng của tỷ lệ kim loại cơ bản hòa tan vào mối hàn:

Khi hàn thép hợp kim vi lượng, các nguyên tố hợp kim vi lượng dịch chuyển từ kim loại cơ bản vào kim loại mối hàn thông qua phần kim loại cơ bản hòa tan vào mối hàn Phần kim loại cơ bản hòa tan vào mối hàn phụ thuộc vào công suất nhiệt hàn (hoặc năng lượng đường)

Với các loại quá trình hàn có công suất nhiệt thấp như hàn hồ quang tay, kim loại cơ bản hòa tan vào mối hàn là tối thiểu Tuy nhiên, khi hàn dưới lớp thuốc hoặc hàn điện xỉ, có một lượng lớn nguyên tố hợp kim vi lượng đi từ kim loại cơ bản vào

kim loại mối hàn Do đó hình thành trong kim loại mối hàn một lượng lớn các hạt cacbit và cacbonitrit với mật độ cao Vì vậy, tính dẻo của kim loại mối hàn bị giảm.

Có thể nói, cơ tính mối hàn giảm khi hàm lượng các nguyên tố hợp kim vi lượng trong mối hàn tăng Ví dụ, khi sử dụng các loại quá trình hàn cho chiều sâu chảy lớn, phần kim loại cơ bản hòa tan vào mối hàn có thể lên đến 50%, làm tăng đáng kể lượng nguyên tố hợp kim vi lượng trong mối hàn Vì vậy, để bảo đảm cơ tính tối ưu cho kim loại mối hàn, các nguyên tố như Nb và V trong thép không nên vượt quá 0,03% và 0,1% Đối với các nguyên tố hợp kim vi lượng khác cũng tương tự như vậy.

Tác giả J Wergrzyn đưa ra hệ số tính hàn Cw, để đánh giá tính hàn của thép hợp kim vi lượng.

với thép hợp kim vi lượng Nb 𝐶

với thép hợp kim vi lượng V-N.

𝐶

đây giảm đáng kể, nhưng ảnh hưởng của cacbon và các nguyên tố hợp kim vi lượng lại rất cao.

Theo Wergrzyn, khi C

< 0,35, có thể hàn thép hợp kim vi lượng mà không cần

có hạn chế gì và có thể đạt được mối hàn có độ dai va đập tốt ở nhiệt độ dưới không.

Trong dải C

= 0,35 ÷ 0,45, cần có quy trình hàn thích hợp khi hàn dưới lớp

35 kJ/cm.

Khi C

> 0,45, chỉ nên hàn bằng quá trình hàn hồ quang tay bằng các que hàn

có độ bền và độ dai va đập tương đương với kim loại cơ bản.

Bảng 1.4 Que hàn cho thép hợp kim vi lượng ASTM A 572

Gr.42, 45

Gr.50, 55

Gr.60, 65

E7016, E7018 E7016, E7018

E 8016-C3, E8018-C3 Khi hàn thép hợp kim vi lượng dưới lớp thuốc, có thể dùng các dây hàn (theo tiêu chuẩn AWS A5.17-1977 và AWS A5.23-1977) có hàm lượng mangan trung bình theo bảng 1.5

Bảng 1.5 Dây hàn dưới lớp thuốc cho thép hợp kim vi lượng

Ký hiệu

AWS

Thành phần hóa học [%]

0 EM

13K

0,07÷0,1

9

0,90÷1,4 0

0,45÷0,7 0

Bảng 1.6 Dây hàn lõi bột cho thép hợp làm vi

*: Có thể có thêm các nguyên tố này.

