Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn nổ để tạo phôi bimetal thép cacsbon – thép hợp kim dạng hình trụ

1
A. GIỚI THIỆU VỀ LUẬN ÁN
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Trên thế giới hiện nay, vật liệu mới trong kỹ thuật chủ yếu là vật liệu trimetal
(ba lớp); bimetal (hai lớp); compozit chịu mòn; gốm kim loại; hợp kim cứng luyện
kim bột làm dụng cụ gia công cơ khí; vật liệu kỹ thuật điện và điện tử; vật liệu nanô
được sử dụng cho chế tạo mới các phụ tùng mau mòn bởi tích hợp được tính năng tốt
của các thành phần để có nhiều tính năng đặc biệt so với vật liệu truyền thống.
Ở Việt Nam hiện nay hầu hết các máy móc, thiết bị công nghệ đều nhập từ nhiều
quốc gia như: Anh, Mỹ, CHLB Đức, Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc, Liên bang
Nga, Ucraina và các Đông Âu. Sau một thời gian làm việc chúng cần được bảo
dưỡng và thay thế phụ tùng mau mòn chóng hỏng, ví dụ như các chi tiết dạng trục,
bạc trượt, ổ bi, phụ tùng máy động lực và máy công cụ với số lượng lớn. Hàn nổ là
công nghệ tiên tiến đảm bảo tạo phôi bimetal làm các chi tiết máy chịu mài mòn và
có độ cứng cao. Vì thế, đề tài luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu lựa chọn chế độ hàn nổ thích hợp để tạo phôi bimetal thép các bon –
thép hợp kim có dạng hình trụ, sử dụng cho việc chế tạo các chi tiết máy như: chốt
biên của bộ trục khuỷu; chốt pít tông trong bộ nổ động cơ đốt trong; bi trụ
3. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn nổ để tạo phôi vật liệu bimetal thép C45 –
thép ШХ15 với lớp thép hợp kim hàn trên bề mặt hình trụ có tính chất ổn định và độ
bền bám dính với lớp thép C45 cao, đảm bảo mục đích sử dụng được đề xuất.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học
1. Đã sử dụng phần mềm tin học chuyên dụng để xử lý số liệu thực nghiệm và
nhận được mô hình toán học mô tả hàm mục tiêu độ bền bám dính 2 lớp (
b.d
) phụ
thuộc các thông số hàn nổ (r), (h) và (C) theo quy hoạch thực nghiệm kiểu N = 3
3

có
dạng đa thức ở công thức (4.1). Từ đó phân tích đánh giá mức độ ảnh hưởng riêng
biệt, cũng như ảnh hưởng tổng hợp của các từng thông số nổ đến tính chất cơ học và
cấu trúc vật liệu bimetal sau hàn nổ. Bằng mô hình (4.1) có thể điều khiển được bộ
thông số công nghệ hàn nổ chủ yếu đã chọn để xác định được miền tối ưu của chúng,
đảm bảo nhận được chất lượng liên kết 2 lớp bimetal đạt ở mức cao;
2. Đã nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của biến dạng dẻo sau hàn nổ phôi trụ
bimetal thép C45 – thép ШX15 bằng phương pháp ép chảy nóng đến chất lượng liên
kết hai lớp của nó thông qua hàm mục tiêu (
b.d
) phụ thuộc vào mức độ biến dạng dẻo
tương đối theo hướng kính (

). Từ đó đã xác định quy luật thay đổi của (
b.d
) phụ
thuộc vào (

) và xác định biến dạng dẻo tới hạn nên dừng ở mức 

= 7,5  15 %;
3. Đã nghiên cứu khảo sát và xác định được đặc tính cấu trúc tế vi vật liệu tại
vùng biên giới liên kết hai lớp thép C45 – thép ШX15 ở trạng thái sau hàn nổ và biến
dạng dẻo bằng phương pháp kim tương học (hiển vi quang học, hiển vi điện tử và phân
tích SEM-EDX). Bằng các kết quả thực nghiệm đã chứng minh được rằng: trong vùng
liên kết 2 lớp kim loại bimetal thép C45 – thép ШX15 sau khi hàn nổ có thể hình thành
các liên kim loại có thành phần hóa học, cơ tính khác nhau. Tuy nhiên ở các chế độ
2
hàn nổ tối ưu, sự hình thành các tiểu vùng cấu trúc đặc trưng có kích thước nhỏ và
phân bố không liên tục, nên ít ảnh hưởng đến độ bền và chất lượng phôi bimetal.

- Ý nghĩa thực tiễn
Lần đầu tiên ở Việt Nam đã thử nghiệm thành công việc ứng dụng năng lượng
nổ để biến dạng dẻo tóp ống thép hợp kim ШX15 và hàn dính với lõi thép các bon
C45 đạt chất lượng cao: độ bền bám dính 2 lớp vật liệu sau hàn nổ đạt trong khoảng

b.d
= 128,7333  258,6667 MPa, có đặc tính cấu trúc tế vi vùng biên giới liên kết tốt.
5. Các đóng góp mới của luận án
1. Đã hệ thống hoá cơ sở lý thuyết công nghệ hàn nổ ứng dụng cho tạo phôi
bimetal dạng tấm phẳng, bề mặt cong từ các tài liệu đăng tải trong và ngoài nước làm cơ
sở khoa học cho việc giải bài toán biến dạng dẻo tóp ống và hàn nổ ống thép hợp kim
ШX15 vào lõi thép C45 có dạng hình trụ và thực nghiệm trong điều kiện Việt Nam;
2. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm kiểu ba mức ba yếu tố (N = q
k
=
3
3
= 27) đã tiến hành thí nghiệm hàn nổ tạo phôi bimetal thép C45 – thép ШX15 dạng
trụ và khảo sát đánh giá ảnh hưởng của 3 thông số công nghệ hàn nổ chính (r), (h),
(C) đến độ bền bám dính 2 lớp (
b.d
) và đặc tính cấu trúc tế vi vùng liên kết hai lớp ở
trạng thái sau hàn nổ. Từ đó chọn chế độ hàn nổ phù hợp yêu cầu về chất lượng bám
dính giữa hai lớp kim loại hàn nổ;
3. Sử dụng phương pháp ép chảy nóng để nghiên cứu ảnh hưởng của mức độ
biến dạng dẻo tương đối với khác nhau theo hướng kính (
V
) đến (
b.d
), từ đó cho

phép xác định giới hạn cần thiết của nó để chỉnh kích thước hình học dọc theo phôi nổ
và lựa chọn chế độ công nghệ hàn nổ phối hợp ép chảy nóng thích hợp, đảm bảo vật
liệu phôi bimetal đạt đặc tính kỹ thuật và có chất lượng cao ứng dụng vào chế tạo các
chi tiết máy dạng hình trụ.
6. Phương pháp nghiên cứu, cách tiếp cận
6.1. Phương pháp nghiên cứu: kết hợp nghiên cứu lý thuyết về hàn nổ các bề mặt cong
và hai tấm kim loại với quy hoạch thực nghiệm để xác định chế độ hàn nổ đảm bảo
nhận được chất lượng vật liệu bimetal tốt nhất,
6.2. Cách tiếp cận nội dung nghiên cứu
- Từ nghiên cứu tổng quan các kết quả ứng dụng công nghệ hàn nổ trong và
ngoài nước để xác định nội dung nghiên cứu phát triển thêm của luận án;
- Thực nghiệm xác định mức độ biến dạng dẻo tới hạn theo hướng kính của phôi
bimetal thép C45 – thép ШX15 sao cho vẫn đảm bảo độ bền bám dính 2 lớp và đặc tính
cấu trúc vật liệu cần thiết;
- Sử dụng các thiết bị đo lường, thiết bị phân tích kim tương hiện đại để xác định
các thông số kỹ thuật và đánh giá đặc tính của vật liệu bimetal sau hàn nổ, ép chảy nóng.
7. Cấu trúc luận án
Luận án gồm 5 chương với 136 trang (không kể phần Phụ lục): Đặt vấn đề (06
trang); Chương 1: Tổng quan về công nghệ hàn nổ và giới hạn nghiên cứu đề tài
luận án (19 trang); Chương 2: Cơ sở lý thuyết hàn nổ hai tấm kim loại (26 trang);
Chương 3: Vật liệu, thiết bị thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu (24 trang);
Chương 4: Ảnh hưởng của chế độ nổ tới độ bền bám dính 2 lớp và tổ chức vật liệu
bimetal thép C45 – thép ШХ15ạng hình trụ (33 trang); Chương 5: Nghiên cứu ảnh
hưởng của biến dạng dẻo đến tính chất vật liệu bimetal thép C45 – thép ШХ15 sau ép
3
chảy nóng (20 trang); Kết luận chung luận án (02 trang); Danh mục các công trình
khoa học đã công bố (01 trang); Danh mục tài liệu tham khảo (06 trang); Ngoài ra,
phần Phụ lục luận án có 20 trang.
B. NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN NỔ VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU

ĐỀ TÀI LUẬN ÁN
1.1. Khái quát về vật liệu kết cấu chịu mài mòn
Vật liệu chịu mòn kết cấu có độ cứng cao dùng làm các chi tiết trong vòng bi
thường là bằng thép hợp kim cao, rất khó biến dạng dẻo và khó gia công, còn các chi
tiết dạng trục như: chốt biên, chốt ắc pit tông…có thể làm bằng thép hợp kim thấp và
thấm tôi nên công nghệ rất phức tạp, chi phí nguyên vật liệu và năng lượng cao.
Từ sau năm 1960 ở các nước thuộc Liên Xô trước đây tại nhiều Viện nghiên cứu
và các Trường Đại học đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn nổ 1,
2362 để chế tạo vật liệu bimetal, trong đó có bimetal thép – thép hợp kim chịu
mòn, thép - thép không gỉ, thép - titan, Về mặt lý thuyết hàn nổ được sử dụng hầu
như đối với các cặp vật liệu khác nhau, đặc biệt là các cặp kim loại và hợp kim có cơ
lý tính khác xa nhau và rất khó bám dính bằng các phương pháp tạo phôi bimetal
khác. Ngoài ra, hàn nổ có thể được sử dụng trong sản xuất đơn chiếc hoặc loạt nhỏ
các sản phẩm với năng suất cao, đảm bảo tạo ra các liên kết kim loại chất lượng cao,
chi phí đầu tư thiết bị ít tốn kém, phù hợp với các nước chưa từng có công nghiệp
luyện kim và máy cán mạnh như Việt Nam. Cho đến thời điểm hiện nay ở Việt Nam,
công nghệ hàn nổ mới được bắt đầu triển khai nghiên cứu ứng dụng ở dạng tấm phôi
bimetal thép các bon – thép hợp kim, thép các bon – thép không rỉ, thép các bon thấp
– hợp kim nhôm, thép các bon – hợp kim đồng, nhưng chưa có nghiên cứu sâu nào về
vấn đề tạo phôi bimetal ở dạng trụ có tính năng chịu mài mòn cao.
1.1.1. Vật liệu bimetal chịu mòn để chế tạo chi tiết máy dạng trục, chi tiết ổ bi
Các chi tiết hình trụ thuộc về nhóm chốt biên, chốt ắc pít tông trong động cơ ô
tô, xe máy và máy động lực, ca bi trong và ca bi ngoài, chiếm phần lớn các phụ
tùng mau mòn chóng hỏng cần thay thế định kỳ trong máy móc thiết bị nhiều ngành
kinh tế. Hiện nay ở ngoài nước người ta sản xuất các loại chi tiết đó bằng các công
nghệ tạo phôi tiên tiến (trong đó có hàn nổ), tiết kiệm nguyên liệu cao, với lớp bề mặt
làm việc có tính năng đặc biệt, khả năng chịu mòn cao. Ở Việt Nam hàn nổ là một
trong những công nghệ tiên tiến đã và đang được nghiên cứu ứng dụng trong tạo phôi
vật liệu bimetal dùng trong chế tạo máy, đóng tầu,
1.1.2. Một số chi tiết kết cấu khác từ vật liệu bimetal

