Nghiên Cứu Sự Biến Đổi Tổ Chức Và Tính Chất Trong Quá Trình Hàn Thép Không Gỉ Với Thép Cacbon

71 38 0
Nghiên Cứu Sự Biến Đổi Tổ Chức Và Tính Chất Trong Quá Trình Hàn Thép Không Gỉ Với Thép Cacbon

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

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, ngày tháng năm 2019 Giáo viên hướng dẫn Tác giả Lê Thị Nhung i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, 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 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 môn Đồng thời, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn tới trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam, Viện Cơ khí – Bộ môn Công nghệ Vật liệu tạo điều kiện tốt cho thời gian làm nghiên cứu sinh Cuối cùng, tơi muốn cảm ơn gia đình tơi, bên cạnh động viên tinh thần giúp vƣợt qua khó khăn để hồn 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 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 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 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 toán 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: Mô hình kết tinh A thép khơng gỉ austenit AF: Mơ hình kết tinh AF thép khơng gỉ austenit A1, A2: Hằng số a: Hệ số khuếch tán nhiệt ac: Hoạt tính cacbon acαθ: Hoạt tính cacbon mặt phân pha α/θ acθα: 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*, Ci0: 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 T0: Nhiệt độ ban đầu vật hàn Ti: Nhiệt độ thời điểm Tp: Nhiệt độ lớn vị trí vật hàn TLB: Nhiệt độ nóng chảy vật hàn TLW: Nhiệt độ nóng chảy điện cực Tm: Nhiệt độ nóng chảy TIG (Tungsten Inert Gas): Hàn điện cực khơng nóng chảy 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 xα: Nồng độ cacbon α xβ: Nồng độ cacbon θ xα0: Nồng độ cacbon ban đầu α xθ0: Nồng độ cacbon ban đầu θ xαθ: Nồng độ cacbon α điều kiện cân với θ mặt phân cách xθα: 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 ΔT8-5: Thời gian nguội từ 8000C đến 5000C Δ0Gγ-grC: 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 Trang Bảng 1.1 Nhiệt độ làm việc tối đa cho phép loại vật liệu 11 Bảng 1.2 Ảnh hƣởng đặc tính lý tính tới mối hàn thép khơng gỉ austenit so 11 sánh với thép cacbon Bảng 2.1 Sự tiết pha thép không gỉ austenit 32 Bảng 2.2 Các dạng kết tinh, phƣơng trình phản ứng tổ chức tế vi 33 Bảng 3.1 Thành phần hóa học kim loại điện cực 52 Bảng 3.2 Thành phần hóa học thực tế 53 Bảng 3.3 Chế độ hàn 53 Bảng 3.4 Vị trí đo nhiệt độ (x: Khoảng cách tính từ tâm mối hàn kim loại 55 bản) Bảng 3.5 Dung dịch tẩm thực 56 Bảng 4.1 Cơ tính thép khơng gỉ thép cacbon 61 Bảng 4.2 Hàm lƣợng δ-ferit theo giản đồ Schaeffler 65 Bảng 4.3 Hàm lƣợng δ-ferit theo giản đồ WRC-1992 65 Bảng 4.4 Hàm lƣợng δ-ferit 67 Bảng 4.5 Giá trị độ cứng vùng chuyển tiếp phía thép cacbon 79 Bảng 4.6 Tốc độ nguội vùng HAZ thép cacbon 81 Bảng 4.7 Giá trị độ cứng vùng HAZ thép cacbon 85 Bảng 4.8 Tốc độ nguội vùng HAZ thép không gỉ 86 Bảng 4.9 Giá trị độ cứng vùng HAZ thép không gỉ 89 Bảng 5.1 Tỉ phần pha trạng thái cân 95 Bảng 5.2 Khoảng cách khuếch tán cacbon lý thuyết thực tế 107 Bảng 5.3 Hệ số khuếch tán cacbon thực tế 108 Bảng 1.PL1: Thành phần hóa học vật liệu điện cực i ii 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 iv vi vii vii viii viii x xii xiii