Nghiên cứu áp dụng lý thuyết cơ phá hủy trong kiểm tra, đánh giá chất lượng mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao (Đề tài NCKH)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG LÝ THUYẾT CƠ PHÁ HUỶ

TRONG KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG MỐI
HÀN THÉP HỢP KIM THẤP ĐỘ BỀN CAO

Mã số: T2013-96

Chủ nhiệm đề tài: GV.ThS. Nguyễn Nhựt Phi Long

TP. HCM, Tháng 12 năm 2013


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐƠN VỊ CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG LÝ THUYẾT CƠ PHÁ HUỶ

TRONG KIỂM TRA, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG MỐI

HÀN THÉP HỢP KIM THẤP ĐỘ BỀN CAO

Mã số: T2013-96

Chủ nhiệm đề tài: GV.ThS. Nguyễn Nhựt Phi Long

Thành viên đề tài:
TP. HCM, Tháng 12 năm 2013


THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thơng tin chung:
- Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG LÝ THUYẾT CƠ PHÁ HUỶ TRONG KIỂM TRA,

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG MỐI HÀN THÉP HỢP KIM THẤP ĐỘ BỀN
CAO
- Mã số: T2013 - 96
- Chủ nhiệm: GV.ThS. Nguyễn Nhựt Phi Long
- Cơ quan chủ trì: Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
- Thời gian thực hiện: 01/2013 – 12/2013
2. Mục tiêu:
- Nghiên cứu kim loại học mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao.
- Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra, phân tích kim loại học mối hàn dùng cho mơn học
Cơng Nghệ Kim Loại
3. Tính mới và sáng tạo:
- Đƣa vào trong môn học Công Nghệ Kim Loại để sinh viên có thể tự nghiên cứu
4. Kết quả nghiên cứu:
- Hoàn thiện mục tiêu đề ra, xây dựng đƣợc bài thí nghiệm

5. Sản phẩm:
- Bản thiết kế và cụm thiết bị hàn hồ quang dƣới thuốc.
6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
- Có khả năng áp dụng tại bộ mơn Công nghệ Kim loại và một số trƣờng khác tuỳ điều
kiện cụ thể.
Trƣởng Đơn vị

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên, đóng dấu)

(ký, họ và tên)

Page iv


MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC .................................................................................................................................. v
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 1
1.

Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vục đề tài ở trong và ngồi nƣớc.................... 1

2.

Tính cấp thiết : ..................................................................................................................... 1

3.

Mục tiêu:.............................................................................................................................. 1

4.

Cách tiếp cận: ...................................................................................................................... 1

5.

Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................................................... 1

6.

Đối tƣợng nghiên cứu: ......................................................................................................... 1

7.

Phạm vi nghiên cứu: ............................................................................................................ 1

8.

Nội dung nghiên cứu : ......................................................................................................... 2

CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................................... 3
1.1. Tổng quan về thép hợp kim thấp độ bền cao....................................................................... 3
1.2 Khái quát về lý thuyết cơ học phá hủy ............................................................................... 20
CHƢƠNG 2. ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT CƠ HỌC PHÁ HỦY TRONG KIỂM TRA, ĐÁNH
GIÁ CHẤT LƢỢNG MỐI HÀN THÉP................................................................................... 34
2.1 Kiểm tra độ dai va đập ak .................................................................................................... 34
2.2 Kiểm tra độ dai phá hủy biến dạng phẳng K IC.................................................................... 41
KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ ........................................................................................................... 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 50

Page v


MỞ ĐẦU
1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vục đề tài ở trong và ngồi nƣớc
Ngun nhân chính của hầu hết các sự cố kỹ thuật trong thực tế đều là quá trình
hình thành, phát triển vết nứt, và đi đến phá hủy. Thế giới tập trung nghiên cứu cơ chế
phá hủy trong các kết cấu và các mối ghép, từ lý thuyết tổng quát đến các vật liệu cụ
thể, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu, nghiên cứu xác định ngun nhân, dự
đốn và phịng tránh các tai nạn, sự cố tiềm năng. Trong những năm gần đây, Việt
Nam cũng có các nghiên cứu và một số kết quả đƣợc quốc tế chú ý.
2. Tính cấp thiết :
Phá hủy kết cấu hàn đã đƣợc quan tâm từ lâu. Đánh giá độ bền và độ ổn định
của kết cấu hàn định kỳ theo từng khoảng thời gian trong quá trình làm việc là yêu cầu
rất quan trọng, nhằm phát huy tối đa hiệu quả sử dụng của các kết cấu hàn. Thực tế
Việt Nam, tại các Cơng ty Chế tạo thiết bị dầu khí; Cơng ty Doosan – KCN Dung
Quất; Tổng Công ty Rƣợu, Bia và Nƣớc giải khát Sài Gòn; Nhà máy nhiệt điện bằng
tuabin khí, Cơng ty IMECO, ..… q trình phá hủy của các chi tiết, cụm chi tiết có
mối ghép hàn là điều đáng lo ngại.
3. Mục tiêu:
-

Nghiên cứu lý thuyết cơ học phá hủy

-

Áp dụng lý thuyết cơ phá hủy trong kiểm tra, đánh giá chất lƣợng mối hàn thép
hợp kim thấp độ bền cao

4. Cách tiếp cận:
-

Tìm hiểu nhu cầu thực tế và tính khả thi của đề tài

5. Phƣơng pháp nghiên cứu
-

Khảo sát thực tế

-

Nghiên cứu tài liệu

-

Thực nghiệm.

