Nghiên cứu sự biến đổi tổ chức và tính chất trong quá trình hàn thép không gỉ với thép cacbon

TÓM TẮT KẾT LUẬN MỚI CỦA LUẬN ÁN Dựa trên cơ sở lý thuyết nhiệt động học giải thích sự kết tinh và sự thay đổi hình thái, hàm lượng của pha δ-ferit vùng kim loại mối hàn trong điều kiện hàn và thí nghiệm ở nhiệt độ nâng cao. Đã nghiên cứu mối quan hệ giữa: các yếu tố công nghệ hàn – tổ chức tế vi – độ cứng tế vi và độ bền trong vùng ảnh hưởng nhiệt thép cacbon. Sự hình thành các pha mactenxit, bainit, vitmantet ferit chịu sự chi phối bởi nhiệt độ lớn nhất và tốc độ nguội và là một trong các nguyên nhân làm giảm mạnh độ bền mối hàn (giải thích vùng ảnh hưởng nhiệt thép cacbon là vùng yếu nhất trong mối hàn) Tính toán đường phân bố nồng độ của cacbon tại vùng chuyển tiếp thép cacbon dựa trên mô hình của Darken. Kết hợp với kết quả thực nghiệm, đã xác định được ảnh hưởng của sự khuếch tán tới tổ chức mối hàn như: hình thành vùng ferit phía thép cacbon và sự tiết cacbit phía kim loại mối hàn; hình thành vùng có độ cứng cao, vùng có độ cứng thấp hai bên biên giới nóng chảy là nguyên nhân xuất hiện tách lớp và nứt. Đã xác định và giải thích sự xuất hiện các khuyết tật trong mối hàn ở nhiệt độ 6000C, 9000C

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Vật liệu “Nghiên cứu sự biến đổi tổ chức và tính chất trong quá trình hàn thép không gỉ với thép cacbon” là công trình do chính tôi nghiên

cứu và thực hiện, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS TS Phạm Mai Khánh và TS Nguyễn Đức Thắng

Các số liệu và kết quả được trình bày trong luận án này hoàn toàn trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố dưới bất kì hình thức nào Các thông tin trích dẫn đã được ghi rõ nguồn gốc

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

Lê Thị Nhung

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc và chân thành tới hai thầy giáo của tôi

là PGS TS Phạm Mai Khánh và TS Nguyễn Đức Thắng đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án

Tôi xin cảm ơn tới Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian tôi học tập tại trường

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo tại Bộ môn Vật liệu và Công nghệ đúc – Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện và động viên trong suốt thời gian sinh hoạt chuyên môn tại Bộ môn Đồng thời, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Viện Cơ khí – Bộ môn Công nghệ và Vật liệu đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong thời gian làm nghiên cứu sinh

Cuối cùng, tôi muốn cảm ơn gia đình tôi, luôn bên cạnh động viên tinh thần giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thiện luận án

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

Nghiên cứu sinh

Lê Thị Nhung

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC CÁC HÌNH x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 3

1.1 Đặc điểm mối hàn hai vật liệu khác loại 3

1.1.1 Khái niệm chung 3

1.1.2 Các dạng khuyết tật khi hàn hai vật liệu khác loại 6

1.2 Ứng dụng và điều kiện làm việc của mối hàn giữa thép không gỉ austenit và thép cacbon 8

1.3 Tình hình nghiên cứu về mối hàn hai vật liệu khác loại 12

1.3.1 Những nghiên cứu ngoài nước 12

16

1.3.2 Những nghiên cứu trong nước 17

1.4 Tóm tắt chương 1 17

1.4.1 Các hướng nghiên cứu chính về mối hàn hai vật liệu khác loại 17

1.4.2 Nhận xét về tình hình nghiên cứu trong nước 17

1.4.3 Xu hướng nghiên cứu về công nghệ hàn 18

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 19

2.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới sự thay đổi tổ chức tế vi và tính chất của mối hàn giữa thép không gỉ austenit với thép cacbon 19

2.1.1 Vật liệu hàn 19

2.1.2 Nguồn nhiệt hàn 20

Trong đó: 24

2.1.3 Tốc độ nguội 24

2.1.4 Các yếu tố khác 26

2.2 Giản đồ pha của vật liệu cần hàn 26

2.2.1 Giản đồ pha thép cacbon 26

2.2.2 Giản đồ pha thép không gỉ 28

2.3 Sự kết tinh và chuyển pha trong vùng nóng chảy mối hàn 32

2.3.1 Mô hình kết tinh 32

2.3.2 Ảnh hưởng của pha δ-ferit tới cơ tính của mối hàn 34

2.3.3 Cơ chế hình thành ferit trong mối hàn 34

2.3.4 Dự đoán hàm lượng δ-ferit trong mối hàn thép không gỉ austenit 35

2.4 Chuyển biến pha tại vùng HAZ của thép cacbon 37

2.5 Chuyển biến pha trong vùng HAZ thép không gỉ 39

2.5.1 Sự lớn lên của hạt 39

2.5.2 Sự hình thành ferit 39

2.5.3 Sự tiết pha 40

2.5.4 Sự nung nóng biên giới hạt 40

2.6 Sự thay đổi tổ chức trong vùng chuyển tiếp của mối hàn giữa thép không gỉ austenit và thép cacbon 40

2.7 Cơ sở lý thuyết và mô hình khuếch tán của cacbon trong austenit 43

2.7.1 Khái niệm chung 43

2.7.2 Cơ sở lý thuyết về sự khuếch tán của cacbon trong vùng pha austenit giữa mối hàn hai vật liệu khác loại 44

2.7.2 Mô hình bài toán 47

2.8 Tóm tắt chương 2 48

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM 50

3.1 Nội dung nghiên cứu 50

3.2 Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm 51

3.2.1 Chuẩn bị mẫu và quy trình hàn 52

3.2.2 Quy trình cắt mẫu 53

3.3 Quy trình đo nhiệt độ trong quá trình hàn 54

3.4 Quá trình thí nghiệm ở nhiệt độ nâng cao 55

3.5 Phương pháp nghiên cứu 55

3.5.1 Tính toán nhiệt động học, xây dựng giản đồ TTT và giản đồ CCT 55

3.5.2 Nghiên cứu tổ chức tế vi 56

3.5.3 Xác định thành phần hóa học mẫu 57

3.5.4 Phân tích cấu trúc Rơnghen 58

3.5.5 Xác định độ cứng tế vi 58

3.5.6 Thử kéo mẫu 59

3.5.7 Thử va đập 59

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

A: Mô hình kết tinh A của thép không gỉ austenit

AF: Mô hình kết tinh AF của thép không gỉ austenit

A1, A2: Hằng số

a: Hệ số khuếch tán nhiệt

ac: Hoạt tính của cacbon

acαθ:Hoạt tính của cacbon tại mặt phân pha α/θ

ac θα

:Hoạt tính của cacbon tại mặt phân pha θ/α

B1, B2: Hằng số

CCT: Giản đồ chuyển biến nguội liên tục

Ctđ: Crom tương đương

Ci*, Ci0: Nồng độ chất i trong pha lỏng và nồng độ danh nghĩa của chất i

c: Nhiệt dung riêng

D: Hệ số khuếch tán

Dik: Độ khuếch tán của nguyên tố i dưới ảnh hưởng gradient của nguyên tố k

Dα: Hệ số khuếch tán của cacbon trong α

Dθ: Hệ số khuếch tán của cacbon trong θ

d: Chiều dày mẫu hàn

dc: Chiều dày danh nghĩa

F: Mô hình kết tinh F của thép không gỉ austenit

FA: Mô hình kết tinh FA của thép không gỉ austenite

G: Gradient nhiệt độ

G1: Năng lượng tự do của hợp kim giàu B

G2: Năng lượng tự do của hợp kim giàu A

G3: Năng lượng tự do ban đầu của hợp kim sau khi liên kết thành khối

G4: Năng lượng tự do của hợp kim đồng nhất A – B

GMAW (Gas Metal Arc Welding): Hàn hồ quang với khí bảo vệ

HAZ (Heat affected – zone): Vùng ảnh hưởng nhiệt

Q: Công suất hiệu dụng của hồ quang

mi: Độ dốc của đường lỏng theo giản đồ pha

Nitđ: Niken tương đương

R: Hằng số khí

r: Khoảng cách từ vị trí đang xét tới nguồn nhiệt hàn

SMAW (Shielded Metal Arc Welding): Hàn hồ quang tay

T: Nhiệt độ

T0: Nhiệt độ ban đầu của vật hàn

Ti: Nhiệt độ tại thời điểm bất kỳ

Tp: Nhiệt độ lớn nhất tại vị trí bất kỳ trên vật hàn

TLB: Nhiệt độ nóng chảy của vật hàn

TLW: Nhiệt độ nóng chảy của điện cực

Tm: Nhiệt độ nóng chảy

TIG (Tungsten Inert Gas): Hàn điện cực không nóng chảy

TTT: Đường cong động học chuyển biến khi làm nguội đẳng nhiệt

t: Thời gian

U: Hiệu điện thế

v: Tốc độ hàn

vng: Tốc độ nguội

x: Nồng độ của cacbon

xα: Nồng độ của cacbon trong α

xβ: Nồng độ của cacbon trong θ

xα0: Nồng độ cacbon ban đầu trong α

xθ0: Nồng độ cacbon ban đầu trong θ

xαθ: Nồng độ cacbon trong α khi nó ở điều kiện cân bằng với θ tại mặt phân cách

xθα: Nồng độ cacbon trong θ khi nó ở điều kiện cân bằng với α tại mặt phân cách

y: tỉ số mol

ym: Tỉ số mol của sắt hoặc nguyên tử thay thế

yc: Tỉ số mol của cacbon

z: Khoảng cách của cacbon so với mặt phân cách

α: Vùng cacbon hoạt tính cao tại mặt phân cách

β: Vùng cacbon hoạt tính thấp tại mặt phân cách cho các mối nối ferrite

Gγ-grC:Năng lƣợng tự do Gibb của cacbon trong sự chuyển đổi cấu trúc từ γ sang graphit