xiii xiii xiv xiv DANH MỤC CÁC HÌNH Tên hình Trang Hình 1.1 Mối hàn hai vật liệu khác loại thép không gỉ Austenit 304 thép 03 cacbon Hình1.2 Sơ đồ hàn hồ quang tay 04 Hình 1.3 Cấu tạo điện cực nóng chảy 04 Hình 1.4 Giản đồ Schaeffler dùng để xác định điện cực hàn thép cacbon 05 thép khơng gỉ Austenit 304 Hình 1.5 Tổ chức vùng ảnh hƣởng nhiệt thép cacbon 06 Hình 1.6 Sự hình thành pha σ vùng nóng chảy, nứt pha σ 07 Hình 1.7 Nứt kim loại mối hàn thép không gỉ 304 thép A36 sử dụng 07 điện cực 309L Hình 1.8 Sai hỏng biên giới nóng chảy khơng đảm bảo liên kết 07 Hình 1.9 Nứt biên giới nóng chảy mối hàn thép khơng gỉ 304 thép 08 A36 sử dụng điện cực 309L Hình1 10 Nứt nóng vùng HAZ mối hàn thép khơng gỉ Austenit 08 Hình 1.11 Các hợp kim đƣợc sử dụng PWR 09 Hình 1.12 Hàn đƣờng lấy mẫu cho bao hơi, đầu chờ vòi phun thép cacbon hàn 09 với thép khơng gỉ Austenit 304 Hình 1.13 Hàn hệ thống lấy mẫu cho đƣờng ống mái với đầu chờ thép cacbon 10 kết nối với thép khơng gỉ austenite 304 Hình 1.14 Hàn hệ thống chắn bụi với chắn thép không gỉ 10 Austenit 304 ống thép cacbon Hình 1.15 Hàn chắn bụi phần mái lò thép không gỉ Austenit 304 10 với thép cacbon thép hợp kim A213T11 Hình 1.16 Cơ tính mối hàn sử dụng điện cực GFW 304L 12 Hình 1.17 Tổ chức tế vi mối hàn sau ngâm mối hàn vào vùng nƣớc sâu 13 30 ngày Hình 1.18 Tổ chức vùng hàn 13 Hình 1.19 Mơ hình lƣới trƣờng nhiệt độ hàn GMAW 14 Hình 1.20 So sánh đƣờng biên giới mối hàn mơ thực 14 nghiệm Hình 1.21 Sự phân bố nhiệt độ phân bố tốc độ vận chuyển hồ quang 14 Hình 1.22.Tổ chức tế vi thu đƣợc ứng với hai chế độ hàn khác 15 Hình 1.23 Hình thái delta ferit vùng nóng chảy mối hàn hai 15 vật liệu khác với thay đổi số lớp hàn Hình 1.24 Ăn mòn ứng suất gần chân mối hàn 316L 16 Hình 1.25 Đƣờng cong đẳng nhiệt tiết pha cacbit crom thép không gỉ 304 16 Hình 1.26 Đƣờng nồng độ cacbon mối hàn 1Cr/12Cr sau xử lý nhiệ 730 C 16 10 Hình 1.27 Trƣờng nhiệt độ liên kết hàn nhơm – thép chữ T 17 Hình 2.1 Hệ tọa độ nguồn nhiệt 21 Hình 2.2 Sự chuyển động nguồn nhiệt xét với mỏng 21 Hình 2.3 Sự chuyển động nguồn nhiệt dày 22 Hình 2.4 Kết tính tốn từ phƣơng trình Rosenthal cho dày 23 Hình 2.5 Giản đồ CCT thép 0,2%C 25 Hình 2.6 Biểu đồ Ishikawa 26 Hình 2.7 Giản đồ trạng thái Fe - C 27 Hình 2.8 Đồ thị TTT cho thép trƣớc tích 28 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 đốn 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 6100C 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 29 30 31 33 34 34 35 36 36 37 37 38 40 41 41 42 42 43 43 47 51 52 52 54 54 55 56 56 57 57 58 59 59 60 60 61 63 63 63 65 66 66 Hình 4.10 Hình thái δ-ferit tính theo phần mềm Image plus Hình 4.11 Tạp chất vùng kim loại mối hàn Hình 4.12 Mầm kết tinh hạt kim loại (b) Hƣớng phát triển kim loại biên giới nóng chảy Hình 4.13 Giản đồ pha thép cacbon Hình 4.14 Sự phân bố nguyên tố biên giới nóng chảy thép cacbon Hình 4.15 Sự phát triển cạnh tranh thông qua nhiệt độ đỉnh đầu pha rắn nhƣ hàm tốc độ kết tinh Hình 4.16 Mối quan hệ tốc độ phát triển mầm tốc độ hàn Hình 4.17 Sự biến đổi tốc độ phát triển dọc theo biên giới nóng chảy Hình 4.18 Sự thay đổi gradient nhiệt độ tốc độ phát triển mầm Hình 4.19 Hai dạng pha austenit vùng kim loại mối hàn, (a) vùng tâm mối hàn, (b) vùng giáp biên giới thép không gỉ Hình 4.20 Kết đo độ cứng vùng kim