Tài liệu Chương VIII: Luyện kim hàn Chuyên Nghành Hàn

Chương VIII – LUYỆN KIM HÀN
VIII.1. Khái niệm chung
Luyện kim là khoa học nghiên cứu, xử lí cấu trúc bên trong của kim loại/ hợp kim
và mối liên hệ giữa các cấu trúc này với các thuộc tính của kim loại và hợp kim.
Nói đến luyện kim hàn, người ta thường quan tâm đến những thay đổi khác nhau
xảy ra trong kim loại khi hàn các phần tử với nhau, đặc biệt là chúng ảnh hưởng
đến tính chất cơ học.
Người Thanh tra Hàn phải có kiến thức cơ bản về luyện kim hàn. Giả sử người
thanh tra đã có kiến thức về luyện kim hàn, thì họ cũng không hoàn toàn chịu trách
nhiệm về thông số kim loại cơ bản và kim loại hàn hoặc phương pháp xử lí của
chúng. Song, sự hiểu biết về bản chất luyện kim hàn không chỉ giúp cho người
thanh tra trong công việc về hàn, mà còn trong nhiều lĩnh vực khác. Một trong
những nguyên nhân là cơ tính của kim loại như độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai, độ
bền mỏi, độ chống mài mòn, tất cả đều chịu ảnh hưởng do sự chuyển biến luyện
kim trong quá trình hàn.
Các thuộc tính bị ảnh hưởng bởi các yếu tố luyện kim khác nhau gồm việc bổ sung
nguyên tố hợp kim, xử lí cơ nhiệt. Người Thanh tra Hàn phải hiểu các thuộc tính
này để cảm nhận tốt hơn nhằm phục vụ tốt các nguyên công sản xuất. Các yêu cầu
sản xuất nhất định, như gia nhiệt, xử lí nhiệt sau hàn, kiểm tra nhiệt độ giữa các
lượt hàn, kiểm tra năng lượng đường, đầm mối hàn, giảm ứng suất nhiệt… có thể
gây ra một số loại chuyển biến luyện kim từ đó ảnh hưởng đến tính chất cơ học của
kim loại. Vì vậy, chương này sẽ mô tả chủ yếu các khía cạnh luyện kim hàn thép
và nhấn mạnh đến các phương pháp điều khiển những thay đổi có thể xảy ra.
Do chủ đề luyện kim hàn gồm nhiều khía cạnh, nên có thể vượt ra chủ đề thảo
luận. Do đó ở đây chỉ giới hạn những thay đổi quan trọng mà có thể xảy ra trong
nguyên công hàn. Những thay đổi này được tóm tắt và chia làm hai loại.
Loại đầu tiên gồm những thay đổi xảy ra bên trong kim loại khi nó nhận được
nhiệt năng và chuyển từ nhiệt độ bình thường đến nhiệt độ cao và các giai đoạn khi
hạ từ nhiệt độ cao về nhiệt độ thấp. Loại thứ hai là ảnh hưởng của tốc độ thay đổi
nhiệt độ đến các thuộc tính của kim loại. Quan trọng hơn nữa là tìm hiểu quá trình
nguội của kim loại từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ bình thường diễn ra như thế nào.

1
Đầu tiên, khảo sát những thay đổi xảy ra trong kim loại khi nó được làm nóng và
hạ nhiệt một cách đều đều. Tuy nhiên, cần chú ý rằng quá trình hàn thể hiện một số
vấn đề rất khác vì nguyên công hàn có xu hướng gia nhiệt tập trung vào vùng rất
nhỏ của kim loại. Do đó nung nóng và làm nguội không đều sẽ gây ra một số vấn
đề khác nữa.
VIII.2. Cấu trúc (tổ chức) kim loại cơ bản.
VIII.2.1. Sự sắp xếp các nguyên tử
Để hiểu được các thuộc tính luyện kim của kim loại, cần phải bắt đầu bằng việc
mô tả một số thuộc tính của hạt có trong các dạng vật chất. Các hạt cơ bản này kết
hợp lại tạo thành các dạng vật chất thể rắn (đặc), lỏng, khí (hơi); chúng được biết
đến với tên gọi là nguyên tử. Các nguyên tử này nhỏ đến mức mắt thường không
thể nhìn thấy, thậm chí dùng cả kính hiển vi công suất mạnh nhất. Tuy nhiên khi
bắt đầu ở mức độ này và được giải thích về tính chất của nguyên tử cũng như cấu
trúc của chúng, người đọc có thể hiểu đầy đủ hơn một số hiện tượng mà được quan
sát qua kính hiển vi hoặc với mắt thường.
Một trong những tính chất quan trọng của các nguyên tử là ở dải nhiệt độ nhất
định, chúng có khuynh hướng tạo nên cấu trúc có hình dạng riêng. Sở dĩ như vậy
vì có những lực xác định tác động tương hỗ giữa các từng nguyên tử khi giữa
chúng có một khoảng trống nhất định. Những lực này có khuynh hướng đẩy hoặc
hút các nguyên tử với nhau, trong khi các nguyên tử cũng đang đẩy nhau. Do đó
từng nguyên tử được giữ ở vị trí riêng của chúng đối với các nguyên tử khác quanh
đó bằng các lực tương tác (h.VIII.1). Những nguyên tử ở vị trí riêng của chúng
được sắp xếp theo hàng, cột và lớp trong mạng tinh thể là không gian ba chiều đối
xứng.
Hình VIII.1
2
Tuy nhiên, các vị trí này không cố định. Trong thực tế, chúng có xu hướng dao
động quanh vị trí cân bằng để duy trì khoảng cách cân bằng. Với nhiệt độ đã cho,
chúng sẽ giữ vị trí cân bằng. Khi có sự cân bằng giữa các lực hút và lực đẩy, thì

người ta nói rằng năng lượng bên trong (nội năng) của kim loại ở mức cân bằng.
Mọi cố gắng nhằm tác động cho các nguyên tử lại gần nhau sẽ bị lực đẩy chống lại
và lực đẩy đó sẽ tăng khi các nguyên tử bị đẩy lại gần nhau. Phản ứng này là bằng
chứng thực tế cho thấy kim loại thể hiện độ bền nén rất cao. Tương tự như vậy,
mọi cố gắng nhằm kéo các nguyên tử xa nhau sẽ bị lực hút chống lại. Song lực hút
sẽ bị giảm mạnh khi các nguyên tử trở nên xa cách nhau.
Dẫn chứng của phản ứng này có thể được quan sát thấy khi thử kéo. Khi đồ thị ở
dưới điểm chảy, tải trọng làm mẫu bị giãn dài ra và khoảng trống giữa các nguyên
tử tăng lên. Khi giảm lực kéo (tải trọng) mẫu sẽ thể hiện tính đàn hồi, tức là mẫu sẽ
trở về kích thước ban đầu.
Nếu tải trọng tác dụng lên mẫu tăng lên vượt quá điểm chảy của kim loại, nó sẽ
thể hiện tính dẻo. Giờ đây nó sẽ không trở về kích thước dài hoặc khoảng cách
giữa các nguyên tử ban đầu, vì các nguyên tử chịu tác dụng lực khá lớn để tách xa
nhau mà lực hút không đủ mạnh để giữ chúng ở vị trí ban đầu. Khi khoảng cách
(khoảng trống) giữa các nguyên tử tiếp tục tăng vượt xa điểm chảy thì lực hút này
càng yếu và không đủ sức để giữ các nguyên tử liên kết với nhau nữa làm cho kim
loại bị phá hủy.
Trước hết chú ý rằng các nguyên tử kim loại thể hiện khoảng trống riêng đặc trưng
ở nhiệt độ hoặc năng lượng bên trong với mức nhất định. Vì nhiệt là một dạng của
năng lượng, nên nội năng của kim loại tăng khi nhiệt độ của nó tăng. Năng lượng
bổ sung này có xu hướng làm cho các nguyên tử dao động mạnh hơn dẫn đến
khoảng trống giữa các nguyên tử tăng lên. Có thể quan sát một cách rõ ràng năng
lượng bổ sung này vì kích thước tổng thể của mẫu kim loại tăng khi các nguyên tử
chuyển động ra xa nhau. Do đó, bất kì sự giảm nhiệt độ nào trong kim loại sẽ làm
cho nguyên tử gần nhau hơn, nói cách khác, kim loại bị co lại.
Khi nhiệt bổ sung làm kim loại nóng lên, dao động của các nguyên tử tiếp tục
tăng lên làm cho khoảng trống tăng dẫn đến giãn nở kim loại. Quá trình này tiếp
tục đến điểm mà ở đó khoảng trống giữa các nguyên tử lớn đến mức các nguyên tử
không đủ sức giữ nhau tạo thành cấu trúc riêng được nữa. Khi đó kim loại rắn
chuyển sang thể lỏng (h.VIII.2). Nhiệt độ mà tại đó xảy ra sự chuyển trạng thái này