ϵij: Hệ số phản ứng qua lại Wagner giữa nguyên tử i và j

λ: Hệ số dẫn nhiệt

µ: Hóa năng

µ0: Hóa năng ở trạng thái tiêu chuẩn

µαθ: Hóa năng của cacbon tại mặt phân cách α/θ

µθα: Hóa năng của cacbon tại mặt phân cách θ/α

Г: Hệ số hoạt tính của cacbon

Гi: Hệ số hoạt tính của nguyên tử i

Гα: Hệ số hoạt tính của cacbon trong vùng α của mối hàn

Гθ: Hệ số hoạt tính của cacbon trong vùng θ của mối hàn

η: Hiệu suất nhiệt

θ: Vùng cacbon hoạt tính thấp của mặt phân cách cho mối nối austenit

θ’: Góc tiếp xúc giữa mầm và nền kim loại

ρ: Khối lƣợng riêng

γLC: Năng lƣợng bề mặt giữa pha lỏng và mầm

Bảng 4.5 Giá trị độ cứng tại vùng chuyển tiếp phía thép cacbon 79

Bảng 5.2 Khoảng cách khuếch tán của cacbon giữa lý thuyết và thực tế 107

Bảng 1.PL1: Thành phần hóa học của vật liệu cơ bản và điện cực i

Bảng 6.PL1 Kết quả thử độ dai va đập vùng HAZ thép cacbon vii

Bảng 2.PL2 Năng lượng đường và chiều dày danh nghĩa viii

Bảng 2.PL4 Bảng tính các tham số theo phương pháp Wagner xiii Bảng 3.PL4 Bảng tính các tham số theo phương pháp Uhrenius xiii Bảng 4.PL4 Bảng tính các tham số theo phương pháp Wada xiii Bảng 5.PL4 Bảng tính các hệ số A1,A2, B1, B2 xiv Bảng 6.PL4 Bảng tính các hệ số A1,A2, B1, B2 xiv

Hình 1.4 Giản đồ Schaeffler dùng để xác định điện cực hàn giữa thép cacbon và

thép không gỉ Austenit 304

05 Hình 1.5 Tổ chức của vùng ảnh hưởng nhiệt thép cacbon 06 Hình 1.6 Sự hình thành pha σ tại vùng nóng chảy, và nứt tại pha σ 07 Hình 1.7 Nứt tại kim loại mối hàn giữa thép không gỉ 304 và thép A36 sử dụng

điện cực 309L

07 Hình 1.8 Sai hỏng tại biên giới nóng chảy do không đảm bảo liên kết 07 Hình 1.9 Nứt tại biên giới nóng chảy mối hàn giữa thép không gỉ 304 và thép

A36 sử dụng điện cực 309L

08

Hình1 10 Nứt nóng vùng HAZ của mối hàn thép không gỉ Austenit 08

Hình 1.12 Hàn đường lấy mẫu cho bao hơi, đầu chờ vòi phun là thép cacbon hàn

với thép không gỉ Austenit 304

09

Hình 1.13 Hàn hệ thống lấy mẫu cho đường ống mái với đầu chờ là thép cacbon

kết nối với thép không gỉ austenite 304

10

Hình 1.14 Hàn hệ thống tấm chắn bụi với các tấm chắn là thép không gỉ

Austenit 304 và ống là thép cacbon

10

Hình 1.15 Hàn tấm chắn bụi phần mái lò hơi giữa thép không gỉ Austenit 304

với thép cacbon và thép hợp kim A213T11

10 Hình 1.16 Cơ tính của mối hàn khi sử dụng điện cực GFW 304L 12 Hình 1.17 Tổ chức tế vi của mối hàn sau khi ngâm mối hàn vào vùng nước sâu

vật liệu khác nhau với sự thay đổi của số lớp hàn

15

Hình 1.25 Đường cong đẳng nhiệt tiết pha cacbit crom trong thép không gỉ 304 16 Hình 1.26 Đường nồng độ cacbon của mối hàn 1Cr/12Cr sau xử lý nhiệ ở 7300

C trong 10 giờ

16 Hình 1.27 Trường nhiệt độ trong liên kết hàn nhôm – thép chữ T 17

Hình 2.2 Sự chuyển động của nguồn nhiệt khi xét với tấm mỏng 21 Hình 2.3 Sự chuyển động của nguồn nhiệt trong tấm dày 22 Hình 2.4 Kết quả tính toán từ phương trình Rosenthal cho tấm dày 23

Hình 2.22 Sự hình thành biên giới loại II khi kim loại mối hàn là austenit kết

tinh trên nền kim loại ferit

41 Hình 2.23 Sự hình thành thiên tích thô đại khi TLW < TLB 41

Hình 2.25 Vùng biên giới nóng chảy của thép A508 với 309L, sau khi ủ ở 6100C 42 Hình 2.26 Năng lượng tự do của hệ khuếch tán “downhill” 43 Hình 2.27 Năng lượng tự do của hệ khuếch tán ngược“uphill” 43 Hình 2.28 Mô hình bài toán củab cacon trong nền austenit 47

Hình 4.5 Hình thái delta-ferit tại biên giới nóng chảy thép không gỉ 63 Hình 4.6 Hình thái delta-ferit tại biên giới thép cacbon 63 Hình 4.7 Ảnh SEM mô tả hình thái delta-ferit dạng xương cá và đều trục trong

kim loại mối hàn

65

Hình 4.10 Hình thái δ-ferit tính theo phần mềm Image plus 67

Hình 4.12 Mầm kết tinh trên các hạt kim loại nền (b) Hướng phát triển của kim

loại tại biên giới nóng chảy

69

Hình 4.14 Sự phân bố nguyên tố tại biên giới nóng chảy thép cacbon 71 Hình 4.15 Sự phát triển cạnh tranh thông qua nhiệt độ đỉnh đầu các pha rắn như

là hàm của tốc độ kết tinh

72

Hình 4.16 Mối quan hệ giữa tốc độ phát triển mầm và tốc độ hàn 73 Hình 4.17 Sự biến đổi tốc độ phát triển dọc theo biên giới nóng chảy 74 Hình 4.18 Sự thay đổi gradient nhiệt độ và tốc độ phát triển mầm 74 Hình 4.19 Hai dạng pha austenit trong vùng kim loại mối hàn, (a) vùng tâm mối

hàn, (b) vùng giáp biên giới thép không gỉ

74

Hình 4.20 Kết quả đo độ cứng tại vùng kim loại mối hàn tương với 6 mẫu có

chế độ hàn thay đổi

75 Hình 4.21 Đường phân bố nồng độ của các nguyên tố trong vùng chuyển tiếp tại

hai vị trí khác nhau

76 Hình 4.22 Thành phần hóa học tại các điểm khác nhau trong vùng chuyển tiếp 77 Hình 4.23 Tổ chức tế vi tại vùng chuyển tiếp phía thép cacbon 78

Hình 4.26 Nhiệt độ lớn nhất tại các điểm trong vùng HAZ thép cacbon theo tính

toán và thực nghiệm

81

Hình 4.30 Ảnh TEM chỉ các tổ chức mactenxit và bainit trong vùng HAZ thép

cacbon

84

Hình 4.32 Vết đo độ cứng tại vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) của thép cacbon 85

Hình 4.34 Đường cong nhiệt độ lớn nhất vùng HAZ thép không gỉ 86

Hình 4.39 Ảnh TEM chỉ hình thái của cabit Cr23C6 và Cr7C3 88

Hình 4.41 Đường cong thử kéo, a Vùng HAZ giáp biên giới nóng chảy, b Vùng HAZ xa biên giới nóng chảy

89

Hình 4.42 Vị trí vết nứt tại vùng HAZ giáp biên giới nóng chảy 90 Hình 4.43 Vị trí vết nứt tại vùng HAZ xa biên giới nóng chảy 90 Hình 5.1 Tổ chức tế vi pha δ-ferit tại trung tâm mối hàn 93 Hình 5.2 Tổ chức tế vi pha δ-ferit giáp biên giới thép không gỉ 94

Hình 5.3 Tổ chức pha δ-ferit giáp biên giới thép cacbon 95 Hình 5.4 Dự đoán tỉ phần các pha ở trạng thái cân bằng thép 304 96

Hình 5.6 Ảnh TEM chỉ sự xuất hiện cacbit tại vùng kim loại mối hàn 97 Hình 5.7 Hàm lượng δ-ferit tính theo phần mềm Image plus 97 Hình 5.8 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi hàm lượng δ-ferit ở các chế độ khác nhau 98

Hình 5.11 Sự hình thành vùng ferit do sự khuếch tán cacbon 101

Hình 5.13 Giản đồ nhiễu xạ Ronghen vùng lân cận biên giới thép cacbon 102 Hình 5.14 Sự hình thành cacbit tại vùng chuyển tiếp bên phía thép cacbon 102

Hình 5.16 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ cứng tại biên giới nóng chảy 103 Hình 5.17 Sự phân bố nồng độ của các nguyên tố ban đầu 104 Hình 5.18 Sự thay đổi nồng độ cacbon trong các khoảng thời gian khác nhau ở

Hình 5.21 Đường cong biểu diễn sự khuếch tán của cacbon trong điều kiện hàn, 106 Hình 5.22 Đường cong biểu diễn khuếch tán của cacbon tại 6000C trong 10 giờ 107 Hình 5.23 Đường cong biểu diễn sự khuếch tán của cacbon ở 6000C trong 10

giờ sau hiệu chỉnh

Hình 5.37 Sự phân bố nguyên tố tại vùng HAZ giáp biên giới nóng chảy thép

không gỉ

115

Hình 4.PL1 Hình dáng sau khi hàn và kiểm tra kích thước iii

Hình 5.PL1 a Sơ đồ cắt mẫu, b kích thước mẫu thử kéo, c kích thước mẫu thử iii

va đập

Hình 7.PL1 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của bề rộng vùng ảnh hưởng nhiệt theo

năng lượng đường

v

Hình 8.PL1 Sự thay đổi độ hạt vùng HAZ của thép cacbon tại vị trí giáp biên

giới nóng chảy khi thay đổi tốc độ hàn

v

Hình 9.PL1 Sự thay đổi độ hạt vùng HAZ thép cacbon tại vị trí giáp biên giới

nóng chảy khi thay đổi cường độ dòng điện

v

Hình 10.PL1 Độ cứng tế vi dọc theo mặt cắt ngang mối hàn vi Hình 1.PL2 Đường cong nhiệt độ lớn nhất vùng HAZ thép không gỉ ix Hình 2.PL2 Đường cong nhiệt độ lớn nhất vùng HAZ thép cacbon ix

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hàn giữa hai vật liệu khác loại đang được áp dụng rộng rãi trong các kết cấu của nhà máy nhiệt điện, hóa chất, dầu khí, đóng tàu Thép không gỉ được chọn cho các kết cấu làm việc trong môi trường chịu ăn mòn, chịu nhiệt, chịu lực tác dụng; thép cacbon dùng cho các kết cấu làm việc trong điều kiện ít chịu lực, không bị ăn mòn và ở nhiệt độ thấp hơn Mục đích của việc này nhằm giảm giá thành sản phẩm nhưng vẫn đảm bảo đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật

Các thông số về cơ tính của mối hàn như độ bền kéo, độ bền uốn, độ giãn dài, độ dai va đập là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá mối hàn có đảm bảo hay không Tuy nhiên, các giá trị này được quyết định bởi tổ chức hình thành trong mối hàn Sau hàn, mối hàn được phân chia thành các vùng nhỏ: vùng kim loại mối hàn, vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và vùng kim loại cơ bản với tổ chức hoàn toàn khác nhau Trong mối hàn giữa thép không gỉ austenit và thép cacbon thấp, vị trí xuất hiện phá hủy khi thử kéo là vùng ảnh hưởng nhiệt thép cacbon, điều này có nghĩa đây là vùng kém bền nhất sau khi hàn Tuy nhiên, vẫn còn một vài khuyết tật tế vi có thể xuất hiện tại các vùng do sự thay đổi tổ chức sau hàn và trong điều kiện làm việc gây ra.Vậy để giải quyết bài toán về tổ chức và tính chất mối hàn nhằm tìm ra giải pháp nâng cao chất lượng hay giảm khuyết tật thì cần trả lời các câu hỏi sau:

i) Sau hàn, tham số công nghệ, tổ chức và cơ tính của vật liệu có mối quan hệ như thế nào?

ii) Tổ chức và tính chất của mối hàn bị thay đổi như thế nào khi làm việc ở nhiệt độ nâng cao?

iii) Tổ chức tại các tiểu vùng khác nhau có hay không tạo ra các sai hỏng khi xét trong điều kiện làm việc lâu dài ở các nhiệt độ khác nhau?

Với mục đích làm sáng tỏ vấn đề trên, đề tài “Nghiên cứu sự biến đổi tổ chức và tính

chất trong quá trình hàn thép không gỉ với thép cacbon” đã được thực hiện trong luận án

tiến sĩ kỹ thuật vật liệu

2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

Xét trong điều kiện hàn, các tham số chính quyết định tới sự thay đổi tổ chức mối hàn là vật liệu đầu vào, nhiệt độ tối đa đạt được trong quá trình nung và tốc độ nguội Xét trong điều kiện làm việc, thời gian, nhiệt độ môi trường làm việc, yếu tố ngoại lực lại chiếm ưu thế trong các yếu tố làm thay đổi tổ chức mối hàn Do vậy, mục tiêu của luận án chính là:

sự thay đổi tổ chức, tính chất của mối hàn dưới ảnh hưởng của các tham số kể trên

Đối tượng nghiên cứu là mối hàn giữa thép không gỉ austenit 304 và thép cacbon thấp

sử dụng điện cực E309L-16, phương pháp sử dụng là hàn hồ quang tay SMAW đã được ứng dụng trong kết cấu của nhà máy nhiệt điện

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Trong thời gian thực hiện luận án tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tại nhà máy nhiệt điện Thái Bình 2 và tại các phòng thí nghiệm của trường Đại học Khoa học tự nhiên, viện hàn lâm khoa học Việt Nam, trung tâm đánh giá không phá hủy – Viện năng lượng

Nguyên tử Việt Nam, Trung tâm thực hành thí nghiệm – Viện cơ khí – Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, trường Đại học bách khoa thành phố Hồ Chí Mình, trường Shimane Nhật Bản, luận án đã hoàn thành mục tiêu và nhiệm vụ đặt ra Một số đóng góp mang tính khoa học và thực tiễn như sau:

a) Ý nghĩa khoa học

- Xác định hình thái, hàm lượng ferit và giải thích sự hình thành, phát triển của pha ferit theo nhiệt động học trong điều kiện hàn và trong điều kiện làm việc ở nhiệt độ nâng cao

δ Xác định mối quan hệ giữa nhiệt độ lớn nhất và tốc độ nguội tới sự hình thành các pha vitmantet ferit, mactenxit, bainit, sigma và cacbit trong vùng HAZ Phân tích hình thái các pha dựa trên hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

- Tính toán bề rộng vùng chuyển tiếp và đường phân bố nồng độ cacbon tại biên giới nóng chảy thép cacbon theo mô hình Darken và so sánh với kết quả thực tế Đưa ra ảnh hưởng của sự khuếch tán cacbon tới tổ chức và tính chất tại vùng chuyển tiếp mối hàn

- Đưa ra cơ chế sự hình thành sai hỏng (nứt, phân hủy cacbit) tại vùng chuyển tiếp thép cacbon và vùng ảnh hưởng nhiệt thép không gỉ khi mối hàn làm việc ở nhiệt độ 6000C và

9000C trong 10 giờ

b) Ý nghĩa thực tiễn

- Phân tích, đánh giá, dự đoán các sai hỏng xảy ra khi mối hàn làm việc ở các nhiệt độ khác nhau

- Đề xuất giải pháp nhằm giảm khuyết tật và điều kiện làm việc hợp lý

4 Những đóng góp mới của luận án

i) Dựa trên cơ sở lý thuyết nhiệt động học giải thích sự kết tinh và sự thay đổi hình thái, hàm lượng của pha δ-ferit vùng kim loại mối hàn trong điều kiện hàn và thí nghiệm ở nhiệt

độ nâng cao

ii) Đã nghiên cứu mối quan hệ giữa: các yếu tố công nghệ hàn – tổ chức tế vi – độ cứng

tế vi và độ bền trong vùng ảnh hưởng nhiệt thép cacbon Sự hình thành các pha mactenxit, bainit, vitmantet ferit chịu sự chi phối bởi nhiệt độ lớn nhất và tốc độ nguội và là một trong các nguyên nhân làm giảm mạnh độ bền mối hàn (giải thích vùng ảnh hưởng nhiệt thép cacbon là vùng yếu nhất trong mối hàn)

iii) Tính toán đường phân bố nồng độ của cacbon tại vùng chuyển tiếp thép cacbon dựa trên mô hình của Darken Kết hợp với kết quả thực nghiệm, đã xác định được ảnh hưởng của sự khuếch tán tới tổ chức mối hàn như: hình thành vùng ferit phía thép cacbon và sự tiết cacbit phía kim loại mối hàn; hình thành vùng có độ cứng cao, vùng có độ cứng thấp hai bên biên giới nóng chảy là nguyên nhân xuất hiện tách lớp và nứt

iv) Đã xác định và giải thích sự xuất hiện các khuyết tật trong mối hàn ở nhiệt độ

6000C, 9000C

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu là lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trên cơ sở tổng hợp, đánh giá phân tích, chế tạo mẫu và xử lý kết quả thực nghiệm Luận án sử dụng các phần mềm tiên tiến và các thiết bị đánh giá kiểm tra hiện đại

Chương 4 Sự thay đổi tổ chức và tính chất của kim loại sau hàn

Chương 5 Sự thay đổi tổ chức và tính chất của kim loại trong điều kiện làm việc ở nhiệt

độ nâng cao

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Đặc điểm mối hàn hai vật liệu khác loại

1.1.1 Khái niệm chung

1.1.1.1 Khái niệm chung

Hàn hai vật liệu khác nhau là quá trình kết nối hai vật liệu có thành phần hóa học và cơ tính khác nhau tới trạng thái hàn (nóng chảy hoặc dẻo), sau đó kim loại kết tinh hoặc khuếch tán để tạo liên kết hàn Thông thường, hàn hai vật liệu khác loại là mối hàn nóng chảy Thành phần hóa học của điện cực thường khác so với thành phần của các kim loại cơ bản Khi đó, kim loại vùng nóng chảy sẽ là sự hòa trộn của kim loại điện cực và kim loại

cơ bản dẫn tới sự hình thành các vùng có tổ chức và cơ tính khác nhau gồm: vùng nóng chảy (hay còn được gọi là vùng vũng hàn hay vùng kim loại mối hàn), vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và vùng kim loại cơ bản Hình 1.1 là ví dụ về phân vùng tổ chức của mối hàn giữa thép không gỉ austenit 304 với thép cacbon sử dụng điện cực E309L-16

Hình 1.1 Mối hàn giữa thép không gỉ austenit 304 và thép cacbon

1.1.1.2 Quá trình hàn và điện cực hàn

Phương pháp hàn thường được lựa chọn dựa vào vật liệu hàn, yêu cầu kỹ thuật và điều kiện nhà máy Phương pháp hàn hồ quang tay (SMAW) được áp dụng tạo liên kết hàn giữa thép không gỉ 304 và thép cacbon trong các công trình xây dựng nhà máy nhiệt điện Thái Bình

Hàn hồ quang là quá trình ion hoá mãnh liệt lớp không khí giữa hai điện cực, bình thường lớp không khí không dẫn điện nhưng khi bị ion hoá sẽ dẫn điện tạo thành cột dẫn điện giữa hai cực gọi là cột hồ quang Hồ quang phát ra ánh sáng cường độ rất mạnh, nhờ nguồn nhiệt có nhiệt độ cao, tập trung, nhiệt độ trung tâm lên đến 5000 oC để nung chảy kim loại vùng hàn Sơ đồ hàn hồ quang tay xem trong hình 1.2

Ưu điểm của phương pháp này là:

- Thiết bị đơn giản, rẻ tiền, cơ động, phù hợp với sản xuất tại công trường

- Kim loại được bảo vệ dưới lớp xỉ nên không cần biện pháp phụ trợ

- Sản phẩm đa dạng, có thể hàn được nhiều loại kim loại khác nhau

- Có thể gia công nhiều chi tiết phức tạp mà các phương pháp gia công khác không thể thực hiện được

Thép không gỉ 304 Vùng kim loại mối hàn Thép cacbon

Vùng nóng chảy

HAZ HAZ

Hình 1.2 Hàn hồ quang tay: (a) sơ đồ tổng quát; (b) vùng kim loại mối hàn [1]

Điện cực hàn

Điện cực hàn trong hàn hồ quang tay (còn gọi là que hàn) ngoài nhiệm vụ duy trì hồ quang còn có nhiệm vụ bổ sung kim loại cho mối hàn Chiều dài điện cực thường là (250÷450) mm tùy thuộc vào đường kính Cấu tạo điện cực gồm hai phần: phần lõi của điện cực thường được làm bằng thép cacbon hoặc thép hợp kim tuỳ theo vật liệu hàn, phần thuốc bọc vỏ que hàn là hỗn hợp của các chất tạo xỉ và môi trường bảo vệ (hình 1.3)

