LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Vật liệu “Nghiên cứu biến đổi tổ chức tính chất q trình hàn thép khơng gỉ với thép cacbon” cơng trình nghiên cứu thực hiện, dƣới hƣớng dẫn khoa học PGS TS Phạm Mai Khánh TS Nguyễn Đức Thắng Các số liệu kết đƣợc trình bày luận án hồn tồn trung thực chƣa đƣợc tác giả khác công bố dƣới hình thức Các thơng tin trích dẫn đƣợc ghi rõ nguồn gốc Tôi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Hà Nội, ngàytháng Giáo viên hướng dẫn Lê Thị Nhung i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc chân thành tới hai thầy giáo PGS TS Phạm Mai Khánh TS Nguyễn Đức Thắng tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn tơi suốt thời gian thực luận án Tôi xin cảm ơn tới Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu tạo điều kiện thuận lợi cho thời gian học tập trƣờng Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Bộ môn Vật liệu Công nghệ đúc – Viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu – Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện động viên suốt thời gian sinh hoạt chuyên môn Bộ mơn Đồng thời, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn tới trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam, Viện Cơ khí – Bộ mơn Cơng nghệ Vật liệu tạo điều kiện tốt cho thời gian làm nghiên cứu sinh Cuối cùng, muốn cảm ơn gia đình tơi, ln bên cạnh động viên tinh thần giúp tơi vƣợt qua khó khăn để hoàn thiện luận án Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Nghiên cứu sinh Lê Thị Nhung ii 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 CHƢƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Đặc điểm mối hàn hai vật liệu khác loại 1.1.1 Khái niệm chung 1.1.2 Các dạng khuyết tật hàn hai vật liệu khác loại 1.2 Ứng dụng điều kiện làm việc mối hàn thép không gỉ austenit thép cacbon .8 1.3 Tình hình nghiên cứu mối hàn hai vật liệu khác loại 12 1.3.1 Những nghiên cứu nƣớc 12 16 1.3.2 Những nghiên cứu nƣớc 17 1.4 Tóm tắt chƣơng 17 1.4.1 Các hƣớng nghiên cứu mối hàn hai vật liệu khác loại 17 1.4.2 Nhận xét tình hình nghiên cứu nƣớc 17 1.4.3 Xu hƣớng nghiên cứu công nghệ hàn 18 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 19 2.1 Các yếu tố ảnh hƣởng tới thay đổi tổ chức tế vi tính chất mối hàn thép khơng 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 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 chuyển pha vùng nóng chảy mối hàn 32 iii 2.3.1 Mơ hình kết tinh 32 2.3.2 Ảnh hƣởng pha δ-ferit tới tính mối hàn 34 2.3.3 Cơ chế hình thành ferit mối hàn 34 2.3.4 Dự đoán hàm lƣợng δ-ferit mối hàn thép không gỉ austenit 35 2.4 Chuyển biến pha vùng HAZ thép cacbon 37 2.5 Chuyển biến pha vùng HAZ thép không gỉ 39 2.5.1 Sự lớn lên 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 vùng chuyển tiếp mối hàn thép không gỉ austenit thép cacbon 40 2.7 Cơ sở lý thuyết mơ hình khuếch tán cacbon austenit 43 2.7.1 Khái niệm chung .43 2.7.2 Cơ sở lý thuyết khuếch tán cacbon vùng pha austenit mối hàn hai vật liệu khác loại 44 2.7.2 Mơ hình tốn .47 2.8 Tóm tắt chƣơng 48 CHƢƠNG 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 quy trình hàn 52 3.2.2 Quy trình cắt mẫu 53 3.3 Quy trình đo nhiệt độ trình hàn .54 3.4 Q trình thí nghiệm nhiệt độ nâng cao .55 3.