3
được gọi là điểm nóng chảy. Tiếp tục gia nhiệt, thì kim loại lỏng sẽ chuyển sang
thể khí; sự chuyển trạng thái từ lỏng sang khí này xảy ra ở nhiệt độ được gọi là
điểm bốc hơi.
Hình VIII.2
Kim loại rắn có năng lượng bên trong thấp nhất và khoảng trống giữa các nguyên
tử nhỏ nhất. Kim loại lỏng có năng lượng bên trong cao hơn với khoảng trống lớn
hơn và được coi như không còn cấu trúc cố định. Kim loại khí có năng lượng bên
trong cao nhất với khoảng trông lớn nhất và cũng không còn cấu trúc cố định.
Trong khi những hiện tượng trên khá thích thú và dễ hiểu, điều có ý nghĩa hơn là
nhận thức được tại sao chúng lại quan trọng đối với thanh tra hàn. Rõ ràng rằng
hàn và cắt truyền nhiệt lượng vào kim loại, nhiệt lượng này làm kim loại giãn nở
ra. Nếu điều khiển sao cho quá trình truyền nhiệt vào kim loại đều và không đổi,
thì người ta có thể đo được sự thay đổi chiều dài hoặc kích thước của mẫu kim loại
khi được gia nhiệt. Mỗi kim loại/ hợp kim đều có hệ số giãn nở nhiệt riêng. Do đó
có thể tính được giá trị giãn nở chính xác của mẫu kim loại khi tăng nhiệt độ lên
một giá trị nào đó.
VIII.2.2. Cấu trúc mạng tinh thể
Trong kim loại rắn (đặc), các nguyên tử có xu hướng sắp xếp theo hàng, cột, lớp
một cách trật tự để tạo ra cấu trúc mạng tinh thể ba chiều. Theo định nghĩa, các
kim loại có cấu trúc tinh thể và bất kì sai lệch nào xảy ra do kết tinh, tất nhiên là
không đúng. Khi kim loại đông đặc, nó luôn luôn tạo ra mô hình tinh thể. Sự xuất
hiện hỏng hóc bề mặt tinh thể vì sai sót thường là do phá hủy bề mặt bị giòn và
mỏi.
Số các nguyên tử nhỏ nhất được sắp xếp theo một trật tự nhất định được gọi là “ô
cơ bản”. Điều quan trọng cần biết là ô cơ bản không tồn tại như một đơn vị độc lập
mà nó chung các nguyên tử với các ô lân cận theo sự sắp xếp không gian ba chiều.
4
Các cấu trúc mạng tinh thể (hoặc là các phase) phổ biến nhất trong kim loại là lập
phương tâm khối (BCC), lập phương tâm mặt (FCC) và lục phương xếp chặt

(HCP), chúng được minh họa trên hình VIII.3. Một số kim loại như sắt tồn tại cả ở
phase rắn khi nhiệt độ bình thường, cũng như phase rắn khác khi nhiệt độ tăng cao.
Khi nhiệt độ thay đổi, sự chuyển biến từ phase này sang phase khác trong kim loại
rắn được gọi là chuyển biến thù hình hoặc chuyển biến phase trong trạng thái rắn.
Tinh thể kim loại có cấu trúc khác, nhưng có cùng thành phần hóa học được gọi là
tinh thể thù hình. Điều này sẽ được đề cập kĩ hơn ở phần sau.
Hình VIII.3
Ô cơ bản BCC được mô tả như một hình lập phương mà mỗi đỉnh có một nguyên
tử và một nguyên tử hoàn toàn nằm tại tâm của ô. Những kim loại có ô cơ bản
BCC điển hình là sắt, thép carbon, chromium, molybdenum, wolfram…
Ô cơ bản FCC được nhìn thấy như hình lập phương mà mỗi đỉnh có một nguyên
tử và tại tâm của mỗi mặt có một nguyên tử. Thuộc về các kim loại có ô cơ bản
FCC phổ biến là sắt, nhôm, đồng, nickel, thép không gỉ austenite…
Ô cơ bản HCP là hình lăng trụ lục giác. Nó có thể được hình dung như hai hình
lục giác tạo nên đỉnh và đáy lăng trụ. Mỗi nguyên tử được nằm tại tâm và đỉnh các
hình lục giác. Ngoài ra còn có ba nguyên tử nằm tại tâm của ba hình lăng trụ tam
giác cách đều có cùng mặt đỉnh và đáy. Thuộc về các kim loại có ô cơ bản HCP
phổ biến là titanium, kẽm, cadmium, beryllium, magnesium…
VIII.2.3. Sự đông đặc của kim loại
Kim loại đông đặc thành cấu trúc tinh thể theo quá trình được gọi là tạo mầm và
phát triển mầm. Khi nguội, các nhóm nguyên tử tạo thành mầm (kết tinh) tại các vị
trí nằm ở tinh giới lỏng – đặc, như tại giao diện giữa kim loại hàn nóng chảy và
vùng ảnh hưởng nhiệt nguội hơn không nóng chảy. Những nhóm này được gọi là
nhánh cây và chúng tạo thành với số lượng lớn. Trong kim loại hàn, các hạt tạo nên
5
quanh nhánh cây và phát triển cho đến khi gặp các hạt khác. Các nhánh cây ban
đầu có dạng hình kim, chúng lớn dần lên và phát triển theo nguồn nhiệt cuối cùng.
Khi khuấy luyện tiếp tục để làm nguội chỉ còn các vùng nhỏ cho các hạt lớn lên và
số hạt hình kim ít đi cũng như kích thước nhỏ đi.
Hình VIII.4 chỉ ra các hạt kim loại hàn được hình thành khi kim loại mối hàn đông