loại mối hàn tƣơng với mẫu có chế độ hàn thay đổi Hình 4.21 Đƣờng phân bố nồng độ nguyên tố vùng chuyển tiếp hai vị trí khác Hình 4.22 Thành phần hóa học điểm khác vùng chuyển tiếp Hình 4.23 Tổ chức tế vi vùng chuyển tiếp phía thép cacbon Hình 4.24 Sự thay đổi hình dáng biên giới nóng chảy Hình 4.25 Chu trình nhiệt vùng HAZ thép cacbon Hình 4.26 Nhiệt độ lớn điểm vùng HAZ thép cacbon theo tính tốn thực nghiệm Hình 4.27 Sự thay đổi độ hạt vùng HAZ thép cacbon Hình 4.28 Tổ chức tế vi HAZ thép cacbon Hình 4.29 Ảnh SEM tổ chức vùng HAZ thép cacbon Hình 4.30 Ảnh TEM tổ chức mactenxit bainit vùng HAZ thép cacbon Hình 4.31 Kết X-ray vùng HAZ thép cacbon Hình 4.32 Vết đo độ cứng vùng ảnh hƣởng nhiệt (HAZ) thép cacbon Hình 4.33 Chu trình nhiệt vùng HAZ thép khơng gỉ Hình 4.34 Đƣờng cong nhiệt độ lớn vùng HAZ thép khơng gỉ Hình 4.35 Tổ chức tế vi vùng HAZ thép khơng gỉ Hình 4.36 Sự hình thành hạt cacbit biên giới hạt Hình 4.37 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen vùng gần biên giới nóng chảy thép khơng gỉ Hình 4.38 Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen vùng HAZ Hình 4.39 Ảnh TEM hình thái cabit Cr23C6 Cr7C3 Hình 4.40 Vết đo độ cứng vùng HAZ thép khơng gỉ Hình 4.41 Đƣờng cong thử kéo, a Vùng HAZ giáp biên giới nóng chảy, b Vùng HAZ xa biên giới nóng chảy Hình 4.42 Vị trí vết nứt vùng HAZ giáp biên giới nóng chảy Hình 4.43 Vị trí vết nứt vùng HAZ xa biên giới nóng chảy Hình 5.1 Tổ chức tế vi pha δ-ferit trung tâm mối hàn Hình 5.2 Tổ chức tế vi pha δ-ferit giáp biên giới thép không gỉ xii 67 68 69 70 71 72 73 74 74 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 84 85 85 86 86 87 87 88 88 88 89 89 90 90 93 94 (2.20) Do đó: (2.21) Với Γ hệ số hoạt tính cacbon Nếu hệ số riêng phần đƣợc định nghĩa nhƣ sau: (2.22) Thì: (2.23) Áp dụng điều kiện cho phƣơng trình (2.13) (2.14) z = 0, A1 = xαθ A2 = xθα ta có: (2.24) Sắp xếp lại ta đƣợc: (2.25) b Dòng chất tan chuyển động qua biên giới pha liên tục Dòng chuyển động chất tan qua biên giới pha phải đảm bảo liên tục để tập trung chất tan biên giới pha α/θ, dòng chất tan di chuyển khỏi α phải cân với dòng chất tan di chuyển vào pha θ, nghĩa Jα = Jθ Ta có: ( | ) ( | (2.26) ) Ứng dụng điều kiện cho phƣơng trình (2.13) (2.14) lấy vi phân theo z ta đƣợc: √ Khi z = ta đƣợc: , - , √ √ - (2.27) √ (2.28) √ √ (2.29) √ Nếu nồng độ cacbon khơng đồng hai phía kim loại mối hàn, ( ) = 1, xα = xα0 xθ = xθ0, từ (2.13) (2.14) ta có: (2.30) (2.31) Thay (2.25) (2.29) vào (2.31) ta đƣợc: (2.32) √ Sắp xếp lại (2.32) ta có: 45 erf (2.33) Và thay vào (2.31) ta đƣợc: (2.34) ( √ ) (2.35) √ √ (2.36) √ √ Và: (2.37) Do (2.13) (2.14) đƣợc xếp lại nhƣ sau: ( ) ( √ , ) (2.38) - √ (2.39) | | , √ Từ phƣơng trình trên, nồng độ cacbon đƣợc tính tốn vị trí bất biết hệ số riêng phần chùng Hiệu chỉnh lại đường cong Darken Xét hệ chiều gồm hai chất A B khuếch tán tƣơng hỗ với Phƣơng trình khuếch tán có dạng: (2.40) (2.41) Với xA, xB nồng độ chất A B tƣơng ứng D12 ảnh hƣởng của chênh lệch nồng độ chất B tác động lên khuếch tán chất A Với điều kiện ban đầu điều kiện biên tƣơng ứng ta có phƣơng trình sau: ( ) Với √ (2.42) cụ thể ta có: ( ) ( (2.43) ) √ √ Với a – f hàm Dik u, v hàm Dik điều kiện biên Các phƣơng trình có dạng đơn giản thành có cấu tử khuếch tán nhanh cấu tử nhƣ D21 = Khi đƣờng