6. Đối tƣợng nghiên cứu:
-

Lý thuyết cơ học phá hủy

-

Mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao

7. Phạm vi nghiên cứu:
-

Nghiên cứu lý thuyết cơ học phá hủy

Page 1


-

Áp dụng lý thuyết cơ phá hủy trong kiểm tra, đánh giá chất lƣợng mối hàn thép
hợp kim thấp độ bền cao

8. Nội dung nghiên cứu :
-

Khái niệm chung về thép hợp kim thấp độ bền cao

-

Khái quát về lý thuyết cơ phá hủy

-

Ứng dụng lý thuyết cơ phá hủy trong kiểm tra, đánh giá chất lƣợng mối hàn
thép

Page 2


CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Tổng quan về thép hợp kim thấp độ bền cao

Khái niệm chung
Thép hợp kim thấp có độ bền cao (Thép HSLA: High Strength Low Alloy
Steel) là nhóm thép hợp kim có hàm lƣợng cacbon thấp và hàm lƣợng nhỏ các nguyên
tố hợp kim chẳng hạn nhƣ: Mangan, Silic, nhôm, vanadi, titan, molipden, đồng, … Do
các đặt điểm nhƣ vậy nên chúng có các đặc tính chất nhƣ: độ bền và độ dai va đập cao,
có tính hàn tốt. Độ bền cao đƣợc sinh ra do chúng đƣợc thêm vào một lƣợng nhỏ các
nguyên tố hợp kim có hàm lƣợng nhỏ hơn 0.1%. Giới hạn chảy của chúng lớn. Nhờ
vậy nhóm thép này có các thơng số u cầu về độ dẻo, độ dai, tính hàn và tính chống
ăn mịn rất tốt. Hàm lƣợng các thành phần nguyên tố hợp kim đƣợc điều chình tùy vào
yêu cầu làm việc của từng loại thép.
Thép HSLA có thể đƣợc chia thành sáu loại sau:
Thép hợp kim thấp Ferite – Pearlite: có chứa bổ sung rất nhỏ (bé hơn 0,1%)
cacbite mạnh hay carbonitride hình thành nhƣ Nb, V, Ti, để tăng cƣờng độ bền, làm
mịn hạt.
Thép cán Pearlite: bao gồm thép C - Mn nhƣng cũng có thể bổ sung lƣợng nhỏ
nguyên tố hợp kim khác để tăng cƣờng độ bền, dẻo dai và tính hàn.
Thép Ferrite hình kim: (cacbon thấp bainite) cacbon thấp (ít hơn 0,05% C) độ
bền cao, (690 MPa) khả năng hàn và tính dẻo dai tốt.
Thép song pha:trong đó có một cấu trúc tinh thể của mactenxit phân tán trong
ma trận Ferite và tạo một hợp chất có độ dẻo và độ bền kéo cao.
Thép tạo hình: bổ sung thêm các nguyên tố hợp kim Ca, Zr, Ti để cải thiện tính
dẻo dai của thép.
Thành phần hóa học và Cơ tính theo tiên chuẩn của một số Quốc gia
Tiêu chuẩn Viê ̣t Nam
TCVN 1659 – 75 quy đinh
. Ký hiệu mác thép
̣ phƣơng pháp biể u thi ma
̣ ́ c thé p
HSLA gồ m hai phầ n : 2 chƣ̃ số đƣ́ng đầ u biể u thi ha
̣ ̀ m lƣơ ̣ng cacbon trung bình theo

phầ n va ̣n và ký hiê ̣u chỉ nguyên tố hơ ̣p kim đƣ́ng sa u thƣờng là Mn , Cr, Si, Ni,… Nế u
hàm lƣợng hợp kim khoảng 1% thì sau ngun tố hợp kim khơng có chữ số , nế u vƣơ ̣t
quá 1.5% thì thêm số 2.
Ví dụ : thép 12MnSi – thép chứa cacbon trung bình
0.12%, hàm lƣợng Mn
khoảng 1%
và hàm lƣơ ̣ng Si khoảng 1%.
Tiêu chuẩn Nga (Liên Xô cũ)
Tiêu chuẩ n Viê ̣t Nam biể u thi ma
(tiêu chuẩ n
̣ ́ c thé p gầ n giố ng tiêu chuẩ n của Nga
ΓΟCT). Sau đây là bảng biể u thi tên
̣ nguyên tố hơ ̣p kim tƣơng đƣơng giƣ̃a tiêu chuẩ n
TCVN và tiêu chuẩ n ΓΟCT. (Trang 130 Sổ tay mác thép thế giới)

Page 3


Bảng 1.1: Ký hiệu nguyên tố hợp kim tương đương giữa tiêu chuẩn TCVN và tiêu
chuẩn ΓΟCT
Ký hiệu theo tiêu Tên nguyên
Ký hiệu theo tiêu
chuẩ n ΓΟCT
tố hơ ̣p kim
chuẩ n TCVN
A
Nitơ
N
Б
Niôbi

Nb
B
Vônfram
W
Γ
Mangan
Mn
Д
Đồng
Cu
К
Côban
Co
M
Môlipđen
Mo
H
Niken
Ni
П
Phố t pho
P
P
Bo
B
C
Silic
Si
T
Titan