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 55 3.5.1 Tính tốn nhiệt động học, xây dựng giản đồ TTT 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 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT A: Mơ hình kết tinh A thép khơng gỉ austenit AF: Mơ hình kết tinh AF thép không gỉ austenit A1, A2: Hằng số a: Hệ số khuếch tán nhiệt ac: Hoạt tính cacbon αθ ac : Hoạt tính cacbon mặt phân pha α/θ θα ac : Hoạt tính cacbon mặt phân pha θ/α B1, B2: Hằng số CCT: Giản đồ chuyển biến nguội liên tục Ctđ: Crom tƣơng đƣơng * Ci , Ci : Nồng độ chất i pha lỏng nồng độ danh nghĩa chất i c: Nhiệt dung riêng D: Hệ số khuếch tán Dik: Độ khuếch tán nguyên tố i dƣới ảnh hƣởng gradient nguyên tố k Dα: Hệ số khuếch tán cacbon α Dθ: Hệ số khuếch tán cacbon θ d: Chiều dày mẫu hàn dc: Chiều dày danh nghĩa F: Mơ hình kết tinh F thép khơng gỉ austenit FA: Mơ hình kết tinh FA thép không gỉ austenite G: Gradient nhiệt độ G1: Năng lƣợng tự hợp kim giàu B G2: Năng lƣợng tự hợp kim giàu A G3: Năng lƣợng tự ban đầu hợp kim sau liên kết thành khối G4: Năng lƣợng tự hợp kim đồng A – B GMAW (Gas Metal Arc Welding): Hàn hồ quang với khí bảo vệ HAZ (Heat affected – zone): Vùng ảnh hƣởng nhiệt I: Cƣờng độ dòng điện Ji: Dòng chuyển động nguyên tử i k: Hệ số chia phần K1, K2, K3, K4: Hệ số qđ: Năng lƣợng đƣờng Q: Công suất hiệu dụng hồ quang mi: Độ dốc đƣờng lỏng theo giản đồ pha Nitđ: Niken tƣơng đƣơng R: Hằng số khí r: Khoảng cách từ vị trí xét tới nguồn nhiệt hàn SMAW (Shielded Metal Arc Welding): Hàn hồ quang tay T: Nhiệt độ TTT: Đƣờng cong động học chuyển biến làm nguội đẳng nhiệt t: Thời gian U: Hiệu điện vii v: Tốc độ hàn vng: Tốc độ nguội x: Nồng độ cacbon α x : Nồng độ cacbon α β x : Nồng độ cacbon θ α0 x : Nồng độ cacbon ban đầu α θ0 x : Nồng độ cacbon ban đầu θ αθ x : Nồng độ cacbon α điều kiện cân với θ mặt phân cách θα x : Nồng độ cacbon θ điều kiện cân với α mặt phân cách y: tỉ số mol ym: Tỉ số mol sắt nguyên tử thay yc: Tỉ số mol cacbon z: Khoảng cách cacbon so với mặt phân cách α: Vùng cacbon hoạt tính cao mặt phân cách β: Vùng cacbon hoạt tính thấp mặt phân cách cho mối nối ferrite ΔT: Độ nguội ΔHm: Ẩn nhiệt nóng chảy 0 ΔT8-5: Thời gian nguội từ 800 C đến 500 C γ-gr G C: Năng lƣợng tự Gibb cacbon chuyển đổi cấu trúc từ γ sang graphit ϵij: Hệ số phản ứng qua lại Wagner nguyên tử i j λ: Hệ số dẫn nhiệt µ: Hóa µ0: Hóa trạng thái tiêu chuẩn µαθ: Hóa cacbon mặt phân cách α/θ µθα: Hóa cacbon mặt phân cách θ/α Г: Hệ số hoạt tính cacbon Гi: Hệ số hoạt tính nguyên tử i Гα: Hệ số hoạt tính cacbon vùng α mối hàn Гθ: Hệ số hoạt tính cacbon vùng θ mối hàn η: Hiệu suất nhiệt θ: Vùng cacbon hoạt tính thấp mặt phân cách cho mối nối austenit θ’: Góc tiếp xúc mầm kim loại ρ: Khối lƣợng riêng γLC: Năng lƣợng bề mặt pha lỏng mầm viii DANH MỤC CÁC BẢNG Tên bảng Bảng 1.1 Nhiệt độ làm việc tối đa cho phép loại vật liệu Bảng 1.2 Ảnh hƣởng đặc tính lý tính tới mối hàn thép khơng gỉ austenit so sánh với thép cacbon Bảng 2.1 Sự tiết pha thép không gỉ austenit Bảng 2.2 Các dạng kết tinh, phƣơng trình phản ứng tổ chức tế vi Bảng 3.1 Thành phần hóa học kim loại