Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt tới tổ chức và tính chất của thép không gỉ song pha

MỤC LỤC
MỤC LỤC -------------------------------------------------------------------------------------1
LỜI CAM ĐOAN ----------------------------------------------------------------------------4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ----------------------------------5
DANH MỤC CÁC BẢNG ------------------------------------------------------------------6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ --------------------------------------------------------------7
MỞ ĐẦU ------------------------------------------------------------------------------------- 10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ------------------------------------------------------------- 13
I. TỔNG QUAN VỀ THÉP KHÔNG GỈ ---------------------------------------------- 13
1.1.

Giới thiệu --------------------------------------------------------------------------- 13

1.2.

Phân loại thép ---------------------------------------------------------------------- 14

1.2.1.

Thép không gỉ ferit ----------------------------------------------------------- 14

1.2.2.

Thép không gỉ austenit ------------------------------------------------------- 15

1.2.3.

Thép không gỉ mactenxit ---------------------------------------------------- 15

1.2.4.

Thép không gỉ duplex -------------------------------------------------------- 16

1.2.5.

Thép không gỉ hóa bền tiết pha --------------------------------------------- 17

II. THÉP KHÔNG GỈ SONG PHA----------------------------------------------------- 17
2.1. Lịch sử phát triển -------------------------------------------------------------------- 17
2.2.

Thành phần hóa học và vai trò của các nguyên tố hợp kim ------------------ 19

2.3.

Tổ chức thép không gỉ song pha ------------------------------------------------ 23

2.4.

Tính chất của thép không gỉ song pha ------------------------------------------ 24

2.4.1.

Cơ tính -------------------------------------------------------------------------- 24

2.4.2.

Tính chống ăn mòn ----------------------------------------------------------- 25

1

2.5. Quá trình tiết pha trong thép không gỉ song pha 2205 ------------------------ 28
2.6.

Quá trình tiết pha σ ---------------------------------------------------------------- 31

2.6.1.

Đặc trưng của sự tiết pha sigma σ ------------------------------------------ 31

2.6.2.

Hình thái pha sigma (σ) ------------------------------------------------------ 32

2.7.

Ưng dụng của thép không gỉ song pha 2205 ----------------------------------- 33

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ------------------------------------- 35
2.1. Sơ đồ nghiên cứu--------------------------------------------------------------------- 35
2.2. Mẫu và các chế độ thí nghiệm ----------------------------------------------------- 36
2.2.1. Các mẫu thí nghiệm ------------------------------------------------------------- 36
2.2.2. Chế độ nhiệt luyện -------------------------------------------------------------- 37
2.3.

Phương pháp thực nghiệm -------------------------------------------------------- 38

2.3.1.

Phương pháp chuẩn bị mẫu để chụp ảnh tổ chức tế vi ------------------- 38

2.3.2.

Phương pháp phân tích pha -------------------------------------------------- 39

2.3.3. Xác định thành phần pha bằng phổ tán sắc năng lượng tia rơngen ------ 40
2.3.4.
2.4.

Phương pháp xác định cơ tính----------------------------------------------- 41

Thiết bị thí nghiệm ---------------------------------------------------------------- 42

2.4.1.

Thiết bị nung ------------------------------------------------------------------ 42

2.4.2.

Môi trường làm nguội liên tục ---------------------------------------------- 42

2.4.3.

Thiết bị đo độ cứng ----------------------------------------------------------- 43

2.4.4. Thiết bị chụp ảnh tổ chức tế vi. ---------------------------------------------- 43
2.4.5.

Thiết bị phân tích nhiễu xạ rơnghen ---------------------------------------- 44

2.4.6.

Thiết bị phân tích EDS và chụp ảnh SEM --------------------------------- 44

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ------------------------------------------- 46
3.1.

Sự hình thành tổ chức khi làm nguội liên tục ---------------------------------- 46

3.1.1.

Kết quả tính toán nhiệt động học bằng phần mềm Thermo-Calc ------ 46

3.1.2.

Tổ chức thép khi làm nguội nhanh ----------------------------------------- 50

3.1.3.

Tổ chức tế vi của thép khi làm nguội chậm ------------------------------- 52
2


3.2.

Ảnh hưởng của các thông số cơ bản khi nguội tại nhiệt độ tiết pha -------- 54

3.2.1.

Sự hình thành tổ chức thép khi nguội tại nhiệt độ tiết pha -------------- 54

3.2.2.

Ảnh hưởng của nhiệt độ khi giữ nhiệt tại nhiệt độ tiết pha ------------- 60

3.2.3.

Ảnh hưởng của thời gian giữ nhiệt ----------------------------------------- 65

3.3.

Tổ chức sau khi hóa già----------------------------------------------------------- 68

3.4.

Cơ tính của thép ------------------------------------------------------------------- 70

KẾT LUẬN ---------------------------------------------------------------------------------- 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ---------------------------------------------------------------- 74

3


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn “ Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt
tới tổ chức và tính chất của thép không gỉ song pha” là công trình nghiên cứu
của tôi.
Các số liệu trong luận văn được sử dụng là trung thực. Kết quả nghiên cứu
trong luận văn này chưa từng được công bố tại bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2016

Tác giả luận văn

Lê Thu Hà

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
: Pha sigma
Pha ferit
 Pha austenit
PREN: chỉ số đánh giá chống ăn mòn điểm
EDS: Phổ tán sắc năng lượng tia rơngen
EBSD: (electron backcatster difaction) điện tử tán xạ ngược
SEM: Ảnh hiển vi điện tử quét