Ti
Y
Cacbon
C
Ф
Vanadi
V
X
Crôm
Cr
Ц
Kẽm
Zn
Ю
Nhôm
Al

Page 4


Bảng 1.2. Thành phần hóa học của một sớ mác thép theo tiêu chuẩn TCVN3104-79
Hàm lƣợng (%)
Mác thép

C

Si

Mn

Crmax

Nimax

Cumax

P max

Smax

Nguyên tố
khác

0,17÷0,37
0,17÷0,37
0,25÷0,55
0,50÷0,80
0,50÷0,80
0,17÷0,37
0,40÷0,70
0,40÷0,70

0,7÷1,0
1,4÷1,5
1,2÷1,6
0,5÷1,2
1,3÷1,7
0,9÷1,2
0,9÷1,2
0,4÷0,7

0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,5÷0,8
0,6÷0,9

0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3÷0,6

0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
0,2÷0,4

0,035
0,035

0,035
0,035
0,035
0,035
0,035
0,035

0,04
0,04
0,04
0,04
0,04
0,04
0,04
0,04

V:
0,05÷0,1

0,6÷0,9
0,4÷0,7

0,8÷1,2
1,5÷1,7

0,3
0,9÷1,2

0,3
0,3

0,3
0,3

0,04
0,04

0,045
0,045

Zr:
0,07÷0,14

Thép kết cấu hợp kim

14Mn
09Mn2
18Mn2
12MnSi
09Mn2Si
15MnV
14CrMnSi
15CrSiNiC

0,12÷0,18
≤ 0,12
0,14÷0,2
0,09÷0,15
≤0,12
0,12÷0,18

0,11÷0,16
0,12÷0,18

Thép làm cốt bêtơng
33MnSi
20CrMn2Z

0,30÷0,37
0,19÷0,26

Page 5


Bảng 1.3 Một sớ mác thép hợp kim thấp có độ bền cao theo tiêu chuẩn Nga
Mác Thép
Si
Mn
P≤
S≤
09Γ2
≤0.12
0.17 ÷ 0.37
1.4 ÷ 1.8
0.035
0.040

Cr≤
0.30

Ni≤

0.30

Cu
0.30

09Γ2 Д

≤0.12

0.17 ÷ 0.37

1.4 ÷ 1.8

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

14Γ2

0.12 ÷ 0.18

0.5 ÷ 0.8

1.2 ÷ 1.6

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

12ΓC

0.09 ÷ 0.15

0.5÷ 0.8

0.8 ÷ 1.2

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

16ΓC

0.12 ÷ 0.18

0.4 ÷ 0.7

0.9 ÷ 1.2

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

17ΓC

0.14 ÷ 0.2

0.4 ÷ 0.6

÷ 1.40

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

09 Γ2C

≤0.12

0.5 ÷ 0.8

1.3 ÷ 1.7

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

09Γ2C Д

≤ 0.12

0.5 ÷ 0.8

1.3 ÷ 1.7

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

10Γ2C1

≤ 0.12

0.8 ÷ 1.1

1.3 ÷ 1.65

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

10Γ2C Д

≤ 0.12

0.8 ÷ 1.1

1.3 ÷ 1.65

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

15ΓФ

0.12÷ 0.18

0.17 ÷ 0.37

1.3 ÷ 1.65

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

15ΓФД

0.12÷ 0.18

0.17 ÷ 0.37

0.9 ÷ 1.2

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

15Γ2CФ

0.12÷ 0.18

0.4 ÷ 0.7

1.3 ÷ 1.7

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

15Γ2CФ Д

0.12÷ 0.18

0.4 ÷ 0.7

1.3 ÷ 1.7

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

14Γ2AФ

0.12÷ 0.18

0.3 ÷ 0.6

1.2 ÷ 1.6

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

Page 6

Thành phần khác
Ni≤0.008
As≤0.08
Ni≤0.008
As≤0.08
Ni≤0.008
As≤0.08
Ni≤0.008
As≤0.08
Ni≤0.008
As≤0.08

Ni≤0.008
As≤0.08
Ni≤0.008
As≤0.08
Ni≤0.008
As≤0.08
Ni≤0.008
As≤0.08
Ni≤0.008
V0.05÷0.12
As≤0.08,Ni≤0.008
V0.05÷0.12
As≤0.08,Ni≤0.008
V0.05÷0.12
As≤0.08,Ni≤0.008
V0.05÷0.12
As≤0.08,Ni≤0.008
V0.05÷0.12


14Γ2AФ Д

0.12÷ 0.18

0.3 ÷ 0.6

1.20÷ 1.60

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

16Γ2AФ

0.12÷ 0.18

0.3 ÷ 0.6

1.30÷ 1.70

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

16Γ2AФ Д

0.14 ÷ 0.20

0.30 ÷ 0.60

1.30 ÷ 1.70 0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

18Γ2AФnc

0.14 ÷ 0.20

≤ 0.17

1.30 ÷ 1.70 0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

10 Γ2Б

0.14 ÷ 0.22

0.17 ÷ 0.37

1.20 ÷ 1.60 0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

10 Γ2Б Д

≤ 0.12

0.17 ÷ 0.37

1.20÷ 1.60 0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

Page 7

As≤0.08,Ni≤0.008
V0.05÷0.12
As≤0.08,Ni≤0.008
V0.08÷0.14,As≤0.08
No0.015÷0.025
V0.08÷0.14,As≤0.08
No0.015÷0.025
V0.08÷0.14,As≤0.08
No0.015÷0.025
V0.08÷0.14,As≤0.08
No0.015÷0.025
V0.08÷0.14,As≤0.08
No0.015÷0.025