Hình 1.3 Cấu tạo của điện cực nóng chảy

Trong mối hàn hai vật liệu khác loại, việc lựa chọn vật liệu điện cực có vai trò quan trọng quyết định tới chất lượng mối hàn Thông thường, thành phần của điện cực khác so với thành phần của kim loại cơ bản và phải đảm bảo độ bền cho mối hàn cũng như giảm khuyết tật trong quá trình hàn Giản đồ Schaeffler có thể được sử dụng để dự đoán tổ chức sau cùng của mối hàn dựa vào thành phần ban đầu của vật liệu, thành phần kim loại điện cực và tỉ lệ hòa trộn Hình 1.4 cho thấy điện cực dùng cho liên kết giữa thép không gỉ austenit 304 và thép cacbon là E309L-16 Tính toán này phù hợp với lựa chọn thực tế tại nhà máy nhiệt điện Thái Bình Lý giải cho việc sử dụng điện cực E309L-16 là:

- Giúp làm giảm số lớp trung gian trong quá trình hàn

- Làm giảm lớp mactenxit hình thành tại biên giới thép cacbon trong quá trình nguội khi hàn

- Giảm sự chênh lệch hệ số giãn nở nhiệt giữa thép không gỉ và thép cacbon

Thuốc bọc

Lõi

Nguồn Đầu kẹp điện cực

Que hàn Hướng hàn

Phôi hàn

Kim loại mối hàn

Xỉ

Hồ quang Khí

Vỏ que hàn Lõi que hàn

Giọt kim loại lỏng Dòng lưu thông

Vũng hàn Kim loại cơ bản

(a)

(b)

Hình 1.4 Giản đồ Schaeffler dùng để xác định điện cực hàn giữa thép cacbon và thép không gỉ

austenit 304 [1]

1.1.1.3 Sự phân vùng tổ chức mối hàn

Trong quá trình hàn, dưới nguồn nhiệt của hồ quang, kim loại điện cực và một phần kim loại cơ bản được nung nóng tới trạng thái lỏng, sau đó kim loại lỏng trong vùng này kết tinh để tạo liên kết hàn Tại các vùng lân cận, kim loại cơ bản không bị nung nóng chảy nhưng lại chịu ảnh hưởng của nhiệt độ và tốc độ nguội khác nhau dẫn tới tổ chức thay đổi

Để thuận lợi cho quá trình phân tích, mối hàn được phân chia thành các vùng như sau:

- Vùng nóng chảy: Là vùng kim loại được nung đến trạng thái lỏng hoàn toàn sau đó kết tinh tạo tổ chức mối hàn

- Vùng chảy lỏng không hoàn toàn (vùng chuyển tiếp): Là vùng nằm giữa kim loại mối hàn ở trạng thái lỏng và kim loại cơ bản ở trạng thái rắn Trong vùng này có sự hòa trộn giữa hai pha lỏng và rắn Tuy nhiên, sự phân chia vùng này chỉ mang tính chất tương đối

Ac1 và thu được hoàn toàn austenit khi nhiệt độ lớn hơn Ac3 với kích thước hạt austenit tăng khi tăng nhiệt độ Vùng chảy lỏng không hoàn toàn tồn tại pha rắn austenit và pha lỏng Nhiệt độ thép cacbon ở trạng thái lỏng hoàn toàn vào khoảng 1540 0C Như vậy, tổ chức tại các vùng khác nhau có thể dự đoán dựa vào tổ chức thu được khi biết nhiệt độ nung và tốc độ nguội

Mactenxit

A+M Austenit

ferit A+M+F

A+F 309L

Hình 1.5 Tổ chức của vùng ảnh hưởng nhiệt thép cacbon [1]

1.1.2 Các dạng khuyết tật khi hàn hai vật liệu khác loại

Hàn hai vật liệu khác loại gặp nhiều khó khăn hơn khi hàn hai vật liệu cùng loại Các nguyên nhân chủ yếu là:

- Sự chênh lệch về nhiệt độ nóng chảy và giới hạn hòa tan của kim loại;

- Sự chênh lệch về hệ số giãn nở nhiệt;

- Sự khác nhau về tính dẫn nhiệt của hai vật liệu;

- Sự khác nhau về hàm lượng nguyên tố hợp kim và sự hình thành các pha cứng, giòn trong quá trình hàn và trong điều kiện làm việc

Để trình bày các dạng khuyết tật phát sinh trong quá trình hàn và trong điều kiện làm việc, dưới đây chỉ trích dẫn các dạng khuyết tật sinh ra do sự thay đổi về mặt tổ chức Theo nghiên cứu của J c Lippold [2] có nhiều dạng khuyết tật thường gặp trong mối hàn giữa thép không gỉ austenit và thép cacbon Đó là nứt xảy ra trong quá trình kết tinh, nứt tại biên giới nóng chảy phía thép cacbon, các sai hỏng tại vùng HAZ phía thép cacbon Các sai hỏng này sẽ được trình bày cụ thể dưới đây

1.1.2.1 Khuyết tật trong vùng nóng chảy

Nứt trong quá trình kết tinh thường xảy ra tại vùng kim loại nóng chảy khi kết tinh từ thể lỏng sang thể rắn Hiện tượng nứt bị chi phối bởi tỉ lệ hòa trộn giữa kim loại điện cực

và kim loại cơ bản, sự thay đổi thành phần hóa học giữa các vùng và tỉ lệ các pha hình thành trong mối hàn Theo J c Lippold quá trình nứt thường xảy ra khi kim loại điện cực

là thép austenit Kim loại tại chân mối hàn hay các vị trí bị pha loãng nhiều bởi thép cacbon, tổ chức thu được là hoàn toàn austenit hoặc hàm lượng ferit thấp nên rất dễ xảy ra hiện tượng nứt Mặt khác, khi tăng tỉ lệ hòa trộn thép cacbon, tổ chức thu được gồm mactenxit trên nền austenit Các pha mactenxit rất cứng và dòn là nguyên nhân dẫn tới các vết nứt tế vi (hình 1.7) Vùng kim loại mối hàn của thép không gỉ,việc tăng hàm lượng δ-ferit dễ dẫn tới hiện tượng nứt nóng, giảm độ bền va đập hay giảm khả năng chống ăn mòn của vật liệu [2-6] Hàm lượng ferit quá cao, trong điều kiện làm việc trong khoảng nhiệt độ (600-800) 0C sẽ chuyển biến từ ferit thành pha sigma (hình 1.6) Pha sigma là pha giòn dễ gây nứt [7-9]

Nhiệt độ (0C) Vùng nóng chảy

Vùng chảy lỏng

không hoàn toàn

Vùng ảnh hưởng nhiệt Kim loại cơ bản

(a) (b)

Hình 1.6 (a) Sự hình thành pha σ tại vùng nóng chảy [32], (b) Nứt tại pha sigma [8]

Hình 1.7 Nứt tại kim loại mối hàn giữa thép không gỉ 304 và thép A36 sử dụng điện cực 309L [2]

1.1.2.2 Khuyết tật tại biên giới nóng chảy phía thép cacbon

Sự không đảm bảo liên kết hàn thường xảy ra dọc theo biên giới thứ II bên phía thép cacbon (hình 1.8) Nguyên nhân chính là do cacbit được tiết ra mạnh hoặc do sự tồn tại của hydro trong vùng hoàn toàn mactenxit ở biên giới nóng chảy [2] Hầu hết các sai hỏng này thường xảy ra trong quá trình nhiệt luyện hoặc trong điều kiện làm việc của mối hàn và rất khó xác định khi nào chúng sẽ xảy ra

Hình 1.8 Sai hỏng tại biên giới nóng chảy do không đảm bảo liên kết [2]

Nguyên nhân khác dẫn tới sai hỏng phải kể đến sự khuếch tán của cacbon từ kim loại cơ bản sang kim loại điện cực do gradient nồng độ các nguyên tố hợp kim Sự khuếch tán của

Nứt

Biên giới thứ II

Nứt

σ Pha σ

cacbon tạo ra các vùng có độ cứng chênh lệch nhau, dẫn tới vết nứt dễ hình thành tại mặt phân cách các vùng này (hình 1.9)

Hình 1.9 Nứt tại biên giới nóng chảy mối hàn giữa thép không gỉ 304 và thép A36 sử dụng điện

cực 309L [2]

1.1.2.3 Các dạng khuyết tật khác

Các sai hỏng khác thường tìm thấy tại vùng kim loại cơ bản của thép không gỉ (hình 1.10) Ví dụ như hiện tượng ăn mòn hay nứt do ăn mòn ứng suất xảy ra là do sự hình thành cacbit crom tại biên giới hạt [10-12] Hoặc sai hỏng tại vùng kim loại cơ bản thép cacbon

do tồn tại ứng suất nhiệt trong quá trình hàn

Hình 1.10 Nứt nóng vùng HAZ của mối hàn thép không gỉ Austenit [12]

1.2 Ứng dụng và điều kiện làm việc của mối hàn giữa thép không

gỉ austenit và thép cacbon

Ứng dụng rộng rãi nhất của mối hàn giữa thép không gỉ và thép cacbon là các kết cấu hoặc chi tiết trong các nhà máy hóa chất, nhiệt điện, dầu khí, đóng tàu Ví dụ, trong công nghiệp hóa chất, những bồn chứa axit thường được chế tạo hai lớp, lớp vật liệu bên trong là nơi tiếp xúc trực tiếp với hóa chất thường lựa chọn thép không gỉ để tránh bị ăn mòn trong thời gian dài, lớp vật liệu bên ngoài tiếp xúc với không khí là thép cacbon nhằm giảm giá thành sản phẩm Trong công nghiệp nhiệt điện, dầu khí, vị trí của mối hàn hai vật liệu khác loại thường tìm thấy tại ống dẫn khí thải ra môi trường bên ngoài Nhằm tiết kiệm chi phí, các ống nối làm việc trong không khí là thép cacbon thấp Một ví dụ khác trong công nghiệp đóng tàu, các tấm thép tại vị trí hạ xuồng cứu sinh luôn chịu mài mòn do sự cọ sát của thiết bị nên yêu cầu vật liệu có độ bền cao hơn so với các vị trí vỏ tàu khác Do vậy, tại đây vỏ tàu được thay thế bằng thép không gỉ nhằm nâng cao tuổi thọ làm việc Hình 1.11 đưa ra các loại vật liệu ứng dụng trong kết cấu lò phản ứng điện hạt nhân NPP Từ các ví

dụ trên đây nhận thấy rằng, vai trò của mối hàn giữa hai vật liệu khác loại nhằm tận dụng