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên
bảng

Nội dung

Trang

Bảng 1.1

Thành phần nguyên tố của thép không gỉ

14

Bảng 1.2

Thành phần hóa học của thép không gỉ song pha

20

Bảng 1.3

Thành phần nguyên tố của các pha trong thép 2205

30

Bảng 1.4

Ứng dụng của thép không gỉ song pha

34

Bảng 2.1

Thành phần hóa học thép nghiên cứu

36

Bảng 2.2

Ký hiệu mẫu thép tại các chế độ nhiệt luyện

37

Bảng 2.3

Biểu thức tính khoảng cách mặt dhkl của hệ tinh thể có trong thép

40

Bảng 3.1

Tỉ phần các pha có trong thép

51

Bảng 3.2

Kết quả phân tích EDS của mẫu

56

Bảng 3.3

Thành phần nguyên tố tại các vùng pha

59

Bảng 3.4

Bảng các mẫu thử dai va đập

71

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Tên hình

Nội dung

Trang

Hình 1.1

Giản đồ Schaeffler-Delong

23

Hình 1.2

Tổ chức tế vi thép không gỉ ferit (a), duplex (b) và austenit (c)

23

Hình 1.3

Tổ chức tế vi của thép 2205 ở trạng thái cung cấp

24

Hình 1.4

Giới hạn chảy của các loại thép không gỉ

25

Hình 1.5

Ảnh hưởng của hàm lượng Cr đến tốc độ ăn mòn của thép

26

Hình 1.6

Chỉ số PREN của họ thép không gỉ song pha và họ thép không gỉ

27

austenit
Hình 1.7

Giản đồ pha tính toán bằng phần mềm Thermo-Calc

28

Hình 1.8

Giản đồ nguội đẳng nhiệt của thép không gỉ song pha

29

Hình 1.9

Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim tới việc tiết ra các pha liên

29

kim trong thép không gỉ song pha
Hình 2.1

Sơ đồ nghiên cứu

35

Hình 2.2

Mẫu thí nghiệm

36

Hình 2.3

Các chế độ nhiệt luyện

38

Hình 2.4

Hình dạng mẫu thử dai va đập

41

Hình 2.5

Lò nhiệt luyện điều khiển theo chu trình.

42

Hình 2.6

Máy đo độ cứng.tế vi Duramin

43

Hình 2.7

Kính hiển vi quang học Axiovert 25A.

43

Hình 2.8

Máy phân tích quang phổ phát xạ rơngen

44

Hình 2.9

Hiển vi điện tử quét FE-SEM

45

Hình 3.1

Mặt cắt giản đồ pha thép không gỉ 2205

46

Hình 3.2

Hàm lượng các pha phụ thuộc nhiệt độ

48

Hình 3.3

Hàm lượng pha sigma ở khoảng nhiệt độ khảo sát

49

Hình 3.4

Ảnh tổ chức mẫu thép 2205: (a)-thép ban đầu; (b)- thép sau tôi

50

trong nước

7

Hình 3.5

Giản đồ nhiễu xạ mẫu làm nguội trong môi trường nước

51

Hình 3.6

Chế độ nhiệt luyện cho thép thưong phẩm

52

Hình 3.7

Ảnh tổ chức mẫu ủ 1050oC-40 phút: a-nguội trong nước; b-nguội

53

ngoài không khí; c-nguội cùng lò
Hình 3.8

Ảnh tổ chức tế vi và nhiễu xạ tia rơngen của thép 2205 ở 800oC

55

giữ nhiệt 240 phút
Hình 3.9

Ảnh SEM và điểm xác định thành phần pha bằng EDS

56

Hình 3.10

(a)- Ảnh chụp mẫu thép bằng kỹ thuật EBSD với hiển thị mầu các

58

pha khác nhau;(b)- ảnh EDS của mẫu thép
Hình 3.11

Ảnh mapping phân bố nguyên tố trong mẫu thép M8-8: a-Fe; b-

60

Cr; c-Mo; d-Ni
Hình 3.12

Ảnh tổ chức tế vi các mẫu thép: a-700oC-60 phút; b-800oC-60

61

phút; c-900oC-120 phút; d-800oC-240 phút
Hình 3.13

Ảnh nhiễu xạ rơngen ở các chế độ giữ nhiệt ở 700OC-60 phút

61

Hình 3.14

Ảnh nhiễu xạ rơngen ở các chế độ giữ nhiệt: ở 800OC -60

62

phút(M8-6) và 800OC-240 phút(M8-8)
Hình 3.15

Ảnh nhiễu xạ rơngen ở các chế độ giữ nhiệt ở 900OC-120 phút

62

Hình 3.16

Ảnh tổ chức thép 2205 giữ nhiệt trong thời gian 15 phút: (a)-

63

700oC; (b)-800oC; (c)-900oC
Hình 3.17

Ảnh tổ chức thép 2205 giữ nhiệt trong thời gian 240 phút:(a)-

64

700oC; (b)-800oC; (c)-900oC
Hình 3.18

Ảnh điê ̣n tử thứ cấ p của thép sau nguội đẳ ng nhiê ̣t ở 800oC sau

65

thời gian giữ nhiệt a – 1 phút, b – 2 phút và c – 60 phút
Hình 3.19

Ảnh tổ chức tế vi thép không gỉ 2205 ở 700oC giữ nhiệt với thời

66

gian: (a) – 3 phút; (b)- 5 phút; (c) – 60 phút; (d) – 240 phút
Hình 3.20

Ảnh tổ chức mẫu thép ở 800oC giữ nhiệt thời gian (a)- 3 phút;
(b)- 5 phút
8

67


(b)