Theo Tiêu chuẩn Hoa Kỳ
Theo tiêu chuẩ n SAE quy đinh
̣ về phƣơng pháp biể u thi ma
̣ ́ c thé p , trong đó thé p
HSLA đƣơ ̣c ký hiê ̣u nhƣ sau :
Chƣ̃ số thƣ́ nhấ t là số
Hai chƣ̃ số tiế p theo là giới ha ̣n chảy tố i thiể u theo đơn vi K
̣
Tiế p theo là chƣ̃ cái A, B, C, D hoă ̣c X để phân biê ̣t các thành phầ n khác nhau
trong nhó m mác có cùng giới ha ̣n chảy .
Theo tiêu chuẩ n ASTM thì biể u thi the
̣ ́ p HSLA nhƣ sau
Chƣ̃ thƣ́ nhấ t là Grade

Hai chƣ̃ số tiế p theo chỉ giới ha ̣n chảy tố i thiể u theo đ ơn vi Ksi
hoă ̣c các chƣ̃ cái
̣
A, C, D, E
Theo tiêu chuẩn ASTM có các mác thép nhƣ A656, A690, A709, A715, A808,
A812, A841, A871, A242, A440, A441, A529, A588, A606, A607, A618… (trang 512
sổ tay mác thép thế giới)
Bảng 3.4 thành phần hóa học của mác thép A558 theo tiêu chuẩn ASTM
Mác Thép
C
Si
Mn
P
S
Cu
V
ASTM UNS
Gr. H
K12032 0.2
0.2÷
1.25 0.04
0.04 0.2
0.02
0.75
÷0.35 ÷ 0.1
Gr. J

Gr. K

K12044 0.2

0.3÷
0.5

0.17
0.25÷
0.5

0.6 1

0.04

0.05

0.5÷
1.2

0.04

0.05

≥0.03

0.3÷
0.5

Page 8

Nguyên
tố

khác
Cr0.1÷0.25
Ni0.3÷0.6,
Ti0.005 0.03
Ni 0.5÷0.7
Ti0.03 ÷0.05
Cr0.4 ÷0.7
Ni 0.4
Mo 0.1
Nb0.005÷0.05


Bảng 1.5: Thành phần hóa học và cơ tính của một số mác thép HSLA theo SAE
Hàm lƣợng (%)
Mác thép

SAE 942X
SAE 945A
SAE 945C
SAE 945X
SAE 950A
SAE 950B
SAE 950C
SAE 950D
SAE 950X
SAE 955X
SAE 960X
SAE 965X
SAE 970X
SAE 980X

Cmax

Mnmax

Simax

P max

Smax

0,21
0,15
0,23
0,22
0,15
0,22
0,25
0,15
0,23
0,25
0,26
0,26
0,26
0,26

1,35
1,00
1,40
1,35

1,30
1,30
1,60
1,60
1,35
1,35
1,45
1,45
1,65
1,65

0,90
0,90
0,90
0,90
0,90
0,90
0,90
0,90
0,90
0,90
0,90
0,90
0,90
0,90

0,040
0,040
0,040
0,040

0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040
0,040

0,050
0,050
0,050
0,050
0,050
0,050
0,050
0,050
0,050
0,050
0,050
0,050
0,050
0,050

R0,2
(min, Ksi)

42

45
45
45
50
50
50
50
50
55
60
65
70
80

Bảng 1.6: Thành phần hóa học của một số mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A572 -88C
Hàm lƣợng (%)
Simax

Đƣờng kính
/chiều dài
Grade
(mm)
Cmax

Mnmax P max

Smax

150
100

32
13÷32
≤13

1,35
1,35
1,35
1,65
1,35

0,05
0,05
0,05
0,05
0,05

42
50
60
65
65

0,21
0,23
0,26
0,23
0,26

0,04
0,04

0,04
0,04
0,04

Page 9

Tấm>40mm
Tấm ≤40mm
Thép
hình
Thép
hình
>630
≤630 Kg/m,Z,T
Kg/m
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4

0,15÷0,40
0,15÷0,40
_
_
_


Bảng 1.7: Cơ tính của các mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A572-88C
R0,2 (min)

Rm (min)
A (min, %)
Grade

MPa

Ksi

MPa

Mẫu
(mm)

Ksi

200 Mẫu 50
(mm)

42
290
42
415
60
20
24
50
345
50
450
65

18
21
60
415
60
520
75
16
18
65
450
65
550
80
15
17
Bảng 1.8: Thành phần hóa học của một sớ mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A573-89
Hàm lƣợng (%) các nguyên tố hóa học
ASTM

Grade 58
Grade 65
Grade 70

Cmax
Dày ≤13 mm

13÷40 mm

0,23

0,24
0,27

0,23
0,26
0,28

Mn

P max

Smax

Si

0,60÷0,90
0,85÷1,20
0,85÷1,00

0,04
0,04
0,04

0,050
0,050
0,050

0,10÷0,35
0,15÷0,40
0,15÷0,40

Bảng 1.9: Cơ tính của một sớ mác thép theo tiêu ch̉n ASTM A573 -89
R0.2 (min)
ASTM

Grade 58
Grade 65
Grade 70

Rm (min)