Nứt tại biên giới

Nứt

ưu điểm của từng loại vật liệu (độ bền cao, tính chống ăn mòn tốt của thép không gỉ, tính kinh tế của thép cacbon) mà vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và khả năng làm việc của chi tiết

Mối hàn giữa thép không gỉ austenit 304 và thép cacbon trong kết cấu nhà máy nhiệt điện được lấy dẫn chứng về ứng dụng và điều kiện làm việc của mối hàn này

Trong nhà máy nhiệt điện, thép không gỉ austenit 304 được lựa chọn làm kết cấu tại các vùng có nhiệt độ làm việc cao do khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn Còn thép cacbon được chọn trong các kết cấu làm việc ở nhiệt độ thường Trên thực tế, mối hàn này thường

áp dụng tại vị trí lấy mẫu cho bao hơi của nồi hơi: đầu chờ vòi phun là vật liệu thép cacbon, ống nối là thép không gỉ austenit 304 (hình 1.12) hoặc hệ thống lấy mẫu cho đường ống mái với đầu chờ vòi phun là thép cacbon, ống kết nối là thép không gỉ austenit

304 (hình 1.13) hoặc hàn tấm chắn bụi phần mái lò hơi giữa vật liệu thép không gỉ austenit

304 với thép cacbon (hình 1.14, hình 1.15)

Hình 1.11 Các hợp kim được sử dụng trong điện hạt nhân NPP (CS: Thép cacbon, SS: Thép

không gỉ)[số liệu tại nhà máy]

Hình 1.12 Hàn đường lấy mẫu cho bao hơi, đầu chờ vòi phun là thép cacbon hàn với thép không

gỉ austenit 304

Ống nước cấp: CS

Hệ thống sơ cấp

600,405SS 308,309SS

Hình 1.13 Hàn hệ thống lấy mẫu cho đường ống mái với đầu chờ là thép cacbon kết nối với thép

600 0C Ngoài ra, mối hàn tại vị trí tấm chắn bụi phần buồng đốt cho lò hơi (hình 1.15) nhiệt độ lên tới 900 0C

Dựa theo nhiệt độ làm việc tối đa cho phép cho trong bảng 1.1, thép cacbon làm việc ở nhiệt độ nhỏ hơn 350 0C, thép không gỉ austenit nhiệt độ làm việc có thể lên tới 600 0C So sánh với điều kiện làm việc, thép cacbon làm việc ở nhiệt độ cao hơn mức độ cho phép, đặc biệt, tại vị trí tấm chắn bụi phần buồng đốt cho lò hơi (hình 1.15) nhiệt độ vƣợt quá mức cho phép 200 0C

Bảng 1.1 Nhiệt độ làm việc tối đa cho phép của các loại vật liệu (Số liệu từ nhà máy)

Loại vật liệu Mác vật liệu Dạng thành phẩm Nhiệt độ làm

việc tối đa 0 C

Thép cacbon

thấp

22К, ТУ 108-11-543-80, ГОСТ 5520-79

Tấm ống cán, vật kẹp gia cố

600

Thép hợp kim

Fe - Ni

Х20Н46Б, ТУ 1202.83

Chú ý

Nhiệt độ nóng

chảy (0C)

(1400 – 1450) 1510 Thép không gỉ austenit 304 yêu cầu nhiệt thấp

hơn thép cacbon để nung nóng chảy vật liệu

Từ tính Không có từ

tính ở tất cả nhiệt độ

Từ tính ở nhiệt độ

Hệ số giãn nở

nhiệt

9,8 6,5 Thép 304 giãn nở nhiệt và co lại nhanh hơn

thép cacbon, dẫn tới dễ gây cong vênh và ứng suất trong quá trình hàn

Nhận xét: Qua việc phân tích điều kiện làm việc, nhiệt độ và thời gian làm việc có ảnh hưởng trực tiếp tới tổ chức mối hàn Vậy sự thay đổi này theo chiều hướng xấu hay tốt? Điều này sẽ được làm sáng tỏ trong nội dung nghiên cứu của luận văn

1.3 Tình hình nghiên cứu về mối hàn hai vật liệu khác loại

1.3.1 Những nghiên cứu ngoài nước

Trước hết cần kể đến là các nghiên cứu về mối quan hệ giữa tham số đầu vào với tổ chức và tính chất của mối hàn Thông thường, các nghiên cứu này tiến hành thay đổi một trong các tham số công nghệ như phương pháp hàn, tham số hàn, điện cực hàn nhằm xem xét ảnh hưởng của chúng tới độ bền kéo, độ cứng và lựa chọn phương án tối ưu

Trong nghiên cứu [13] đã thay đổi tốc độ hàn (từ 250÷450 mm/s) và điện cực hàn (sử dụng ba điện cực GFW 304L, GFW 308L, GFW 316L) khi hàn thép không gỉ 304 và thép cacbon thấp Kết quả cho thấy ảnh hưởng của các tham số hàn tới độ bền, độ giãn dài tương đối, độ cứng sau cùng của sản phẩm Độ bền cao nhất đạt được là 275 MPa khi sử dụng điện cực GFW 304L, tốc độ 250 mm/s, cường độ 160 A; trong khi đó độ dãn dài tương đối cao nhất là 12,3 mm ứng với trường hợp sử dụng điện cực GFW 316L, tốc độ

250 mm/s, cường độ 140 A

Hình 1.16 Cơ tính của mối hàn a) điện cực GFW 304L, b) điện cực 308L [13]

Công trình [14] đưa ra ảnh hưởng của hai phương pháp GTAW và GMAW đến chất lượng mối hàn giữa thép không gỉ và thép cacbon Đặc biệt, nghiên cứu đã so sánh sự ăn

10.

5 11.5 12.5

mòn tại biên giới nóng chảy thép cacbon khi thay đổi phương pháp hàn Hình 1.17 là tổ chức tế vi tại vùng biên giới trong điều kiện ăn mòn mối hàn

Hình 1.17 Tổ chức tế vi của mối hàn sau khi ngâm trong vùng nước sâu trong 30 ngày [14]

Cùng sử dụng loại nhóm vật liệu này, các tác giả [15] nghiên cứu phương pháp hàn điểm ma sát để liên kết giữa thép không gỉ 302 và thép cacbon Tác giả đưa ra ảnh hưởng của hai tham số là cường độ dòng điện hàn và thời gian tác dụng lực tới tổ chức tế vi và cơ tính mối hàn (hình 1.18)

Hình 1.18 Tổ chức vùng hàn, CS: Thép cacbon, SS: Thép không gỉ [15]

Ngoài ra, các nghiên cứu khác đã thay đổi hiệu điện thế, tốc độ hàn, góc nghiêng điện cực hàn, đường kính điện cực hay chế độ gia nhiệt [16,17] Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu tổng quát nào chỉ ra đầy đủ ảnh hưởng của các tham số này tới chất lượng mối hàn do sự

đa dạng và số lượng thí nghiệm cần làm là rất lớn

Để khắc phục nhược điểm trên, các phần mềm chuyên dụng cho công nghiệp hàn được tạo ra giúp việc tối ưu hóa chế độ công nghệ hàn được thuận lợi hơn Do đó, các nghiên cứu liên quan đến mô phỏng truyền nhiệt hàn và ứng suất biến dạng cũng chiếm một số lượng lớn Các phần mềm thường được sử dụng phải kể đến Ansys, Sysweld

Hầu hết các phần mềm này dựa trên mô hình bài toán của Rosenthal và Rykalin [18,19]

và sau đó mở rộng ra với nhiều mô hình khác Quá trình truyền nhiệt trong khi hàn ngoài

sự dẫn nhiệt còn phải kể đến cả quá trình đối lưu và bức xạ nhiệt, dòng chuyển động của chất lỏng, sự biến dạng bề mặt tự do và các hiện tượng vật lý của hồ quang [20-24]

Các công trình [25,26] nghiên cứu truyền nhiệt giữa mối hàn AISI 1005 sử dụng phương pháp hàn GMAW Tác giả xây dựng mô hình phôi với sự phân bố nhiệt độ vùng hàn, sự tổn hao nhiệt độ ra môi trường xung quanh do quá trình đối lưu, bức xạ và sự dẫn nhiệt trong mối hàn Qua đó, tác giả dự đoán sự phân bố của các pha tinh thể khác nhau trong tổ chức tế vi của vật liệu hàn trong vùng nóng chảy và vùng ảnh hưởng nhiệt dưới các tham số của quá trình hàn GMAW (hình 1.19, hình 1.20)

Phương pháp hàn GMAW Phương pháp hàn TGAW

Hình 1.19 Mô hình lưới và trường nhiệt độ trong hàn GMAW [25]

Hình 1.20 So sánh các đường biên giới tại mối hàn giữa mô phỏng và thực nghiệm [26]

Các tài liệu [27-29] tập trung nghiên cứu các hiện tượng vật lý xảy ra khi hàn GMAW như: sự nóng chảy của điện cực, sự hình thành giọt kim loại lỏng, sự tiếp xúc và lan truyền của nó trong phôi Quá trình động học cũng như sự kết tinh của vũng hàn cũng được xem xét Qua đó tác giả đánh giá ảnh hưởng của các tham số này tới hình dạng sau cùng của liên kết hàn (hình 1.21)

Song song với các nghiên cứu về tối ưu hóa và mô phỏng, các nghiên cứu về sự chuyển pha, hình thành tổ chức trong mối hàn giữa hai vật liệu khác loại luôn chiếm một số lượng lớn và có vai trò quan trọng trong việc phân tích, đánh giá chất lượng mối hàn

M O H Amuda và S Mridha [30] và hầu hết các nghiên cứu khác đều phân chia tổ chức mối hàn thành ba vùng: vùng nóng chảy, vùng ảnh hưởng nhiệt và vùng kim loại cơ bản Tổ chức tế vi của các vùng này khác nhau và phụ thuộc vào tham số công nghệ hàn Trên hình 1.22 chỉ ra sự thay đổi tổ chức các vùng của mối hàn thép không gỉ ferit 430 (EN 1,4016) khi thay đổi cường độ dòng điện (50÷160 A) và tốc độ hàn (1÷3,5 mm/s)

Hình 1.22 Tổ chức tế vi ứng với hai chế độ hàn khác nhau FZ: Vùng nóng chảy, HAZ: Vùng