Khi hàn trong môi trường khí bảo vệ bằng điện cực nóng chảy, các dây hàn hay được sử dụng là dây E 70S-3 và E 70S-1B (theo tiêu chuẩn AWS A5.18- 1969) trên bảng 1.7

Bảng 1.7 Dây hàn trong khí bảo vệ cho thép hợp kim vi lượng

1.2.5.4 Tính hàn của hàn thép cacbon trung bình và thép cacbon cao

a Công nghệ hàn thép cacbon trung bình

Thép cacbon trung bình (0,30 ÷ 0,59% C) có khả năng chống mài mòn tốt, độ bền và độ cứng cao Đây là các loại thép được sử dụng làm các tấm chống mài mòn, lò

xo, chi tiết đường ray, máy nông nghiệp, máy thi công cơ giới và thiết bị Chúng cũng được dùng cho chế tạo các chi tiết máy và máy công cụ.

Lượng cacbon càng cao làm cho cơ tính của mối hàn càng bị giảm do hiện tượng nứt nóng trong mối hàn và nứt nguội trong vùng ảnh hưởng nhiệt Nếu được nung nóng sơ bộ thích hợp kết hợp với vật liệu hàn chứa ít hydro và nung nóng bổ sung sau khi hàn, có thể dễ dàng hàn các loại thép này.

Trong thực tế, việc hàn các loại thép này thường được tiến hành với mục đích sửa chữa, ít khi dùng trong chế tạo mới Do độ thấm tôi và độ nhạy cảm cao đối với chu trình nhiệt hàn, cần sử dụng các biện pháp công nghệ sau:

* Sử dụng dây hàn hoặc que hàn có hàm lượng cacbon nhỏ, có hệ xỉ bazơ chứa

ít hydro để tăng tính dẻo của kim loại mối hàn.

* Nung nóng sơ bộ chi tiết trước khi hàn Với đương lượng cacbon trong dải 0,45 ÷ 0,60% C, nhiệt độ nung nóng sơ bộ 100 ÷ 200

C Nhiệt độ giữa các đường hàn cũng bằng nhiệt độ nung nóng sơ bộ.

* Để giảm lượng cacbon từ kim loại cơ bản hòa tan vào kim loại mối hàn, cần chọn kiểu liên kết hàn sao cho lượng kim loại cơ bản hòa tan vào mối hàn là tối thiểu,

ví dụ dạng liên kết chữ T có vát mép thay vì không vát mép Ngoài ra khi hàn nhiều lớp, cần sử dụng năng lượng đường có giá trị nhỏ đối với các lớp đầu tiên.

* Chọn chế độ hàn có hệ số ngấu Ψ

= b/ h hợp lý để bảo đảm hướng kết tinh của kim loại mối hàn ít gây ra nứt nóng (Ψ

= 2 ÷ 7).

* Nếu sau khi hàn cần bảo đảm tính dẻo của mối hàn (đặc biệt khi chiều dày

tấm là lớn, độ cứng vững của liên kết cao, điều kiện vận hành liên quan đến tải trọng động và va đập), cần nhiệt luyện khử ứng suất dư ngay sau khi hàn (trước khi nhiệt độ vật hàn giảm xuống giá trị nhiệt độ bên ngoài) Sau đó làm nguội chậm vật hàn Trong trường hợp không thể nhiệt luyện giảm ứng suất dư sau khi hàn, cần giữ cho nhiệt độ liên kết hàn tại giá trị nhiệt độ nung nóng sơ bộ trong vòng 5 ÷ 7 phút tính cho mỗi milimét chiều dày liên kết Điều này có tác dụng tạo điều kiện cho hydro kịp khuếch tán ra khỏi vùng hàn.

Sau đây là quy trình hàn tiêu biểu của thép 0,58% C:

1 Nung nóng sơ bộ 300

C.

UONI-13/55U GOST E55 (tương đương que AWS E8016, ISO E513B26) để hàn Các lớp đầu dùng dòng điện hàn nhỏ để tránh tỷ lệ kim loại cơ bản hòa tan vào mối hàn cao.

3 Hàn các lớp tiếp theo bằng các que hàn cùng loại có đường kính cao hơn

(dòng điện hàn lớn hơn).

4 Duy trì nhiệt độ tối thiểu giữa các đường hàn 250

C.