Trong công nghiệp chế tạo các loại bình chịu áp lực cao, việc sử dụng công nghệ
hàn nổ để tạo ra ứng suất dư cho trước trong các lớp kim loại thành bình cũng là một
trong những biện pháp công nghệ tiên tiến đã được nhiều nước công nghiệp phát triển
trên thế giới nghiên cứu áp dụng thành công và cho hiệu quả kinh tế – kỹ thuật cao.
Trong công nghiệp hoá chất, hoá dầu việc bọc lót phía ngoài các đường ống dẫn có
thể sử dụng công nghệ hàn nổ. Trong các công trình biển các kết cấu cột hình trụ làm
việc trong môi trường ăn mòn xà xâm thực cao của nước biển cũng có thể được hạn
chế nhờ bọc lót phía ngoài các chi tiết kết cấu đó bằng thép không rỉ. Lớp vỏ bọc
chống xâm thực đó có thể được tạo ra bằng phương pháp phun phủ hoặc hàn nổ. Tuy
4
nhiên, những ý tưởng đó chỉ mới được đề cập đến trong một số patent của nhiều nhà
nghiên cứu trên thế giới, nhưng khó tiếp cận được trong điều kiện Việt Nam. Do vậy,
việc nghiên cứu ứng dụng hàn nổ để tạo ra lớp kim loại bề mặt có tính năng kỹ thuật
cao, làm việc trong điều kiện khắc nghiệt có thể sẽ là tiền đề khoa học mới cho những
nghiên cứu ứng dụng tiếp theo ở nước ta.
1.2. Nghiên cứu lý thuyết về hàn nổ các bề mặt cong dạng bán cầu đường kính nhỏ
Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về khả năng nhận được mối hàn khi
hàn các bề mặt cong (hình 1.1 và 1.2) đã được các nhà khoa học Nga đề xướng và
đưa ra các công thức tính toán lý thuyết được trích dẫn trong công trình [30].
Theo phương trình đường cong mô tả prôphin tấm hàn ốp, có thể xác định được thể tích
chiếm chỗ của thuốc nổ, khối lượng thuốc nổ và tấm kim loại hàn ốp. Giả sử chiều dày tấm
kim loại hàn ốp là (), khe hở hàn ban đầu (h) và việc hàn nổ thực hiện trên một nửa bán
cầu có bán kính (R), được kích nổ từ tâm điểm. Các kết quả nghiên cứu lý thuyết nêu
trên đã được sử dụng để tính toán và kiểm tra bằng thực nghiệm các thông số va đập
khi hàn nổ các ụ đỡ tự lựa bằng thép có bề mặt trong là nửa hình cầu với bán kính R
= 80 mm được hàn ốp một lớp hợp kim đồng БpOФ6,5- 0,15 có chiều dày 4 mm [1].


Hình 1.1. Sơ đồ tính toán phương án hàn
ốp bề mặt hình cầu từ phía trong 1

Hình 1.2. Sự lan truyền sóng nổ tr
ên
bề mặt hình trụ 1
1.3. Nghiên cứu lý thuyết về hàn nổ các bề mặt lồi hình trụ
Để thành lập được công nghệ hàn nổ sát với thực tiễn đối với phôi đúc cánh tuabin
thuỷ lực với hình dạng prôphin không gian rất phức tạp, ở Liên Xô trước đây đã nghiên
cứu các đặc tính nổ của thuốc nổ dạng hình trụ có bán kính (R) thì mặt phân cách nổ
luôn luôn bị biến dạng từ mặt phẳng AB ở thời điểm ban đầu (hình 1.2) thành đường
thân khai CE và đưa ra các công thức tính toán lý thuyết 40. Hiệu ứng đó cũng được
khẳng định bằng các nghiên cứu thực nghiệm trích dẫn trong công trình 1.
1.4. Nghiên cứu ứng dụng năng lượng nổ để tạo phôi bimetal, trimetal ở Việt Nam
1.4.1. Khái quát chung
Ứng dụng năng lượng nổ trong hàn các kim loại có thành phần hóa học và cơ
tính khác nhau làm bạc trượt, cũng như tóp ống xy lanh bằng thép trong phục hồi
cụm xy lanh giảm xóc xe ô tô vận tải mỏ đã được khởi xướng ở Việt Nam từ những
năm thập kỷ 80 thế kỷ trước [1], [30]. Tuy nhiên, các nghiên cứu theo hướng này bị
gián đoạn do có nhiều yếu tố khách quan của nền kinh tế nước ta ở giai đoạn này. Chỉ
sau năm 1995 và cho đến nay, nhóm nghiên cứu ứng dụng hàn nổ tại Viện Nghiên
cứu Cơ khí (Bộ Công Thương) lại tiếp tục triển khai hướng công nghệ này:
5
1. Hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal thép các bon – thép các bon dụng cụ làm dao
cắt trong máy công cụ và thép các bon – thép hợp kim dụng cụ làm dao băm gỗ [7],
[9], [11],[12], [14], [16], [17], [22], [24], [27];
2. Hàn nổ tạo phôi vật liệu trimetal thép CT3 – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm
đóng tầu AA5083 sử dụng trong công nghiệp đóng tầu thuỷ [10], [15], [19], [20],
[23], [25], [26];
3. Hàn nổ tạo phôi vật liệu trimetal thép 08s – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm chịu
mòn hệ Al – Sn – Cu (mác AO9-2) làm bạc trượt [10], [19], [20], [21], [23], [25], [26];
4. Hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal thép 08s – đồng M1 làm thanh cái dẫn điện
điện động lực [13], [18];

5. Một số ứng dụng năng lượng nổ khác trong tạo phôi các chi tiết máy có kích
thước hình học lớn, khó chế tạo bằng các công nghệ truyền thống, ví dụ như bạc gối
đỡ tuốc bin thuỷ điện, máy nghiền cỡ lớn,…đang có triển vọng ứng dụng thực tiễn.
1.4.2. Đặc điểm biến dạng tóp ống kim loại bằng năng lượng nổ
Sơ đồ nổ tóp ống xy lanh bằng thép cho trên hình 1.3, còn giả thiết phân bố áp
suất nén theo bề mặt hình trụ ngoài của ống xy lanh – hình 1.4 [3]. Cơ sở lý thuyết
tính toán ứng dụng cho tóp ống kim loại bằng năng lượng nổ dựa trên việc giải bài
toán sau 7: Chúng ta quan sát một ống kim loại hình trụ có bán kính ngoài (R
1
)

và
bán kính trong R
2
, chịu áp lực p phân bố đều ở mặt ngoài (xem hình 3.4 ở Chương 3).
Khi (p) đạt một gía trị (p
1
) nào đó thì ống kim loại bắt đầu biến dạng dẻo và các phân
tố của ống bị dịch chuyển vào phía tâm một cách đối xứng. Để đơn giản hóa quá trình
tính toán, chúng tôi giới hạn ống kim loại có chiều dầy nhỏ so với bán kính của ống.
Từ đó cho phép có thể bỏ qua ảnh hưởng của chiều dài ống trong phép tính và có thể
coi như bài toán phẳng. Khi đó, phương trình cân bằng ứng suất tại một phần tử nhỏ
của ống khi chưa chuyển động trong tọa độ cực có dạng:
0


r
dr
d
r

r





(1.14)
Theo điều kiện dẻo Misses:
Tr


3
2

(1.15)
trong đó: 
r
, 

- ứng suất hướng tâm và ứng suất tiếp tuyến tương ứng; 
T
- ứng suất
chảy của vật liệu.
Sau các phép biến đổi ta có giới hạn áp suất p
1
đủ để xy lanh biến dạng dẻo dưới
tác dụng của tải trọng tĩnh được xác định theo biểu thức:
 
2
1

11
ln
3
2
R
R
Rrp
T
r




(1.19)
ở đây: dấu “” biểu thị áp suất nén.
Trong trường hợp ống thép biến dạng dưới tác dụng của tải trọng động xung cao
tốc khi nổ thì 
T
không thể là ứng suất chảy tĩnh của vật liệu, mà khi đó ta phải lấy
giới hạn chảy động 
td
:
2
1
ln
3
2
R
R
p

tdtd



(1.20)
Xét trường hợp ống bị tóp co lại theo hướng kính (vật liệu thành ống
chuyển động hướng vào tâm) dưới tác dụng của áp lực xung nổ, nhà khoa học
6
người Nga Đeribas A. A. 40 giả thiết coi hình trụ bị biến dạng rất nhanh như
một chất lỏng lý tưởng. Khi đó, nếu gọi r
o
là khoảng cách của một phần tử nhỏ
của ống đối với tâm trước lúc biến dạng: r(r
o
, t) là khoảng cách của chính điểm
đó ở thời điểm (t) trong quá trình dịch chuyển khi nổ.
Áp lực sinh ra do quá trình nổ tác dụng lên ống hình trụ được xác định như sau:

3
11100
)(
/
)(
27
16
)(











dt
tdR
DHt
tRRH
D
tp

(1.27)
trong đó: 
o
, D - khối lượng riêng (g/cm
3)
và tốc độ nổ (m/s) của thuốc nổ tương ứng;
H - chiều dày lớp thuốc nổ (mm).
Kết quả tính toán và thử nghiệm ứng dụng phục hồi xy lanh thuỷ lực: Vật liệu
ống biến dạng dẻo dưới tác dụng của năng lượng nổ là xy lanh thuỷ lực bằng thép tương
đương mác thép C45 trong bộ phận giảm xóc của xe ô tô vận tải mỏ KOMATSU–320
(Nhật Bản). Vật liệu này có cơ tính như sau: mật độ 
1
= 7,85g/cm
3
; trở kháng chống biến
dạng K
d