ảnh hưởng nhiệt, BM: Kim loại cơ bản [30]

Các tài liệu [2,31-40] tập trung vào quá trình kết tinh và sự hình thành δ-ferit trong vùng nóng chảy mối hàn Mô hình kết tinh, hình thái của δ-ferit cũng như hàm lượng của nó thường được dự đoán thông qua đồ thị Schaffle, Delong hay WRC-1992 kết hợp với thực nghiệm (dựa vào phầm mềm xác định tỉ phần pha) nhằm đánh giá ảnh hưởng của nó tới tổ chức và chất lượng mối hàn Ví dụ, hình 1.23 cho biết sự thay đổi hình thái của pha δ-ferit trong mối hàn giữa thép không gỉ và thép cacbon [34]

Hình 1.23 Hình thái của δ-ferit trong vùng nóng chảy của mối hàn hai vật liệu khác loại với sự

thay đổi số lớp hàn a) hàn 1 lớp, b) hàn 2 lớp, c) hàn 3 lớp [34]

Các công trình [41-43] tập trung nghiên cứu sự chuyển pha trong vùng HAZ của mối hàn Bên phía thép cacbon, đây thường được coi là vùng yếu nhất trong mối hàn do sự hình thành các mactenxit hoặc bainit là pha cứng và giòn, dẫn tới sự suy giảm độ bền của vùng này so với các vùng khác Bên phía thép không gỉ thường bị ăn mòn do quá trình tiết cacbit tại biên giới hạt, làm ảnh hưởng khá lớn tới chất lượng mối hàn Một số nghiên cứu chỉ ra nghiên cứu sự hình thành cacbit crom diễn ra trong mối hàn thép không gỉ 304 chứa 0,05

% cacbon Tác giả chỉ ra rằng, sự hình thành cacbit crom Cr23C6 trong khoảng nhiệt độ từ (600÷850) 0C và trên 1100 0C là TiC Tuy nhiên, nếu nguội nhanh thì cacbit crom sẽ không

đủ để tiết ra và vật liệu sẽ bão hòa cacbon tự do [44,45] Kết quả đƣợc nêu trên hình 1.24, hình 1.25

Hình 1.24 Ăn mòn ứng suất gần chân mối hàn 316L [45]

Hình 1.25 Đường cong đẳng nhiệt tiết pha cacbit crom trong thép không gỉ 304 [2] ]

Một điểm đáng chú ý trong mối hàn giữa hai vật liệu khác loại là sự hình thành vùng chuyển tiếp tại biên giới nóng chảy Do sự hòa trộn của kim loại điện cực vào kim loại mối hàn dẫn tới sự chênh lệch nồng độ của các nguyên tố hợp kim tại vùng chuyển tiếp Đây là một trong các nguyên nhân hình thành lớp mactenxit tại biên giới nóng chảy, đồng thời tạo

ra động lực thúc đẩy sự khuếch tán của cacbon từ phía có hàm lƣợng nguyên tố hợp kim thấp sang phía có hàm lƣợng nguyên tố hợp kim cao [46-50]

Hình 1.26 Đường nồng độ cacbon của mối hàn 1Cr/12Cr sau xử lý nhiệt ở 730 0 C trong 10 giờ

Không tiết cacbit M 23 C 6 :

1.3.2 Những nghiên cứu trong nước

Nghiên cứu của Vũ Đình Toại [51] nghiên cứu công nghệ hàn liên kết nhôm AA1100 và thép CCT38 dạng chữ T bằng quá trình hàn TIG Tác giả đã xây dựng chương trình tính toán thiết kế tối ưu liên kết hàn bằng phương pháp số, mô phỏng quá trình hàn để đánh giá khả năng liên kết và dự báo các khuyết tật có thể xảy ra Qua đó xây dựng mối quan hệ giữa năng lượng đường cấp vào vùng hàn với nhiệt độ cực đại tại các vị trí trên bề mặt tấm thép Vùng năng lượng đường phù hợp đối với liên kết hàn là q = (680÷720) (J/mm) Tác giả cũng tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của góc nghiêng mỏ hàn đến hiện tượng quá nhiệt và tìm ra với góc nghiêng mỏ hàn Ay = 200 là phù hợp nhất với liên kết này (hình 1.27)

Hình 1.27 (a) Trường nhiệt độ phân bố tức thời trong liên kết hàn nhôm – thép chữ T khi

liên kết giữa kim loại mối hàn và tấm nhôm AA1100 [51]

Cũng nghiên cứu đối với liên kết hàn giữa thép và nhôm [102] sử dụng phương pháp hàn nổ nhằm tìm ra công nghệ chế tạo vật liệu ba lớp thép – nhôm – hợp kim nhôm trong công nghiệp đóng tàu Tác giả cũng đưa ra được mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa các tham số công nghệ tới chất lượng độ bền bám kết khi hàn nổ

Các nghiên cứu khác trong nước xoay quanh bài toán tối ưu hóa công nghệ hàn tới chất lượng mối hàn trong hàn tự động dưới lớp thuốc, hàn ma sát khuấy [103]

1.3.3 Nhận xét về tình hình nghiên cứu

1.3.3.1 Các hướng nghiên cứu chính về mối hàn hai vật liệu khác loại

Qua phân tích tính hình nghiên cứu trong và ngoài nước, các hướng nghiên cứu chính

về hàn hai vật liệu khác loại được tổng kết dưới đây

1 Lựa chọn, tối ưu hóa vật liệu và phương pháp hàn

2 Truyền nhiệt, truyền chất trong quá trình hàn

3 Sự kết tinh, chuyển pha trong quá trình hàn

4 Xử lý nhiệt trước và sau khi hàn

1.3.3.2 Nhận xét về tình hình nghiên cứu trong nước

Công nghệ hàn là một trong các lĩnh vực không thể thiếu trong sự phát triển kinh tế của đất nước Những nghiên cứu liên quan cũng được các nhà khoa học quan tâm trong những năm gần đây nhằm làm chủ các công nghệ mới và cải thiện điều kiện sản xuất vốn có Các hướng nghiên cứu chính trong nước thường tập trung vào các vấn đề sau:

i) Nghiên cứu xoay quanh tối ưu hóa công nghệ hàn như: thay đổi phương pháp hàn, thay đổi tham số công nghệ hàn về cường độ dòng điện, hiệu điện thế, tốc độ hàn, tư thế hàn, môi trường bảo vệ

ii) Nghiên cứu về trường nhiệt độ và ứng suất biến dạng mối hàn qua việc ứng dụng các phần mềm chuyên sâu

Trên thực tế, cho tới nay chưa có một nghiên cứu chuyên sâu về sự thay đổi tổ chức tế

vi của mối hàn giữa hai loại vật liệu khác loại Điều này gây ra một số hạn chế sau:

- Do không hiểu rõ mối quan hệ “yếu tố công nghệ – tổ chức – tính chất” nên tổ chức mối hàn chưa đáp ứng được yêu cầu

- Hạn chế trong việc xử lý khuyết tật mối hàn trong thời gian làm việc, dẫn tới việc sửa chữa gây tốn kém

- Gặp nhiều khó khăn khi thực hiện các mối hàn áp dụng công nghệ mới hoặc thay đổi vật liệu và điện cực

1.3.3.3 Xu hướng nghiên cứu về công nghệ hàn

Công nghệ hàn ra đời từ rất lâu nhưng những nghiên cứu về nó vẫn rất được quan tâm

và ngày càng mở rộng trên nhiều lĩnh vực áp dụng với nhiều hệ vật liệu khác nhau Xu hướng nghiên cứu trên thế giới có thể tổng kết như sau :

1 Mở rộng trên nhiều hệ vật liệu

2 Nghiên cứu công nghệ hàn tiên tiến

3 Nghiên cứu tổ chức, cơ tính vật liệu sau hàn ở trạng thái vi mô

4 Đánh giá ứng xử vật liệu mối hàn trong các điều kiện làm việc

1.4 Tóm tắt chương 1

Hàn hai vật liệu khác loại khó đảm bảo yêu cầu kỹ thuật hơn so với hàn hai vật liệu cùng loại do sự khác nhau về thành phần hóa học và tính chất vật lý Điều này dẫn tới khó khăn trong việc xác định công nghệ hàn cũng như biện pháp phụ trợ, xử lý trước và sau khi hàn

Sự thay đổi tổ chức tế vi, tính chất cũng như sự hình thành khuyết tật ảnh hưởng trực tiếp từ tham số công nghệ hàn và tiếp tục thay đổi trong điều kiện làm việc Việc nắm được quy luật thay đổi có ý nghĩa quan trọng trong việc phân tích, đánh giá và làm chủ quy trình công nghệ

Các nghiên cứu trong nước về công nghệ hàn, đặc biệt là nghiên cứu sâu về mặt tổ chức còn rất hạn chế Đố là một trong các nguyên nhân dẫn tới việc lệ thuộc vào công nghệ hàn của nước ngoài

Cu4

Mo6

Mn2

P15

Ni4

V3

CrC

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới sự thay đổi tổ chức tế vi và tính chất của mối hàn giữa thép không gỉ austenit với thép cacbon

Tính hàn của thép là khả năng kim loại đó cho liên kết hàn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật

trong các điều kiện công nghệ, thiết bị xác định

Chỉ số cacbon tương đương để đánh giá tính hàn là:

(2.1)

Thép cacbon và thép hợp kim thấp có tính hàn tốt, được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất Khi phần trăm cacbon thấp, tổ chức thu được là ferit và peclit (hoàn toàn không có xementit phân tán), do vậy chất lượng mối hàn đạt được cao Khi phần trăm cacbon tăng, việc hình thành xementit tăng dẫn đến tiết pha riêng, làm giảm tính hàn Trên thực tế, với thép có < 0,4 % C có tính hàn tốt nhất

Nếu trong thép có các nguyên tố hợp kim sẽ làm tốc độ nguội tới hạn giảm dẫn đến trong tổ chức mối hàn dễ xuất hiện mactenxit, gây giòn và dễ nứt liên kết hàn

2.1.1.2 Thép không gỉ austenit

Thép không gỉ austenit là thép có cho thêm các nguyên tố mở rộng vùng γ (nguyên tố Ni), do đó thép có tổ chức γ ngay ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ thường Thành phần chủ yếu của thép không gỉ austenit có hàm lượng cacbon thấp là >16 % Cr, (8÷10) % Ni, 0,035 %