điện cực Bảng 3.2 Thành phần hóa học thực tế Bảng 3.3 Chế độ hàn Bảng 3.4 Vị trí đo nhiệt độ (x: Khoảng cách tính từ tâm mối hàn kim loại bản) Bảng 3.5 Dung dịch tẩm thực Bảng 4.1 Cơ tính thép khơng gỉ thép cacbon Bảng 4.2 Hàm lƣợng δ-ferit theo giản đồ Schaeffler Bảng 4.3 Hàm lƣợng δ-ferit theo giản đồ WRC-1992 Bảng 4.4 Hàm lƣợng δ-ferit Bảng 4.5 Giá trị độ cứng vùng chuyển tiếp phía thép cacbon Bảng 4.6 Tốc độ nguội vùng HAZ thép cacbon Bảng 4.7 Giá trị độ cứng vùng HAZ thép cacbon Bảng 4.8 Tốc độ nguội vùng HAZ thép không gỉ Bảng 4.9 Giá trị độ cứng vùng HAZ thép không gỉ Bảng 5.1 Tỉ phần pha trạng thái cân Bảng 5.2 Khoảng cách khuếch tán cacbon lý thuyết thực tế Bảng 5.3 Hệ số khuếch tán cacbon thực tế Bảng 1.PL1: Thành phần hóa học vật liệu điện cực Bảng 2.PL1: Tham số hàn lƣợng đƣờng Bảng 3.PL1 Chiều rộng chiều cao mối hàn Bảng 4.PL1 Kích thƣớc mẫu trƣớc sau kéo Bảng 5.PL1 Giá trị tính Bảng 6.PL1 Kết thử độ dai va đập vùng HAZ thép cacbon Bảng 1.PL2 Các đặc tính vật liệu hàn Bảng 2.PL2 Năng lƣợng đƣờng chiều dày danh nghĩa Bảng 1.PL3 Số δ - ferit tính theo Schaeffler Bảng 1.PL4 Hệ số khuếch tán cacbon Bảng 2.PL4 Bảng tính tham số theo phƣơng pháp Wagner Bảng 3.PL4 Bảng tính tham số theo phƣơng pháp Uhrenius Bảng 4.PL4 Bảng tính tham số theo phƣơng pháp Wada Bảng 5.PL4 Bảng tính hệ số A1, A2, B1, B2 Bảng 6.PL4 Bảng tính hệ số A1, A2, B1, B2 ix DANH MỤC CÁC HÌNH Tên hình Hình 1.1 Mối hàn hai vật liệu khác loại thép không gỉ Austenit 304 thép cacbon Hình1.2 Sơ đồ hàn hồ quang tay Hình 1.3 Cấu tạo điện cực nóng chảy Hình 1.4 Giản đồ Schaeffler dùng để xác định điện cực hàn thép cacbon thép khơng gỉ Austenit 304 Hình 1.5 Tổ chức vùng ảnh hƣởng nhiệt thép cacbon Hình 1.6 Sự hình thành pha σ vùng nóng chảy, nứt pha σ Hình 1.7 Nứt kim loại mối hàn thép không gỉ 304 thép A36 sử dụng điện cực 309L Hình 1.8 Sai hỏng biên giới nóng chảy khơng đảm bảo liên kết Hình 1.9 Nứt biên giới nóng chảy mối hàn thép không gỉ 304 thép A36 sử dụng điện cực 309L Hình1 10 Nứt nóng vùng HAZ mối hàn thép khơng gỉ Austenit Hình 1.11 Các hợp kim đƣợc sử dụng PWR Hình 1.12 Hàn đƣờng lấy mẫu cho bao hơi, đầu chờ vòi phun thép cacbon hàn với thép không gỉ Austenit 304 Hình 1.13 Hàn hệ thống lấy mẫu cho đƣờng ống mái với đầu chờ thép cacbon kết nối với thép khơng gỉ austenite 304 Hình 1.14 Hàn hệ thống chắn bụi với chắn thép không gỉ Austenit 304 ống thép cacbon Hình 1.15 Hàn chắn bụi phần mái lò thép không gỉ Austenit 304 với thép cacbon thép hợp kim A213T11 Hình 1.16 Cơ tính mối hàn sử dụng điện cực GFW 304L Hình 1.17 Tổ chức tế vi mối hàn sau ngâm mối hàn vào vùng nƣớc sâu 30 ngày Hình 1.18 Tổ chức vùng hàn Hình 1.19 Mơ hình lƣới trƣờng nhiệt độ hàn GMAW Hình 1.20 So sánh đƣờng biên giới mối hàn mô thực nghiệm Hình 1.21 Sự phân bố nhiệt độ phân bố tốc độ vận chuyển hồ quang Hình 1.22.Tổ chức tế vi thu đƣợc ứng với hai chế độ hàn khác Hình 1.23 Hình thái delta ferit vùng nóng chảy mối hàn hai vật liệu khác với thay đổi số lớp hàn Hình 1.24 Ăn mòn ứng suất gần chân mối hàn 316L Hình 1.25 Đƣờng cong đẳng nhiệt tiết pha cacbit crom thép không gỉ 304 Hình 1.26 Đƣờng nồng độ cacbon mối hàn 1Cr/12Cr sau xử lý nhiệ 730 C 10 