A (min, %)

MPa

Ksi

MPa

Ksi

Mẫu 200 Mẫu 50
(mm)
(mm)

220
240
290

32

35
42

480÷490
450÷530
485÷620

58÷71
65÷77
70÷79

21
20
18

Page 10

24
23
21


Bảng 1.10: Thành phần hóa họccủa một sớ mác thép ASTM A633-90
Hàm lƣợng (%)
Mn
ASTM
Cmax

Grade A
Grade D

Grade E

0,18
0,20
0,22

Dày≤14
(mm)

40÷100
(mm)

100÷150
(mm)

1,0÷1,35 1,0÷1,35 0,7÷1,35 1,0÷1,6 1,15÷1,5 1,15÷1,5 1,15÷1,5

P max Smax

Si

Nbmax

V

Cuma

Nimax Crmax Momax

x

0,04 0,05 0,15÷0,5
0,04 0,05 0,15÷0,5
0,04 0,05 0,15÷0,5

0,05
0,01÷0,0
5

0,04÷0,11

0,35
-

0,25
-

0,25
-

0,08
-

Bảng 3.11: Cơ tính của một sớ mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A633-90
ASTM

R0,2 (min)
MPa
dày
65(mm)

Grade A
Grade D
Grade E

290
345
415

Rm (min)
MPa
≤

≤100(mm)

≤160
(mm)

dày ≤
(mm)

290
315
415

380

430÷570
485÷620
550÷690

A (min)
%
65

Page 11

≤ 100 (mm)

≤ 160 (mm)

Mẫu
(mm)

430÷570
450÷590
550÷690

515÷655

18
18
18

200 Mẫu
(mm)
23
23
23

50


Tiêu chuẩn Nhật Bả n
Tiêu chuẩ n Nhâ ̣t JIS quy đinh
̣ phƣơng pháp biể u thi ma
̣ ́ c thé p gồ m ba phầ n :
Chƣ̃ cái thƣ́ nhấ t biể u thi the
̣ ́ p S (Steel)
Chƣ̃ cái thƣ́ hai biể u thi công
du ̣ng H (Hot rolling) cán nóng .
̣
Ba chƣ̃ sớ tiế p theo biể u thi gi
̣ á trị thấp nhất của độ bền . Ngồi ra các mác thép
đơi khi có thể có thêm ký hiê ̣u biể u thi hi
, phƣơng pháp chế ta ̣o
̣ ǹ h da ̣ng vâ ̣t liê ̣u thé p
và nhiệt luyện . P (Plate) thép tấm, S thé p băng .
Bảng 1.12: Thành phần hóa học (%) của các mác thép theo JIS G319-88
Hàm lƣợng (%)
JIS

SH590P
SH590S

Cmax

Mnmax

P max

Smax

Simax

(Nb + V) max

0,12
0,18

2,0
1,8

0,030
0,035

0,03
0,03

0,4
0,4

0,15
0,15

Bảng 1.13: Cơ tính của một sớ mác thép theo tiêu chuẩn JIS G319 -88
JIS
R0,2 (min)
Rm (min)
A

(MPa)
(MPa)
(%)
SH590P
SH590S

440
440

590
590

19÷26
13÷17

Bảng 1.14: Thành phần hóa học (%) của các mác thép theo JIS G3128 -87
Hàm lƣợng (%)
JIS
Cmax

Simax P max

Smax

Cumax Ni

Crmax Momax Vmax

Bomax

SHY-685
SHY0,18 0,55 0,030 0,025 0,50 1,20 0,60
0,10 0,005
685N
0,18 0,55 0,030 0,025 0,50 0,70÷1,50 0,80 0,60
0,10 0,005
SHY0,18 0,55 0,015 0,015 0,50 0,70÷1,50 0,80 0,60
0,10 0,005
685NS
Cơ tính của cả 3 mác thép SHY-685, SHY685N, SHY685NS đều đảm bảo:
R0.2 ≥ 685 Mpa
Rm ≥ 785 MPa(Trích từ sổ tay mác thép thế giới trang 294)
Tiêu chuẩn Trung Quốc

Page 12


Bảng 1.15: Thành phần hóa học của một sớ mác thép theo tiêu chuẩn GB 1591- 94
Hàm lƣợng (%)
Phẩm
Mác thép
cấp
Cmax
Mn
Simax
P max
Smax
V
A
0.16

0.80 ÷ 1.50
0.55
0.045
0.045
0.02 ÷ 0.15
Q295
B
0.16
0.80 ÷1.50
0.55
0.040
0.040
0.02 ÷ 0.15
A
0.20
1.00 ÷ 1.60
0.55
0.045
0.045
0.02 ÷ 0.15
B
0.20
1.00 ÷ 1.60
0.55
0.040
0.040
0.02 ÷ 0.15
Q345
C
0.20

1.00 ÷ 1.60
0.55
0.035
0.035
0.02 ÷ 0.15
D
0.18
1.00 ÷ 1.60
0.55
0.030
0.030
0.02 ÷ 0.15
E
0.18
1.00 ÷ 1.60
0.55
0.025
0.025
0.02 ÷ 0.15
A
0.20
1.00 ÷ 1.60
0.55
0.045
0.045
0.02 ÷ 0.20
B
0.20
1.00 ÷ 1.60
0.55