P, 0,02 % S, ngoài ra còn có các nguyên tố khác như Ti, Mn, Si …

So với thép cacbon, thép không gỉ có tính hàn kém hơn nhiều Độ dẫn nhiệt, độ giãn nở nhiệt và điện trở suất có ảnh hưởng đáng kể đến tính hàn của thép không gỉ Vì hệ số giãn

nở nhiệt khá cao và độ dẫn nhiệt thấp của thép không gỉ mà kĩ thuật hàn thép không gỉ nhằm giảm biến dạng sẽ phức tạp hơn khi hàn các loại thép khác Do độ dẫn nhiệt kém nên năng lượng đường cần thiết để hàn thép không gỉ thấp hơn thép cacbon (xem bảng 1.2) Mặc dù thép không gỉ austenit được coi là có tính hàn tương đối tốt so với các loại thép không gỉ khác, tuy nhiên do chịu ảnh hưởng của việc hợp kim hóa bằng nhiều nguyên tố và

sự tác động của các yếu tố khác nhau trong quá trình hàn nên vẫn xảy ra một số vấn đề sau [2,52]:

- Nứt nóng mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt

- Giòn kim loại mối hàn khi làm việc ở nhiệt độ cao

- Suy giảm cơ tính thép không gỉ austenit do hệ số dãn nở nhiệt lớn

- Phá hủy liên kết hàn thép không gỉ austenit do ăn mòn tinh giới

- Phá hủy liên kết hàn thép không gỉ austenit do ăn mòn dưới ứng suất

Do đó, để đảm bảo chất lượng mối hàn thép không gỉ đòi hỏi phải có công nghệ phù hợp, như lựa chọn điện cực hàn, chế độ hàn cũng như chế độ gia nhiệt, xử lý nhiệt sau hàn

2.1.2 Nguồn nhiệt hàn

Tương quan giữa nhiệt độ của vật hàn và thời gian có thể được biểu diễn về mặt lý thuyết thông qua phân tích truyền nhiệt trong quá trình hàn Sự truyền nhiệt của vật hàn bao gồm nhiều hiện tượng phức tạp như đối lưu, bức xạ, dẫn nhiệt và chuyển động của dòng kim loại lỏng Việc tìm hiểu quá trình này đòi hỏi giải các phương trình vi phân truyền nhiệt sử dụng phương pháp số như sai phân hữu hạn hoặc phần tử hữu hạn bằng sự

hỗ trợ của các phần mềm máy tính [1,53, 54] Quá trình truyền nhiệt ở đây có thể được chia làm hai giai đoạn Giai đoạn một xét tới đặc điểm của hồ quang hàn và sự chuyển động của phần tử trong giọt kim loại lỏng tính từ lúc hình thành cho tới khi va chạm vào kim loại cơ bản [55-59] Giai đoạn hai là quá trình truyền nhiệt từ nguồn nhiệt (tâm mối hàn) ra môi trường xung quanh [60-65]

2.1.2.1 Khái niệm nguồn nhiệt

Nguồn nhiệt trong quá trình hàn hồ quang là vị trí có nhiệt độ lớn nhất, thường được coi

là trung tâm của mối hàn

Đối với các mối hàn giáp mối, nguồn nhiệt chạy dọc theo trục của mối hàn (coi là nguồn nhiệt đường tức thời) làm nóng chảy kim loại điện cực và kim loại cơ bản tạo thành vũng hàn Lúc này coi nguồn nhiệt được phân bố đều trên toàn bộ chiều dài vật hàn Nhiệt của nguồn nhiệt được truyền theo hai hướng: theo phương vuông góc với chiều chuyển động của nguồn nhiệt hàn (Oy) và xuyên qua kim loại (Oz)

Nguồn nhiệt hàn được đánh giá thông qua các tham số công nghệ hàn gồm: cường độ dòng điện, hiệu điện thế, tốc độ hàn Giá trị được dùng để đánh giá lượng nhiệt cung cấp trong suốt quá trình hàn được gọi là năng lượng đường (qd) Năng lượng đường là năng lượng trên một đơn vị chiều dài, được đo bằng tỷ số giữa công suất nhiệt hiệu dụng của nguồn hồ quang Q với tốc độ di chuyển của nguồn nhiệt hàn v Đây là thông số quan trọng của chế độ hàn để đánh giá chu trình nhiệt hàn đối với kim loại cơ bản và kim loại đắp

Xét sự di chuyển của nguồn nhiệt hàn dọc theo chiều âm của trục x với tốc độ v Nếu bỏ qua giai đoạn đầu và kết thúc mối hàn thì nguồn nhiệt chuyển động trên phôi với chiều dài vừa đủ là ổn định Hay nói một cách khác, sự phân bố nhiệt độ và hình học của vũng hàn là không đổi theo thời gian (hình 2.1)

Phương trình Rodenthal được biểu diễn cho tấm dày và tấm mỏng

* Xét đối với tấm dày:

Hình 2.1 Hệ tọa độ của nguồn nhiệt [1]

Chiều dày của vật hàn có ảnh hưởng đáng kể tới sự phân bố nhiệt của nguồn nhiệt hàn Ta xét phương trình Rosenthal cho hai trường hợp sau:

* Xét với tấm mỏng, lúc này dòng nhiệt theo chiều dày của phôi là rất nhỏ, có thể

bỏ qua

Hình 2.2 Sự chuyển động của nguồn nhiệt khi xét với tấm mỏng [1]

Phương trình biểu diễn sự phân bố nhiệt độ có dạng:

T0: Nhiệt độ của phôi trước khi hàn (0C)

Q: Công suất nhiệt hiệu dụng của nguồn hồ quang (J)

d

a: Hệ số khuếch tán nhiệt (m2/s)

ρ: Khối lượng riêng (kg/m3

) c: Nhiệt dung riêng (J/(kg.K)

t: Thời gian (s)

r : Là khoảng cách bán kính tính từ tâm Ta có r = (x2

+y2)1/2 (m)

Phương trình trên có thể sử dụng để tính nhiệt độ T(x,y) tại bất cứ điểm nào trên phôi (x,y)

ứng với sự di chuyển của nguồn nhiệt

* Đối với tấm dầy, phương trình phân bố nhiệt được coi là nghiệm cho nguồn nhiệt

đường có dạng như sau:

Trong đó:

r: là khoảng cách tính theo bán kính từ tâm, r = (x2+y2+z2)1/2

Hình 2.3 Sự chuyển động của nguồn nhiệt trong tấm dày [1]

Như vậy, với công thức 2.3 và 2.4 có thể xây dựng đường cong chu trình nhiệt và đường cong đẳng nhiệt của quá trình hàn hồ quang đối với tấm mỏng và tấm dày

Trong quá trình tính toán trường nhiệt độ cho quá trình hàn, phương trình Rosethal được được áp dụng Tuy nhiên, như phân tích ở trên, phương trình Rosenthal áp dụng cho cả tấm mỏng và cho tấm dày Do vậy, để lựa chọn phương trình phù hợp cần xác định chiều dày danh nghĩa của phôi hàn dc Giá trị này phụ thuộc vào thông số hàn cũng như đặc tính của vật liệu Nếu d < dc sử dụng công thức Rosenthal cho tấm mỏng, nếu d > dc sử dụng công thức Rosenthal cho tấm dày

Công thức tính chiều dày danh nghĩa dc :

di chuyển của nguồn nhiệt và có tọa độ x thay đổi Khi nguồn nhiệt di chuyển với tốc độ không đổi v, chu trình nhiệt tại các điểm M được mô tả như sau: điểm M1 (x1,4,0) được

Nguồn nhiệt, Q

nung nóng tới nhiệt độ lớn nhất (Tp), sau đó nhiệt độ giảm dần về tới nhiệt độ môi trường

T0 Đến điểm M2 (x2,4,0) quá trình nung nóng làm nguội cũng được diễn ra tương tự Quá trình cứ tiếp tục lặp lại tương tự với từng vị trí điểm nằm trên đường thẳng song song với trục Oy và đi qua điểm M Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ - thời gian tại từng

vị trí xác định gọi là chu trình nhiệt (thermal cycles) Từ phương trình của Rosenthal có thể xác định được được chu trình nhiệt tại các điểm trên vật hàn bằng mối quan hệ giữa quãng đường dịch chuyển của que hàn x và tốc độ V, t = (x – 0)/V Ngoài ra, đường tập hợp tất cả

các điểm có nhiệt độ bằng nhau tại một thời gian xác định ta gọi là các mặt đẳng nhiệt

(a)

(b)

Hình 2.4 Kết quả tính toán từ phương trình Rosenthal cho tấm dày [15] (a) Chu trình nhiệt, (b)

các đường đẳng nhiệt Ứng với tốc độ hàn 2,4 mm/s, năng lượng đường 3200 W, vật liệu thép

cacbon thấp [1]

2.1.2.2 Ảnh hưởng của nguồn nhiệt tới tổ chức mối hàn

Nguồn nhiệt hàn ảnh hưởng tới sự hình thành tổ chức trong mối hàn Nguồn nhiệt hàn được đánh giá thông qua năng lượng đường qđ và giá trị này phụ thuộc vào các tham số hàn như công thức (2.2) Kou và Le [1] chỉ ra rằng, khi năng lượng đường tăng, hình dáng của vũng hàn sẽ bị kéo dài hơn, chuyển từ dạng elip sang dạng giọt nước và sự thay đổi hình dáng này cũng khác nhau đối với từng loại vật liệu Năng lượng đường còn ảnh hưởng đáng kể tới tổ chức vùng kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt Trong mối hàn thép không gỉ austenite 202, khi năng lượng đường nhỏ, δ-ferit trong vùng kim loại mối hàn có kích thước nhỏ, khoảng cách giữa các nhánh cây nhỏ; ngược lại nếu năng lượng đường lớn, ferit dạng nhánh cây sẽ kéo dài hơn và khoảng cách giữa các nhánh cây rộng hơn [66] Trong vùng ảnh hưởng nhiệt, năng lượng đường càng lớn thì bề rộng vùng ảnh hưởng nhiệt

càng lớn Kích thước của các hạt trong vùng này cũng tỉ lệ thuận với năng lượng đường [67,68] Đối với ảnh hưởng của năng lượng đường tới cơ tính của mối hàn, có nhiều quan điểm khác nhau được đưa ra [69-75] Một số nghiên cứu chỉ ra rằng, khi năng lượng đường tăng thì độ cứng tế vi trong vùng kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt tăng, độ bền kéo tăng, độ dai va đập giảm Tuy nhiên, trong một vài trường hợp, độ cứng, độ bền kéo lại giảm khi tăng năng lượng đường Nguyên nhân là do sự hình thành cacbit, hoặc tạo ra các pha giòn, kém bền trong vùng ảnh hưởng nhiệt của vật liệu