Hình 1.27 Trƣờng nhiệt độ liên kết hàn nhơm – thép chữ T Hình 2.1 Hệ tọa độ nguồn nhiệt Hình 2.2 Sự chuyển động nguồn nhiệt xét với mỏng Hình 2.3 Sự chuyển động nguồn nhiệt dày Hình 2.4 Kết tính tốn từ phƣơng trình Rosenthal cho dày Hình 2.5 Giản đồ CCT thép 0,2%C Hình 2.6 Biểu đồ Ishikawa Hình 2.7 Giản đồ trạng thái Fe - C Hình 2.8 Đồ thị TTT cho thép trƣớc tích x Hình 2.9 Mặt phẳng đƣờng lỏng đƣờng đặc hệ Fe – Cr – Ni Hình 2.10 Giản đồ hệ Fe – Cr – Ni Hình 2.11 Giản đồ pha đƣợc tính Thermolcal Hình 2.12 Kết tinh dạng A kết tinh dạng AF Hình 2.13 Kết tinh loại FA Hình 2.14 Sự kết tinh loại F Hình 2.15 Cơ chế hình thành δ-ferit hình kim, hình giun Hình 2.16 Đồ thị Schaeffler năm 1949 Hình 2.17 Đồ thị Delong dự đoán hàm lƣợng Ferit mơ hình kết tinh Hình 2.18 Đồ thị WRC - 1992 dự đốn hàm lƣợng ferit mơ hình kết tinh Hình 2.19 Đồ thị WRC – 1992 với lớp biên mactenxit cho 1%, 4%, 10% Mangan Hình 2.20 Tổ chức tế vi thép cacbon thấp vị trí khác vùng ảnh hƣởng nhiệt thép cacbon Hình 2.21 Ferit dọc theo biên giới hạt austenit HAZ thép khơng gỉ 304L Hình 2.22 Sự hình thành biên giới loại II kim loại mối hàn austenit kết tinh kim loại ferit Hình 2.23 Sự hình thành thiên tích thơ đại TLW < TLB Hình 2.24 Sự hình thành cacbit biên giới hạt Hình 2.25 Vùng biên giới nóng chảy thép A508 với 309L, sau ủ 610 C Hình 2.26 Năng lƣợng tự hệ khuếch tán “downhill” Hình 2.27 Năng lƣợng tự hệ khuếch tán ngƣợc“uphill” Hình 2.28 Mơ hình tốn củab cacon austenit Hình 3.1 Sơ đồ thực nghiệm Hình 3.2 Chuẩn bị mẫu hàn Hình 3.3 Điện cực hàn tủ sấy que hàn Hình 3.4 Sơ đồ cắt mẫu Hình 3.5 Sơ đồ bố trí vị trí can nhiệt Hình 3.6 Quy trình xử lý nhiệt Hình 3.7 Giản đồ TTT CCT thép không gỉ austenit, thép cacbon đƣợc xây dựng phần mềm Thermocal Hình 3.8 Kính hiển vi quang học Axiovert 25A Hình 3.9 Máy hiển vi điện tử quét FESEM Jeol 7600 Hình 3.10 Thiết bị hiển vi điện tử truyền qua (TEM) Hình 3.11 Thiết bị phân tích nhiễu xạ Rơnghen D500 Hình 3.12 Máy đo độ cứng ARK600 Hình 3.13 Máy thử kéo va đập Hình 4.1.Tổ chức tế vi thép cacbon Hình 4.2 Tổ chức tế vi thép khơng gỉ Hình 4.3 Sơ đồ tổng quan tổ chức mối hàn thép không gỉ thép cacbon Hình 4.4 Tổ chức tế vi vùng kim loại mối hàn Hình 4.5 Hình thái delta-ferit biên giới nóng chảy thép khơng gỉ Hình 4.6 Hình thái delta-ferit biên giới thép cacbon Hình 4.7 Ảnh SEM mơ tả hình thái delta-ferit dạng xƣơng cá trục kim loại mối hàn Hình 4.8 Đồ thị Shaeffler Hình 4.9 Đồ thị WRC-1992 xi (2.47) b Phương pháp Uhrenius Phƣơng pháp sử dụng mô hình nhiệt động học để miêu tả lƣợng tự Gibbs cacbon austenit Trong đó, mơ hình gồm có nguyên tố thay nguyên tố xen kẽ Một pha điền đầy vào vị trí nút mạng pha điền đầy vào vị trí lỗ trống Tỉ số mol đƣợc định nghĩa nhƣ sau: Chỉ số m sắt nguyên tử thay thế, số c nguyên tử cacbon Tỉ số a/b = cho vùng pha austenite (với a số nguyên tử kim loại mol, b vị trí xen kẽ) Tƣơng tự với lƣợng tự austenit, lƣợng tự riêng phần cho toàn nguyên tố pha là: (2.49) : Năng lƣợng tự Gibbs cho mol cacbon chuyển đổi cấu trúc m ạng từ Trong trƣờng hợp này, cacbon khuếch tán austenit nên coi K3, K4: ứng với hàm bậc cao nên ảnh hƣởng tới yc ym nhỏ, bỏ qua K1, K2: giá trị thực nghiệm