0.040
0.040
0.02 ÷ 0.20
Q390
C
0.20
1.00÷1.60
0.55
0.035
0.035
0.02 ÷ 0.20
D
0.20
1.00÷1.60
0.55
0.030
0.030
0.02 ÷ 0.20
E
0.20
1.00 ÷1.60
0.55
0.025
0.025
0.02 ÷ 0.20
A
0.20
1.00 ÷ 1.70
0.55
0.045

0.045
0.02 ÷ 0.20
B
0.20
1.00 ÷ 1.70
0.55
0.040
0.040
0.02 ÷ 0.20
Q420
C
0.20
1.00÷1.70
0.55
0.035
0.035
0.02 ÷ 0.20
D
0.20
1.00÷1.70
0.55
0.030
0.030
0.02 ÷ 0.20
E
0.20
1.00 ÷ 1.70
0.55
0.025
0.025

0.02 ÷ 0.20
C
0.20
1.00 ÷ 1.70
0.55
0.035
0.035
0.02 ÷ 0.20
Q460
D
0.20
1.00 ÷ 1.70
0.55
0.030
0.030
0.02 ÷ 0.20
F
0.20
1.00 ÷ 1.70
0.55
0.025
0.025
0.02 ÷ 0.20

Mác thép

Q295

Phẩm
cấp

A
B

Giới hạn chảy (MPa) (min)
Chiều dày hoặc đƣờng kính (mm)
≤ 16

> 16 ÷ 35

35 ÷ 50

50 ÷ 100

Độ bền kéo
σb
(MPa)

295
295

275
275

255
255

235
235

390 ÷ 570

390 ÷ 570
Page 13

N
0.015 ÷ 0.060
0.015 ÷ 0.060
0.015 ÷ 0.060
0.015 ÷ 0.060
0.015 ÷ 0.060
0.015 ÷ 0.060
0.015 ÷ 0.060
0.015 ÷ 0.060
0.015 ÷ 0.060
0.015 ÷ 0.060
0.015 ÷ 0.060
0.015 ÷ 0.060
0.015 ÷ 0.060
0.015 ÷ 0.060
0.015 ÷ 0.060
0.015 ÷ 0.060
0.015 ÷ 0.060
0.02 ÷ 0.20
0.02 ÷ 0.20
0.02 ÷ 0.20

Độ
Độ dai va đập
giãn
dài δ Nhiệt độ ≤
o

(%)
C
Akv/J
23
23
+20
34

Timax
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02
0.02

Uốn cong 108 o
≤ 16
d = 2a
d = 2a

>16÷10
0
d = 3a
d = 3a

Al
0.015
0.015
0.015
0.015
0.015
0.015
0.015
0.015
0.015
0.015
0.015
0.015


Q345

Q390

Q420

Q460

A
B
C
D
E
A
B
C
D
E
A
B
C
D
E
C
D
E

345
345
345
345
345
390
390
390

390
390
420
420
420
420
420
460
460
460

325
325
325
325
325
370
370
370
370
370
400
400
400
400
400
440
440
400

295
295
295
295
295
350
350
350
350
350
380
380
380
380
380
420
420
420

275
275
275
275
275
330
330
330
330
330
360

360
360
360
360
400
400
400

470 ÷ 630
470 ÷ 630
470 ÷ 630
470 ÷ 630
470 ÷ 630
490 ÷ 650
490 ÷ 650
490 ÷ 650
490 ÷ 650
490 ÷ 650
520 ÷ 680
520 ÷ 680
520 ÷ 680
520 ÷ 680
520 ÷ 680
520 ÷ 720
520 ÷ 720
520 ÷ 720

Page 14

21

21
22
22
22
19
19
20
20
20
18
18
19
19
19
17
17
17

+20
0
-20
-40
+20
0
-20
-40
+20
0
-20
-40

0
-20
-40

34
34
34
27
34
34
34
27
34
34
34
34
34
34
27

d = 2a
d = 2a
d = 2a
d = 2a
d = 2a
d = 2a
d =2a
d = 2a
d = 2a
d = 2a

d = 2a
d = 2a
d = 2a
d = 2a
d = 2a
d = 2a
d = 2a
d = 2a

d = 3a
d = 3a
d = 3a
d = 3a
d = 3a
d = 3a
d = 3a
d = 3a
d = 3a
d = 3a
d = 3a
d = 3a
d = 3a
d = 3a
d = 3a
d = 3a
d = 3a
d = 3a

Bảng
1.16:

Cơ
tính
của
một sớ
mác
thép
theo
tiêu
ch̉n
GB159
1- 94


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 096
Theo tiêu chuẩ n GB 1591 – 94 thì mác thép HSLA đƣợc biểu thị nhƣ sau : Chƣ̃
cái đứng đầu mác thép là chữ cái “Q” , chữ số đứng sau chỉ giá trị giới hạn chảy thấp
nhất( Trang 179 Sổ tay sử dụng mác thép thế giới)
Theo tiêu chuẩn Đức
Tiêu chuẩ n DIN 17006 quy đinh
̣ phƣơng pháp biể u thi ma
̣ ́ c thé p theo đô ̣ bề n
của vật liệu nhƣ sau : (trang 340 sổ tay mác thép thế giới)
Chƣ̃ cái đầ u tiên biể u thi phƣơng
pháp luyê ̣n hoă ̣c đă ̣c tính ban đầ u :
̣
Q: có thể dập nguội (có thể ép, có thể biến dạng nguội )
Z: có thể kéo chuốt
Hai chƣ̃ cái tiế p theo là St (Stahl) và theo sau là giá trị độ bền kéo (MPa).