= 610,7 MPa; ống có kích thước ban đầu R
10
= 56 mm; R
20
= 50 mm. Thuốc nổ
được dùng là loại amônít 6ЖB có mật độ rải bằng 
0
= 0,9 g/cm
3
và chiều dầy lớp thuốc
nổ tối thiểu bằng H = 9 mm. Kết quả thí nghiệm đạt được rất tốt, các xy lanh thủy lực sau
phục hồi được đưa vào sử dụng trên khai trường mỏ Quảng Ninh có hiệu quả.
1.4.3. Đề xuất phương án nổ tóp ống để hàn với lõi thép ở giữa
Trong công trình [7 tác giả đã đưa ra đề xuất hàn nổ tạo phôi bimetal dạng ống
trên cơ sở ứng dụng năng lượng nổ biến dạng tóp ống phục hồi các xy lanh thuỷ lực
nói trên và một số kết quả thực nghiệm hàn nổ tạo phôi bimetal dạng trụ thép C45 
thép ШХ15, khảo sát cấu trúc tế vi vùng biên giới liên kết giữa hai lớp kim loại sau
hàn nổ trên mặt cắt ngang và cắt dọc theo hướng nổ trên các phân vùng khác nhau
theo một số phương pháp luận đã đề xuất ở các công trình [4], [6], 7, [8], [9]. Bài
toán sẽ được hoàn thành khi đảm bảo được điều kiện sau:
0
)(
max
2

H
v
dt
tdR
(1.33)

Nếu dR
2
/dt
max
 v
H
thì cần phải tăng thêm chiều dầy lớp thuốc nổ và lặp lại các thí
nghiệm. Cuối cùng, khi đã xác định được (H), đồng thời ta sẽ xác định được (R) tối
ưu bằng chương trình tính toán theo sơ đồ khối trên hình 1.5 chương 1 luận án 7.
1.5. Kết luận chương 1 và giới hạn nghiên cứu của đề tài luận án
Kết luận chương 1
1. Đã hệ thống hoá cơ sở lý thuyết và kinh nghiệm thực tiễn của nhiều nhà
nghiên cứu trên thế giới về hàn nổ tạo vật liệu bimetal như: đặc điểm và sơ đồ hàn
nổ; điều kiện hình thành liên kết hàn nổ; các thông số chính quá trình hàn nổ 2 tấm
kim loại; ảnh hưởng của các thông số nổ tới tính chất và cấu trúc mối hàn trong
bimetal; cơ sở lý thuyết hàn nổ các bề mặt cong có đường kính nhỏ; cơ sở lý thuyết
hàn nổ các bề mặt lồi hình trụ;
2. Hàn nổ để tạo phôi bimetal dạng thanh, ống hoặc dạng tấm là một hướng công
nghệ mới được nghiên cứu ứng dụng ở nhiều nước công nghiệp phát triển đảm bảo
yêu cầu về kích thước lớn và hiệu quả kinh tế cao. Ở Việt Nam có thể áp dụng công
nghệ này để tạo phôi vật liệu bimetal, trimetal dùng cho gia công chế tạo những chi
7
tiết máy có tính năng đặc biệt (kết hợp khả năng chịu mài mòn cao của lớp hợp kim bề
mặt làm việc với độ dẻo dai chịu va đập của phần kim loại cơ bản của thân chi tiết) mà
bằng các công nghệ truyền thống khác khó có thể thực hiện được, đồng thời giải quyết
được bài toán chi phí đầu tư thiết bị công nghệ nhỏ nhất;
3. Từ kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm ứng dụng năng lượng nổ
trên thế giới và ở Việt Nam từ trước đến nay, đã lựa chọn và đưa ra miền các giá
trị của lượng thuốc nổ cần sử dụng, khe hở hàn,…cần khảo sát khi lập quy hoạch
thực nghiệm hàn nổ các loại ống thép vào lõi thép đặc bên trong với mức biến

dạng co theo hướng kính cần thiết.
Giới hạn nhiệm vụ nghiên cứu của luận án
Với mục tiêu đề ra nội dung chính của luận án này tập trung vào các vấn đề sau:
1. Nghiên cứu lý thuyết về hàn nổ tạo phôi bimetal từ dạng tấm, băng đến dạng
có bề mặt cong đã được đăng tải trong và ngoài nước để lựa chọn phạm vi nghiên
cứu thực nghiệm hàn nổ ống thép hợp kim ШХ15 vào mặt ngoài đối với chi tiết có bề
mặt dạng hình trụ làm bằng thép C45. Điều kiện thực nghiệm hàn nổ ở đây được xác
định trên cơ sở nghiên cứu trường hợp khi đường kính trong của ống thép hợp kim và
khe hở hàn so với lõi thép bên trong chọn ở giá trị không lớn. Với giả thiết điều kiện
biên là nếu xét trên một phần tử vật liệu ống thép hàn dọc phôi nổ đủ nhỏ, có thể áp
dụng các thông số nổ tính toán của bài toán hàn nổ tấm phẳng làm dữ liệu đầu vào
cho trường hợp hàn nổ bề mặt cong, sử dụng phương pháp điều chỉnh tăng dần lên
tới mức tạo ra được liên kết kim loại giữa 2 lớp trên phôi nổ dạng hình trụ;
2. Đề xuất mô hình thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để xác
định các quy luật cơ bản khi hàn nổ tạo phôi hình trụ dựa trên cơ sở lý thuyết hàn
tấm, có tính đến bài toán biến dạng ống thép ШХ15 hình trụ bọc ốp tạo lớp bề mặt
chịu mòn phía ngoài lõi thép đặc C45 bên trong. Việc đề xuất phương án thực hiện
thí nghiệm hàn nổ tạo phôi bimetal dạng hình trụ với các giả thiết ban đầu khi coi sự
ảnh hưởng của thành phần biến dạng dẻo co ngang theo chu vi xét trên mặt cắt
ngang phôi nổ tại thời điểm va đập của ống thép bên ngoài với lõi thép bên trong sẽ
được tính đến trong các hệ số ẩn của mô hình toán học thực nghiệm của luận án là
cần thiết và khả thi trong điều kiện Việt Nam. Các thí nghiệm hàn nổ trong công trình
này chỉ giới hạn ở trường hợp phôi nổ gồm ống thép hợp kim và lõi thép các bon
chọn ở trạng thái đã qua xử lý nhiệt thường hóa để có độ dẻo cao nhất;
3. Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của một số thông số công nghệ hàn nổ chính
đến tính chất liên kết hai lớp kim loại bimetal thép C45 – thép ШХ15 thông qua thử phá
hủy mẫu xác định độ bền bám dính hai lớp và phân tích tổ chức tế vi vùng biên giới 2
lớp trên các mẫu thí nghiệm dạng trụ sau hàn nổ bằng phương pháp hiển vi quang học;
4. Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của mức độ biến dạng dẻo tương đối theo
hướng kính phôi bimetal thép C45 – thép ШХ15 dạng hình trụ sau hàn nổ và ép chảy

ở trạng thái nóng đến độ bền bám dính và đặc tính cấu trúc vật liệu trên biên giới 2
lớp ở trạng thái thường hóa bằng phương pháp hiển vi quang học;
5. Phân tích đặc điểm cấu trúc tại các tiểu vùng đặc trưng trên vùng gần biên
giới liên kết 2 lớp hàn nổ bằng phương pháp hiển vi điện tử quét và phân tích EDX.


8
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÀN NỔ HAI TẤM KIM LOẠI
2.1. Đặc điểm của quá trình hàn nổ: Hàn nổ là quá trình nhận được liên kết kim
loại và hợp kim dưới tác động của năng lượng sinh ra khi kích nổ các chất nổ với sơ
đồ nguyên lý cho trên hình 2.1a d và hình 2.2.


Hình 2.1. Sồ đồ nổ dưới góc nghiêng (a),
(b) và nổ song song (c), (d) 30
Hình 2.2. Sồ đồ hình học tấm kim loại hàn tại
một thời điểm khi hàn nổ 30
Tấm kim loại cố định (4) và tấm kim loại hàn (3) được đặt dưới một góc
nghiêng () ở khoảng cách cố định (h
O
). Trên tấm kim loại hàn (3) là lớp thuốc nổ
(2). Tại vị trí đỉnh góc nghiêng là kíp nổ (1). Tất cả phôi được đặt trên đế nổ (5) bằng
kim loại, bê tông, cát Khi bị kích nổ, theo toàn bộ lớp thuốc nổ sẽ lan truyền sóng
nổ với tốc độ (D) đạt tới một vài nghìn mét trong một giây. Dưới sự tác dụng của áp
suất cao do sự nở của khí nổ, tấm kim loại hàn đạt được tốc độ (v
O
) khoảng vài trăm
mét trong một giây và va đập vào với tấm kim loại cố định dưới một góc xác định  =
 +  ( - góc va đập;  - góc uốn động;  - góc nghiêng ban đầu). Kết quả của quá
trình kích nổ các chất nổ tạo ra áp suất và nhiệt độ rất cao, trong vùng tiếp xúc hai

tấm kim loại, tạo ra tia kim loại cục bộ tạo điều kiện cho chúng liên kết kim loại với
nhau. Tốc độ cao và áp suất cao ở vùng va đập xảy ra sự đánh sạch màng ôxit trên
các bề mặt tiếp xúc, làm linh hoạt hoá chúng và tạo ra mối liên kết kim loại giữa các
lớp với nhau có dạng sóng âm đặc trưng hoặc không có dạng sóng 30, 37, 40.
2.2. Nguyên lý cơ bản hình thành liên kết kim loại khi hàn nổ
Sự va đập của các tấm kim loại hàn có đi kèm lượng biến dạng dẻo rất lớn, làm
xuất hiện sự nung nóng đẳng nhiệt cục bộ các bề mặt tiếp xúc khi hàn nổ, kết quả quá
trình đó là hình thành được liên kết kim loại 1, 37. Khi đó, để nhận được liên kết
bền vững, cần thiết phải đảm bảo sao cho thời gian tác dụng trong mối hàn áp lực
dương lớn hơn thời gian kết tinh lại của hỗn hợp các kim loại hàn và kim loại nền
nóng chảy 48.Cơ chế hình thành biên giới liên kết kim loại hai lớp vật liệu dạng sóng
âm trong quá trình hàn nổ cho trên hình 2.3  2.6 15, 28.
Quá trình hình thành liên kết kim loại giữa 2 tấm vật liệu hàn nổ được mô tả trên
hình 2.6ac có thể phân tích như sau:
1. Vị trí ban đầu của 2 tấm kim loại trước khi hàn nổ theo sơ đồ song song, đặt
cách nhau với khe hở hàn (h), chiều dày lớp thuốc nổ (H), chiều dày các tấm kim loại
trên và dưới tương ứng là 
1
và 
2
được cho trên hình 2.6a. Khi kích nổ thuốc nổ
bằng kíp nổ đặt ở phần đầu pakét nổ, tấm kim loại trên dưới tác dụng của quá trình
nổ tạo ra áp suất cao (p), nhận được động năng cao và va đập vào tấm dưới, chuyển
năng lượng vào điểm va đập và tạo ra trạng thái chảy lỏng các lớp bề mặt 2 tấm kim
9
loại hàn, đồng thời đẩy màng ôxit ra khỏi vùng có độ nén cao (vùng I – hình 2.6b) để
hình thành liên kết kim loại bền vững;
2. Vùng tiếp xúc trong quá trình cháy nổ chuyển động từ trái sang phải, khi đó
vùng II là miền có sự dịch chuyển biến dạng dẻo với cường độ cao, ở đó dưới áp suất
cao hơn nhiều so với độ bền trượt lý thuyết nên xuất hiện hàng loạt các lệch mạng trên 2

bề mặt tiếp xúc hàn và chúng đi sâu vào phía trong 2 tấm kim loại hàn nổ. Tại vùng va
đập giữa 2 tấm kim loại hàn nổ xuất hiện tia kim loại cục bộ nhờ hiệu ứng bề mặt, tạo
điều kiện để hình thành liên kết kim loại giữa chúng với nhau trong vùng II – miền
tương tác của các vật liệu còn chưa tham gia vào tiếp xúc giữa 2 lớp (hình 2.6b);