5 Không cho phép kim loại cơ bản nguội xuống dưới 235

C; sau khi hàn tiến hành ram ở 550

C Sau đó làm nguội chậm (bọc cách nhiệt, hoặc nguội trong lò).

b Công nghệ hàn thép cacbon cao

Thép cacbon cao có hàm lượng 0,60 ÷1,0% C và 0,30 ÷ 1,0% Mn Chúng thường là thép dụng cụ, sử dụng ở trạng thái tôi (độ cứng tối đa 65 HRC) Các ứng dụng tiêu biểu của thép cacbon cao là dụng cụ gia công áp lực (khuôn dập), trục cán, bánh xe lửa, đường ray, lưỡi cày, bàn cào nạo (của máy cạp đất) v.v Các thép này không nên hàn nóng chảy do có tính hàn kém Tuy nhiên chúng có thể được hàn trong sửa chữa, nhưng phải sử dụng các biện pháp công nghệ và vật liệu hàn đặc biệt sau:

* Nhiệt độ nung nóng sơ bộ và nhiệt độ giữa các đường hàn 200 ÷ 315

C, nguội chậm sau khi hàn.

* Sử dụng các quá trình hàn ít hydro (với chiều dày đến 2 mm, thậm chí không cần nung nóng sơ bộ) Nói chung, khi hàn bằng que hàn bazơ ít hydro, nhiệt độ nung nóng sơ bộ có thể thấp hơn 45 ÷ 90

C so với nhiệt độ nung nóng sơ bộ khi hàn bằng các loại que hàn khác

* Sử dụng các biện pháp giảm lượng kim loại cơ bản hòa tan vào mối hàn.

* Thép cacbon cao cần được hàn ở trạng thái ủ, sau đó cần được nhiệt luyện giảm ứng suất dư (như trong trường hợp thép cacbon trung bình).

1.3 Thép hợp kim

1.3.1 Khái niệm, đặc điểm và ứng dụng của thép hợp kim

1.3.1.1 Khái niệm, đặc điểm

Thép hợp kim là loại thép chứa trong nó một lượng thành phần các nguyên tố hợp kim thích hợp Người ta cố ý đưa vào các nguyên tố đặc biệt với một lượng nhất định để làm thay đổi tổ chức và tính chất của thép Các nguyên tố đặc biệt được gọi là nguyên tố hợp kim: Cr, Ni, Mn, Si, W, V, Co, Mo, Ti, Cu Chính nhờ các nguyên tố hợp kim đó mà làm cho thép hợp kim nói chung có những ưu điểm vượt trội so với thép cacbon như:

- Về cơ tính: thép hợp kim nói chung có độ bền có độ bền cao hơn hẳn so với thép cacbon Điều này thể hiện đặc biệt rõ ràng sau khi nhiệt luyện tôi và ram.

- Về tính chịu nhiệt độ cao: thép hợp kim giữ được cơ tính cao của trạng thái tôi

ở nhiệt độ cao hơn 200

C Muốn đạt được điều này thì thép phải được hợp kim hóa bởi một số nguyên tố với hàm lượng tương đối cao.

- Các tính chất vật lý và hóa học đặc biệt như từ tính, tính giãn nở nhiệt, tính chống ăn mòn…

1.3.1.2 Phân loại thép hợp kim

Có thể có các phương pháp phân loại thép hợp kim chủ yếu sau :

a Phân loại theo tổ chức tế vi : thường phân loại thép hợp kim theo tổ chức ở

trạng thái cân bằng và sau khi thường hóa.