đặc diễn ra thế nào. Hình VIII.4A, các tinh thể nhánh cây ban đầu được tạo thành
tại giao diện hàn. Hình VIII.4B cho thấy các hạt được hình thành khi các mầm ban
đầu của nó lớn lên. Do các mầm được định hướng khác nhau, biên giới hạt được
hình thành khi các hạt lân cận cùng phát triển và gặp nhau. Hình VIII.4C cho thấy
quá trình đông đặc kim loại hàn đã hoàn tất. Biên giới hạt được xem như là những
bất liên tục, vì chúng thể hiện những gián đoạn trong sự sắp xếp các nguyên tử
đồng bộ.
Hình VIII.4
Cơ tính phụ thuộc vào kích thước hạt của kim loại. Kim loại có kích thước hạt nhỏ
sẽ thể hiện độ bền kéo tốt hơn ở nhiệt độ thường, vì biên giới hạt có xu hướng ngăn
cản biến dạng của các hạt riêng biệt khi vật liệu chịu ứng suất. Tuy nhiên, ở nhiệt
độ cao, các nguyên tử tại biên giới hạt có thể dịch chuyển dễ dàng và trượt tương
đối với nhau, do đó làm giảm độ bền ở nhiệt độ cao. Do kết quả này, vật liệu hạt
nhỏ mịn được sử dụng và làm việc tại nhiệt độ trong phòng và nhiệt độ thấp sẽ tốt
hơn, trong khi vật liệu hạt thô mong muốn được làm việc tại nhiệt độ cao hơn. Kim
loại hạt nhỏ mịn có độ dẻo, độ dai va đập và độ bền mỏi cao hơn.
Tóm lại, các kim loại có cấu trúc tinh thể được hình thành bằng sự sắp xếp các
nguyên tử theo kiểu hình với một trật tự nhất định. Sự sắp xếp hình mẫu trật tự như
thế này được gọi là phase và được thể hiện qua ô cơ bản. Kim loại đông đặc từ
nhiều mầm ở khắp nơi và các mầm lớn lên theo các hướng thích hợp để tạo thành
hạt hoặc tinh thể. Vùng chuyển tiếp, kết nối giữa các hạt được gọi là biên giới hạt.
Kích thước hạt sẽ quyết định diện tích vùng biên giới hạt trong kim loại, nói cách
khác, nó sẽ xác định cơ tính của kim loại.
6
VIII.2.4. Hợp kim hóa.
Các thuộc tính của các phần tử kim loại nếu bổ sung vào kim loại đó các nguyên
tố kim loại hoặc phi kim. Kĩ thuật như vậy được gọi là hợp kim hóa. Hợp chất kim
loại được tạo thành từ tổ hợp kim loại và các nguyên tố bổ sung được gọi là hợp
kim. Ví dụ người ta thêm kẽm và đồng nguyên chất để tạo thành hợp kim đồng
thau. Carbon là nguyên tố á kim được thêm vào sắt để tạo thành thép (hợp kim sắt

– carbon).
Các nguyên tố hợp kim có trong mạng kim loại cơ bản (sắp xếp các nguyên tử
riêng biệt) theo các cách khác nhau phụ thuộc vào kích thức tương đối của nguyên
tử. Các nguyên tử nhỏ hơn như carbon, nitrogen, hydrogen có xu hướng chiếm các
vị trí giữa các nguyên tử tạo thành cấu trúc mạng của kim loại cơ bản. Cấu trúc này
được gọi là hợp kim hóa xen kẽ và nó được minh họa bằng sơ đồ 2D trong hình
VIII.5. Ví dụ, một lượng nhỏ carbon chiếm các vị trí xen kẽ giữa các nguyên tử sắt
trong hợp kim thép.
Hình VIII.5
Các nguyên tố hợp kim với các nguyên tử có kích thước gần với kích thước của
nguyên tử kim loại cơ bản có xu hướng chiếm các vị trí thay thế. Nghĩa là chúng
thay thế một trong những nguyên tử của kim loại cơ bản trong cấu trúc mạng. Hiện
tượng này được gọi là hợp kim hóa thay thế và được minh họa trên hình VIII.6. Ví
dụ cả hai hợp kim đồng trong nickel và nickel trong đồng.
7
Hình VIII.6
Cũng như sự hiện diện của biên giới hạt, việc bổ sung các nguyên tố hợp kim làm
cho cấu trúc mạng bị thay đổi. Như thấy trên hình VIII.5 và VIII.6, sự hiện diện
của các nguyên tố hợp kim làm thay đổi sức hút và đẩy các nguyên tử làm cho sự
sắp xếp mạng bị xô lệch, hay bị trượt. Điều này làm tăng năng lượng bên trong
của kim loại và cải thiện cơ tính.
Hầu như tất cả các kim loại sử dụng trong kĩ thuật đều ở dạng hợp kim gồm một
nguyên tố chính và thêm một lượng nhỏ các nguyên tố hợp kim. Hợp kim thường
bao gồm nhiều hạt định hướng ngẫu nhiên, với từng hạt được sắp xếp theo cách
riêng biệt và có một hoặc nhiều phase đặc trưng. Nếu có nhiều hơn một phase thì
hợp kim đó có cấu trúc tinh thể đặc trưng của riêng mình.
VIII.2.5. Các Thành phần Cấu trúc tế vi của Thép Carbon
Sự sắp xếp toàn bộ các hạt, biên giới hạt và phase có trong hợp kim được gọi là
cấu trúc tế vi. Cấu trúc tế vi là nguyên nhân chủ yếu tạo nên các thuộc tính của hợp
kim. Cấu trúc tế vi này chịu ảnh hưởng của thành phần các nguên tố hợp kim cùng

các yếu tố khác như các nguyên công tạo hình bằng áp lực hoặc xử lí nhiệt. Cấu
trúc tế vi chịu ảnh hưởng lớn do nguyên công hàn, nói cách khác, nó ảnh hưởng
đến thuộc tính của hợp kim.
Trong khi tất cả kim loại đều thể hiện các cấu trúc tế vi khác nhau, trong phạm vi
phần này chỉ nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc tế vi xảy ra trong thép carbon chỉ có
nguyên tố chính là sắt và nguyên tố hợp kim là carbon. Các nguyên tố hợp kim
khác cũng có thể được thêm vào, nhưng ảnh hưởng của chúng đến cấu trúc tế vi sẽ
không đáng kể so với carbon.
Để giới thiệu chủ đề này, điều quan trong cần hiểu rằng sắt và thép chịu các thay
đổi theo sự sắp xếp tinh thể của chúng khi nhiệt độ thay đổi. Nghĩa là khi hợp kim
sắt-carbon được nung nóng hoặc làm nguội thì sẽ có chuyển biến phase. Hiện
8
tượng xảy ra này cho phép thay đổi cơ tính của hợp kim bằng cách áp dụng các
phương pháp nhiệt luyện khác nhau. Để hiểu được sự thay đổi này xảy ra như thế
nào, các nhà luyện kim đã sử dụng những giản đồ trạng thái, hay giản đồ phase,
trong đó thể hiện bằng đồ thị các dải thành phần cấu trúc tế vi khác nhau đối với
hợp kim sắt-carbon. Giản đồ trạng thái Sắt – Carbon được trình bày trên hình
VIII.7. Giản đồ này mô tả bản chất của các phase có trong hợp kim sắt-carbon dưới
điều kiện “gần cân bằng”, tức là tốc độ nung nóng và làm nguội diễn ra rất chậm.
Hình VIII.7
Nhìn vào biểu đồ thấy rằng, trục tung biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ, còn trục
hoành chỉ hàm lượng carbon theo phần trăm. Do đó với hàm lượng carbon đã cho,
gióng đường vuông góc qua điểm trên trục hoành ứng với hàm lượng đó. Mặt khác
từ những nhiệt độ khác nhau gióng đường ngang, đường đó cắt đường thẳng đứng
tại điểm nào đó, từ điểm này có thể xác định được cấu trúc nào tồn tại.
Hình VIII.8 chỉ ra cấu trúc điển hình của sắt nguyên chất về mặt thương mại
(ferrite) với hàm lượng carbon gần bằng không. Hình VIII.9 là hình ảnh của
pearlite sau khi đánh bóng, tẩm thực acid và soi dưới kính hiển vi mạnh (1500 ).
9
Vùng sáng là ferrite và vùng tối là cementite. Một chuyển biến quan trọng xảy ra