Hình 3.21

Ảnh tổ chức mẫu thép ở 800oC giữ nhiệt thời gian (a)-60 phút;

67

(b)-240 phút

Hình 3.22

(b)
Ảnh tổ chức mẫu thép ở 900oC với thời gian giữ
nhiệt khác nhau

68

(a)- 3 phút; (b)- 5 phút; (c)- 60 phút; (d)- 240 phút
Hình 3.23

Ảnh tổ chức của thép hóa già ở 800oC và giữ nhiệt ở các thời

69

gian khác nhau: (a)- 2 phút; (b)- 10 phút; (c)- 60 phút
Hình 3.24

Giá trị độ cứng của thép khảo sát theo nhiệt độ nguội đẳng nhiệt

70

với thời gian giữ nhiệt tăng
Hình 3.25

Giá trị độ cứng thu được sau hóa già và giữ nhiệt ở 800oC

71

Hình 3.26

Kết quả thử dai và đập trên mẫu thép giữ nhiệt ở 800oC

72

9


MỞ ĐẦU
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Thép không gỉ ngày nay đang dần được sử dụng nhiều trong công nghiệp
cũng như đời sống hàng ngày. Đây là loại thép hợp kim của sắt trong thành phần có
chứa tối thiểu 12,5% Cr. Thép không gỉ là vật liệu không bị ăn mòn trong các môi
trường như không khí hay nước.... Có nhiều loại thép không gỉ như thép không gỉ
austenit, ferit, mactenxit, thép không gỉ song pha và thép không gỉ hóa bền tiết pha.
Thép không gỉ có khả năng chống oxi hóa và ăn mòn cao, sự lựa chọn đúng chủng
loại và các thông số kỹ thuật phụ thuộc vào yêu cầu của từng ứng dụng cụ thể.
Thép không gỉ song pha (duplex) có nhiều tính chất ưu việt hơn các loại thép
không gỉ khác về khả năng chống ăn mòn ứng suất và chống ăn mòn lỗ tốt, có giới
hạn chảy cao và rẻ hơn dòng thép không gỉ austenit. Đây cũng là loại thép không gỉ
có tính hàn tốt. Tuy nhiên trong quá trình hàn có thể làm xuất hiện các pha trung
gian làm giảm khả năng chống ăn mòn cũng như cơ tính của thép, đây chính là
nhược điểm lớn nhất của thép không gỉ song pha. Hiện nay dòng thép không gỉ song
pha đã được tiến hành nghiên cứu rất nhiều tại nhiều quốc gia trên thế giới. Việc
xác định được hàm lượng cũng như khoảng nhiệt độ và thời gian tiết pha trung gian
trong thép không gỉ song pha đóng vai trò quan trọng trong việc khắc phục nhược
điểm này của thép.
Tại Việt Nam dòng thép không gỉ song pha chưa được phổ biến và cũng ít
công trình nghiên cứu cụ thể về thép. Với nhiều ứng dụng cũng như tính chất ưu
việt của thép không gỉ song pha, việc nghiên cứu về cơ tính và tính chất cũng như

ứng dụng của thép không gỉ song pha là cần thiết.
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Đề tài tiến hành nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các chế độ xử lý nhiệt
tới tổ chức và tính chất của thép không gỉ song pha. Thông qua các kết quả nghiên
cứu lý thuyết và thực nghiệm xác định vai trò của các chế độ xử lý nhiệt như cách

10


thức làm nguội, nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt trong việc tiết pha trung gian làm
giảm cơ tính của thép không gỉ song pha 2205.
ĐÔI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Luận văn nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện lên thép không gỉ
song pha, mác 2205. Thông qua việc đánh giá tổ chức và sự hình thành các tổ chức,
cơ tính của thép sau các chế độ xử lý nhiệt khác nhau để xác định các yếu tố chủ
yếu ảnh hưởng đến quá trình tiết pha trung gian trong thép.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
Thép không gỉ song pha với nhiều tính năng ưu việt khi cấu trúc của thép bao
gồm hai pha ferit và austenit. Sự xuất hiện của pha trung gian đặc biệt là pha sigma
làm giảm cơ tính và khả năng chống ăn mòn của thép. Việc xác định nhiệt độ và
thời gian tiết ra pha sigma là cần thiết để mở rộng phạm vi ứng dụng của thép
không gỉ song pha 2205.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Trên cơ sở tham khảo các nghiên cứu và các tài liệu về thép không gỉ song
pha, thép không gỉ song pha 2205 và các tính toán nhiệt động học bằng phần mềm
Thermo - Calc kết hợp với thí nghiệm công nghệ và đánh giá tổ chức, cấu trúc pha
để nghiên cứu ảnh hưởng của các chế độ xử lý nhiệt đến tổ chức và tính chất của
thép không gỉ song pha 2205.
KẾT CẤU LUẬN VĂN
Luận văn nghiên cứu chia làm 5 phần

Mở đầu
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Kết quả
Kết luận và kiến nghị
Trong quá trình làm luận văn, học viên đã được sự giúp đỡ của các thầy cô
trong bộ môn Vật liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt, đặc biệt là thầy Nguyễn Anh Sơn
11


đã tận tính giúp đỡ học viên hoàn thành bản luận văn tốt nghiệp này. Tuy nhiên do
điều kiện thực tế có nhiều khó khăn khó tránh khỏi thiếu sót. Rất mong nhận được
góp ý để bản luận văn được hoàn thiện hơn

12


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
I. TỔNG QUAN VỀ THÉP KHÔNG GỈ
1.1.