Phân loại theo tổ chức ở trạng thái cân bằng : sau khi ủ, thép có tổ chức cân bằng ổn định, với độ bền, độ cứng thấp nhất Theo lượng cacbon tăng dần, có thể có các loại thép sau :

Thép trước cùng tích, với tổ chức ferit và peclit

Thép cùng tích, với tổ chức peclit

Thép sau cùng tích với tổ chức ngoài peclit còn có cacbit thứ hai

Thép ledeburit với tổ chức có cùng tinh ledeburit

Thép austenit với tổ chức thuần austenit (do được hợp kim hóa với lượng lớn nguyên tố mở rộng vùng γ, như Ni hoặc Mn)

Thép ferit với tổ chức thuần ferit (do được hợp kim hóa với lượng lớn nguyên

tố mở rộng vùng α như Cr hoặc Si)

b Phân loại theo tổ chức ở trạng thái thường hóa:

Từ tổ chức sau khi austenit hóa rồi làm nguội ngoài không khí tĩnh (thường hóa) các mẫu nhỏ (đường kính 25mm) tùy mức độ hợp kim hóa có thể có các loại thép sau:

Hình 1.8 Đường cong chữ ‘C’ của các loại thép Thép peclit: là loại thép hợp kim thấp, tính ổn định của austenit quá nguội

chưa lớn lắm, vectơ nguội cắt chữ ‘C’ (hình 1.8a), nên tổ chức nhận được vẫn là peclit (xocbit, trusit).

Thép mactenxit: là loại thép hợp kim trung bình và cao có tính ổn định của

austenit quá nguội lớn đến mức vectơ nguội ngoài không khí không cắt giản đồ chữ

‘C’ mà xuống thẳng vùng mactenxit (hình 1.8b) nên tổ chức nhận được là mactenxit (còn có tên là thép tự tôi).

Thép austenit: là loại thép hợp kim cao bởi các nguyên tố như Ni, Mn mở

rộng vùng γ xuống đến nhiệt độ thường (hình 1.8c), nên sau khi nguội ngoài không khí, thép vẫn ở trạng thái austenit.

c Phân loại theo nguyên tố hợp kim

Cách phân loại này dựa vào tên các nguyên tố hợp kim chính của thép Ví

dụ thép có chứa Cr được gọi là thép crôm, chứa Cr, Mn gọi là thép Cr-Mn, chứa

Cr, Ni, Mo được gọi là thép Cr-Ni-Mo… Theo cách phân loại này biết được tính chất của thép do nguyên tố hợp kim chính quyết định, ví dụ thép Ni có tính dẻo, dai cao, thép Cr-Ni-Mo có độ thấm tôi cao và không nhạy cảm với giòn ram loại II…

d Phân loại theo tổng lượng nguyên tố hợp kim

Theo tổng lượng nguyên tố hợp kim có các loại sau :

- Thép hợp kim thấp là loại mà tổng lượng các nguyên tố hợp kim nhỏ hơn

2,5% (thường là loại peclit).

- Thép hợp kim trung bình là loại mà tổng lượng các nguyên tố hợp kim từ 2,5 đến 10% (là loại peclit-mactenxit).

- Thép hợp kim cao là loại mà tổng lượng các nguyên tố hợp kim cao hơn 10% (có thể là thép mactenxit hay austenit).

Cách phân loại này cho biết giá trị của thép.

e Phân loại theo công dụng

Đây là cách phân loại thường dùng nhất, cũng như thép cacbon, theo công dụng, thép hợp kim được phân ra các nhóm chính sau :

- Thép cán nóng thông dụng, được dùng với khối lượng lớn, chủ yếu dùng trong xây dựng và các công việc thông thường tương tự, không cần qua nhiệt luyện khi sử dụng.

- Thép kết cấu là nhóm thép chủ yếu để làm chi tiết máy, thường phải qua nhiệt luyện.

- Thép dụng cụ là nhóm thép chủ yếu để làm dụng cụ, nhất thiết phải qua nhiệt luyện

- Thép hợp kim đặc biệt là nhóm thép có các tính chất đặc biệt (cơ, lý, hóa)

ví dụ thép không gỉ, thép có tính chống mài mòn cao, thép chịu nhiệt, thép có tính giãn nở và thép đàn hồi đặc biệt, thép không từ tính…

1.3.2 Tác dụng nguyên tố hợp kim đến tính chất của thép hợp kim

Có thể nói, sự có mặt của nguyên tố hợp kim trong thép ở trạng thái cân bằng chủ yếu ở hai dạng sau: hòa tan vào sắt (α-Fe, γ-Fe) dưới dạng dung dịch rắn và kết hợp với cacbon thành cacbit hợp kim.