Vậy, giá trị ac tính đƣợc từ phƣơng trình 2.50 Từ đó, hệ số hoạt tính đƣợc xác định: (2.50) c Phương pháp Wada Wada áp dụng tính tốn hệ số hoạt tính cho hệ Fe-Si-C với thành phần (0÷3) %Si (0÷1) %C Khi [ Ngồi ra, hệ Fe-Cr-C có thành phần (0÷12) %Cr (0÷1) %C hệ số hoạt tính đƣợc xác định nhƣ sau: ( 2.8 Tóm tắt chƣơng Từ kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm chƣơng chƣơng đƣa tranh tổng quan mối hàn hai hai vật liệu loại khác loại Hƣớng nghiên cứu đề tài nằm nhóm nghiên cứu tổ chức tính chất mối hàn lấy đối tƣợng thép khơng gỉ austenit 304 thép cacbon sử dụng điện cực E309L-16 áp dụng phƣơng pháp hàn hồ quang tay Với mục tiêu xác định thay đổi tổ chức tính chất vật liệu sau hàn 48 ứng xử vật liệu điều kiện làm việc nhiệt độ cao, đề tài cần thực nhiệm vụ sau: - Thực quy trình hàn, chế tạo mẫu hàn - Xác định tổ chức tính chất vật liệu sau hàn dựa kết phân tích tổ chức quang học, SEM, TEM, X-ray, EDS Đánh giá ứng xử vật liệu điều kiện làm việc nhiệt độ nâng cao nhƣ thay đổi tổ chức, tính chất hình thành khuyết tật - Tính tốn khuếch tán cacbon theo mơ hình Darken 49 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 3.1 Nội dung nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu thay đổi tổ chức tính chất mối hàn thép khơng gỉ austenit 304 thép cacbon bao gồm: Trong điều kiện hàn, nghiên cứu thay đổi tổ chức tính chất mối hàn thép khơng gỉ austenit 304 thép cacbon Đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hƣởng nhiệt độ lớn tốc độ nguội tới thay đổi tổ chức vùng nóng chảy vùng HAZ mối hàn Nhƣ phân tích chƣơng 2, tổ chức vùng nóng chảy vùng HAZ thay đổi đáng kể hình thành pha dƣới ảnh hƣởng nhiệt độ tốc độ nguội Pha δferit hình thành vùng nóng chảy mối hàn trình kết tinh từ thể lỏng sang thể rắn Tuy nhiên, khác trình hòa trộn phân bố ngun tố hóa học dẫn tới thay đổi mơ hình kết tinh nhƣ hình thái pha δ-ferit, đặc biệt sát biên giới phía thép cacbon Tại vùng HAZ thép cacbon, nhiệt độ lớn tốc độ nguội điểm khác khác dẫn tới tổ chức vùng sát biên giới nóng chảy khác so với vùng phía xa biên giới nóng chảy Cụ thể, vùng hồn tồn mactenxit hình thành biên giới nóng tốc độ nguội lớn Các vùng có nhiệt độ lớn Ac3, austenit chuyển biến thành mactenxit bainit peclit Nghiên cứu thay đổi tổ chức mối hàn điều kiện làm việc nhiệt độ nâng cao Thí nghiệm dựa theo nhiệt độ làm việc mối hàn kết cấu nhà máy nhiệt điện, 0 cụ thể 400 C, 600 C, 900 C 10 Bên cạnh việc đánh giá thay đổi tổ chức tính chất mối hàn, cần dự đốn khuyết tật xảy ảnh hƣởng tới khả làm việc chi tiết Nghiên cứu ảnh hƣởng trình khuếch tán cacbon tới chất lƣợng mối hàn Nhƣ phân tích chƣơng 2, biên giới nóng chảy phía thép cacbon, chênh lệch nồng độ nguyên tố hợp kim dẫn tới hình thành gradient hóa học, thúc đẩy khuếch tán cacbon từ phía thép cacbon sang kim loại mối hàn Sự khuếch tán cacbon dẫn tới hình thành vùng có độ cứng cao (vùng giàu cacbon) vùng có độ cứng thấp (vùng nghèo cacbon) Ngoài ra, tăng hàm lƣợng cacbon vùng tạo điều kiện cho hình thành cacbit, ví dụ nhƣ cacbit crom, làm ảnh hƣởng tới tính chất mối hàn Tiến hành tính tốn q trình khuếch tán cacbon dựa sở lý thuyết Darken Nồng độ cacbon vị trí thời