Giới thiệu
Ngày nay thép không gỉ đóng một vai trò rất quan trọng. Tầm quan trọng của

thép không gỉ được thể hiện trong các ứng dụng thực tiễn của chúng. Thép không gỉ
được ứng dụng ở rất nhiều lĩnh vực khác nhau: từ công nghiệp, đồ gia dụng, đồ nội
thất đến những sản phẩm yêu cầu chất lượng rất cao như các chi tiết dùng trong
ngành hàng không vũ trụ. Thép không gỉ là thép có hàm lượng crom lớn (>12.5%)
có khả năng chống ăn mòn cao hơn các loại thép thông thường. Có được tính chất
ưu việt đó là do khi có mặt crom với hàm lượng đủ lớn, sẽ tạo ra một lớp oxit crom

có cấu trúc xít chặt trên bề mặt. Lớp oxit crom chính là lớp thụ động trên bề mặt
bảo vệ kim loại nền không bị ăn mòn. Tuy nhiên nếu làm việc trong môi trường
khắc nghiệt hơn thì hàm lượng crom phải tăng lên. Ngoài crom ra thép không gỉ còn
có thêm niken và mangan là những nguyên tố giúp mở rộng vùng γ để có thể hình
thành tổ chức austenit trong thép, molepden được thêm vào để tăng khả năng chống
lại ăn mòn lỗ. Khi điều chỉnh các nguyên tố này với hàm lượng nhất định có thể tạo
ra thép không gỉ với các tổ chức khác nhau. Thép không gỉ chia làm 5 nhóm chính.
(1) Thép không gỉ ferit.
(2) Thép không gỉ austenit
(3) Thép không gỉ mactenxit
(4) Thép không gỉ song pha
(5) Thép không gỉ hóa cứng tiết pha
Bảng 1.1 đưa ra thành phần nguyên tố của các loại thép không gỉ khác nhau.

13


Bảng 1.1. Thành phần nguyên tố của thép không gỉ
Loại thép

Thành phần (% khối lượng

không gỉ

Tính chất từ

C

Cr

Ni

Mo

khác

Ferit

<0,08

12-19

0-5

<5

Ti

Austenit

<0,08

16-30

8-35

0-7

N,Cu,Ti,Nb

Mactenxit

>0,1

11-14

0-1

-

V

Có từ tính

Duplex

<0,05

18-27

4-7

1-4

N, W

Có từ tính

12-17

7-8

0-2

Hóa bền tiết
pha

1.2.

Al, Cu, Ti,
Nb

Có từ tính
Không có từ
tính

Có từ tính

Phân loại thép

1.2.1. Thép không gỉ ferit
Thép không gỉ ferit là thép có chứa thành phần nguyên tố hợp kim chủ yếu là
Cr (12-30%) và một lượng nhỏ các nguyên tố hợp kim khác như: Mo, Si, Al và
Ti[24]. Đây là thép không gỉ có tổ chức tế vi hoàn toàn là ferit với mạng lập phương
tâm khối tương tự như tổ chức của sắt non ở nhiệt độ phòng. Để đảm bảo thép có tổ
chức thuần ferit, hàm lượng cacbon trong thép được giữ rất thấp. Ưu điểm chủ yếu
của các dòng thép này là độ dai cao, khả năng chống ăn mòn và ăn mòn ứng suất rất
tốt nên thường được ứng dụng trong công nghiệp ô tô, chế tạo đồ gia dụng. Thép
không gỉ ferit không thể hóa bền bằng nhiệt luyện. Do vậy phương pháp hóa bền
chủ yếu thường áp dụng cho dòng thép này là hóa bền biến dạng. Nhìn chung, đây

là loại thép có thể hàn được. Tuy nhiên, một số chủng loại thép không gỉ trong quá
trình hàn thường xuất hiện các vết nứt ở vùng ảnh hưởng nhiệt vì vậy làm giảm lĩnh
vực áp dụng của loại thép này. Do sử dụng hàm lượng Cr nhỏ hơn dòng thép khác

14


và trong thép không chứa Ni nên giá thành của thép không gỉ ferit thấp hơn dòng
thép austenit.
1.2.2. Thép không gỉ austenit
Thép không gỉ austenit là thép mà trong tổ chức tế vi chỉ chứa một pha γ với
mạng lập phương tâm mặt ở ngay nhiệt độ phòng [24]. Đây là loại thép có chứa
lượng Ni rất cao (lên đến 35%) do Ni là nguyên tố có khả năng mở rộng vùng γ rất
mạnh. Ngoài ra trong thành phần của thép này còn chứa các nguyên tố nhằm ổn
định γ như C, N, Mn. Do có tổ chức thuần austenit và trong thép có chứa hàm lượng
Ni lớn nên độ dai của thép rất cao. Ở trạng thái ủ, giới hạn chảy của thép có thể đạt
giá trị 200MPa nên có khả năng gia công biến dạng tốt. Tương tự như thép không gỉ
ferit, do có tổ chức một pha nên thép không gỉ austenit không thể hóa bền bằng
nhiệt luyện. Tuy nhiên, đây là dòng thép có khả năng hóa bền biến dạng rất cao,
giới hạn chảy có thể tăng lên đến 2000MPa khi biến dạng dẻo. Ngoài ra, do tổ chức
austenit với kiểu mạng lập phương tâm mặt đảm bảo cho thép có độ dai khi làm
việc ở nhiệt độ dưới 0oC. Đây là dòng thép có khả năng chống ăn mòn tốt nhất.
Nhìn chung thép không gỉ austenit có thể hàn được. Tuy nhiên, khi hàn hoặc làm
việc ở nhiệt độ cao, sẽ hình thành cacbit crom ở vùng biên giới hạt làm nghèo Cr ở
vùng này dẫn đến suy giảm khả năng chống ăn mòn tinh giới của thép. Để nâng cao
tính hàn cho thép có thể áp dụng nhiều phương pháp khác nhau như giảm hàm
lượng cacbon xuống thấp hơn, tăng lượng Cr trong thép hay hợp kim hóa thêm một
lượng Ti nhất định. Nhìn chung đây là dòng thép có nhiều ứng dụng nhất, không
những trong công nghiệp (công nghiệp ô tô, công nghiệp hóa chất, hóa dầu …) mà
còn được sử dụng nhiều trong dân dụng.