trong thép là chuyển biến các thành phần khác nhau (ferrite, pearlite, cementite và
hỗn hợp của chúng) từ nhiệt độ thường (trong phòng) sang austenite. Hãy xét ví dụ
dùng thép với 0,30% C. Khi cấp nhiệt, chuyển biến này bắt đầu xảy ra ở nhiệt độ
1333
o
F (723
o
C); đường nằm ngang thể hiện nhiệt độ chuyển biến này được gọi là
đường A1. Tại 723
o
C, pearlite và ferrite bắt đầu chuyển sang austenite và ferrite.
Sự thay đổi này không xảy ra ngay lập tức, mà diễn ra từ từ. Khi nhiệt độ vượt quá
723
o
C thay đổi diễn ra nhanh hơn và sẽ chuyển biến hoàn toàn sang austenite.
Hình VIII.8 Hình VIII.9
Khi nhiệt độ ở trên 1550
o
F (843
o
C), tức trên đường A3, austenite và ferrite
chuyển biến hoàn toàn thành austenite. Sự thay đổi này cũng không xảy ra tức thời.
Nhiệt độ càng cao thì chuyển thành austenite càng nhanh và các hiện tượng khác
cũng xảy ra. Các hạt austenite ghép lại với nhau và kích thước hạt tăng lên.
Điểm nóng chảy thấp (bắt đầu nóng chảy) đạt được ở 2770
o
F (1521
o
C). Giữa
nhiệt độ nóng chảy thấp và cao sẽ có các hạt austenite nổi lẫn trong vũng kim loại

nóng chảy. Khi đạt đến điểm nóng chảy cao, toàn bộ austenite nóng chảy trong
vũng và các nguyên tử không còn sắp xếp cố định nữa.
Khi làm nguội rất chậm, các thay đổi như vậy sẽ xảy ra ngược lại. Đây là tình
trạng của chuyển biến mà cho phép làm thép cứng lên hoặc mềm đi bằng cách sử
dụng các phương pháp nhiệt luyện khác nhau. Khi nung nóng thép đến vùng
austenite rồi làm nguội rất chậm qua vùng chuyển biến này, kết quả thu được là
cấu trúc tế vi chứa pearlite. Cấu trúc này chỉ có thể xảy ra khi đủ thời gian cho
10
phép các nguyên tử khuếch tán vào trật tự sắp xếp đó. Sự khuếch tán đơn giản là
các nguyên tử chuyển vị trí theo trật tự trong cấu trúc kim loại đặc. Nhiệt độ càng
cao, các nguyên tử càng linh hoạt sắp xếp trong cấu trúc mạng. Khi tốc độ làm
nguội từ austenite diễn ra đủ chậm, sẽ hình thành nên pearlite. Thép được xử lí
nhiệt để tạo thành austenite thường rất mềm và dẻo.
Khi tốc độ nguội từ vùng austenite diễn ra nhanh hơn, có sự thay đổi đáng kể
trong chuyển biến đối với hợp kim thép đã cho. Đầu tiên, chuyển biến diễn ra ở
nhiệt độ thấp hơn. Tiếp theo, cấu trúc tế vi tạo thành có thay đổi mạnh mẽ và độ
bền, độ cứng của thép tăng đáng kể, cùng với đó là sự giảm độ dẻo. Tốc độ nguội
càng nhanh, các cấu trúc tế vi chủ yếu được tạo nên bao gồm, pearlite mịn, bainite
và martensite.
Với tốc độ nguội tăng nhẹ, nhiệt độ chuyển biến giảm đi, tạo thành cấu trúc
pearlite. Cấu trúc này, cấu trúc này cứng hơn và độ dẻo hơi thấp hơn cấu trúc
pearlite. Nếu tốc độ nguội vẫn nhanh và nhiệt độ chuyển biến thấp hơn nữa, sẽ
không còn tồn tại pearlite. Thay vào đó, bainite được tạo thành. Bainite có độ bền
và độ cứng tăng đáng kể, độ dẻo thấp và rất khó quan sát dưới kính hiển vi.
Khi tốc độ nguội rất nhanh (tôi), thời gian không đủ để xảy ra khuếch tán. Do đó,
một số nguyên tử carbon không kịp thoát ra khỏi mạng. Nếu tốc độ nguội đủ nhanh
và lượng carbon còn lại trong mạng đủ nhiều, thì sẽ hình thành martensite.
Martensite có cấu trúc hình hộp tâm khối (BCT) và dễ bị trượt tức không bền
vững. Cấu trúc martensite thể hiện năng lượng bên trong cao và có độ cứng, độ bền
rất lớn. Tuy nhiên, martensite chỉ có độ dẻo và độ dai thấp. Hình VIII.10 cho thấy

hình ảnh của martensite với độ phóng đại cao (500 ).
11
Hình VIII.10
Để trợ giúp việc xác định thành phần cấu trúc tế vi nào sẽ được hình thành từ tốc
độ nguội nhanh, các nhà luyện kim sử dụng giản đồ khác với tên gọi là giản đồ
TTT (Time-Temperature-Transformation). Nó còn được gọi là giản đồ chuyển biến
đẳng nhiệt (IT). Như tên gọi, nó mô tả sự hình thành cấu trúc tế vi mà xảy ra sau
một thời gian nhất định tại nhiệt độ riêng đối với thành phần thép cụ thể. Một giản
đồ tương tự, giản đồ CCT (Continuous Cooling Transformation), giản đồ này chỉ
ra sự thay đổi diễn ra khi làm nguội liên tục từ vùng austenite. Hai loại giản đồ này
được sử dụng khá thích hợp. Hình VIII.11 mô tả đặc trưng chuyển biến làm nguội
liên tục của loại thép 8630.
12
Hình VIII.11
Giản đồ này cho thấy các cấu trúc tế vi được tạo thành như là hàm hai biến nhiệt
độ và thời gian. Tốc độ nguội khác nhau được chỉ ra để minh họa cách sử dụng
giản đồ như thế nào. Cấu trúc tế vi được hình thành phụ thuộc vào các miền mà
đường cong làm nguội qua đó và khoảng thời gian mà các đường cong làm nguội
qua. Ví dụ, đường cong “A” chỉ qua các vùng austenite đến martensite, do đó kết
quả là cấu trúc tế vi có 100% martensite. Tốc độ làm nguội chậm hơn được đặc
trưng bằng đường cong “D” cho thấy các thành phần cấu trúc tế vi tạo thành sẽ chủ
yếu chứa ferrite với lượng nhỏ bainite và martensite. Do martensite chỉ có thể nhận
được từ chuyển biến austenite, nên bất kì austenite nào mà đã chuyển biến thành
ferrite hoặc bainite sẽ không thể chuyển thành martensite được.
Để cải thiện độ dẻo và dai mà không làm giảm nhiều độ cứng và bền của
martensite, người ta sử dụng quá trình (sau tôi) được gọi là ram. Quá trình ram
gồm nung nóng lại cấu trúc martensite đã qua tôi đến nhiệt độ nhất định thấp hơn
nhiệt độ chuyển biến dưới (723
o
C). Việc này làm cho martensite đã tôi, không ổn