gian xác định nhƣ bề rộng vùng có độ cứng cao vùng có độ cứng thấp sở dự đoán đƣợc ứng xử vật liệu mối hàn điều kiện làm việc lâu dài 50 3.2 Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm Phƣơng pháp hàn: hàn SMAW - Vật liệu bản: thép cacbon, thép không gỉ - Lựa chọn điện cực E309L-16 Đo thành phần hóa học mẫu Thời gian Cắt mẫu vi - Đo độ cứng tế Thử kéo Thử va đập Xây dựng đƣờng phân bố Mô hình Darken EDS line nồng độ cacbon Đánh giá, kết luận Hình 3.1 Sơ đồ thực nghiệm 51 3.2.1 Chuẩn bị mẫu quy trình hàn 3.2.1.1 Chuẩn bị mẫu Vật liệu: Thép không gỉ thép cacbon đƣợc cắt máy cắt dây để tạo có kích thƣớc 275x85x3 mm Để chuẩn bị cho q trình hàn, mẫu đƣợc mài để loại bỏ tạp chất có bề mặt, nhằm tránh khuyết tật xảy Do mẫu mỏng nên khơng cần thực vát mép Sau đó, đƣợc hàn đính cố định hai đầu nhƣ hình 3.2a Thép khơng gỉ Hình 3.2 a) Hàn đính b) Chuẩn bị mép hàn Hình 3.3 a) Điện cực hàn, b) Tủ sấy que hàn Điện cực hàn: Thép không gỉ austenit 304 thép cacbon đƣợc hàn với sử dụng điện cực E309L-16 (hình 3.3a), có đƣờng kính 3,2 mm, dài 350 mm Trƣớc hàn, que hàn phải đƣợc sấy khơ tủ sấy (hình 3.3b) nhiệt độ (100÷150) C để loại bỏ nƣớc có que hàn Thiết bị hàn: Trong thí nghiệm này, máy hàn Inventer đƣợc sử dụng để hàn thép khơng gỉ với thép cacbon Bảng 3.1 Thành phần hóa học kim loại kim loại điệc cực (theo nhà sản xuất) Nguyên tố Thép không gỉ austenit 304 Thép cacbon Điện cực E309L 16 Bảng 3.1 đƣa thành phần hóa học kim loại kim loại điện cực Sau hàn, mẫu đƣợc đo lại thành phần ba vị trí: vùng HAZ thép cacbon, vùng HAZ thép không gỉ kim loại mối hàn Kết đo đƣợc bảng 3.2 Với kết đo đƣợc, 52 nguyên tố bảng, xuất nguyên tố khác có thành phần nhỏ nhƣ Al, Co, Cu, Nb, Ti, W Bảng 3.2 Thành phần hóa học thực tế đo sau hàn Nguyên tố Thép không gỉ austenit 304 Thép cacbon Kim loại mối hàn 3.2.1.2 Quy trình hàn Các mẫu thép đƣợc hàn với phƣơng pháp hàn hồ quang tay (SMAW) Chế độ hàn đƣợc đƣa bảng 3.3 Các tham số hàn đƣợc lựa chọn dựa theo chế độ chuẩn nhà máy nhiệt điện Thái Bình Tham số hàn Giá trị 3.2.2 Quy trình cắt mẫu Các mẫu sau hàn xong đƣợc cắt máy cắt dây lấy mẫu chụp ảnh tổ chức mẫu thử kéo, thử va đập Hình 3.4 sơ đồ cắt mẫu hàn (b) (c) Hình 3.4 a Sơ đồ cắt mẫu, b kích thước mẫu thử kéo, c kích thước mẫu thử va đập Các mẫu chụp hiển vi quang học: Các mẫu quang học có kích thƣớc 20x10x3 mm đƣợc cắt vng góc với mối hàn cho khoảng cách từ tâm mối hàn tính hai phía 10mm Các mẫu thử kéo: Kích thƣớc mẫu thử kéo đƣợc hình 3.4ba đƣợc xác định theo tiêu chuẩn TCVN 8311: 2010 Với kích thƣớc hàn 275x170x3 mm, cắt mẫu thử kéo Vị trí cắt mẫu thử kéo vng góc với đƣờng hàn nhƣ hình 3.4a Các mẫu thử độ dai va đập: Kích thƣớc mẫu thử độ dai va đập đƣợc xác định theo tiêu chuẩn TCVN 312-1:2007 Trên hàn, mẫu đƣợc cắt song song với đƣờng hàn nhằm xác định ảnh hƣởng tổ chức tới tính vùng HAZ 3.3 Quy trình đo nhiệt độ q trình hàn Mục đích việc đo nhiệt độ tâm mối hàn điểm vùng ảnh hƣởng nhiệt nhằm xây dựng đƣờng cong chu trình nhiệt suốt q trình hàn Qua đó, xác định nhiệt độ lớn vị trí khác vùng HAZ tốc độ nguội điểm Để chuẩn bị, tiến hành khoan lỗ nhỏ có kích thƣớc 1,5 mm vị trí khác hàn Vị trí điểm cần đo đƣợc xem