Hình 2.3. Đặc điểm thay đổi độ
bền bám dính theo thời gian
hình thành tiếp xúc vật lý và
tương tác hóa học nhanh (a),
hàn chậm (b) ở trạng thái rắn
khi hàn (theo M. X. Shorshor
và Ju.L. Kraculin 28
Hình 2.4. Đặc điểm thay đổi
thế năng các nguyên tử khi
tích tụ vật lý (f) và tích tụ hóa
học (c) phụ thuộc vào khoảng
cách r từ nguyên tử đến bề
mặt vật rắn 28
Hình 2.5. Sơ đồ hình thành
đỉnh sóng âm biến dạng trong
quá trình va đập ở tốc độ cao
28: 1) Tấm kim loại hàn;

2) Tấm kim loại cố định;

K) Điểm tiếp xúc khi va đập
a)

b)

c)

Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý hình thành mối hàn giữa hai tấm kim loại trong quá trình hàn nổ
28: a) Sơ đồ nổ song song; b) Giai đoạn nổ chưa ổn định; c) Giai đoạn nổ ổn định
3. Toàn bộ mối hàn cấu thành từ các phần cục bộ của kim loại nóng chảy và
đông đặc nhanh có thể đạt được chỉ khi dưới tác dụng của sóng đàn hồi dỡ tải (di
chuyển ngay sau vùng nén ép ở điểm va đập) với tốc độ sao cho trong vùng IV không
xẩy ra hiện tượng phá hủy mối liên kết kim loại đang hình thành giữa 2 lớp hàn nổ
(hình 2.6c).
2.3. Các thông số chủ yếu của công nghệ hàn nổ: Phân biệt các thông số chủ yếu
đặc trưng cho quá trình hàn nổ kim loại sau đây 1, 30:
1. Nhóm thông số động học gồm có: tốc độ bay của tấm kim loại hàn khi va đập
vào tấm kim loại nền (v
P
), tốc độ điểm tiếp xúc giữa hai tấm kim loại (v
K
), góc va đập
(), góc uốn động ().
2. Nhóm thông số vật lý gồm có: áp suất tại điểm tiếp xúc khi va đập (p
K
), thời
gian va đập (t) , nhiệt độ tại điểm va đập (T).
3. Nhóm các thông số công nghệ: tốc độ nổ (D) - đặc trưng bởi mỗi loại thuốc
nổ; thông số không đơn vị (r) – tỷ lệ giữa khối lượng thuốc nổ và khối lượng tấm kim
loại hàn; khe hở hàn (h
O
) – khoảng cách ban đầu giữa các tấm kim loại hàn; độ nhám
bề mặt tiếp xúc khi hàn (R

Z
); nhiệt độ các tấm kim loại hàn (T
1
, T
2
); kích thước và
đặc tính của các kim loại hàn (độ bền, độ cứng, độ dai,…).
10

4. Nhóm các thông số năng lượng gồm có: động năng riêng của tấm kim loại hàn
(W
1
); động năng riêng của tấm kim loại nền (W
2
), tính theo nhóm thông số động học.
Để hình thành được liên kết kim loại phải đảm bảo điều kiện sau:
v
K
 C
O
(2.5)
trong đó: C
O
– tốc độ sóng âm trong vật liệu các kim loại hàn.
Đối với sơ đồ nổ nghiêng, tốc độ di chuyển của điểm tiếp xúc được xác định
theo công thức: v
K
= D. sin (  ) / sin  = D. sin / sin  (2.8)
Tốc độ hàn chủ yếu được xác định theo công thức cho trong công trình 30:
v

P


 
1 r 27 / 32 1
1 - r 27 / 32 1
1,2D



; (với K = 3) (2.13)
Trên thực tế, để tính áp suất va đập khi hàn nổ, tốt nhất nên sử dụng công thức
được đề xuất trong công trình 37, 43 và được trích dẫn trong công trình 30:
Các thông số hàn nổ chính bao gồm:
1. Thông số công nghệ 1: đặc trưng cho thuốc nổ sử dụng, sự thay đổi của nó
phụ thuộc vào đặc tính vật lý của thuốc nổ, thứ nhất là tốc độ nổ (D): đường kính
hoặc chiều dày, mật độ, thành phần hỗn hợp, kích thước hạt, độ ẩm, vỏ bọc đã được
trình bày khá rõ trong công trình 35, 37, 40, 43, 66.
2. Thông số công nghệ 2: (r) – tỷ lệ giữa khối lượng thuốc nổ sử dụng và khối
lượng tấm kim loại hàn. Nếu diện tích thuốc nổ được đặt trên bề mặt tấm kim loại
hàn bằng diện tích của nó thì thông số này được xác định theo công thức:
r = m
TN
/ m
1
= 
O
. H / 
1


1
(2.27)
3. Thông số công nghệ 3: là khe hở ban đầu giữa hai tấm kim loại hàn nổ (h
O
).
Thông số này có gây ảnh hưởng tới chất lượng liên kết kim loại giữa hai lớp bimetal.
Cùng với sự gia tăng của từng thông số: (D), (r) hoặc (h
O
), số lượng các tạp chất nóng
chảy, bước sóng và biên độ sóng liên kết đều tăng tỷ lệ thuận. Độ bền bám dính hai
lớp bimetal (
b.d
) ở một số giá trị nhất định của (D), (r), (h
O
) sẽ ổn định, nếu tăng
chúng lên mức quá cao thì (
b.d
) và hiệu ứng hình thành sóng liên kết giảm. Trên thực
tế thường cho trước khe hở hàn h
O
= (1  2).
1
(
1
– chiều dày tấm kim loại hàn 30).
2.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hàn nổ đến chất lượng mối hàn
2.4.1. Biên giới tới hạn của vùng hàn nổ: Trên hình 2.8 là đồ thị biểu diễn vùng
xác định hàn nổ tốt:



2
Kb
ρ.vσ

(2.30)
trong đó: 
b
– Độ bền (trở kháng biến dạng tức thời) của kim loại hàn.
2.4.2. Ảnh hưởng của các thông số ban đầu khi hàn nổ đến cấu trúc: có quy
luật lý thuyết cho trên các hình 2.9  2.11.
2.4.3. Ảnh hưởng của độ cứng vật liệu hàn đến chất lượng mối hàn
Để tính đến độ cứng vật liệu hàn, tác giả công trình [1] trích dẫn đề xuất của tác
giả công trình 34: R
e
= (
1
+
2
)
2
K
v / [2(H
1
+H
2
)]  10.
Ý nghĩa vật lý của điều kiện R
e
là: áp suất tại vùng lân cận điểm tiếp xúc cao
hơn nhiều so với độ bền của vật liệu va đập. Sử dụng điều kiện này để hàn nổ đối với

thép có độ cứng đến 50 HRC và thép các bon có độ cứng thấp cho thấy: tốc độ
chuyển động của điểm tiếp xúc phải tăng lên 1,6 lần.
11

2.4.4. Ảnh hưởng của độ bẩn bề mặt đến chất lượng mối hàn
Các màng ôxit chưa bị tẩy sạch trên bề mặt tiế xúc hàn nổ làm cản trở sự hình
thành mối liên kết hai lớp kim loại hàn. Khả năng phá huỷ và đẩy ra khỏi khe hở hàn
của các màng ôxit phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: độ bền liên kết giữa các ôxit với
kim loại, độ cứng ôxit (so với độ cứng kim loại nguyên chất), nhiệt độ nóng chảy của
nó. Đặc biệt có thể gây khó khăn cho quá trình hàn nổ là các chất bẩn hữu cơ mà do
sự lắng đọng của chúng trong lớp biên giới giữa hai lớp kim loại sẽ gắn chặt với kim
loại nền. Các màng ôxit tự nhiên rất mỏng (chiều dày đến 5.10
 3
m) không gây ảnh
hưởng đến chất lượng mối hàn khi hàn nổ vì chiều dày của nó vào khoảng 2 lần nhỏ
hơn chiều dày tối thiểu kim loại bị bóc khỏi bề mặt tấm kim loại nền.


Hình 2.7. Các điều kiện biên đảm bảo
có liên kết kim loại khi hàn nổ: A, B –
giới hạn dưới và trên 1
Hình 2.8. Sự phụ thuộc của chiều dày trung bình
tạp chất (
2
), các thông số biên dạng sóng liên kết
(, a) và độ bền bám dính (
b.d
) vào khe hở hàn (h
0
)

Hình 2.9. Sự phụ thuộc của chiều dày trung
bình các tạp chất (
2
), các thông số biên
dạng sóng liên kết (, a) và độ bền bám
dính hai lớp (
k.d
) vào thông số (r)
Hình 2.10. Sự phụ thuộc của chiều d
ày trung
bình các tạp chất (
2
), các thông số biên
dạng sóng liên kết (, a) và độ bền bám
dính khi kéo đứt (
k.d
) vào tốc độ nổ (D) 1

Kết luận chương 2
1. Qua nghiên cứu hệ thống hoá cơ sở lý thuyết và kinh nghiệm thực tiễn của
nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới về hàn nổ tạo vật liệu bimetal ở phần này tác giả
luận án đã lựa chọn phương án thí nghiệm hàn nổ tạo phôi bimetal thép C45 – thép
hợp kim ШX15 dạng hình trụ phù hợp với điều kiện Việt Nam với ba thông số hàn nổ
chính là: Tỷ lệ khối lượng thuốc nổ trên khối lượng ống thép hợp kim hàn nổ (r); Tỷ
lệ khe hở ban đầu giữa lõi thép C45 với ống thép hợp kim ШX15 và chiều dày ống
thép hợp kim ШX15 (h); Tốc độ nổ (D), xác định bằng phương pháp đo trực tiếp khi
hàn nổ đối với mỗi một thí nghiệm nổ có khối lượng thuốc nổ khác nhau nhờ trợ giúp

của thiết bị đo kỹ thuật số hiện đại mà không áp dụng phương pháp tính toán theo tài
liệu đã công bố trước đây;
12

2. Cơ sở lý thuyết trình bày trong chương 2 đã được kiểm chứng đối với trường
hợp hàn nổ hai tấm kim loại với nhau và là cơ sở tính toán ban đầu để thực nghiệm
hàn nổ bề mặt cong của luận án. Trong trường hợp hàn nổ phôi bimetal dạng hình
trụ thì yếu tố ảnh hưởng của trở kháng chống biến dạng theo hướng co theo chu vi
tiết diện ngang phôi nổ dạng hình trụ được giả thiết sẽ chỉ ra trong các hệ số ẩn tính
toán của mô hình toán học thực nghiệm sẽ xây dựng trong luận án như đã giới hạn ở
chương 1. Vấn đề này hiện nay không có nghiên cứu chuyên sâu nào đã công bố.
Chương 3. VẬT LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Vật liệu sử dụng cho thí nghiệm
Sử dụng làm mẫu thí nghiệm là thép C45 làm lõi trong và ống thép ШХ15 làm
vỏ bọc theo mặt trụ bên ngoài có thành phần hóa học tương ứng được tra theo tiêu
chuẩn ngành. Lõi thép C45 có cùng một kích thước hình học trong tất cả các thí
nghiệm: đường kính d = 54,0  0,05 mm, chiều dài L = 300 mm. Ống thép hợp kim
ШХ15 có thay đổi về chiều dày thành ống và chọn trong khoảng 
1
= (2,0; 2,5; 3,0;
3,5; 4,0)  0,025 mm, có cùng một đường kính trong: d = 55  0,05 mm. Khi đó
đường kính ngoài tương ứng sẽ là: D = (59; 60; 61; 62; 63)  0,05 mm.
Trên các hình 3.1  3.2 thể hiện ảnh chụp một số lõi thép C.45 và ống thép
ШХ15 trước khi ghép thành pakét hàn nổ.