định chuyển thành martensite ram bằng cách cho carbon tiết ra (lắng) dưới dạng
các hạt carbide nhỏ. Độ bền và độ cứng mong muốn có thể được điều khiển bằng
cách chọn thời gian và nhiệt độ ram hợp lí. Nhiệt độ ram cao làm tăng độ mềm
13
(giảm độ cứng) và độ dẻo. Nhiệt luyện tôi và ram thường xuyên được sử dụng để
nâng cao các thuộc tính của thép trong chế tạo máy, vì nó làm tăng giới hạn chảy
và độ bền kéo, tăng tỉ số giữa giới hạn chảy với độ bền kéo, cải thiện độ dai va đập,
có thể so sánh được với thép cán, ủ hoặc thường hóa. Ví dụ về ảnh hưởng của nhiệt
độ ram khác nhau đối với hợp kim thép cụ thể được minh họa trên hình VIII.12.
Hình VIII.12
VIII.3. Luyện kim đối với Hàn
VIII.3.1. Cơ sở lí thuyết
Do hàn có thể dẫn đến những thay đổi đáng kể cả về nhiệt độ kim loại cũng như
tốc độ nguội từ nhiệt độ cao, cho nên điều quan trọng là phải hiểu được những thay
đổi luyện kim từ nguyên công hàn sẽ cho kết quả thế nào.
Hình VIII.13 mô tả tiến trình hàn dọc tấm. Trên tấm đó lấy sáu vùng có nhiệt độ
khác nhau 400
o
F (200
o
C), 1100
o
F (590
o
C), 1335
o
F (724
o
C), 1560
o

F (900
o
C),
1850
o
F (1010
o
C), 2550
o
F (1400
o
C) và vùng kim loại nóng chảy. Nếu nhiệt độ
chuyển biến là 723
o
C, thì có thể tiên đoán được vùng kim loại có nhiệt độ cao hơn
723
o
C sẽ thay đổi. Các mối quan tâm gồm nhiệt độ kim loại đạt được, khoảng thời
gian ở nhiệt độ đó và làm nguội nhanh thế nào. Hình VIII.14 minh họa mối quan
hệ giữa đỉnh nhiệt độ được thể hiện trong các vùng khác nhau của vũng hàn và
giản đồ cân bằng sắt-cementite.
14
Hình VIII.13
15
Hình VIII.14
Có thể thấy rằng, tùy thuộc vào vị trí của điểm bên trong hoặc kế cận vũng hàn, có
thể hình thành các cấu trúc luyện kim khác nhau. Trong vũng hàn, vùng có nhiệt
độ cao nhất, kim loại có thể nguội từ trạng thái lỏng qua các vùng phase khác nhau
được chú ý từ trước. Ngay cạnh vũng hàn, trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ)
(h.VIII.15), kim loại không bị chảy ra, nhưng nhiệt độ rất cao. Vùng ảnh hưởng

nhiệt HAZ là vùng thuộc kim loại cơ bản nằm cạnh vũng hàn, có nhiệt độ tăng cao,
nhưng dưới nhiệt độ nóng chảy của thép. Tốc độ nguội trong HAZ là nhanh nhất.
Những thay đổi điều kiện hàn có ảnh hưởng đáng kể đến việc tạo thành các phase
khác nhau, vì điều kiện hàn có ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ nguội của mối hàn.
Các điều kiện hàn (biến số chính) có thể tạo nên sự thay đổi là năng lượng đường,
gia nhiệt trước khi hàn, lượng carbon tương đương của kim loại cơ bản và chiều
dày kim loại cơ bản.
Hình VIII.15
Khi năng lượng đường tăng, tốc độ nguội giảm. Dùng điện cực đường kính nhỏ,
dòng điện hàn thấp, tốc độ hàn nhanh sẽ có xu hướng làm giảm năng lượng đường,
do đó tăng tôc độ nguội. Với bất kì quá trình hàn hồ quang nào, đều có thể tính
được năng lượng đường. Nó chỉ phụ thuộc vào dòng điện hàn, điện áp hồ quang và
tốc độ di chuyển điện cực theo trục dọc của liên kết hàn. Công thức tính năng
lượng đường của mối hàn là:
Q
d
=
16
Trong công thức này, năng lượng đường được biểu thị bằng đơn vị J/in hoặc J/cm
và tốc độ di chuyển điện cực là in/min hoặc cm/min. Vì 1 J=1 W nên số 60 ở
công thức trên là hệ số chuyển đổi từ min ra sec. Có thể mọi người sẽ hỏi người
Thanh tra Hàn kiểm tra năng lượng đường để điều khiển các thuộc tính cấu trúc tế
vi xảy ra trong HAZ.
Vấn đề khác có ảnh hưởng nhiều đến sự tạo thành cấu trúc tế vi của vùng ảnh
hưởng nhiệt là nung nóng trước khi hàn (gia nhiệt). Nói chung, sử dụng gia nhiệt
sẽ có xu hướng giảm tốc độ nguội trong vũng hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt, dẫn
đến cải thiện độ dẻo. Nếu không gia nhiệt, vùng ảnh hưởng nhiệt khá hẹp và thể
hiện độ cứng cao nhất. Trong một số trường hợp, tùy thuộc vào hàm lượng nguyên
tố hợp kim mà có thể tạo thành martensite. Tuy nhiên, khi gia nhiệt, vùng ảnh
hưởng nhiệt rộng hơn và dẫn đến độ cứng thấp hơn hẳn vì tốc độ nguội chậm hơn,

điều đó dễ dẫn đến việc hình thành ferrite, pearlite và có thể bainit, thay cho việc
tạo thành martensite. Vì vậy người thanh tra Hàn có thể được yêu cầu giám sát quá
trình gia nhiệt đối với từng nguyên công hàn cụ thể. Yêu cầu này chủ yếu liên quan
đến tốc độ làm nguội chậm trong vùng ảnh hưởng nhiệt để tạo thành cấu trúc tế vi
có thuộc tính mong muốn.
Yếu tố quan trọng khác khi hàn thép là hàm lượng carbon tương đương. Vì carbon
là nguyên tố có ảnh hưởng mạnh mẽ nhất đến khả năng biến cứng (tạo thành
martensite khi làm nguội dễ hay khó) của thép, nên cần phải cân nhắc khi bổ sung
các nguyên tố hợp kim là bao nhiêu cho hợp lí. Hàm lượng carbon càng cao, thép
càng dễ bị biến cứng.
Các nguyên tố hợp kim khác cũng làm tăng khả năng biến cứng với mức độ khác
nhau. Cho nên hàm lượng carbon tương đương là công thức kinh nghiệm được
dùng để xác định ảnh hưởng tổ hợp các nguyên tố hợp kim đến khả năng biến cứng
của thép như thế nào. Công thức điển hình để xác định hàm lượng carbon tương
đương (C.E.) là:
C.E.=
Công thức này được dùng cho thép carbon và thép hợp kim chứa không quá 0,5%
Carbon; 1,5% Manganese; 3,5% Nickel; 1% Chromium; 1% Đồng và 0,5%
Molybdenum.
17
Khi xác định được hàm lượng carbon tương đương, người ta có thể tính được
khoảng gia nhiệt cần thiết để khi hàn đạt kết quả tốt nhất. Bảng VIII.1 tóm tắt một
số nhiệt độ nung sơ bộ có thể áp dụng cho các hàm lượng carbon tương đương
khác nhau.
Bảng VIII.1
Sử dụng những hướng dẫn này, kĩ sư hàn có thể ra quyết định sơ bộ như là cần
nung lên đến nhiệt độ nào trước khi hàn để thỏa mãn điều kiện đã cho. Tuy còn
nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quyết định này, song đây là quyết định khởi đầu cần
thiết.
Chiều dày kim loại cơ bản cũng có ảnh hưởng đến tốc độ nguội; nói chung mối