1.2.3. Thép không gỉ mactenxit
Về mặt cấu trúc và thành phần hóa học, thép không gỉ mactenxit có nhiều điểm
tương đồng với dòng thép không gỉ ferit. Do có kiểu mạng chính phương tâm khối
và có thành phần Cr tương tự. Tuy nhiên thép không gỉ mactenxit có hàm lượng
cacbon cao hơn. Ở trạng thái ủ thép chứa hai pha là dung dịch rắn  và cacbit crom.

15


Đây là loại thép không gỉ có chứa Cr không quá 12-17%. Trong dòng thép này thì
các mác thép khác nhau phải có sự cân đối giữa cacbon và Cr để đảm bảo cho sự
cân bằng giữa việc hình thành cacbit Cr và lượng Cr có trong kim loại nền. Nếu kim
loại nền mà thiếu Cr sẽ làm cho tính chống ăn mòn của thép bị giảm đi. Chính điều
này làm cho thép không gỉ mactenxit là thép có hàm lượng cacbon cao nhất trong
tất cả các loại thép không gỉ. Cacbon có thể lên đến 1% ví dụ như mác thép 440A,
440B, 440C (tiêu chuẩn AISI) để tăng cơ tính mà vẫn giữ được tính không gỉ. Ở
trạng thái ủ thép có giới hạn chảy thấp khoảng 275MPa đảm bảo cho thép có khả
năng gia công biến dạng và gia công cắt gọt tốt. Ưu điểm lớn nhất của dòng thép
này là có khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện. Sau tôi thép có thể đạt độ cứng tới
60HRC nhưng độ dẻo và độ dai của thép sẽ giảm mạnh do tổ chức đạt được sau tôi
là thuần mactenxit. So với trạng thái ủ, sau tôi thép có khả năng chống ăn mòn tốt
hơn, tuy vậy vẫn kém hơn thép không gỉ ferit và austenit. Về chế độ nhiệt luyện thì
thép này có nhiệt độ tôi cao (950-1100)oC do Cr lớn nên làm nâng cao điểm chuyển
biến α thành γ cùng với việc cần hòa tan được cacbit Cr vào γ. Đây là thép dễ tôi do
có lượng Cr cao, chỉ cần nguội trong dầu hoặc trong không khí cũng có thể nhận
được tổ chức mactenxit.
Công dụng chủ yếu của thép này là làm đồ trang trí, ốc vít không gỉ, các chi
tiết chịu nhiệt như là tua bin hơi, lò xo không gỉ (420 - tiêu chuẩn AISI) dụng cụ
làm dao mổ chi tiết chịu nhiệt như supap xả, ổ bi làm việc trong môi trường ăn mòn
(440 - tiêu chuẩn AISI).

1.2.4. Thép không gỉ duplex
Thép không gỉ duplex (thép không gỉ song pha) là thép mà trong cấu trúc pha có
chứa hai pha là ferit có thể dao động trong khoảng 30% đến 70% và austenit[24].
Ưu điểm nổi trội của dòng thép không gỉ duplex là có độ bền cao hơn trong khi khả
năng chống ăn mòn vẫn tương đương với dòng thép không gỉ austenit. Các dòng
thép không gỉ duplex thế hệ thứ hai do có thêm Mo và N nên khả năng chống ăn
mòn lỗ được nâng lên một cách đáng kể.

16


Tuy nhiên thép này lại rất dễ tạo thành pha liên kim với độ cứng cao và gây ảnh
hưởng đến tính chất của thép
1.2.5. Thép không gỉ hóa bền tiết pha
Thép không gỉ hóa bền tiết pha là dòng thép không gỉ có chứa Cr và Ni với hàm
lượng nhất định để kết hợp các tính chất tốt của dòng thép mactenxit và austenit.
Dòng thép này có độ bền cao tương đương như thép không gỉ mactenxit trong khi
khả năng chống ăn mòn tương tự như thép không gỉ austenit. Độ bền cao của thép
đạt được bằng phương pháp hóa bền tiết pha của các pha liên kim từ các dung dịch
rắn mactenxit hay austenit. Quá trình tiết pha có thể xảy ra khi thép được hợp kim
hóa với các nguyên tố như Cu, Al, Ti … với hàm lượng nhất định. Một trong những
ưu điểm của thép này là ở trạng thái cung cấp, thép có khả năng gia công cơ khí tốt
để tạo hình chi tiết. Quá trình hóa bền tiết pha có thể thực hiện ở vùng nhiệt độ thấp
nên không gây ra biến dạng chi tiết. Nhìn chung công nghệ hóa bền thép này tương
tự như quá trình hóa già hợp kim Al. Loại thép không gỉ hóa bền tiết pha thông
dụng nhất là mác 17-4-PH với 17%Cr và 4% Ni. Ngoài ra, thép còn chứa 4%Cu và
0,3% Nb. Do có độ bền cao nên thép thường được ứng dụng để chế tạo các chi tiết
chịu tải và chống ăn mòn trong lĩnh vực hàng không cũng như các lĩnh vực công
nghệ cao khác. Thép không gỉ hóa bền tiết pha có thể được sử dụng để chế tạo các
loại bánh răng, trục chịu tải nặng, các loại cánh bơm hoặc khuôn đúc.