1.3.2.1 Sự hòa tan của nguyên tố hợp kim vào sắt

Khi hòa tan vào sắt, các nguyên tố hợp kim có thể thay thế Fe trong mạng α-Fe (mạng A2), gọi là ferit hợp kim, hoặc trong mạng γ-Fe (mạng A1) gọi là austenit hợp kim.

Một số nguyên tố như: Ni, Mn, C, N, Cu,… khi hòa tan vào trong Fe sẽ mở rộng vùng ổn định γ và làm hạ thấp nhiệt độ chuyển biến α↔γ

Đặc biệt với Mn và Ni, khi lượng đủ lớn (ví dụ Mn lớn hơn 10% còn Ni lớn hơn 20%) thép sẽ có tổ chức austenit ngay cả ở nhiệt độ thường Riêng Ni (mạng lập phương tâm mặt) có thể hòa tan vô hạn vào γ-Fe.

Một số nguyên tố khác như Cr, V, Ti, Mo, W, Nb, Si… lại thu hẹp vùng ổn định của γ và nâng cao nhiệt độ chuyển pha γ↔α Riêng Cr (mạng A2) có thể hòa tan vô hạn vào α-Fe.

1.3.2.2 Sự tạo thành pha cacbit trong thép hợp kim

Người ta thấy rằng các nguyên tố tạo cacbit đều là các kim loại thuộc nhóm chuyển tiếp (số điện tử phân lớp d hoặc f của lớp trong chưa đầy mà đã có điện tử ở phân lớp s hoặc d của lớp ngoài) Cụ thể với Fe, số điện tử phân lớp 3d là 6, phân lớp 4s là 2.

Trong thép cacbon, pha cacbit chính là Fe

C (xêmentit) Khi có mặt nguyên tố hợp kim, ngoài khả năng hòa tan vào sắt như đã nói ở trên, rất nhiều nguyên tố hợp kim còn có khả năng tranh giành cacbon với sắt để tạo thành pha cacbit hợp kim Khả năng này tùy thuộc vào ái lực hóa học của nguyên tố hợp kim đối với cacbon so với sắt, mà ái lực này chính do cấu tạo lớp vỏ điện tử quyết định.

Có thể thấy ngay rằng trong thép hợp kim, nguyên tố nào có số điện tử ở phân lớp d của lớp ngoài cùng lớn hơn 6 sẽ không có khả năng tạo cacbit, ngay cả các kim loại chuyển tiếp như Ni, Co và các kim loại như : Si, Al, Cu, Zn, chúng chỉ có thể tạo thành dung dịch rắn với sắt (hoặc các pha liên kim loại khi lượng của chúng đủ lớn).

Một số nguyên tố như Si, Co không những không tạo cacbit mà còn ngăn cản C kết hợp với Fe và các nguyên tố khác, thúc đẩy C ở dạng tự do (graphit) hoặc làm thoát C khi nung thép.

Ngược lại, các nguyên tố có số điện tử ở phân lớp d nhỏ hơn 6 và càng nhỏ thì khả năng tạo cacbit càng mạnh Dựa vào lý thuyết này, người ta đã xác lập được dãy các nguyên tố tạo cabit mạnh dần theo thứ tự : Fe, Mn, Cr, W, Mo, V, Zr, Ti, Nb.