hàn trên kim loại cơ bản càng dày thì tốc độ nguội càng nhanh. Nhiệt dung hoặc
khả năng tiêu nhiệt càng lớn do tiết diện lớn làm cho mối hàn nguội nhanh hơn.
Cho nên khi hàn tiết diện dày, cần phải chỉ rõ yêu cầu về nung nóng sơ bộ để giảm
tốc độ nguội, cải thiện cơ tính vùng ảnh hưởng nhiệt. Từ đây thấy rằng, khi hàn các
phần tử có tiết diện lớn, thường phải tăng cường việc nung nóng sơ bộ ban đầu
cũng như sau mỗi lượt hàn để giảm tốc độ nguội.
VIII.3.2. Các Phương pháp Xử lí nhiệt (Nhiệt luyện)
Ở trên đã đề cập đến một số phương pháp xử lí nhiệt có thể áp dụng cho kim loại.
các phương pháp này có thể được áp dụng cho kim loại cơ bản trước khi hàn hoặc
sau khi mối hàn hoàn thành để cải thiện cơ tính riêng. Một trong những công việc
đối với người Thanh tra Hàn là điều hành các nguyên công nhiệt luyện nhằm
khẳng định rằng thời gian và nhiệt độ đã được tuân thủ theo hướng dẫn.
Các phương pháp xử lí nhiệt bao gồm ủ, thường hóa, tôi, ram, nung nóng trước,
nung nóng sau, giảm ứng suất nhiệt.
Ủ là phương pháp làm mềm được sử dụng để tăng tính dẻo của kim loại và phải
chịu giảm độ bền của nó. Khi ủ, kim loại được nung nóng đến vùng (giải) nhiệt độ
18
austenite, giữ nhiệt một thời gian, rồi làm nguội rất chậm cùng lò. Để làm nguội,
người ta thường tắt lò và để chi tiết bên trong cho đến nhiệt độ môi trường.
Thường hóa cũng là phương pháp làm mềm kim loại, nhưng không triệt để như ủ.
Nó được xem như là phương pháp nhiệt luyện “làm đồng nhất” bằng cách làm cho
cấu trúc kim loại rất đều nhau theo tiết diện. Thường hóa được bắt đầu bằng cách
tăng nhiệt độ kim loại đến vùng nhiệt độ austenite, giữ nhiệt một thời gian, sau đó
làm nguội chậm ngoài không khí. Tốc độ nguội ngoài không khí nhanh hơn trong
lò, nên độ bền và độ cứng cao hơn, độ dẻo thấp hơn một ít so với ủ. Thép carbon
và thép hợp kim đã thường hóa sẽ dễ hàn hơn.
Tôi khác hẳn với ủ và thường hóa ở chỗ tạo ra sản phẩm có cơ tính với độ bền, độ
cứng cao hơn, độ dẻo, độ dai thấp hơn đáng kể. Phương pháp xử lí biến cứng này
được thực hiện bằng cách tăng nhiệt độ kim loại đến vùng nhiệt độ austenite, giữ
nhiệt một thời gian, sau đó làm nguội nhanh đến nhiệt độ môi trường bằng cách

nhúng chi tiết vào môi trường tôi, như nước, dầu, nước muối. Tôi được thực hiện
để tạo nên cấu trúc chủ yếu là martensite với đặc trưng là độ bền, độ cứng rất cao,
độ dẻo, độ dai thấp.
Ram – như đã nói ở phần trên, để cải thiện độ dẻo mà không làm độ bền giảm
nhiều, sau khi tôi người ta phải tiến hành ram (nhiều khi là bắt buộc).
Gia nhiệt (nung nóng trước hàn) được sử dụng để làm giảm tốc độ nguội của kim
loại cơ bản gần với vũng hàn, cho phép tạo nên các thành phần cấu trúc tế vi khác
với martensite.
Xử lí nhiệt sau hàn được sử dụng sau khi đã hàn hoàn thiện nhằm giảm ứng suất dư
và ram những phase giòn cứng đã hình thành khi làm nguội hoặc tôi. Thông
thường nhiệt độ xử lí nhiệt sau khi hàn cao hơn nhệt độ gia nhiệt trước khi hàn.
VIII.3.3. Ứng suất
Khi hàn, nhiệt truyền vào vùng hàn không đều. Do đó, một phần kim loại nhận
nhiều nhiệt nên nhiệt độ rất cao, trong khi kim loại gần vùng hàn chỉ có nhiệt độ
thấp. Kết quả làm cho kim loại tại những điểm cách vùng hàn khoảng cách khác
nhau bị giãn nở nhiệt khác nhau. Phần kim loại nhận được nhiều nhiệt trực tiếp sẽ
có xu hướng giãn nở, khi giãn nở, chúng sẽ bị cản trở bởi vùng kim loại có nhiệt
độ thấp hơn, giãn nở ít.
19
Hình VIII.16 minh họa những thay đổi kích thước xảy ra trong thanh thẳng
(h.VIII.16A) được nung nóng một phía bằng hồ quang hàn. Trong hình VIII.16B
hồ quang truyền nhiệt vào và thanh bắt đầu nóng lên dưới ảnh hưởng nhiệt của hồ
quang. Nhiệt không truyền qua thanh ngay lập tức. Vì chỉ phía trên của thanh được
nung nóng, nên phía trên bị giãn nở, còn phía dưới thì không. Kết quả thanh bị
biến dạng, hai đầu hướng xuống khi hàn (h.VIII.16C).
Hình VIII.16
Khi hồ quang tắt đi (h.VIII.16D), tại phần nóng chảy bắt đầu nguội đi và co lại.
Nhưng do kim loại nóng có độ bền thấp hơn kim loại ở nhiệt độ thấp, nó không thể
chịu được ứng suất, nên ở bên trên co lại nhiều hơn ở dưới. Khi thanh co lại, hướng
của lực biến dạng đảo ngược, cuối cùng làm cho chiều dài phía trên của thanh ngắn