II. THÉP KHÔNG GỈ SONG PHA
2.1. Lịch sử phát triển
Thép không gỉ song pha là loại thép có cấu trúc tế vi gồm hai pha ferit và
austenit có tỉ lệ bằng nhau. Cấu trúc tế vi của thép không gỉ song pha được nói đến
lần đầu tiên là bởi Bain và Griffiths vào năm 1927. Đến năm 1930 thép không gỉ
song pha được sản xuất tại Thụy Điển và được sử dụng cho ngành công nghiệp
giấy[10,19]. Ban đầu thép song pha là hợp kim của Cr, Ni và Mo. Các thế hệ tiếp
theo của thép không gỉ song pha đã được phát triển để giảm thiểu các vấn đề về ăn

17


mòn biên hạt trong thép không gỉ austenit có hàm lượng cacbon cao. Thép không gỉ
song pha đúc lần đầu được sản xuất tại Phần Lan vào năm 1930 và bằng sáng chế
được cấp ở Pháp vào năm 1936. Ở Pháp loại thép không gỉ song pha với tỉ lệ 2035% là ferit được bán với các dòng sản phẩn dùng cho ngành công nghiệp như là
lọc dầu, chế biến thực phẩm, giấy và bột giấy, dược phẩm. Thép được nấu luyện
trong lò cảm ứng tần số cao trong môi trường chân không và có khả năng bổ sung
hợp kim chính xác, giảm thiểu được hàm lượng cacbon, khử oxi.[10,19]
Một trong những mác thép không gỉ song pha đầu tiên phát triển nâng cao khả
năng chống ăn mòn ứng suất trong môi trường có chứa ion Cl- là loại 329 (tiêu
chuẩn AISI), được sử dụng rộng rãi sau thế chiến thứ II với các ứng dụng trong ống
trao đổi nhiệt. Những năm sau đó thép mác 329 được sử dụng trong các ứng dụng
công nghiệp như tàu biển, bộ trao đổi nhiệt và máy bơm.
Những mác thép không gỉ song pha đầu tiên được sản xuất có ứng dụng tốt
nhưng chúng vẫn có nhiều hạn chế trong các điều kiện về mối hàn. Trong mối hàn
vùng ảnh hưởng nhiệt có độ bền thấp vì lượng ferit nhiều và khả năng chống ăn
mòn thấp hơn đáng kể so với các kim loại thông thường. Chính vì điều này nên
những mác thép trên của thép không gỉ song pha chủ yếu sử dụng trong điều kiện
không có ứng dụng trong hàn và một vài ứng dụng khác.
Vào khoảng thời gian cuối năm 1960 và đầu năm 1970, có hai yếu tố chính đẩy

mạnh sự phát triển cũng như nhu cầu sử dụng của thép không gỉ song pha. Đó là sự
thiếu hụt hàm lượng Ni trên thế giới đã đẩy giá thép không gỉ austenit lên và kết
hợp với sự gia tăng của ngành công nghiệp dầu khí đã khiến cho nhu cầu có một
loại vật liệu không gỉ phù hợp với môi trường đó. Đồng thời vào những năm đó thì
kỹ thuật sản xuất thép đã phát triển với các công nghệ khử cacbon trong thép. Với
những kỹ thuật như vậy đã khiến cho khả năng sản xuất thép tốt hơn với hàm lượng
cacbon thấp và lượng nitơ được kiểm soát.
Vào những năm 80, mác thép không gỉ song pha khác được giới thiệu với khả
năng hàn được cải thiện. Phổ biến là 2205, trong đó thành phần nguyên tố hợp kim

18


là 22%Cr, 5%Ni, 3%Mo, và 0,16%N. Thép 2205 được sử dụng trong nhiều ứng
dụng, thép 2205 chứa Nitơ vì nitơ cải thiện được tính chống ăn mòn của hợp kim và
giới hạn chảy (chảy) cao hơn gấp đôi so với thép không gỉ austenit thông thường.
Các mác thép không gỉ trước đó có khả năng chống ăn mòn và chống nứt trong môi
trường clorua nhưng sẽ làm cho tính chất thép bị mất đi khi hàn. Thép không gỉ
song pha 2205 có khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường tương tự như các
mác thép không gỉ austenit loại AISI 304, 316 và 317. Thép không gỉ song pha
2205 thường ở dạng ống sử dụng trong các môi trường ăn mòn nói chung và bền ăn
mòn trong clorua, độ bền tăng nên việc sản xuất thép có thể không cần dầy và
không phải xử lý sau ăn mòn.
Sự phát triển của thép không gỉ song pha vẫn tiếp tục và hiện nay có các năm
nhóm thép không gỉ song pha:
- thép không gỉ song pha 2304, với mác thép này có chứa rất ít Mo,
- thép không gỉ song pha 2205, loại thép thông dụng với hơn 80% nhu cầu sử dụng
- thép không gỉ song pha 25Cr như là hợp kim 255 với chỉ số PREN* ít hơn 40
- thép không gỉ song pha 2507 với 25-26% Cr, Mo và N tăng so với 25Cr, có chỉ số
PREN vào khoảng 40-45