Hình 3.1. Lõi thép C45 để hàn nổ

Hình 3.2. Ống thép ШХ15 để hàn nổ

3.2. Chọn trang thiết bị phục vụ thí nghiệm
3.2.1. Mô hình hàn nổ tạo phôi bimetal dạng hình trụ
Để hàn nổ các phôi bimetal dạng trụ, thanh, trong công trình nghiên cứu này sử
dụng mô hình paket hàn nổ (hình 3.3). Phân bố áp suất tác dụng lên mặt trụ ống thép
khi hàn nổ tạo phôi bimetal thép C45 - thép ШX15 được biểu diễn trên sơ đồ ở hình
3.4. Thiết bị đo tốc độ nổ kỹ thuật số được sử dụng để thí nghiệm cho trên hình 3.5.
1
2
3
4
5
6
7
a)
b)



Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý hàn nổ
ống kim loại vào lõi thép đặc (a)
và mô hình paket trước khi nổ (b):
1 - Kíp nổ; 2 - Chóp nón bằng gỗ;
3 - Ống kim loại cần tóp; 4 - Lõi
thép cố định kích thước đường
kính trong; 5 - Thuốc nổ; 6 - Ống
bọc thuốc nổ bằng bìa giấy;

7 - Đế nổ
13

Hình 3.4. Sơ đồ phân bố áp suất tác dụng lên mặt trụ ống thép khi hàn nổ tạo phôi bimetal
thép C45 - thép ШX15: 1 - Ống thép ШX15; 2 - Lõi thép C45; 3 -Thuốc nổ; 4 - Ống nhựa
định hình thuốc nổ

Hình 3.6. Ảnh chụp thiết bị đo tốc độ nổ kỹ thuật số hiện có ở Việt Nam sử dụng cho thí nghiệm
3.2.2. Chọn thiết bị thí nghiệm biến dạng dẻo phôi bimetal sau hàn nổ
Sau khi nung nóng đạt nhiệt độ 1150  1200
O
C và giữ cho phôi đủ ngấu nhiệt,
các mẫu bimetal thép C45  thép ШХ15 sau hàn nổ được ép nóng trên máy ép thuỷ
lực 400 tấn (hình 3.8) với lượng biến dạng dẻo tương đối đạt ở 3 mức quy định theo
quy hoạch thực nghiệm: 

1
= 7,5%; 

2
= 15% và 

3
= 22,5%.
3.2.3. Ch
ọn vị trí lấy mẫu, thiết bị thử xác định độ bền bám dính hai lớp bimetal

Độ bền bám dính hai lớp bimetal hàn nổ được xác định bằng cách thử phá huỷ
các mẫu dạng trong có kích thước tính toán phù hợp với vật liệu lớp kim loại hàn và
kim loại nền. Sơ đồ cắt lấy phôi gia công các mẫu thử nghiệm kéo trượt để xác định
dộ bền bám dính 2 lớp bimetal trên phôi bimetal thép C45 - thép ШХ15 có dạng hình

trụ nhận được sau hàn nổ cho trên hình 3.9.

Dọc hướng nổ

a)
b)
Hình 3.8. Máy ép thuỷ lực 400 tấn dùng để
thí nghiệm ép chảy ở trạng thái nóng phôi
bimetal thép C.45 – thép ШХ15 sau hàn n
ổ tại
một nhà máy sản xuất cơ khí quốc phòng
Hình 3.9. Sơ đồ vị trí cắt lấy mẫu thử phá huỷ xác định độ bền bám dính 2 l
ớp bimetal
thép C45 - thép ШХ15 sau hàn nổ hoặc sau ép chảy từ phôi thí nghiệm dạng hình trụ
14

3.2.4. Ch
ọn thiết bị thí nghiệm ngh
iên c
ứu cấu trúc bi
ên gi
ới hai lớp bimetal

Sử dụng các thiết bị cho trên hình 3.12.
3.3. Phương pháp thực hiện thí nghiệm
3.3.1. Cách tiếp cận chung về đo đạc và thống kê số liệu thực nghiệm
Thực hiện theo các bước đề xuất trong công trình 30.
3.3.2. Phương pháp tiến hành hàn nổ tạo phôi bimetal:
Thí nghiệm hàn nổ tạo phôi bimetal thép C45 – thép ШХ15 dạng hình trụ được
thực hiện theo quy hoạch thực nghiệm kiểu trực giao N = 3

3
= 27 30, 31, 32. Từ
các số liệu thực nghiệm xây dựng mô hình toán học hàm mục tiêu độ bền bám dính
hai lớp bimetal (
b.d
) phụ thuộc vào các yếu tố công nghệ hàn nổ chính trong miền
khảo sát đã chọn (r), (h) và (C).


Hình 3.12. Thíết bị thí nghiệm phá huỷ mẫu
bimetal thép C45 – thép ШХ15 có kết nối máy
tính để xác định l
ực phá huỷ tại một Trung tâm
kiểm định vật liệu sử dụng cho luận án
Hình 3.13a. Ảnh chụp kính hiển vi quang học
AXIOVERT40 MAT sử dụng cho thí nghiệm
Hướng nổ

a)
b)
Hình 3.14. Phương pháp cắt lẫy mẫu nghiên
cứu xác định độ bền bám dính 2 lớp và khảo
sát cấu trúc tế vi biên giới liên k
ết giữa chúng:
a) Mẫu bimetal thép C45 – thép ШХ15 dạng
hình trụ sau hàn nổ; b) Ký hiệu các phân
vùng phôi bimetal cắt dọc theo hướng nổ

Hình 3.13b. Ảnh chụp máy phân tích SEM-
EDX JEOL JSM-6490 sử dụng cho thí nghiệm

Việc đánh giá tổng hợp chất lượng mối hàn nổ được thực hiện trên cơ sở so sánh
kết quả thí nghiệm thử cơ tính lấy mẫu tại nhiều vị trí khác nhau theo hướng nổ trên
các mẫu quy hoạch thực nghiệm với kết quả nghiên cứu cấu trúc biên giới 2 lớp
bimetal tương ứng. Ví dụ như ở hình 3.14:
+ Mẫu có ký hiệu 4.1 – phân vùng đầu phôi bimetal theo hướng nổ (1);
+ Mẫu có lý hiệu 4.2 – phân vùng giữa phôi bimetal theo hướng nổ (2);
+ Mẫu có ký hiệu 4.3 – phân vùng cuối phôi bimetal theo hướng nổ (3).
15

3.3.3. Phương pháp thí nghiệm ép chảy phôi bimetal: Chỉ giới hạn nghiên cứu
ảnh hưởng của mức độ biến dạng dẻo tương đối tổng cộng (

) qua 3 lần ép chảy
nóng đến độ bền bám dính 2 lớp vật liệu bimetal thép C45 – thép ШХ15 sau hàn nổ
và khảo sát cấu trúc tế vi vùng biên giới 2 lớp ở trạng thái thường hóa. Phôi ép chảy
được nung nóng đến 1200
O
C và ép chảy trong khuôn kim loại có bôi trơn bằng
graphít. Nhiệt độ các mẫu thí nghiệm sau khi được lấy ra khỏi khuôn ép chảy nằm
trong khoảng T = 850  900
O
C, sau khi lấy phôi ra khỏi khuôn ép chúng được để
nguội trong không khí.
3.3.4. Phương pháp thí nghiệm xử lý nhiệt mẫu bimetal:
Mẫu bimetal thép C45 – thép ШХ15 sau hàn nổ và ép chảy nóng được thường hoá.
3.3.5. Phương pháp xác định độ bền bám dính hai lớp bimetal
Khi thử phá huỷ mẫu kẹp trong đồ gá chuyên dụng ở tải trọng 12502500 N và
tốc độ nén (kéo) bằng 1,2  1,7 mm/phút. Lực phá huỷ được xác định trên sơ đồ tải
nén (kéo) của máy thử ghi tự động. Độ bền bám dính hai lớp bimetal được tính theo

công thức sau 30: 
b.d
= K. P/S (3.17)
ở đây: 
b.d
– Độ bền bám dính 2 lớp bimetal, MPa; P – Lực phá huỷ mẫu, N; S – Diện
tích bề mặt tiếp xúc thực tế giữa 2 lớp, mm
2
; K = 1,58  1,0 (
1
= 0,45  1,175 mm).
3.3.6. Phương pháp nghiên cứu cấu trúc kim loại hai lớp bimetal
Cấu trúc tế vi vật liệu trên biên giới 2 lớp kim loại hàn nổ được khảo sát và chụp ảnh
trên kính hiển vi quang học (hình 3.7), còn thành phần hóa học của các tiểu vùng đặc trưng
gần biên giới 2 lớp – phân tích SEM-EDX, sử dụng thiết bị trên hình 3.13b.
Đo độ cứng tế vi (HV
0,05
) hoặc (H) vật liệu gần biên giới 2 lớp thép C45 – thép
ШХ15: từ ảnh chụp cấu trúc tế vi ở những vùng cần quan tâm với độ phóng đại để tính
giá trị trung bình của đường chéo vết ấn lõm theo diện tích của nó theo công thức sau:
d
2
= 2. S / K
2
T
(3.18)
trong đó: d – Chiều dài đường chéo vết ấn lõm, mm; S – Diện tích vết ấn lõm quy
ước (1 đơn vị diện tích quy ước bằng 0,3 mm
2
); K – Hệ số tăng hình dạng ảnh chụp

vết ấn lõm so với kích thước thực, phụ thuộc vào hệ thống lăng kính của máy đo độ
cứng tế vi được sử dụng. Độ cứng tế vi được tính theo công thức:
H = 1,8544. P
H
/ d
2
(3.19)
trong đó: P
H
– Tải trọng ấn đầu châm khi đo độ cứng tế vi, kG.
Kết luận chương 3
1. Đã chọn các phương pháp thực hiện thí nghiệm hàn nổ tạo phôi bimetal
thép C45 – thép ШХ15; biến dạng dẻo bằng phương pháp ép chảy nóng phôi sau hàn
nổ. Trên cơ sở đó, đã lựa chọn một cách có cơ sở khoa học vật liệu và thiết bị thí
nghiệm phù hợp để tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ chính
khi hàn nổ (r), (h), (C) và mức độ biến dạng dẻo tổng cộng tương đối trong quá trình
ép chảy phôi bimetal thép C45 – thép ШХ15 sau hàn nổ (


) đến chất lượng của nó
phù hợp với điều kiện ở Việt Nam;
2. Đã chọn các phương pháp đánh giá chất lượng mối hàn theo tiêu chí tổng
hợp độ bền bám dính và tổ chức tế vi vật liệu sau hàn nổ và sau ép chảy nóng tại các
vị trí điển hình theo chu vi phôi bimetal dạng hình trụ trên biên giới 2 lớp bằng cách
sử dụng trang thiết bị thí nghiệm hiện đại. Đồng thời đã ứng dụng phần mềm tin học
16

chuyên dụng để xử lý số liệu thực nghiệm bằng tính toán mô phỏng số hàm mục tiêu
độ bền bám dính 2 lớp bimetal phụ thuộc vào các thông số nổ chính, đưa ra phương
pháp đánh giá sai số tương đối trong phép đo đạc trực tiếp, gián tiếp của các giá trị

cần thiết trong tính toán.
Chương 4. ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ HÀN NỔ TỚI ĐỘ BỀN BÁM DÍNH
HAI LỚP VÀ TỔ CHỨC VẬT LIỆU BIMETAL THÉP C45 - THÉP ШХ15
DẠNG HÌNH TRỤ
4.1. Đánh giá hiện trạng mẫu bimetal thép C45 - thép ШХ15 sau hàn nổ
4.1.1. Mẫu hàn nổ ở chế độ thăm dò công nghệ QHTN 1
Trên hình 4.1 thể hiện ảnh chụp một số mẫu thí nghiệm hàn nổ ở chế độ thăm dò
công nghệ được chọn sơ bộ trong khoảng: r = 1,4  1,8; h = 0,1  0,5 và C = 0,7  1,0.
- Đánh giá hình thái bề mặt các mẫu bimetal sau hàn nổ theo QHTN 1 cho thấy:
1. Hiện tượng ống thép hợp kim ШХ15 tại 03 vùng khác nhau của phôi bimetal
sau hàn nổ bị biến dạng tóp vào trong theo chu vi đường kính của nó không đều dọc
theo hướng nổ, nhưng ở các mức độ co ngang khác nhau (3,0  4,5 %).
2. Khi các thông số (r) và (C) tăng, khả năng bám dính của ống thép hợp kim
ШХ15 với lõi thép nền C45 có xu hướng tăng tỷ lệ thuận so với (r) và (C).
a)

1 2 3 4
b)
5 6 7 8
Hình 4.1. Mẫu bimetal thép C45

thép ШХ15 sau khi hàn nổ theo chế độ nổ QHTN 1
4.1.2. Mẫu hàn nổ ở chế độ hiệu chỉnh công nghệ QHTN 2 : Khi hàn nổ theo
quy hoạch hiệu chỉnh công nghệ (QHTN 2) mẫu nhận được cho trên hình 4.3 a,b,c.

02 03 04 05 06 12 14 / 15 / 16 17 24 25 26 27
a) b) c)
Hình 4.3. Mẫu bimetal thép C45 – thép ШХ15 sau khi hàn n
ổ theo chế độ QHTN 2:
a) Lô 1: Mẫu số 2


6; b) Lô số 2: Mẫu số 12, 14

17; c) Lô số 3: Mẫu số 24

27

1. Tất cả các mẫu bimetal thép C45 – thép ШХ15 dạng hình trụ sau khi hàn nổ
đều có khả năng bám dính giữa lõi thép C45 với ống thép hợp kim ШХ15 tốt;
2. Độ sai lệch tương đối giữa các đường kính phôi bimetal trung bình trên 03 phân
vùng đầu (1), giữa (2) và cuối (3) đạt trong khoảng 1,5  3,5 % (Lô thí nghiệm 1); 2,5 
3,5 % (Lô thí nghiệm 2); 3,0  5,5 % (Lô thí nghiệm 3), trong đó phần giữa phôi (2) có
hiện tượng bị co vào với mức độ lớn hơn so với phần đầu (1) và phần cuối (3);
17

3. Khi thông số (h) tăng trong khoảng h = 0,10,3 khả năng bám dính 2 lớp thép
ШХ15 và lõi thép nền C45 có xu hướng tăng và sau đó giảm trong khoảng h = 0,30,5.
4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn nổ đến độ bền liên kết hai lớp
bimetal thép C45 - thép ШХ15
4.2.1. Xác định tốc độ nổ của thuốc nổ bằng phương pháp đo trực tiếp
Thuốc nổ hỗn hợp (AD1 + NH
4
NO
3
)

với C = 0,75; 0,875; 1,0 và mật độ rải 
0
=
0,95  0,97 g/cm

3
. Kết quả đo trực tiếp là: D
1
= v
k1
= 3430 m/s (lô thí nghiệm 1); D
2
=
v
k2
= 3830 m/s (lô thí nghiệm 2); D
3
= v
k3
= 4230 m/s (lô thí nghiệm 3).
4.2.2. Kết quả tính toán xác định độ bền bám dính 2 lớp bimetal
Độ bền bám dính 2 lớp bimetal thép C45 – thép ШX15 sau hàn nổ trung bình đạt
giá trị: 
(1)
b.d
= 128,7333  175,6667 MPa (lô thí nghiệm 1); 
(2)
b.d
= 175,6667  215,6
MPa (lô thí nghiệm 2); 
(3)
b.d
= 197,3333  258,6667 MPa (lô thí nghiệm 3). Điều đó
cho thấy: 
b.d

các mẫu hàn nổ theo QHTN 2 tăng tỷ lệ thuận cùng chiều tăng của các
thông số (r); (C) và (h = 0,1  0,2), đồng thời giảm tỷ lệ nghịch theo chiều tăng của (r);
(C) và khi (h = 0,2  0,3) (bảng 4.5 luận án).
4.2.3. Mô hình toán học hàm mục tiêu độ bền bám dính 2 lớp bimetal
Mô hình toán học hàm mục tiêu (
b.d
) cần tìm nhận được như sau:

600.7542 256.9280 452.8175 446.8207,553
162,94,742 207,2851136,650 44,433
22


ChrhC
rCrhChr
2
bd

(4.1)
trong đó: r – Tỷ lệ khối lượng thuốc nổ (m
0
) so với khối lượng ống thép ШX15 (m
1
), r =
m
0
/m
1
; h – Tỷ lệ khe hở hàn h
0

so với chiều dày thành ống thép ШX15, h = h
0
/
1
; C – Tỷ
lệ khối lượng thuốc nổ amônít (AD1) so với khối lượng hỗn hợp (AD1 + NH
4
NO
3
).
a)
b)
c)

Hình 4.7. Ảnh hưởng đồng thời của 3 thông số r, h và C đến độ bền bám dính 2 lớp
bimetal thép C45 – thép ШX15 sau hàn nổ
18

Từ các số liệu thực nghiệm, sử dụng phần mềm tin học chuyên dụng đã xây dựng
được đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hàm mục tiêu độ bền bám dính 2 lớp bimetal vào
các thông số hàn nổ chính (r), (h) và (C) trên hình 4.7.
Từ trong mô hình (4.1) và hình 4.7 cho thấy: ảnh hưởng của các thông số hàn nổ
đến (
b.d
) giảm dần theo thứ tự như sau: C  h  r:
- Thông số (C) có ảnh hưởng mạnh nhất đến (
b.d
) vì do hệ số trước số hạng bậc
1 (+256,928) và bậc 2 (+207,285) của (C) tuy không lớn, nhưng đều và mang dấu
dương (+), điều đó làm tăng giá trị cuối cùng của (

b.d
);
- Thông số (h) có ảnh hưởng mạnh thứ hai vì các hệ số trước số hạng bậc 1 mặc
dù có giá trị lớn hơn cả và mang dấu dương (+452,8175), nhưng hệ số trước số hạng
bậc 2 lại rất lớn và mang dấu âm ngược lại (1136,65) của (h);
- Tiếp sau đó là thông sô (r) vì các hệ số trước số hạng bậc 1 (+446,82) và bậc 2
(44,433) của (r) nhỏ hơn so với các số hạn của (h), đồng thời còn kể đến ảnh hưởng
trái chiều của (h) ở phân vùng khảo sát h = 0,2  0,3 như đã nêu trên.
4.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn nổ đến cấu trúc tế vi biên giới hai lớp
bimetal thép C45 - thép ШХ15
4.3.1. Cấu trúc tế vi vật liệu bimetal thép C45 - thép ШХ15 trên biên giới hai lớp
theo mặt cắt ngang hướng nổ: Ví dụ điển hình cho trên các hình 4.8e,f (QHTN 1); hình
4.10c,d &4.11e,f (QHTN 2). Biên giới liên kết 2 lớp vật liệu bimetal sau hàn nổ ở một
vài chế độ QHTN 1 còn có lớp cấu trúc màng mỏng phân bố không liên tục trên toàn bộ
chiều dài mẫu khảo sát. Nguyên nhân là do chọn chế độ nổ với mức thấp (r = 1,4) và
trung bình (r = 1,6) và (h = 0,3  0,5) là chưa đảm bảo tạo ra tia kim loại cục bộ tại vùng
tiếp xúc va đập đủ mạnh để đẩy hết các hợp chất giữa các thành phần kim loại thép hàn
và sản phẩm nổ ra khỏi khe hở hàn và chưa đủ biến dạng co tóp ống thép ШХ15.

e - Mẫu số 20 (MS: 012)


f - Mẫu số 24 (MS: 122)

Hình 4.8. Ảnh chụp cấu trúc biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép C45 – thép ШХ15 trên
một số mẫu thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiêm định hướng công nghệ (QHTN 1)

c - Mẫu số 14* (MS: 111)

d - Mẫu số 15* (MS: 121)
Hình 4.10. Ảnh chụp cấu trúc biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép C45 – thép ШХ15 trên một
số mẫu thí nghiệm theo quy hoach thực nghiệm hiệu chỉnh công nghệ (Lô số 2-QHTN 2)
19


e - Mẫu số 25* (MS: 202)

f - Mẫu số 26* (MS: 212)
Hình 4.11. Ảnh chụp cấu trúc biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép C45 – thép ШХ15 trên một
số mẫu thí nghiệm theo quy hoach thực nghiệm hiệu chỉnh công nghệ (Lô số 3-QHTN 2)
4.3.2. Cấu trúc tế vi biên giới hai lớp bimetal thép C45 – thép ШХ15 trên mặt
cắt dọc theo hướng nổ: Ảnh chụp cấu trúc vật liệu dọc hướng nổ điển hình cho trên
hình 4.12e,f. Từ đó cho thấy: trên bề mặt biên giới 2 lớp vật liệu bimetal hàn nổ, lớp
thép C45 mềm hơn đã bị biến dạng dài theo hướng nổ, sóng liên kết giữa 2 lớp giảm.
Sau điều chỉnh các thông số công nghệ hàn nổ, ta có cấu trúc vật liệu trên biên giới 2
lớp bimetal có đặc tính sau: mối hàn nhận được rất tốt, không phát hiện thấy lớp màng
mỏng cấu trúc hoặc liên kim loại cục bộ trên toàn bộ chiều dài mẫu khảo sát. Sóng
liên kết 2 lớp thép C45 và thép ШХ15 có tính chất đặc trưng là biên độ sóng liên kết
lớn, đồng thời độ bền bám dính 2 lớp có giá trị cao (bảng 4.5 luận án).


e - Mẫu số 6 (MS: 120 )

f - Mẫu số 6 (MS: 120)

Hình 4.12. Ảnh chụp cấu trúc biên giới 2 lớp bimetal thép C45 – thép ШХ15 dọc hướng nổ
(ae) và vết đo độ cứng tế vi vùng biên giới 2 lớp bimetal (e,f)
Chế độ hàn nổ theo QHTN 2 đảm bảo nhận được phôi bimetal thép C45 – thép
ШХ15 đạt chất lượng tổng hợp tốt, khả dụng cho việc chế tạo chi tiết máy dạng hình

trụ có tính năng đặc biệt vì lớp vật liệu bề mặt bằng thép hợp kim chịu mòn cao.
Kết luận chương 4
Bằng các nghiên cứu thực nghiệm trong phần này đã nhận được các kết quả sau:
1. Giữa đại lượng (C) với tốc độ nổ của thuốc nổ sử dụng (D = v
k
), áp suất va đập
(p
k
) và năng lượng va đập (W
p
) theo chiều dày ống thép ШX15 (

1
= 2,0

4,0 mm) có
mối quan hệ sau: Khi hàn nổ với C = 0,75 xác định được tốc độ nổ D
1
= v
k1
= 3430,0
m/s; tốc độ, áp suất và năng lượng va đập đạt giá trị tương ứng: v
p1
= 1029,0 m/s; p
k1

= 8,312 GPa; W
p1
= 83,119


166,238 MJ/m
2
; Khi hàn nổ với C = 0,875 xác định
được tốc độ nổ D
2
= v
k2
= 3830,0 m/s; tốc độ, áp suất và năng lượng va đập đạt giá trị
tương ứng: v
p2
= 1193,8 m/s; p
k2
= 11,1875 GPa; W
p2
= 111,8749

223,75 MJ/m
2
;
Khi hàn nổ với C = 1,0 xác định được tốc độ nổ D
3
= v
k3
= 4230,0 m/s; tốc độ, áp suất
và năng lượng va đập đạt giá trị tương ứng: v
p3
= 1365,9 m/s; p
k3
= 14,6456 GPa;
W

p3
= 146,456

292,912 MJ/m
2
;
20

2. Độ bền bám dính 2 lớp vật liệu bimetal thép C45

thép ШX15 nhận được ở các
chế độ hàn nổ theo QHTN 2 sau hàn nổ (

b.d
) trên các mẫu thí nghiệm lặp theo QHTN 2
tăng tỷ lệ thuận cùng chiều tăng của các thông số (r), (C) và (h = 0,1

0,2), đồng thời
giảm tỷ lệ nghịch theo chiều tăng của (r), (C) và (h = 0,2

0,3). Ảnh hưởng của thông
số (C) là mạnh nhất, sau đó là thông số (h) và cuối cùng là thông số (r). Độ bền bám
dính 2 lớp bimetal thép C45

thép ШX15 sau hàn nổ (

b.d
) trên các mẫu thí nghiệm lặp
QHTN 2 đạt trong khoảng


b.d
= 128,7333

258,6667 MPa;
3. Độ bền bám dính 2 lớp của vật liệu bimetal lớn nhất

b.d
= 258,6667 MPa đạt
được ở chế độ hàn cứng cao với r = 1,7; h = 0,2; C = 1,0 (tương ứng với v
p
= 1365,9
m/s và p
k
= 14,6456 GPa) khi sóng liên kết giữa hai lớp thép lớn, sạch (không có lớp
cấu trúc màng mỏng), không bị nứt và có độ co tóp lớp ống thép ШX15 ở phần giữa
phôi đạt 4,5

5,5 % so với đường kính ban đầu;
4. Sai lệch biến dạng co tóp của ống thép ШX15 theo hướng kính trên toàn bộ
chiều dài phôi hình trụ dọc hướng nổ sau khi hàn nổ là 1,5

5,5 %.
Chương 5. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN DẠNG DẺO ĐẾN TÍNH
CHẤT VẬT LIỆU BIMETAL THÉP C45 – THÉP ШX15 SAU ÉP CHẢY NÓNG
5.1. Ảnh hưởng của biến dạng dẻo đến độ bền bám dính 2 lớp vật liệu bimetal
Quy luật ảnh hưởng của biến dạng dẻo đến tính chất vật liệu bimetal thép C45 – thép
ШX15 được đánh giá thông qua hai tiêu chí cơ bản là độ bền bám dính 2 lớp (
b.d
) và đặc
tính hình thái cấu trúc tế vi tại vùng biên giới giữa chúng ở các trạng thái sau hàn nổ, ép

nóng lần 1 với 

1
= 7,5%, lần 2 với 

2
= 15% và lần 3 với 

= 22,5%. Mẫu thí
nghiệm sau ép chảy nóng phôi bimetal dạng hình trụ cho trên hình 5.1, còn kết quả
tính toán xác định độ bền bám dính 2 lớp bimetal cho tyển hình 5.2.

a) Mẫu thí nghiệm số 14


b) Mẫu thí nghiệm số 15

c) Mẫu thí nghiệm số 16

d) Mẫu thí nghiệm số 26
Hình 5.1. Ảnh chụp mẫu thí nghiệm ép chảy nóng từ phôi bimetal thép C45 – thép ШX15 dạng

hình trụ qua hàn nổ ở các chế độ có mã số: a) – (111) ; b – (121) ; c) – (201) ; d) – (212)
170
§é bÒn b¸m dÝnh, 
b.d
, MPa


%

0 7,5 15 22,5
160
180
190
200
210
220
230
240
250
260




1
2
3
4

Hình 5.2. Đồ thị ảnh hưởng của biến dạng dẻo đến độ bền bám dính 2 lớp bimetal

thép C45 – thép ШX15 trong quá trình ép chảy nóng
21

5.2. Xác định cơ tính các lớp vật liệu bimetal thép C45 – thép ШХ15 sau ép chảy
1. Đối với mẫu sau ép chảy nóng với 

= 15%: độ cứng tế vi có xu hướng giảm
dần theo chiều tăng của khoảng cách các vết đo đi từ biên giới liên kết 2 lớp bimetal

ra cả 2 phía kim loại hàn (thép ШX15) và kim loại nền (thép C45). Độ cứng lớp thép
hợp kim ШX15 đạt HV
ШX15
= 235  260, còn độ cứng lớp thép C45 đạt HV
C.45
= 178
 199; độ cứng trên biên giới 2 lớp bimetal đạt HV
b.g.
= 169  175;
2. Đối với mẫu sau ép chảy nóng với 

= 22,5%: HV
ШX15
= 311  342, còn độ
cứng lớp thép C45 đạt HV
C.45
= 240  265. Độ cứng trên biên giới 2 lớp bimetal đạt
HV
b.g.
= 264  274. Nguyên nhân vì do qua ép chảy lần 3 với 

= 22,5 % đã làm cho
2 lớp vật liệu bimetal bị biến cứng mạnh và dẫn đến chúng có độ cứng cao hơn rất
đáng kể so với vật liệu trên mẫu sau ép chảy với 

= 15% (bảng 4.6 luận án).
5.3. Ảnh hưởng của biến dạng đến hình thái cấu trúc tế vi mối hàn trên biên giới
kiên kết 2 lớp bimetal
Ví dụ điển hình trên hình 5.4 cho thấy biên độ sóng liên kết 2 lớp bimetal (a)
thay đổi giảm dần theo chiều tăng của mức độ biến dạng dẻo tương đối tổng cộng (


)


a - ε
1
= 7,5 %, mẫu số 14

b - ε
2
= 15,0 %, mẫu số 14

c - ε
1
= 7,5 %, mẫu số 15

d - ε
2
= 7,5 %, mẫu số 15
Hình 5.4. Ảnh chụp cấu trúc tế vi biên giới 2 lớp mẫu số 14 (a,b) và mẫu số 15 (c,d): a ,c - Sau ép
chảy nóng lần 1; b,d - lần 2

Từ hình 5.4 cho thấy: biên độ sóng liên kết 2 lớp bimetal thay đổi giảm dần theo
chiều tăng của biến dạng dẻo (

) và chất lượng bề mặt tiếp xúc tốt.
5.4. Nghiên cứu tính chất các tiểu vùng cấu trúc đặc trưng vùng biên giới liên kết
hai lớp vật liệu bimetal sau hàn nổ và ép chảy nóng
Trên hình 5.7a là ảnh tổ chức tế vi điển hình (mẫu thí nghiệm số No.8-2) sau
hàn nổ và biến dạng dẻo với 


2
= 15%, làm nguội sau đó ngoài không khí, là một
trong số các mẫu được chọn để phân tích SEM-EDX. Tổ chức tế vi lớp thép C45 và
thép ШX15 cho ở hình 5.8b,c.
Đã tiến hành nghiên cứu SEM-EDX tại ba phân vùng: mép hàn nổ phía lớp thép
C45; mép phía lớp thép ШX15 và vùng biên giới hàn nổ C45  ШX15 mà kết quả cho
trên hình 5.10 và các bảng kèm theo là ví dụ điển hình.
22


Hình 5.7a. Tổ chức tế vi của mối hàn
bimetal thép C45
– thép ШХ
15 sau hàn
nổ, ép chảy nóng và làm nguội trong
không khí (x500; 
2
=15%)

b) x500


c) x500

Hình 5.8b,c. Ảnh tổ chức tế vi lớp thép C45 (a) và thép
ШX15 (c) sau ép chảy nóng và làm nguội trong không khí:

a) Peclít + Pherit); b) Peclit mịn + Các bít lưới

a) Tiểu vùng 001 và 002, x1000
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00
keV
002
0
300
600
900
1200
1500
1800
2100
2400
2700
3000
3300
3600
CKa
SiKa
CrLa
CrKa
CrKb
FeLl
FeLa
FeLsum
FeKesc
FeKa
FeKb

b) Tiểu vùng 001 và 002

c) Tiểu vùng 003 và 004, x3000
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00
keV
004
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
CKa
OKa
NaKa
NaKsum
MgKa
AlKa
SiKa
KKa
KKb
CaKesc
CaKa
CaKb

TiKesc
TiKa
TiKb
CrLa
CrKa
CrKb
MnLa
MnKesc
MnKa
MnKb
FeLa
FeLsum
FeKesc
FeKa
FeKb

d) Tiểu vùng 003 và 004

e) x3000
a - c: Phân tích theo tiểu vùng
V
ị
trí
Kết quả phân tích thành phần hóa học, % kh.l.
C O Na Mg

Si K Ca Ti Cr Mn

Fe Tổng
001 0.27

- - - 0.14

- - -
0.11

- 99.48
100.00

002 0.53

- - -
0.31

- - -
1.74

- 97.42
100.00

003 1.18

- - -
0.56

- - -
1.53

- 96.72
100.00

004 1.51

14.1

1.7
0.02

6.08

0.22

1.13

0.79

12.6

4.2 56.6
100.00

e: Phân tích theo đường màu: đỏ, xanh thẫm, xanh lơ
Vị

trí
Kết quả phân tích thành phần hóa học EDX theo đường, % kh.l.
Khoảng K.S. C Si Cr Fe Tổng
000
0.000

m
2.47 0.64 1.59 95.31 100.00
001
2.763

m
2.03 0.39 1.46 96.12 100.00
002
5.526


m
0.85 0.05 1.50 97.60 100.00
003
8.290

m
1.86 0.95 3.72 93.47 100.00
004
11.053

m
0.62 0.08 1.11 98.19 100.00
005
13.816

m
1.37 0.09 1.09 97.45 100.00
006
16.579

m
1.39 0.01 0.81 97.79 100.00
007
19.343

m
2.22 0.31 0.73 96.74 100.00
008
22.106


m
1.90 0.17 0.48 97.45 100.00
009
24.869

m
2.07 0.12 0.55 97.25 100.00
f)
Hình 5.10. Vị trí tiểu vùng khảo sát mẫu No.1.3 (1): (a x1000; c x3000); Kết quả phân tích
SEM-EDX tương ứng (b; d); Vị trí và kết quả phân tích SEM-EDX theo đường (e x3000; f)
20 µm
LG
1
Distance0.00 24.87 µm
Mass%0 4
C
Si
Cr
23

Từ hình 5.10 cho thấy: tổ chức phần trên của ảnh ứng với thép C45 bao gồm
peclít và ferít; phần dưới gồm peclít mịn, các bít dạng lưới và cả ferít hợp kim. Tổ
chức tại mối hàn có đặc trưng của cả hai loại thép đã nêu. Đó là kết quả của sự
phân bố không đều của các nguyên tố trong thép gây nên.Tổng hợp từ 16 phân tích
SEM-EDX tương tự đã xây dựng được bảng 5.3.
Qua phân tích số liệu trong bảng 5.3 cho thấy:
- Có sự thay đổi thành phần hóa học trung bình từ mác thép C45 qua lớp hàn tới mác
thép IIIX15 một cách tuần tự mà không có bước nhảy đột ngột;
- Do quá trình hàn nổ tạo ra va đập rất mạnh cùng với quá trình nóng chảy cục bộ,

thành phần các nguyên tố của thép ở hai mép mối hàn và đặc biệt trong vùng hàn bị
thiên tích rất mạnh sẽ gây ảnh hưởng lớn tới sự hình thành tổ chức và ứng suất lớp hàn;
- Tại các tiểu vùng đặc biệt trong lớp hàn dính, ngoài các nguyên tố kim loại
trong thép còn có ôxy và các kim loại khác như Na, Mg, Al, K, Ca, Ti do bản thân
kim loại hàn, thuốc nổ và môi trường không khí trong mối hàn không kịp thoát ra sẽ
hình thành các ôxít, các liên kim, được coi là tạp chất làm giảm chất lượng mối hàn.
Đó cũng là nguyên nhân tạo ra lớp màng trong trường hợp hàn mềm.
Bảng 5.3. Số liệu tổng hợp từ 16 thí nghiệm SEM-EDX về sự phân bố thành phần các
nguyên tố trong bimetal thép C45  thép IIIX15
Hàm
lượng
ng.tố,
% kh.l.

Mép C45 Mép IIIX15
Giữa C45 và
IIIX15
Tạp chất ở mẫu phân tích
Danh
nghĩa
Trung

bình
Danh
nghĩa
Trung

bình

Danh

nghĩa
Trung
bình

M1-3


M2-4


M3.2


M3-4


M3.2- 3

C
0,19
 0,73

0,48
0,28  1,27

0,43
0,05,2
1,37 3,05 3,00 2,37 1,57 1,59
Si
0,14

 0,52

0,26
0,20  0,52

0,26
0,0  0,28

0,27 4,58 12,2 17,6 15,9 6,7
Cr
0,11
 0,32

0,24
1,16  1,87

1,76
0,2  1,3

0,85 36,8 3,30 0,38 0,59 3,65
Khác

O, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti

Kết luận chương 5:
Qua nghiên cứu sự biến dạng dẻo mẫu sau hàn nổ bằng phương pháp ép chảy (nóng) có
thể đi tới kết luận sau:
1. Trong quá trình biến dạng dẻo phôi bimetal thép C45 – thép ШХ15, biên độ
sóng liên kết giữa 2 lớp có quy luật giảm dần theo chiều tăng của mức độ biến dạng
tương đối do phôi bị ép đã co theo hướng kính và chảy dài dọc theo hướng ép. Độ bền

bám dính của bimetal giảm từ với tỷ lệ 1,85

1,99% tới 5,41

5,55% khi tăng mức độ
biến dạng từ 7,5% tới 22,5%. Điều đó do nhiều nguyên nhân có liên quan tới sự liên kết
giữa hai lớp thép như cường độ sóng tại bề mặt liên kết, vai trò cuả gia công ép nóng, sự
kết tinh lại và ứng suất tạo ra, sự thay đổi cả tạp chất sau biến dạng dẻo mà các đồng
nghiệp cùng tác giả luận án sẽ tiếp tục nghiên cứu ở công trình khác;
2. Sự liên kết giữa giữa 2 lớp vật liệu bimetal hàn nổ là do việc tạo thành các tổ chức
mang tính kim loại. Tuy nhiên, do tốc độ va đập lớn và sự nóng chảy cục bộ khi hàn nổ mà
các nguyên tố trong bimetal bị thiên tích rất mạnh, đồng thời không khí và tạp chất tạo thành
trong môi trường hàn không kịp thoát hết ra ngoài nên vùng mối hàn ngoài các tổ chức péclít
24

mịn, các bít dạng lưới và pherít còn tồn tại các ôxyt và tạp chất phi kim. Kết quả làm giảm
độ cứng và độ bền bám dính mối hàn và sự phá hủy chủ yếu xẩy ra tại đây. Điều đó làm
cho độ bền bám dính 2 lớp bimetal giảm dần theo chiều tăng của mức độ biến dạng dẻo (


).

KẾT LUẬN CHUNG LUẬN ÁN
Từ kết quả nghiên cứu trình bày trong luận án, đã rút ra các kết luận sau:
1. Hàn nổ bimetal thép C45 - thép ШX15 dạng ống để chế tạo các chi tiết làm
việc trong điều kiện chịu mài mòn là một công nghệ mới có thể thực hiện tại Việt nam
mà không cần đầu tư nhiều để tạo ra năng lượng dưới áp lực cao trong quá trình va
đập của các lớp kim loại hàn, nhờ đó sẽ hiệu quả kinh tế trong việc tạo phôi bimetal
đảm bảo độ bền ban đầu đạt yêu cầu kỹ thuật cho các bước gia công tiếp theo;
2. Nhờ một hệ thống lý thuyết về hàn nổ dạng ống và phương pháp nghiên cứu

hoàn chỉnh như thiết bị đo tốc độ nổ của thuốc nổ (D), áp suất va đập (p
k
) và năng
lượng va đập (W
p
) theo chiều dày ống, để từ đó, xây dựng được mối quan hệ giữa các
thông số công nghệ như C, h, r với độ bền bám dính trong bimetal nhờ thiết bi đo đặc
thù; đồng thời dùng các phương pháp phân tích kim loại hiện đại, thích hợp như hiển vi
thường, hiển vi điện tử, SEM, EDX để xác định và giải thích bản chất và đánh giá
được chất lượng của kết cấu hàn;
3. Mối quan hệ giữa độ bền bám dính 2 lớp bimetal hàn nổ (
bd
) với các thông
số công nghệ C, r, h được biểu diễn dưới dạng phương trình hồi quy:
600.7542 256.9280 452.8175 446.8207,553
162,94,742 207,2851136,650 44,433
22


ChrhC
rCrhChr
2
bd


Trong đó, ảnh hưởng của các thông số giảm theo thứ tự như sau: C  h  r;
4. Độ bền bám dính 2 lớp của vật liệu bimetal thép C45  thép ШX15 sau hàn
nổ đạt giá trị 
b.d
= 128,7333  258,6667 MPa. Giá trị cực đại ứng với chế độ công

nghệ hàn cứng cao: r = 1,7; h = 0,2; C = 1,0 khi sóng liên kết giữa hai lớp thép lớn,
sạch tạp chất;
5. Trong quá trình biến dạng dẻo phôi bimetal thép C45 – thép ШХ15, biên độ
sóng liên kết giữa 2 lớp giảm dần theo chiều tăng của mức độ biến dạng tương đối do
phôi bị ép đã co theo hướng kính và chảy dài dọc theo hướng ép. Độ bền bám dính của
bimetal giảm từ 1,85  1,99% tới 5,41  5,55% khi tăng độ biến dạng từ 7,5% tới
22,5%. Điều đó do nhiều nguyên nhân có liên quan tới sự liên kết giữa hai lớp thép như
cường độ sóng tại bề mặt liên kết, vai trò cuả gia công ép chảy nóng, sự kết tinh lại và ứng
suất tạo ra, sự thay đổi cuả tạp chất sau ép chảy nóng mà tác giả luận án sẽ tiếp tục nghiên
cứu ở công trình nghiên cứu khoa học khác;
6. Sự liên kết giữa 2 lớp vật liệu bimetal là do việc tạo thành các tổ chức mang tính
kim lọai. Tuy nhiên, do tốc độ va đập lớn và sự nóng chảy cục bộ khi hàn nổ mà các
nguyên tố trong bimetal bị thiên tích rất mạnh, đồng thời không khí và tạp chất tạo thành
trong môi trường hàn không kịp thoát hết ra ngoài nên vùng mối hàn ngoài các tổ chức
péclít mịn, ferít và các bít dạng lưới còn tồn tại các ôxit và tạp chất phi kim. Kết quả làm
giảm độ cứng và độ bền bám dính mối hàn và sự phá hủy chủ yếu xẩy ra tại đây.