Trong đó Mn (đôi khi cả Cr, W) không tạo ra cacbit độc lập, do ái lực với C chỉ

mạnh hơn so với Fe chút ít, chúng thay thế Fe trong xementit, tạo ra xementit hợp kim dạng (Fe,Mn)

C Còn Cr, W là các nguyên tố tạo cacbit trung bình hoặc là nằm trong xementit hợp kim như trên, hoặc là tạo ra cacbit dạng phức tạp như Cr

C

, Cr

C

,

Fe

W

C

, có nhiệt độ phân hủy thấp, dễ hòa tan vào austenit khi nung nóng Trái lại Mo, V, Zr, Ti, Nb là các nguyên tố tạo cacbit mạnh như MoC, VC, ZrC, TiC, NbC, chúng có cấu tạo mạng tinh thể đơn giản và chỉ phân hủy ở nhiệt độ rất cao, rất khó hòa tan vào trong austenit, nhưng có tác dụng giữ hạt nhỏ khi nung thép.

Nói chung, dù là xementit hay cacbit hợp kim, chúng đều có tác dụng nâng cao khả năng chống mài mòn và tính chịu nhiệt cho thép.

1.3.2.3 Tác dụng của các nguyên tố hợp kim chủ yếu

a Mangan:

Khi hòa tan vào ferit có tác dụng hóa bền pha này Với lượng cacbon thấp (≤0,2%C), Mn có tác dụng hạ thấp nhiệt độ chuyển biến dẻo giòn của thép, nhưng với hàm lượng cacbon cao (>0,5%C) nó lại làm tăng nhiệt độ chuyển biến này Mangan có tác dụng tăng độ thấm tôi, với 1%Mn đường kính tới hạn lý thuyết lớn gấp 4 lần so với thép cacbon không có Mn (và do đó hệ số thấm tôi của Mn là bốn) Mn không tạo cacbit riêng biệt mà thay thế Fe trong Fe

C Đối với chuyển biến khi ram tác dụng của

Mn là không đáng kể Người ta sử dụng Mn để cải thiện tính chất của thép có công dụng chung (không qua nhiệt luyện) và nâng cao độ thấm tôi cho thép phải qua nhiệt luyện Mặc dù Mn khá rẻ nhưng hiếm khi nó đóng vai trò là một nguyên tố độc lập, bởi vì nó kéo theo một số nhược điểm sau: thúc đẩy hạt tinh thể lớn nhanh khi nung, tăng tính giòn ram, giảm độ dẻo và độ bền theo hướng vuông góc với phương cán.

b Niken:

Đây là nguyên tố không tạo thành cacbit, tác dụng chủ yếu là tăng độ bền và

độ dai va đập cho ferit Thép chứa trên 5%Ni giữ được độ dai tốt ngay cả khi ở nhiệt

độ rất thấp Thép có 9%Ni được dùng để chế tạo các bình chứa trong các hệ thống làm lạnh Ni còn có tác dụng giữ hạt nhỏ cho thép thấm Cacbon Hệ số tăng độ thấm tôi của Ni là 1,4 (loại trung bình).

c Silic:

Cũng như Ni, Si không tạo cacbit Khi không có mặt C, với khoảng 2% Si thì chuyển biến α↔γ bị ức chế Khi có mặt C, vùng γ sẽ được mở rộng (với 0,35% C vùng γ sẽ tồn tại cho tới 9%Si) Hệ số tăng độ thấm tôi của Si là 1,7 (loại trung bình).

Si còn có tác dụng tăng khả năng chống oxy hóa cho thép ở nhiệt độ cao và tăng độ bền chống dão, bởi vậy Si có mặt trong thép crôm Cùng với Mn (1,5-2%Si và 0,5 - 0,9%Mn), Si có tác dụng tăng giới hạn đàn hồi, ứng dụng để sản xuất lò xo, nhíp các loại.

d Crôm:

Giản đồ pha Fe-Cr cho thấy vùng γ bị hạn chế trong giới hạn 12,8%Cr Khi có thêm cacbon vùng này được mở rộng, chẳng hạn với 0,5%C, pha γ có thể tồn tại cho tới 20%Cr Crôm tạo cacbit phức tạp : Cr