Việc xác định chu trình nhiệt, đường cong nhiệt độ lớn nhất có vai trò quan trọng trong việc tính toán tốc độ nguội, bề rộng vùng ảnh hưởng nhiệt cũng như dự đoán được tổ chức trong vùng HAZ của mối hàn

Nhiệt độ tối đa là nhiệt độ lớn nhất tại từng vị trí trên vùng HAZ đạt được trong suốt quá trình hàn Từ phương trình Rossenthal, nhiệt độ tối đa tại từng điểm được xác định bằng cách tìm cực trị của phương trình (2.6) đối với tấm mỏng và phương trình (2.7) đối với tấm dày

- Với tấm mỏng (2D):

1/ 2 0

Tốc độ nguội là đại lượng đặc trưng cho sự giảm nhiệt độ theo thời gian

Tốc độ nguội có ảnh hưởng trực tiếp tới tổ chức tế vi và tính chất sau cùng của vật liệu Hầu hết các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi tốc độ nguội tăng thì độ cứng cũng tăng [76-78] nhưng đồng thời làm giảm độ dai va đập của thép [64] và làm ảnh hưởng tới khả năng chống ăn mòn của thép [95] Tùy thuộc vào hàm lượng cacbon trong thép, khi tốc độ nguội thay đổi thì tổ chức thu được trong mối hàn thay đổi từ mactenxit, bainit trên và ferit hình kim Ví dụ, khi nguội trong nước muối, tốc độ nguội lớn, tổ chức đạt được là mactenxit; ngược lại khi làm nguội trong không khí tổ chức đạt được chủ yếu là ferit Tốc độ nguội còn làm thay đổi hàm lượng pha bainit hình thành trong thép Hàm lượng tổ chức bainit đạt được (10 20) % trong thép 0,13C0,85Mn và từ (20 55) % trong thép 0,12C1,34Mn khi tốc độ nguội biến đổi trong khoảng (70 130) K/s [79]

Đường nguội trong quá trình hàn được coi là quá trình nguội liên tục Tốc độ nguội trong khoảng nhiệt độ từ (800 500) 0C là không đổi Để xây dựng mối quan hệ giữa tốc

độ nguội và tổ chức các pha đạt được trong quá trình hàn, ta sử dụng đường cong động học chuyển biến khi làm nguội liên tục (CCT)

Hình 2.5 là đường cong CCT của thép 0,2 %C Xuất phát điểm của đường nguội ở nhiệt

độ gần 900 0C Nhiệt độ bắt đầu chuyển biến của austenit vào khoảng (730 750) 0

C Sản phẩm thu được tùy thuộc vào tốc độ nguội

Hình 2.5 Giản đồ CCT của thép 0,2 %C [80]

Nếu tốc độ nguội rất chậm, nhỏ hơn 2 0C/s, tổ chức thu được tương đương với giản đồ trạng thái Fe-C ở điều kiện cân bằng, gồm ferit + peclit;

Nếu tốc độ nguội trong khoảng từ (2 10) 0

C/s, peclit tạo ra có độ hạt nhỏ hơn gọi là bainit Lúc này tổ chức là ferit + peclit + bainit;

Nếu tốc độ nguội lớn hơn 10 0C/s mactenxit xuất hiện trong tổ chức kim loại mối hàn Mactenxit được hình thành khi nhiệt độ nhỏ hơn Ms (với thép 0,2 %C, Ms = 410 0C) Khi tốc độ nguội lớn hơn 100 0C/s tổ chức thu được là mactenxit + ferit

Từ ví dụ về giản đồ CCT đã cho thấy tổ chức tế vi ở các vùng khác nhau của vùng ảnh hưởng nhiệt có thể dự đoán được nếu biết được tốc độ nguội tương ứng tại đó Tuy nhiên, quá trình nung nóng và làm nguội trong quá trình hàn cao hơn so với quá trình nhiệt luyện nên các nhiệt độ chuyển biến thường cao hơn so với giản đồ

Tốc độ nguội của quá trình hàn được xác định theo công thức sau

Đối với tấm mỏng:

2

3 02

B+M F+B+M

2.2 Giản đồ pha của vật liệu cần hàn

2.2.1 Giản đồ pha thép cacbon

2.2.1.1 Giản đồ Fe-C

Giản đồ trạng thái Fe-C được xây dựng như trên hình 2.7

Giản đồ Fe-C biểu diễn các tổ chức pha ở trạng thái cân bằng khi thay đổi thành phần và nhiệt độ

Trong nghiên cứu này, thép cacbon thấp có 0,18 %C, tổ chức tế vi ở nhiệt độ thường sẽ

là peclit và ferit Khi tiến hành nung ở nhiệt độ lớn hơn 7270C (Ac1), peclit sẽ chuyển biến thành ausenit Khi nung ở nhiệt độ lớn hơn Ac3 thu được hoàn toàn austenit Pha delta ferit hình thành ở nhiệt độ lớn hơn 13900C và thép cacbon ở trạng thái lỏng khi nung ở nhiệt độ xấp xỉ lớn hơn 14100C

Nhân lực

Hình 2.7 Giản đồ trạng thái Fe - C

2.2.1.2 Đường cong động học chuyển biến khi làm nguội đẳng nhiệt (TTT) và

đường cong động học chuyển biến khi làm nguội liên tục (CCT)

Đồ thị TTT (là chữ viết tắt của ”time temperature transformation” hay còn được gọi là

”isothermal transformation diagram”) dùng để xác định chuyển biến từ austenit thành peclit theo thời gian khi làm nguội đẳng nhiệt Hình 2.8 chỉ ra giản đồ TTT của thép trước cùng tích

Đồ thị có hình dạng chữ C, trong đó đường đầu tiên là đường bắt đầu chuyển biến và đường thứ hai là đường kết thúc chuyển biến từ austenit thành peclit Đường nét đứt chữ C

ở giữa chỉ thời điểm quá trình chuyển biến xảy ra được 50 % Trên đồ thị ta thấy, khi làm nguội đẳng nhiệt austenit, tùy thuộc vào hình dáng và độ hạt của peclit ta phân chia thành các sản phẩm khác nhau như peclit, xoocbit, trustit và bainit Ngoài ra, khi tiến hành nguội nhanh, tốc độ nguội lớn hơn tốc độ nguội tới hạn (tốc độ nguội tới hạn là đường tiếp xúc với đường cong bắt đầu chuyển biến thành peclit) thì sẽ xảy ra chuyển biến mactenxit Chuyển biến này xảy ra trong khoảng nhiệt độ từ Ms đến Mf

Đồ thị đường cong CCT (continuous cooling transformation) được dùng để xác định chuyển biến của austenit thành peclit khi làm nguội liên tục Hình 2.5 chỉ ra đường cong CCT cho thép cacbon

Cũng tương tự đồ thị TTT, đồ thị CCT có đường bắt đầu và kết thúc quá trình chuyển biến Tuy nhiên, sự hình thành các pha phụ thuộc vào tốc độ nguội của vật liệu Ví dụ trên hình 2.5 chỉ ra mối quan hệ giữa sự hình thành các pha theo tốc độ nguội Khi nguội chậm (vng < 10 0C/s), sản phẩm thu được là ferit + peclit hoặc ferit + peclit + bainit Với tốc độ nguội lớn hơn 10 0C/s sẽ có chuyển biến từ austenit thành mactenxit, sản phẩm thu được có thể là ferit, peclit, bainit và mactenxit

C

A

H

Hình 2.8 Đồ thị TTT cho thép trước cùng tích [81]

2.2.1.2 Ứng dụng các giản đồ pha trong quá trình hàn thép cacbon

Giản đồ pha Fe-C và đường cong động học chuyển biến khi làm nguội liên tục (CCT) là công cụ trong việc xác định các pha và các chuyển biến xảy ra trong quá trình nhiệt luyện thép cacbon Tuy nhiên vẫn có thể được sử dụng trong quá trình hàn với một số điểm chú ý sau: Thứ nhất, nhiệt độ đạt được trong khi hàn tại vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) có thể đạt được 1500 0C, trong khi đó nhiệt độ lớn nhất của quá trình nhiệt luyện là 900 0

C, không lớn hơn nhiều so với nhiệt độ tới hạn A3 để austenit được hình thành Thứ hai, tốc độ nguội của quá trình hàn là rất cao, thời gian duy trì trên A3 rất ngắn, còn đối với quá trình nhiệt luyện, tốc độ nung thấp hơn nhiều và thời gian duy trì trên A3 lâu hơn Nhiệt độ A1 và A3 trong khi nung thường được gọi là Ac1 và Ac2 Nguyên nhân mà Ac1, Ac3 khi nung cao hơn

so với nhiệt độ ở trạng thái cân bằng A1 và A3 vì khi tốc độ nung tăng thì nhiệt độ tới hạn cũng tăng theo Theo quan điểm của động lực học, chuyển biến pha yêu cầu cần có sự chênh lệch nồng độ các chất và thời gian để diễn ra quá trình khuếch tán Do vậy, trong quá trình hàn, do tốc độ nung rất nhanh, sự chuyển biến pha có thể không xảy ra ở nhiệt độ

A1 và A3 mà tại nhiệt độ lớn hơn là Ac1 và Ac3 Đối với thép có chứa một khối lượng các nguyên tố hình thành cacbit (V, W, Cr, Ti, Mo), do tốc độ khuếch tán của các nguyên tố này thấp hơn so cacbon nên nó cản trở sự khuếch tán của cacbon

Trong khi hàn, do sự kết hợp giữa tốc độ nung nóng cao và thời gian giữ nhiệt trên Ac3nên austenit được hình thành sẽ không đồng đều Kết quả là, độ cứng tế vi của HAZ thay đổi trên một khoảng khá rộng Bên cạnh đó, tại vùng gần biên giới hạt phát triển nhanh do nhiệt độ cao, do vậy cơ tính của vùng này rất thấp

2.2.2 Giản đồ pha thép không gỉ

2.2.2.1 Giản đồ pha thép không gỉ

Để tìm hiểu quá trình chuyển biến pha cũng như các pha ổn định thu được sau quá trình hàn cần phải dựa vào các giản đồ pha ở trạng thái cân bằng Đối với thép không gỉ austenit, giản đồ pha có dạng ba nguyên Fe-Cr-Ni Tuy nhiên cần chú ý rằng, các giản đồ này chỉ có