Trang 15

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 096
Bảng 1.16: Thành phần hóa học của một sớ mác thép theo tiêu chuẩn DIN
Hàm lƣợng (%)
Mác thép
Cmax Simax Mnmax P max
Smax
Almax
Nbmax Timax

QStE
340
TM
QStE
360
TM
QStE
380
TM
QStE
420
TM
QStE
460
TM
QStE
500
TM
QStE

550
TM
QstE 690 TM
QStE 260 N
QStE 300 N
QStE 340 N
QStE 360 N
QStE 380 N
QStE 420 N
QStE 460 N
QStE 500 N
QStE 550 N

0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.12
0.15
0.16
0.16
0.16
0.18
0.18
0.20
0.21
0.22
0.24

0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5

1.3
1.5
1.4
1.6
1.6
1.7
1.8
2.1
1.2
1.4
1.5

1.6
1.6
1.6
1.7
1.7
~ 1.55

0.03
0.025
0.03
0.25
0.25
0.25
0.25
0.025
0.025
0.025
0.03
0.025
0.03
0.025
0.03
0.03
0.035

0.03
0.02
0.03
0.015
0.015

0.015
0.015
0.02
0.02
0.02
0.03
0.015
0.03
0.015
0.03
0.03
0.035

0.015
0.015
0.015
0.015
0.015
0.015
0.015
0.015
0.015
0.015
0.015
0.015
0.015
0.015
0.015
0.025

0.09
0.09
0.09
0.09
0.09
0.09
0.09
0.06
0.09
0.09
0.09
0.09
0.09
0.09
0.09
0.09
-

0.22
0.15
0.22
0.15
0.15
0.15
0.15
0.22
0.15
0.15
0.22
0.15

0.22
0.15
0.22
0.22
0.2

Vmax

0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.1
0.1
0.1
0.1
-

Trang 16


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 096
Tổ chức tế vi điển hình

Hình 1.1 Tổ chức tế vi của HSLA-100 ở trạng thái cơ bản và ở vùng hàn

Hình 1.2 Tổ chức tế vi của HSLA-100 ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ)

Trang 17

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 096

Hình 1.3 Tổ chức tế vi của thép HSLA. a.As-rolled; b. tempered at 200°C; c.
tempered at 400°C; d. tempered at 600°C; e. tempered at 700°C.

Hình 1.4 Tổ chức tế vi của thép HSLA-340 đã ram

Hình 1.5 Tổ chức tế vi của thép HSLA cán nguội, tôi
Một số ứng dụng

Trang 18


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 096
07MnCrMoVR, 07MnNiCrMoVDR, 07MnCrMoV-R, 07MnCrMoV-E có tính
hàn tốt, đƣợc sử dụng trong các chi tiết ô tô
Cầu, Kết cấu giao thông đƣờng bộ đƣợc chế tạo bằng các mác thép:
15CrSiNiCu, 10CrSiNiCu, 10Mn2SiNiCu, 10Mn2NV
Kết cấu hàn của máy xúc bánh xích và máy ủi, máy múc, các kết cấu kim loại
chịu tải nặng đƣợc chế tạo bằng các mác thép: 12Mn2SiMoV, 14MnSiMoVBo.
Để làm bể chứa dung dịch lớn, bình ga và các bình chứa chịu áp lực, nồi hơi
cơng nghiệp dùng các mác thép: 09Mn2Si, 10Mn2NV, 10Mn2Si, 12Mn2SiMoV.
Để làm các ống dẫn khí đốt, dầu khí thép phải có tính hàn tốt, độ bền cao và đủ
dẻo, dai, khơng có khả năng bị phá hủy giòn ở nhiệt độ lắp ráp và vận hành đƣờng ống
ở trạng thái tiêu chuẩn. Thép đƣợc dùng nhiều nhất cho mục đích này (ống có đƣờng
kính lớn) là mác thép 17MnSi ở trạng thái thƣờng hóa. Ngồi ra cũng có thể dùng các
mác thép 12Mn2SiNV, 14Mn2SiVNb, 16Mn2SiNV.
Những năm gần đây, Tổng Công Ty Thép Việt Nam ở phía nam đã sản xuất và

cung cấp cho thị trƣờng một số mác thép cốt bê tông HSLA nhƣ :SD390 theo tiêu
chuẩn JIS G 3112-1987.Gr60 theo tiêu chuẩn ASTM A615/A615M-96
Một số chi tiết trong ơ tơ

Hình 1.6 Một sớ bộ phận của một chiếc xe CADILLAC sử dụng thép HSLA
(4) Đoạn ray ở khoan trƣớc của xe,(11) Nút dự phòng trong khung điều khiển, (17)
Ray thay thế bên dƣới thân xe, (18) Đoạn ray bên dƣới phía sau xe, (20) Ray thay thế

Trang 19


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 096

Hình 1.7 (a) bánh xe,(b) hệ thồng giá đỡ với cấp độ cao, (c) các biên dạng khác nhau dùng
trong ôtô, (d) trục khuỷu, (e) khung xe tải, (f) cột buồm cung cấp cho máy phát điện gi

1.2 Khái quát về lý thuyết cơ học phá hủy
Sự phá hủy vật liệu dƣới góc độ nguyên tử
Mục này sẽ nêu ra một mơ hình đơn giản để đánh giá độ bền kết dính cực đại lý thuyết
trong vật rắn. Việc tiếp cận hiện tƣợng phá hủy của vật liệu ở mức độ vi mơ dựa trên q trình
đứt gãy liên kết giữa các nguyên tử sẽ giúp ngƣời đọc hiểu rõ q trình hình thành vết nứt
giịn ở một vật thể còn nguyên vẹn.
Xét lực tƣơng tác giữa hai nguyên tử khi khoảng cách giữa chúng có sự thay đổi.
Trong mọi trƣờng hợp sự ảnh hƣởng của lực đẩy và lực hút giữa các nguyên tử có thể đƣợc
minh họa qua đồ thị hình 3.1.