C

và Cr

C

Những cacbit này sẽ hòa tan vào austenit khi nhiệt độ cao hơn 900

C, Cr tăng đáng kể độ thấm tôi (với hệ số là 3,2) Nó còn có tác dụng cải thiện tính chống ram và độ bền ở nhiệt độ cao, do nó tạo

ra cacbit nhỏ mịn khi ram, có tác dụng hóa bền tiết pha, bù lại sự hóa mềm của mactenxit do giảm độ chính phương Cuối cùng Cr đóng vai trò hàng đầu đối với độ bền chống mài mòn Thép sau cùng tích (0,9-1,0%C) mà có 0,5-1,7%Cr được dùng rộng rãi để chế tạo bi và vòng bi các loại (kể cả trục lăn, trục cán…).

e Môlipđen:

Thu hẹp vùng γ còn mạnh hơn cả Cr Nếu như không có cacbon, vùng γ chỉ tồn tại trong phạm vi ≤ 3%Mo Khi có cacbon (0,3%C), vùng γ có thể tồn tại tới 8% Mo ở nhiệt độ 1250

C Mo là nguyên tố tạo cacbit mạnh khó hòa tan vào γ khi nung, cho nên trong thép kết cấu, lượng Mo không vượt quá 1%, nhưng trong thép dụng cụ và thép không gỉ, lượng Mo có thể cao hơn nhiều Cùng với Cr, Mo tăng mạnh độ thấm tôi (với hệ số là 3,8) Mo cải thiện tính chống ram do nó tạo ra độ cứng thứ hai khi ram (do hình thành pha Mo

C) và làm giảm sự nhạy cảm đối với giòn ram.

f Vanadi:

Tác dụng của V gần giống như Mo Nó thu hẹp vùng γ và khuynh hướng tạo cacbit còn mạnh hơn cả Mo Rất khó có thể hòa tan VC vào γ, nghĩa là giữ C ở dạng liên kết và do vậy làm giảm độ thấm tôi và độ cứng của thép VC nhỏ mịn, nằm ở biên hạt, nó có tác dụng ngăn cản sự lớn lên của hạt γ khi nung, đó là tác dụng chủ yếu của

V Ngoài ra V cũng tăng tính chống ram và tăng khả năng chống mài mòn cho thép.

Nó thường được sử dụng cùng với các nguyên tố khác (nhất là với Cr), hàm lượng của

nó không vượt quá 0,2%.

g Bo:

Với một lượng rất nhỏ (0,001%), B tăng độ thấm tôi cho thép C lên hai lần Tác dụng này thể hiện rõ ở thép cacbon thấp và trung bình Với thép cacbon cao (>0,7%C), tác dụng trên lại không đáng kể Đó có thể là do B được tiết ra ở biên hạt austenit, ngăn cản sự sinh mầm peclit Ở Mỹ, hệ thép chứa Bo khá phát triển, cho phép tiết kiệm được khá nhiều trong việc sử dụng các nguyên tố hợp kim.

- Để cải thiện tính chống ram (giữ được độ cứng ở nhiệt độ cao khi ram) người

ta sử dụng Cr, Mo, V và W đó là những nguyên tố tạo cacbit trong quá trình ram.

- Để nâng cao độ bền chống mài mòn, người ta sử dụng các nguyên tố tạo cacbit.

1.3.2.4 Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim đến quá trình nhiệt luyện

Các nguyên tố hợp kim ảnh hưởng lớn đến quá trình nhiệt luyện thép, đặc biệt

là đến quá trình tôi và ram, do vậy có ảnh hưởng quan trọng đến cơ tính, đây là đặc tính nổi bật của thép hợp kim Chúng ta xem xét lần lượt ảnh hưởng của các nguyên tố

hợp kim tới từng mặt của quá trình tôi và ram thép.

Chuyển biến khi nung nóng :

Như đã biết, phần lớn các thép hợp kim thường gặp ở trạng thái cân bằng (ủ) có

tổ chức hai pha : ferit và cacbit với các nguyên tố hợp kim phân bố trong chúng Khi nung nóng để tôi cứng cũng có chuyển biến: từ hỗn hợp ferit-cacbit thành austenit và

sự phát triển của hạt austenit Tuy nhiên so với thép cacbon, chuyển biến này có những điểm khác biệt khá rõ rệt.

Trừ Mn, các nguyên tố tạo cacbit hợp kim khác đều khó hòa tan vào austenit hơn so với xementit, do cacbit của chúng bền vững và ổn định hơn so với xementit do vậy muốn hòa tan chúng, đòi hỏi nhiệt độ cao hơn và thời gian dài hơn Các nguyên tố tạo cacbit càng mạnh thì càng khó hòa tan TiC, VC rất khó hòa tan, các cacbit khác khó hòa tan so với xementit hợp kim và xementit hợp kim khó hòa tan hơn xementit.

Ví dụ thép dụng cụ cacbon CD100 chứa 1,0%C với pha cacbit là xementit có nhiệt độ

pha cacbit tạo thành Cr7C3 và Cr23C6, có nhiệt độ tôi vượt quá 1000

C Ngoài ra sự đồng đều hóa thành phần của austentit hợp kim cũng khó khăn hơn, do tốc độ khuếch tán của các nguyên tố hợp kim thấp hơn rất nhiều so với cacbon Do vậy muốn đồng đều thành phần hóa học của austenit cần phải giữ nhiệt lâu hơn.

Nếu thép được hợp kim hóa bằng những nguyên tố tạo cacbit mạnh, đặc biệt là

Ti, V, W, Mo thì do sự khó hòa tan của các cacbit đó nằm ở biên giới hạt làm cản trở sự sát nhập giữa các hạt mà giữ được hạt austenit nhỏ mịn khi nung nóng, ở đây cần nhấn mạnh vai trò giữ hạt austenit nhỏ mịn của Ti: thép với lượng nhỏ Ti (0,1%) đủ tạo nên một lượng không lớn TiC nằm ở biên giới hạt, có thể nung thép đến nhiệt độ 950÷980

C trong một thời gian dài (3-5h) mà không sợ hạt lớn Ngoài cacbit ra một số nguyên tố hợp kim đặc biệt như Al, V, Nb, Ti có thể tạo nên các pha oxyt, nitrit rất khó hòa tan, cũng có tác dụng giữ cho hạt austentit nhỏ mịn Hai nguyên tố không tạo thành cacbit là Ni và Si cũng được coi là các nguyên tố cản trở sự phát triển của hạt austenit, nhưng tác dụng này không rõ Mangan là nguyên tố tạo cacbit duy nhất không những không cản trở mà còn thúc đẩy sự phát triển của hạt austenit Cơ chế làm hạt thô austenit của Mn chưa giải thích được.

Tóm lại do tác dụng của các nguyên tố hợp kim như vậy nên khi tôi, nói chung các thép hợp kim phải được nung nóng đến nhiệt độ cao hơn và thời gian giữ nhiệt dài hơn, song vẫn giữ được hạt austenit nhỏ mịn.

1.3.3 Tiêu chuẩn ký hiệu các mác thép hợp kim

1.3.3.1 Ký hiệu theo tiêu chuẩn Việt Nam

Thép hợp kim được ký hiệu theo hệ thống chữ và số: chữ ký hiệu các nguyên tố hợp kim bằng chính ký hiệu hóa học của nó, số đầu chỉ lượng cacbon trung bình theo phần vạn, số phía sau nguyên tố nào chỉ lượng trung bình của nguyên tố đó theo phần trăm, nếu lượng nguyên tố hợp kim nào nhỏ hơn 1% thì không ghi con số sau nó Ví

dụ mác thép 18CrMnTi, chứa 0,18%C, nhỏ hơn hoặc bằng 1% mỗi nguyên tố Cr, Mn,