- thép không gỉ song pha Hyper là loại thép hợp kim cao với chỉ số PREN hơn 45.
Chỉ số PREN (chỉ số đánh giá chống ăn mòn điểm) được định nghĩa như trong
công thức sau
PREN = %Cr + 3.3 %Mo + 16%N
2.2. Thành phần hóa học và vai trò của các nguyên tố hợp kim
Thép không gỉ song pha về mặt cấu trúc gồm hai pha là ferit và austenit. Thành
phần hóa học của thép phải đảm bảo sự tồn tại của hai pha trong cấu trúc. Điều này
có thể được bảo đảm khi sử dụng các nguyên tố mở rộng vùng ferit như Cr, Mo và
các nguyên tố mở rộng vùng austenit như Ni, Mn, N [1,16,22]. Bảng 1.2 là thành
phần của một vài loại thép không gỉ song pha

19


Bảng 1.2: Thành phần hóa học của thép không gỉ song pha

Mác

Si

Mn

Cr

2205 0,03

0,56

1,46

22,75 5,04

2507 0,03

0,43

0,54

2101 0,026 0,69

2304 0,03

thép

C

0,56

Ni

W

P

3,19 -

-

0,025 0,002 0,16

24,48 6,36

4,0

0,72 0,02

0,008 0,263

3,95

22,57 1,1

0,07 -

-

0,03

0,001 0,13

1,4

23,2

0,18 -

-

0,027 0,001 0,1

4,3

Mo

Cu

0,67

S

N

Tùy từng mác thép mà thành phần thay đổi khác nhau. Thông dụng nhất là thép
không gỉ song pha 2205. Hàm lượng nguyên tố hợp kim thay đổi sẽ làm thay đổi
tính chất của thép không gỉ song pha.
Mỗi nguyên tố hợp kim đều có ảnh hưởng đến tính chất của thép. Sự kết hợp
giữa các nguyên tố hợp kim có trong thép cũng rất quan trọng. Cấu trúc và tính chất
của các loại thép không gỉ phụ thuộc vào những thành phần nguyên tố có trong
thép.[10,19].
Crôm (Cr): đây là nguyên tố hợp kim quan trọng nhất trong thép không gỉ.
Crôm là nguyên tố tạo nên tính chống ăn mòn cao của thép không gỉ. Khả năng
chống ăn mòn tăng khi hàm lượng Cr tăng. Crôm cũng làm tăng khả năng chống
oxy hóa ở nhiệt độ cao và là nguyên tố hợp kim mở rộng vùng  (ferit) trên giản đồ
pha Fe – Fe3C.
Nicken (Ni): Đây là nguyên tố mở rộng vùng  (austenit) trên giản đồ pha Fe –
Fe3C. Niken làm tăng độ dai và làm giản tốc độ ăn mòn trong môi trường axit.

20

Trong loại thép hóa bền tiết pha thì niken cũng đóng vai trò quan trọng nhờ tăng
khả năng hình thành các pha liên kim để làm tăng độ cứng và độ bền cho thép.
Molybden (Mo): Tăng đáng kể khả năng chống ăn mòn và ăn mòn cục bộ. Nó
làm tăng cơ tính và mở rộng vùng  (ferit) trên giản đồ pha Fe – Fe3C. Trong thép
không gỉ song pha molybden thúc đẩy sự hình thành các pha liên kim trong ferit.
Điều này cũng xảy ra trong thép không gỉ ferit – austenit và thép không gỉ austenit.
Còn trong thép không gỉ mactenxit thì molypden có tác dụng làm tăng độ cứng của
thép, hình thành cacbit khi nhiệt luyện ở nhiệt độ cao.
Đồng (Cu): Tăng khả năng chống ăn mòn và mở rộng vùng austenit. Trong quá
trình nhiệt luyện tiết pha làm tăng giá trị độ cứng của thép, đồng được sử dụng để
tạo thành các hợp chất liên kim để tăng độ bền.
Mangan (Mn): Thường được sử dụng trong thép không gỉ để cải thiện độ dẻo
nóng. Mangan có tác dụng đối với sự cân bằng ferit/austenit thay đổi theo nhiệt độ:
tại nhiệt độ thấp thì mangan là nguyên tố làm ổn định austenit nhưng ở nhiệt độ cao
mangan sẽ ổn định ferit[18]. Mangan tăng độ tan của nitơ và được sử dụng để có
được hàm lượng nitơ cao trong thép austenit.
Silic (Si) Silic làm tăng khả năng chống oxy hóa, cả ở nhiệt độ cao và đặc biệt
là ở nhiệt độ thấp. Silic mở rộng vùng cấu trúc ferit.
Cacbon (C): Là nguyên tố mở rộng vùng austenit. Cacbon cũng làm tăng cơ
tính của thép. Tuy nhiên trong thép không gỉ khi có nhiều cacbon sẽ làm giảm khả
năng chống ăn mòn biên giới hạt. Trong thép không gỉ ferit có chứa nhiều cacbon sẽ
làm giảm độ bền và khả năng chống ăn mòn của thép. Trong thép không gỉ
mactenxit và thép mactenxit-austenit cacbon làm tăng độ cứng và độ bền nên trong
thép này có hàm lượng cacbon cao nhất lên đến 1%. Tuy nhiên do độ cứng tăng nên
độ dẻo dai của thép không gỉ mactenxit bị giảm và vì thế mà làm giảm độ bền của
thép.