lại và hai đầu thanh nâng lên, vì vậy thanh có hình dạng cong vồng lên khi nguội
(h.VIII.16E). Do đó, đưa nhiệt vào vật không đều, như trường hợp hàn, sẽ làm thay
đổi kích thước do ứng suất nhiệt phát triển. Sự thay đổi kích thước làm vật bị biến
dạng, vặn xoắn khi nguội. Hình VIII.16F biểu diễn thanh được đông đặc lại với
mức ứng suất dư tồn tại trong thanh, được thể hiện qua kí hiệu “vòng lò xo”.
Bất kì lúc nào kim loại bị nóng chảy trong vùng nhỏ, cục bộ, như khi hàn, sẽ tạo
nên ứng suất co. Thậm chí nếu thanh bị cản trở ở phía ngoài trong chu trình nóng
và nguội, phần nguội vẫn còn tồn tại ứng suất được hình thành do chênh lệch nhiệt
độ cao và thấp. Ứng suất này được gọi là ứng suất dư. Ứng suất dư có xu hướng
giữ thanh theo dạng hình cong. Tuy nhiên, thanh sẽ không bị uốn nữa vì nó đã ở
nhiệt độ bình thường và giờ đây nó bền hơn các lực được đưa vào bởi ứng suất dư.
Ứng suất dư sẽ tồn tại trong thanh trừ khi thực hiện một số nguyên công để giảm
hoặc khử ứng suất dư.
20
Có một số biện pháp để giảm hoặc khử bỏ ứng suất dư. Nó có thể được thực hiện
bằng cách đưa nhiệt vào toàn bộ hoặc một dải rộng chứa vùng hàn. Nhiệt được đưa
vào đồng đều và giữ trong khoảng thời gian đã định trước. Giảm ứng suất nhiệt
được tiến hành ở nhiệt độ dưới nhiệt độ chuyển biến 723
o
C. Bằng cách tăng nhiệt
độ của kim loại vũng hàn và kim loại cơ bản một cách từ từ và đều đặn, ứng suất
nhiệt được tạo thành bởi nhiệt hàn cục bộ sẽ được giảm dần. Ứng suất được giảm
vì độ bền kim loại giảm khi nhiệt độ tăng, làm cho giảm ứng suất dư và kim loại
được phục hồi. Phần tử được làm nguội với tốc độ được kiểm soát sau khi giảm
ứng suất. Làm nguội chậm và đều đến nhiệt độ môi trường sẽ làm cho ứng suất dư
trong chi tiết giảm xuống thấp hơn. Cách xử lí này giúp cho việc loại trừ các vấn
đề liên quan đến biến dạng.
Phương pháp xử lí giảm ứng suất là xử lí bằng rung động. Sóng âm được đưa vào
các phần tử mối hàn hoặc khi đang hàn để chống lại sự tích lũy ứng suất, hoặc sau
khi hàn xong để khử hoặc giảm ứng suất. Phương pháp rung động đã được chứng

minh cho thấy có nhiều hiệu quả.
Phương pháp thứ ba để giảm ứng suất có thể được tiến hành kết hợp với nguyên
công hàn được biết đến là đầm (gõ) (h.VIII.17); đây là xử lí cơ học. Đầm liên quan
đến việc sử dụng búa hơi nặng (không phải búa gõ xỉ!) đập lên mặt lớp của mối
hàn nhiều lớp. Tác động của búa này làm biến dạng bề mặt và làm cho chiều dày
lớp hàn giảm đi. Biến dạng này có xu hướng trải dài trên bề mặt mối hàn là cho nó
dài và rộng ra. Vì kim loại trải dài ra ở nột mức nhỏ, nên ứng suất dư được giảm.
Hình VIII.17
Khi dùng đầm nặng để khử ứng suất, cần thận trọng để tránh nứt mối hàn do tác
động cơ học mạnh mẽ. Người ta thường khuyên không nên đầm lớp lót đáy, vì búa
có thể đập vỡ lớp này. Thông thường, cũng không đầm lớp cuối cùng, nhưng đó là
21
nguyên nhân khác, vì bề mặt được đầm mạnh có thể tạo thành bất liên tục làm khó
cho thanh tra. Nếu được thực hiện đúng, đầm là phương pháp giảm ứng suất dư
hiệu quả cao khi mối hàn có tiết diện lớn hoặc bị cản trở mạnh.
Có hai khía cạnh khác của luyện kim hàn cần quan tâm, vì nó làm cho người
Thanh tra Hàn hiểu được bản chất vật lí liên quan đến sự thay đổi luyện kim khác
nhau đã đề cập ở trên. Đó là sự khuếch tán và hòa tan ở trạng thái rắn.
VIII.3.4. Khuếch tán
Ở phần trên đã thấy rằng nguyên tử trong trạng thái lỏng có thể dễ dàng chuyển
động tương đối với nhau; song, dưới điều kiện nhất định, thậm chí trong trạng thái
rắn, các nguyên tử cũng có thể thay đổi vị trí. Trong thực tế, bất kì nguyên tử nào
cũng có thể “lang thang” rời khỏi vị trí của mình, theo từng bước, từ vị trí ban đầu
của chúng. Những thay đổi của vị trí nguyên tử trong trạng thái rắn (đặc) được gọi
là khuếch tán.
Ví dụ về khuếch tán được chỉ ra nếu hai tấm chì, vàng nhẵn và phẳng được kẹp
chặt lại với nhau (h.VIII.18). Nếu dùng lực để kẹp chúng với nhau ở nhiệt độ bình
thường trong vài ngày, khi bỏ kẹp ra hai tấm kim loại dính vào nhau. Hiện tượng
này được tạo ra vì các nguyên tử đồng và chì di chuyển từ tấm này sang tấm kia,
hoặc được gọi là khuếch tán, tạo nên liên kết luyện kim yếu. Lực liên kết này khá

yếu và dễ bị tách ra khi có tác động vào mặt liên kết. Nếu nhiệt độ tăng lên, lượng
khuếch tán càng nhiều và nếu trên nhiệt độ nóng chảy của cả hai, thì sẽ xảy ra hòa
trộn hoàn toàn với nhau.
Hình VIII.18
Ví dụ khác về khuếch tán khi hydro và gas ở gần nhau trong kim loại nóng chảy
như mối hàn. Nguồn sinh ra hydro phổ biến nhất là hơi nước hoặc các chất hữu cơ
22
nhiễm bẩn trên bề mặt vật hàn. Nhiều chất bản được tìm thấy trong thành phần kim
loại là các chất hữu cơ như dầu, mỡ… và chúng có chứa hydro trong thành phần
hóa học. Nhiệt hàn sẽ phân hủy nước và các chất hữu cơ khác thành các nguyên tử
riêng biệt, trong đó có nguyên tử hydro (H
+
).
Nguyên tử hydro khá nhỏ, chúng có thể dễ dàng khuếch tán vào cấu trúc kim loại
cơ bản. Khi vào kim loại cơ bản, các nguyên tử hydro lại tái kết hợp với nhau tạo
thành phân tử hydro (H
2
), và kích thước phân tử hydro lớn hơn nguyên tử của nó
nhiều. Phân tử hydro lớn thường dễ bị mắc kẹt trong kim loại tại các cùng bất liên
tục như biên giới hạt, chỗ lẫn tạp chất. Do kích thước lớn, những phân tử hydro
này gây nên ứng suất cao trong cấu trúc bên trong của kim loại, làm kim loại có độ
dẻo thấp dễ bị nứt. Nứt do hydro thường được gọi là nứt dưới đường hàn hoặc nứt
chậm/ nguội.
Biện pháp khắc phục chủ yếu đối với nứt hydro là loại trừ nguồn hydro; đầu tiên
cần làm sạch hoàn toàn bề mặt cần được hàn. Biện pháp khác là sử dụng các loại
điện cực có “hydro thấp” để hàn thép carbon và hợp kim thấp. Những điện cực
hydro thấp dược chế tạo theo công thức riêng để giữ cho hàm lượng hydro thấp
nhưng không đòi hỏi phải xử lí đặc biệt để tránh ẩm tình cờ thâm nhập sau khi mở
container tàu biển kẹp chì. Gia nhiệt kim loại cơ bản cũng là biện pháp hiệu quả để
loại trừ hydro ngẫu nhiên thâm nhập, vì hydro sẽ khuếch tán khỏi phần lớn các kim