Hình 1.8. Mơ hình đơn giản về mối quan hệ giữa lực tác động F với khoảng cách giữa hai
nguyên tử.
Với x là khoảng cách bất kỳ giữa hai nguyên tử, b 0 là khoảng cách giữa hai nguyên tử
khi ở vị trí cân bằng và ( + b0 ) là khoảng cách giữa hai nguyên tử khi lực hút giữa chúng cịn

tác dụng. Theo hình 3.1, để làm giảm khoảng cách b 0 , phải tác động một lực nén sao cho vƣợt
qua lực đẩy giữa các nguyên tử. Còn để khoảng cách b 0 tăng lên một đoạn u, phải tác động
một lực kéo F sao cho lớn hơn lực hút của nguyên tử; và khi F tăng đến F c (lúc đó, x = b0 + u
= b0 + /2) thì liên kết giữa các nguyên tử sẽ bị suy yếu. Từ thời điểm này (u = /2), nếu tiếp
tục kéo dài x thì lực F cần thiết để làm gia tăng x sẽ càng lúc càng suy giảm. Đƣờng cong thể
hiện mối liên hệ giữa lực F và chuyển vị u giữa hai nguyên tử có thể đƣợc xấp xỉ ở dạng
đƣờng sin với chiều dài bƣớc sóng là 2 . Khi đó thì:
(3.1)
F=0 u>λ
(3.2)

Trang 20


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 096
Với u = x–b0 , là chuyển vị của nguyên tử ra khỏi vị trí cân bằng và là giới hạn của
chuyển vị u để cho lực hút giữa hai nguyên tử còn tác dụng.
Giả sử ứng suất đƣợc định nghĩa ở dạng sau:
= NF(3.3)
Với N là số lƣợng liên kết ngun tử trong một diện tích đang xét. Cơng thức (3.1) và
(3.2) có thể đƣợc viết lại nhƣ sau:

(3.4)
Với

(3.5)
tiêu biểu cho độ bền kết dính trong vật rắn.

Với một chuyển vị u rất nhỏ, hàm sin có thể đƣợc xấp xỉ với sin(x) = xvà do
vậy, công thức (3.4) có thể đƣợc viết lại là

(3.6)
Giả sử chuyển vị u giữa hai nguyên tử tuân theo định luật Hook thì mối quan hệ
giữa ứng suất và biến dạng là:
(3.7)
Với E là module đàn hồi. Khi đó, cơng thức (3.6) sẽ trở thành
(3.8)
Khi vật liệu bị phá hủy làm cho một vết nứt đƣợc hình thành thì hai bề mặt mới
sẽ đƣợc tạo ra. Khi ấy, năng lƣợng bề mặt là 2 . Hệ số 2 đƣợc sử dụng ở đây là để
nhấn mạnh sự hình thành 2 bề mặt mới. Công cần thiết để tạo ra hai bề mặt phải bằng
với cơng của lực tác dụng trong khoảng diện tích đang xét. Ta có:
(3.9)
Ở đây, theo hình 3.1, để cho vết nứt hình thành thì liên kết giữa hai nguyên tử phải bị
phá vỡ hay chuyển vị u phải tiến tới . Do vậy, phải xét công của lực tác dụng trong khoảng
từ 0 đến . Kết hợp công thức (3.9) với cơng thức (3.4), ta có:
2γ=
(3.10)

Từ cơng thức (3.8) và (3.10), ta có cơng thức tính độ bền kết dính trong vật rắn
nhƣ sau:
(3.11)
Cơng thức (3.11) cũng cho thấy độ bền kết dính trong vật rắn
rất cao là do
giá trị của module đàn hồi E và năng lƣợng bề mặt lớn, trong khi khoảng cách b0
giữa hai nguyên tử là cực nhỏ.
Với nhiều vật liệu, năng lƣợng bề mặt
(3.11) có thể đƣợc xấp xỉ nhƣ sau:
(3.12)

có giá trị khoảng Eb0 /100. Do đó, cơng thức

Những tính tốn khác về độ bền kết dính vật rắn dựa trên các mơ hình phức tạp
và chính xác hơn đã đƣa ra giá trị
nằm trong khoảng (
)E. Những giá trị này
có thể thu đƣợc chỉ khi vật liệu đƣợc thí nghiệm với những thớ rất mỏng. Tuy nhiên,
độ bền kết dính thực sự của vật rắn thấp hơn nhiều so với . Một trong những nguyên
nhân gây ra chính là sự tồn tại của các khuyết tật trong cấu trúc vi mô của vật rắn.
Ứng suất tập trung tại đỉnh vết nứt, hệ số cƣờng độ ứng suất
Bài toán Westergaard

Trang 21