bảng 3.4 hình 3.5 Sau hàn đính đầu can nhiệt K vào vị trí Can nhiệt K đƣợc nối với đồng hồ nhiệt độ đồng hồ thời gian Hình 3.5 Sơ đồ bố trí vị trí can nhiệt 54 Bảng 3.4 Vị trí đo nhiệt độ (x: Khoảng cách tính từ tâm mối hàn kim loại bản) Vị trí đo Giá trị (mm) 3.4 Q trình thí nghiệm nhiệt độ nâng cao Các sau hàn đƣợc làm lớp xỉ dầu mỡ bám bên ngồi trƣớc cho vào lò nhiệt luyện Đánh số thứ tự mẫu lần lƣợt M400, M600, M900 Các mẫu đƣợc nung giữ nhiệt giá trị quy định, sau làm nguội lò đến nhiệt độ thƣờng Quy trình thí nghiệm nhiệt độ nâng cao đƣợc trình bày hình 3.6 T, 0C T, 0C 400 T, 0C 900 Cùng lò 10h Thời gian,giờ Hình 3.6 Quy trình thí nghiệm nhiệt độ nâng cao Quy trình 1: Mẫu đƣợc nung tới nhiệt độ 400 C, sau đƣợc giữ nhiệt 10 làm nguội lò tới nhiệt độ thƣờng Quy trình 2: Mẫu đƣợc nung tới nhiệt độ 600 C, sau đƣợc giữ nhiệt 10 làm nguội lò tới nhiệt độ thƣờng Quy trình 3: Mẫu đƣợc nung tới nhiệt độ 900 C, mẫu M900 giữ nhiệt 10 làm nguội lò tới nhiệt độ thƣờng 3.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 3.5.1 Xây dựng giản đồ TTT giản đồ CCT Giản đồ TTT CCT thép không gỉ austenit, thép cacbon đƣợc xây dựng phần mềm ThermoCalc, mô đun JMatPro với tham số đầu vào thành phần hóa học nguyên tố hợp kim Fe-Cr-Ni-C (tham khảo thêm hình 2.5, 2.11) 55 a Giản đồ CCT thép khơng gỉ b Giản đồ CCT thép cacbon c Giản đồ TTT thép không gỉ d Giản đồ TTT thép cacbon Hình 3.7 Giản đồ TTT CCT thép khơng gỉ austenit, thép cacbon xây dựng phần mềm ThermoCalc 3.5.2 Nghiên cứu tổ chức tế vi Phương pháp hiển vi quang học hiển vi điện tử quét: Ảnh tổ chức tế vi đƣợc chụp kính hiển vi điện tử quang học Leica 4000/Axiovert 25 A (hình 3.8, 3.9), kính hiển vi điện tử quét SEM FESEM phòng thí nghiệm trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội Để chuẩn bị, mẫu có kích thƣớc 20x10x3 mm đƣợc cắt mặt cắt ngang mối hàn Quá trình chuẩn bị mẫu đƣợc thực lần lƣợt từ mài nhẵn, đánh bóng, tẩm thực Dung dịch tẩm thực cho bảng 3.5 Bảng 3.5 Dung dịch tẩm thực Vật liệu Dung dịch tẩm thực Hình 3.8 Kính hiển vi quang học Axiovert 25A 56 Hình 3.9 Kính hiển vi điện tử quét FESEM Jeol 7600 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua: Để quan sát tổ chức tế vi mối hàn mức nano, sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua TEM Phòng thí nghiệm trọng điểm Polyme Compozit – Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh Để chuẩn bị, tiến hành cắt mẫu có đƣờng kính mm, chiều dày khoảng (0,5÷1) mm mặt cắt ngang mối hàn Các mẫu đƣợc cắt vị trí: Vùng kim loại mối hàn, vùng biên giới thép cacbon, vùng biên giới thép không gỉ, vùng kim loại thép cacbon, vùng kim loại thép không gỉ Sau tiến hành mài mỏng mẫu cho chiều dày mẫu đạt dƣới 100 μm Sau chuẩn bị mẫu xong, tiến hành đánh bóng điện phân tạo lổ thủng mẫu sử dụng máy điện phân trƣớc tiến hành chụp ảnh Hình 3.10 Thiết bị hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 3.5.3 Xác định thành phần hóa học mẫu Phương pháp quang phổ phát xạ: Mục đích việc phân tích thành phần hóa học nhằm xác định lại thành phần thực tế kim loại thành phần hóa học vị trí khác mẫu sau hàn Phƣơng pháp phân tích dùng quang phổ phát xạ máy ARL-3460 Viện kĩ thuật quân Bảng 3.2 đƣa thành phần hóa học thực tế kim loại vùng tâm mối hàn Phƣơng pháp thƣờng đƣợc tiến hành 57 nhà máy Tuy nhiên, nhƣợc điểm phƣơng pháp vết bắn có kích thƣớc lớn, xác định đƣợc thành phần hóa học trung bình vùng định Phương pháp EDS: Phƣơng pháp đƣợc dùng để xác định lƣợng nguyên tố hợp kim điểm đƣờng Trong luận văn, EDS-line đƣợc sử dụng biên giới nóng chảy phía thép cacbon phía thép khơng gỉ sau hàn sau xử lý nhiệt nhằm xác định đƣờng phân bố nồng độ nguyên tố hợp kim vùng này, đặc biệt đƣờng nồng độ nguyên tố cacbon để xác định khả khuếch tán cacbon từ thép cacbon sang kim loại mối hàn EDS điểm đƣợc thực nhằm xác định thành phần hóa học hạt cacbit hình thành mối hàn 3.5.4 Phân tích cấu trúc Rơnghen Mục đích sử dụng phƣơng pháp phân tích Rơnghen: - Xác định thơng số mạng pha hợp kim - Xác định thông số mạng pha thứ cấp Phân tích cấu trúc Rơnghen đƣợc thực Trung tâm phân tích phân loại hàng hóa xuất nhập – Tổng cục hải quan Khoa vật lý – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Hình 3.11 Thiết bị phân tích nhiễu xạ Rơnghen D500 3.5.5 Xác định độ cứng tế vi Độ cứng tế vi đƣợc xác định cho mẫu sau hàn sau xử lý nhiệt Độ cứng tế vi đƣợc đo vị trí sau: - Tính từ biên giới nóng chảy thép cacbon hai bên vùng HAZ thép cacbon vùng kim loại mối hàn Khoảng cách vết đo gần biên giới (10÷20) μm nhằm xác định thay đổi độ cứng tế vi ảnh hƣởng trình khuếch tán cacbon điều kiện làm việc nhiệt độ nâng cao.q - Đo điểm tâm kim loại mối hàn - Tính từ biên giới nóng chảy thép không gỉ hai bên vùng HAZ thép không gỉ vùng kim loại mối hàn Tất phép đo đƣợc thực máy ARK600 phòng thí nghiệm trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, đặt tải 100g, thời gian 10 giây 58 Hình 3.12 Máy đo độ cứng ARK600 3.5.6 Thử kéo mẫu Mẫu thử kéo đƣợc chế tạo theo tiêu chuẩn TCVN 8311: 2010 nhằm xác định độ bền vật liệu, độ giãn dài tƣơng đối, độ thắt tỉ đối sau hàn Thí nghiệm đƣợc thực máy PLS-200 Trung tâm thực hành thí nghiệm – Viện khí – Trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam Hình 3.13 Máy thử kéo thử va đập 3.5.7 Thử va đập Mẫu thử va đập theo tiêu chuẩn TCVN 312-1:2007 “Vật liệu kim loại thử va đập kiểu lắc Charpy – Phần Phƣơng pháp thử” Trong nghiên cứu xác định độ dai va đập vùng HAZ thép cacbon, HAZ thép không gỉ nhiệt độ thƣờng (25 C) Mẫu thử tiêu chuẩn phải có chiều dài 55mm, tiết diện vng với cạnh 10mm Ở tâm chiều dài có rãnh chữ V Các thí nghiệm đƣợc thực máy JBS-300 Trung tâm thực hành thí nghiệm – Viện khí – Trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam 59 ... đập Hình 4.1 .Tổ chức tế vi thép cacbon Hình 4.2 Tổ chức tế vi thép khơng gỉ Hình 4.3 Sơ đồ tổng quan tổ chức mối hàn thép khơng gỉ thép cacbon Hình 4.4 Tổ chức tế vi vùng kim loại mối hàn Hình 4.5... tài Nghiên cứu biến đổi tổ chức tính chất q trình hàn thép khơng gỉ với thép cacbon đƣợc thực luận án tiến sĩ kỹ thuật vật liệu Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án Xét điều kiện hàn, ... làm thay đổi tổ chức mối hàn Do vậy, mục tiêu luận án là: thay đổi tổ chức, tính chất mối hàn dƣới ảnh hƣởng tham số kể Đối tƣợng nghiên cứu mối hàn thép không gỉ austenit 304 thép cacbon thấp