21

Nitơ (N): Là một nguyên tố làm mở rộng cấu trúc austenit. Nó cũng làm tăng
đáng kể cơ tính. Nitơ làm tăng khả năng chống ăn mòn lỗ, đặc biệt là khi kết hợp
với molypden.
Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim vào cấu trúc của thép không gỉ được tóm tắt
trong giản đồ Schaeffler-Delong (hình 1.2.) [11,19]. Sơ đồ này dựa trên thực tế là
các nguyên tố hợp kim có thể được chia thành các nguyên tố ổn đinh ferit và các
nguyên tố ổn định austenit. Điều này có nghĩa rằng sự hình thành của hai pha ferit
hoặc austenit trong cấu trúc là cần thiết và là mong muốn có trong thành phần cấu
trúc của thép. Nếu cần thúc đẩy sự hình thành austenit thì cần sử dụng các nguyên
tố làm ổn định pha austenti như là niken, nitơ. Nếu cần thúc đẩy sự hình thành ferit
khi đó cần sử dụng các nguyên tố làm ổn định pha ferit như là Cr, Mo. Dựa vào hai
nguyên tố cơ bản nhất là Ni và Cr có thể tính toán được tổng lượng ferit và austenit
có ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim. Cách tính toán này gọi là tính toán lượng
crom đương lượng và niken đương lượng dựa trên giản đồ Schaeffler-Delong.
Crôm đương lượng = %Cr + 1,5 x %Si +%Mo
Nicken đương lượng =%Ni + 30 x (%C +%N) + 0,5 x (%Mn +%Cu +%Co)
Dựa vào giản đồ này có thể thấy những ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim
lên thép. Sơ đồ Schaeffler-Delong ban đầu được phát triển cho mối hàn kim loại,
tức là nó mô tả cấu trúc sau khi nung nóng và làm nguội nhanh. Tuy nhiên với vật
liệu rèn và xử lý nhiệt trên giản đồ cũng thể hiện ảnh hưởng của các nguyên tố hợp
kim.

22


Hình 1.1. Giản đồ Schaeffler-Delong [11,19]
2.3.

Tổ chức thép không gỉ song pha
Với thành phần các nguyên tố hợp kim như đã nêu, tổ chức thép gồm hai pha

ferit và austenit. Do có cấu trúc pha như vậy, tổ chức tế vi của thép nằm giữa tổ
chức vùng đơn pha ferit và vùng đơn pha austenit (hình 1.2). [10]

(a)

(b)

(c)

Hình 1.2. Tổ chức tế vi thép không gỉ ferit (a), duplex (b) và austenit (c)

23


Thông thường, việc phân biệt tổ chức ferit và austenit trên ảnh kim tương sử
dụng dung dịch tẩm thực thông thường là rất khó khăn vì chúng đều có cấu trúc hạt
sáng và biên hạt tối. Do vậy để phân biệt được hai tổ chức này cần phải áp dụng
phương pháp tẩm thực mầu. Dung dịch tẩm thực mầu để chụp ảnh tổ chức tế vi cho
thép 2205 thường dùng là Beraha. Với phương pháp tẩm thực mầu, các vùng tổ
chức austenit và ferit thường được hiển thị với các mầu khác nhau nên khả năng
phân biệt chúng là dễ dàng. Trên ảnh tổ chức tế vi tẩm thực bằng dung dịch tẩm
thực mầu, tổ chức austenit thường có mầu sáng có dạng đa cạnh trên nền ferit có
mầu tối. Tuy nhiên, sau quá trình cán và tạo tấm, các hạt có xu hướng dài ra theo
phương biến dạng nên các hạt austenit thường phân bố theo dải định hướng theo
phương biến dạng (hình 1.3).

Hình 1.3. Tổ chức tế vi của thép 2205 ở trạng thái cung cấp
2.4. Tính chất của thép không gỉ song pha
2.4.1.

Cơ tính

Thép không gỉ song pha 2205 có thể thay thế cho thép không gỉ austenit đặc
biệt là khi làm việc ở nhiệt độ từ -50 đến 300oC [7] và phù hợp với nhiều ứng dụng
khác nhau.

24


Thép không gỉ duplex có độ bền cao hơn so với thép không gỉ austenit. Tại
nhiệt độ phòng, thép 2205 có thể đạt giới hạn chảy tới 450MPa và giới hạn bền
655MPa, cao hơn thép không gỉ austenit 316L. Khi làm việc ở nhiệt độ cao, độ bền
của thép vẫn cao hơn hai lần so với thép này (hình 1.4) [10]. So với thép không gỉ
ferit thép không gỉ song pha có nhiệt độ chuyển biến dẻo-giòn cao hơn nên khả
năng làm việc tại nhiệt độ thấp tốt hơn. Tuy nhiên, khi làm việc ở nhiệt độ dưới

Giới hạn chảy [MPa]

0oC, độ dai của thép duplex thường thấp hơn thép austenit.

Nhiệt độ [oC]

Hình 1.4. Giới hạn chảy của các loại thép không gỉ
Do có độ bền cao hơn nên có thể sử dụng thép không gỉ song pha với kích
thước mỏng hơn và tiết kiệm hơn. Đặc biệt so với thép không gỉ austenit thì thép
không gỉ song pha rẻ hơn do lượng niken chứa trong thép không gỉ song pha thấp
hơn nhiều so với thép không gỉ austenit.
2.4.2. Tính chống ăn mòn
Lý do cho việc chống ăn mòn tốt của thép không gỉ là chúng tạo ra một lớp

màng trên bề mặt rất mỏng chống oxy hóa môi trường. Lớp màng này là một lớp
oxit bảo vệ thép khỏi bị tấn công trong một môi trường ăn mòn. Như Cr được thêm

25