loại ở nhiệt độ 200
o
F đến 450
o
F (100
o
C – 235
o
C). Việc thực hiện các phương
pháp này có thể giúp làm giảm nứt hydro trong các kim loại nhạy cảm với nứt.
VIII.3.5. Dung dịch đặc
Phần lớn mọi người đều hiểu dung dịch thông thường là chất lỏng hòa tan chất
rắn. Ví dụ như cho thìa đường vào cốc và khuấy lên thì đường sẽ hòa tan trong
nước. Tuy nhiên, nhiều người chưa biết là chất rắn này hòa tan được vào chất rắn
khác. Trong ví dụ đã nói ở trên là chì và vàng, hai kim loại khuếch tán qua lại tạo
thành dung dịch đặc lẫn nhau. Quay lại ví dụ trên, nếu cho thêm đường vào cốc thì
có một số hạt không tan trừ khi khuấy mạnh.
Điều gì sẽ xảy ra nếu với một thể tích chất lỏng ở một nhiệt độ nhất định, đã đạt
được giới hạn bão hòa. Khi lượng đường cho vào cốc nhiều quá thì dù có quấy thật
mạnh cũng không thể tan thêm một hạt đường nào nữa. Muốn đường tan nhiều hơn
thì chỉ có cách tăng thể tích nước hoặt tăng nhiệt độ. Cho nên dễ thấy rằng có một
giới hạn bão hòa khi chất rắn hòa tan trong chất lỏng phụ thuộc vào thể tích và
23
nhiệt độ. Ngoài khuếch tán, các kim loại cũng thể hiện phản ứng tương tự, chúng
“hòa tan” lẫn nhau dù cả hai đều ở thể đặc (rắn).
Cũng như đường tan trong nước, có một giới hạn bão hòa khi một kim loại đặc
này hòa tan vào kim loại đặc khác và giới hạn bão hòa đó phụ thuộc vào nhiệt độ.
Nhiệt độ càng cao, hòa tan của kim loại này vào kim loại kia càng nhiều. Do đó
người ta có thể nhận được hỗn hợp mà cả hai đều ở trạng thái đặc. Tất nhiên khi
nhiệt độ kim loại tăng, lượng khuếch tán và hòa tan cũng tăng.

Một ví dụ về chất rắn này hòa tan vào chất rắn khác là phương pháp được sử dụng
để tăng độ cứng bề mặt của thép. Nếu phôi thép carbon thấp được đặt trong một
hòm kín chứa đầy các phần tử carbon. Sau đó người ta nung nóng đến nhiệt độ 850

o
C đến 900
o
C, tức là dưới nhiệt độ nóng chảy của cả thép và carbon, các nguyên tử
carbon sẽ khuếch tán (hòa tan) vào bề mặt thép. Bề mặt thép được bổ sung carbon
(sau khi được tôi) sẽ cứng hơn nhiều và được sử dụng để tạo ra bề mặt chống mài
mòn và cào xước. Kĩ thuật này được gọi với tên quen thuộc là thấm carbon.
Bề mặt thép cũng được làm cứng bằng cách đưa nó vào môi trường ammonia với
nhiệt độ tương tự như thấm carbon. Chất ammonia (NH
3
) sẽ bị tách thành hai thành
phần riêng biệt là nitrogen và hydrogen và các nguyên tử nitrogen thâm nhập vào
bề mặt. Kĩ thuật này được gọi là thấm nitơ. Cả hai kĩ thuật biến cứng bề mặt này
thể hiện tính chất khuếch tán và hòa tan ở trạng thái đặc của kim loại. Có kiến thức
về khuếch tán và hòa tan ở trạng thái đặc sẽ giúp người Thanh tra Hàn hiểu được
tầm quan trọng của việc làm sạch khi hàn và cần bảo vệ đúng trong tất cả các
nguyên công hàn.
VIII.4. Luyện kim Hàn đối với các Vật liệu được Sử dụng phổ biến khác
Ngoài hợp kim chủ yếu được sử dụng trong hàn, phần này sẽ tìm hiểu về luyện
kim hàn đối với ba nhóm vật liệu cơ bản khác.
VIII.4.1. Thép không gỉ
Từ “thép không gỉ” là tên gọi không được chính xác khi áp dụng cho các loại vật
liệu được xem như là thép không gỉ, vì nghĩa phổ biến là chống ăn mòn. Song,
trong môi trường ăn mòn khốc liệt, nhiều loại thép không gỉ bị ăn mòn với tốc độ
khá nhanh. Thép không gỉ được định nghĩa có tối thiểu 12% chromium. Có nhiều
nhóm thép không gỉ và người Thanh tra Hàn cần phải nhận biết điều này khi thảo

luận về chúng và phải biết chọn đúng từng nhóm.
24
Có năm nhóm thép không gỉ chính là ferrtic, martensitic, austenitic, biến cứng
lắng và duplex. Ba nhóm đầu là các phase ổn định ở nhiệt độ thông thường. Nhóm
thứ tư thường được gọi là thép không gỉ PH, mà chúng được biến cứng bằng “hóa
già”, cơ chế biến cứng lắng ngược lại cơ chế tôi và ram được biết đến khi chuyển
biến độ cứng. Cuối cùng, nhóm duplex là nửa ferrite và austenite ở nhiệt độ môi
trường với khả năng chống nứt do mòn dưới ứng suất chloride được cải thiện.
Phase ổn định ở nhiệt độ thông thường được tìm thấy trong thép không gỉ phụ
thuộc vào tính chất hóa học của thép và một số thép không gỉ có thể chứa tổ hợp
các phase khác nhau. Thép không gỉ phổ biến hơn cả là nhóm austenite được kí
hiệu theo loạt 2XX và 3XX; 304 và 316 là thép không gỉ nhóm austenite. Thép 416
là nhóm martensite và 430 là nhóm ferrite. Thuộc về nhóm thép PH là loại phổ
biến 17-4PH. Còn 2205 là thép phổ biến thuộc nhóm duplex.
Do thành phần và thuộc tính khác nhau, tính hàn của những nhóm này khác nhau
nhiều. Nhóm austenite có tính hàn tốt với thành phần kim loại bổ sung được sử
dụng hiện nay. Nhóm này có thể có vấn đề về nứt nóng ngắn xảy ra khi kim loại
còn rất nóng. Vấn đề này có thể giải quyết được bằng cách kiểm soát thành phần
của kim loại cơ bản và kim loại bổ sung để tạo điều kiện tốt cho việc hình thành
phase “delta ferrite”, mà phase này giúp loại trừ nứt nóng ngắn.
Điển hình, khi hàn thép không gỉ austenite sẽ tránh được nứt bằng cách chọn kim
loại bổ sung có hàm lượng delta ferrite 4% – 10%. Hàm lượng này thường được
gọi là số ferrite và có thể đo được bằng bộ đo từ tính. Delta ferrite được đo bằng bộ
đo từ tính vì nó có mạng tinh thể BCC và có từ tính, trong khi phase cơ bản
austenite là FCC không từ tính.
Nhóm thép không gỉ ferrite cũng được xem như có tính hàn tốt với kim loại bổ
sung được chọn đúng. Nhóm martensite là khó hàn nhất và thường yêu cầu chế độ
riêng để gia nhiệt và xử lí nhiệt sau khi hàn. Các quy trình được triển khai để hàn
các loại vật liệu này phải được tuân thủ chặt chẽ để tránh nứt và duy trì cơ tính của
kim loại cơ bản. Nhóm thép không gỉ PH và duplex cũng có tính hàn thỏa mãn,

nhưng phải chú ý đến sự thay đổi cơ tính khi hàn.
Một trong những vấn đề phổ biến nhất khi hàn thép không gỉ nhóm austenite là
lắng carbide hoặc nhạy cảm. Khi nung nóng đến nhiệt độ hàn, một phần kim loại
cơ bản đạt đến dải nhiệt độ 430
o
C – 800
o
C, và trong phạm vi dải nhiệt độ này,
chromium và carbon có trong kim loại sẽ kết hợp với nhau tạo ra chromium
25