nồng độ cacbon có dạng: * ( √ ) ( 46 √ )+ (2.44) Với đƣợc xác định việc điều chỉnh kết phƣơng trình 2.7.2 Mơ hình tốn Đƣờng phân bố nồng độ cacbon khuếch tán đƣợc miêu tả thông qua phƣơng trình 2.13, 2.14 Hệ phƣơng trình giải đƣợc biết hệ số khuếch tán cacbon hợp kim (Dα, Dθ) hệ số tỉ phần k Mơ hình để giải tốn khuếch tán đƣợc cho nhƣ hình 2.28: Nhập liệu đầu vào: Thành phần hóa học Nhiệt độ Thời gian Tính hệ số k Tính hệ số khuếch tán Dα, Dθ Tính hệ số A1, A2, B1, B2 Tính xα, xθ Hình 2.28 Mơ hình tốn cacbon austenit Hệ số tỉ phần k đƣợc xác định theo cơng thức 2.45 (2.45) Có ba phƣơng pháp tính hệ số k: phƣơng pháp Wagner, phƣơng pháp Uhrenius phƣơng pháp Wada a Phương pháp Wagner Đối với dung dịch chất tan, hệ số hoạt tính cacbon đƣợc tính theo cơng thức 2.46 * + (2.46) ∑ Trong đó: : Hệ số tƣơng tác Wagner Khi đó, hệ số tỉ phần k là: 47 (2.47) b Phương pháp Uhrenius Phƣơng pháp sử dụng mơ 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: (2.48) 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 mạng 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 [ ] [ ] (2.51) Ngồi ra, hệ Fe-Cr-C có thành phần (0÷12) %Cr (0÷1) %C hệ số hoạt tính đƣợc xác định nhƣ sau: ( ) ( ) (2.52) 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 không 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 không gỉ austenit 304 thép cacbon bao gồm: Trong điều kiện hàn, nghiên cứu thay đổi tổ chức tính chất mối hàn thép không 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 q trình kết tinh từ thể lỏng sang thể rắn Tuy nhiên, khác q trình hòa trộn phân bố nguyên 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, cụ thể 400 0C, 600 0C, 900 0C 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) Ngồi 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 Chuẩn bị Đo thành phần hóa học mẫu Chế tạo mẫu hàn Thời gian Thí nghiệm nhiệt độ nâng cao - Vật liệu bản: thép cacbon, thép không gỉ - Lựa chọn điện cực E309L-16 Đo nhiệt độ điểm vùng HAZ Nhiệt độ Cắt mẫu - Đo độ cứng tế vi - Thử kéo - Thử va đập Mơ hình Darken Xác định tổ chức, tính chất Xây dựng đƣờng phân bố nồng độ cacbon Đánh giá, kết luận Hình 3.1 Sơ đồ thực nghiệm 51 - Chụp ảnh tổ chức tế vi - Xray - SEM - EDS - TEM EDS line 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 trình hàn, mẫu đƣợc mài để loại bỏ tạp chất có bề mặt, nhằm tránh khuyết tật xảy Do mẫu mỏng nên không cần thực vát mép Sau đó, đƣợc hàn đính cố định hai đầu nhƣ hình 3.2a 3 Thép khơng gỉ 1.5 Thép cacbon 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 khô tủ sấy (hình 3.3b) nhiệt độ (100÷150) 0C để loại bỏ nƣớc có que hàn Thiết bị hàn: Trong thí nghiệm này, máy hàn Inventer đƣợc sử dụng để hàn thép không gỉ với thép cacbon Bảng 3.1 Thành phần hóa học kim loại kim loại điệc cực (theo nhà sản xuất) Nguyên tố C [%] Mn [%] Si [%] S [%] P [%] Cr [%] Ni [%] Mo [%] V [%] Thép không gỉ 0,09 1,54 0,49 0,005 0,005 18,3 7,56 0,13 0,11 austenit 304 Thép cacbon 0,18 0,62 0,02 0,04 0,05 0,02 0,08 0,005 0,01 Điện cực E309L 0,03 1,34 0,71 0,005 0,003 23,7 12,6 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, ngồi 52 ngun 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 C [%] 0,09 0,18 0,05 Mn [%] Si [%] S [%]

Ngày đăng: 07/03/2020, 19:43

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan