Nghiên cứu sự biến đổi tổ chức và tính chất trong quá trình hàn thép không gỉ với thép cacbon

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Vật liệu “Nghiên cứu sự biến đổi tổ chức và tính
chất trong quá trình hàn thép không gỉ với thép cacbon” là công trình do chính tôi nghiên
cứu và thực hiện, dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS TS Phạm Mai Khánh và TS
Nguyễn Đức Thắng.
Các số liệu và kết quả đƣợc trình bày trong luận án này hoàn toàn trung thực và chƣa từng
đƣợc tác giả khác công bố dƣới bất kì hình thức nào. Các thông tin trích dẫn đã đƣợc ghi rõ
nguồn gốc.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Hà Nội, ngày tháng
năm
2019
Giáo viên hướng dẫn

Tác giả

Lê Thị Nhung

i


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc và chân thành tới hai thầy giáo của tôi
là PGS TS Phạm Mai Khánh và TS Nguyễn Đức Thắng đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn tôi
trong suốt thời gian thực hiện luận án.
Tôi xin cảm ơn tới Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Khoa học và Kỹ thuật
vật liệu đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian tôi học tập tại trƣờng.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo tại Bộ môn Vật liệu và Công nghệ đúc –
Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu – Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhiệt tình
giúp đỡ, tạo điều kiện và động viên trong suốt thời gian sinh hoạt chuyên môn tại Bộ môn.
Đồng thời, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam, Viện Cơ

khí – Bộ môn Công nghệ và Vật liệu đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong thời gian làm
nghiên cứu sinh.
Cuối cùng, tôi muốn cảm ơn gia đình tôi, luôn bên cạnh động viên tinh thần giúp tôi
vƣợt qua mọi khó khăn để hoàn thiện luận án.
Hà Nội, ngày tháng năm 2019
Nghiên cứu sinh

Lê Thị Nhung

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ ii
MỤC LỤC ............................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.......................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................... ix
DANH MỤC CÁC HÌNH ..................................................................................................... x
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN .................................................................................................. 3
1.1. Đặc điểm mối hàn hai vật liệu khác loại ..................................................................... 3
1.1.1. Khái niệm chung .................................................................................................. 3
1.1.2. Các dạng khuyết tật khi hàn hai vật liệu khác loại ............................................... 6
1.2. Ứng dụng và điều kiện làm việc của mối hàn giữa thép không gỉ austenit và thép
cacbon ................................................................................................................................ 8
1.3. Tình hình nghiên cứu về mối hàn hai vật liệu khác loại ........................................... 12
1.3.1. Những nghiên cứu ngoài nƣớc ........................................................................... 12
...................................................................................................................................... 16
1.3.2. Những nghiên cứu trong nƣớc ........................................................................... 17

1.4. Tóm tắt chƣơng 1 ...................................................................................................... 17
1.4.1. Các hƣớng nghiên cứu chính về mối hàn hai vật liệu khác loại......................... 17
1.4.2. Nhận xét về tình hình nghiên cứu trong nƣớc .................................................... 17
1.4.3. Xu hƣớng nghiên cứu về công nghệ hàn ............................................................ 18
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................... 19
2.1. Các yếu tố ảnh hƣởng tới sự thay đổi tổ chức tế vi và tính chất của mối hàn giữa
thép không gỉ austenit với thép cacbon ............................................................................ 19
2.1.1. Vật liệu hàn ........................................................................................................ 19
2.1.2. Nguồn nhiệt hàn ................................................................................................. 20
Trong đó: ...................................................................................................................... 24
2.1.3. Tốc độ nguội....................................................................................................... 24
2.1.4. Các yếu tố khác .................................................................................................. 26
2.2. Giản đồ pha của vật liệu cần hàn .............................................................................. 26
2.2.1. Giản đồ pha thép cacbon .................................................................................... 26
2.2.2. Giản đồ pha thép không gỉ ................................................................................. 28
2.3. Sự kết tinh và chuyển pha trong vùng nóng chảy mối hàn ....................................... 32
iii


2.3.1. Mô hình kết tinh ................................................................................................. 32
2.3.2. Ảnh hƣởng của pha δ-ferit tới cơ tính của mối hàn ........................................... 34
2.3.3. Cơ chế hình thành ferit trong mối hàn ............................................................... 34
2.3.4. Dự đoán hàm lƣợng δ-ferit trong mối hàn thép không gỉ austenit ..................... 35
2.4. Chuyển biến pha tại vùng HAZ của thép cacbon ..................................................... 37
2.5. Chuyển biến pha trong vùng HAZ thép không gỉ ..................................................... 39
2.5.1. Sự lớn lên của hạt ............................................................................................... 39
2.5.2. Sự hình thành ferit .............................................................................................. 39
2.5.3. Sự tiết pha........................................................................................................... 40
2.5.4. Sự nung nóng biên giới hạt ................................................................................ 40
2.6. Sự thay đổi tổ chức trong vùng chuyển tiếp của mối hàn giữa thép không gỉ austenit

và thép cacbon ................................................................................................................. 40
2.7. Cơ sở lý thuyết và mô hình khuếch tán của cacbon trong austenit ........................... 43
2.7.1. Khái niệm chung ................................................................................................ 43
2.7.2. Cơ sở lý thuyết về sự khuếch tán của cacbon trong vùng pha austenit giữa mối
hàn hai vật liệu khác loại .............................................................................................. 44
2.7.2. Mô hình bài toán ................................................................................................ 47
2.8. Tóm tắt chƣơng 2 ...................................................................................................... 48
CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM ........................................................................................... 50
3.1. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................. 50
3.2. Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm ................................................................................. 51
3.2.1. Chuẩn bị mẫu và quy trình hàn .......................................................................... 52
3.2.2. Quy trình cắt mẫu ............................................................................................... 53
3.3. Quy trình đo nhiệt độ trong quá trình hàn ................................................................ 54
3.4. Quá trình thí nghiệm ở nhiệt độ nâng cao ................................................................. 55
3.5. Phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................................................... 55
3.5.1. Tính toán nhiệt động học, xây dựng giản đồ TTT và giản đồ CCT ................... 55
3.5.2. Nghiên cứu tổ chức tế vi .................................................................................... 56
3.5.3. Xác định thành phần hóa học mẫu ..................................................................... 57
3.5.4. Phân tích cấu trúc Rơnghen................................................................................ 58
3.5.5. Xác định độ cứng tế vi ....................................................................................... 58
3.5.6. Thử kéo mẫu....................................................................................................... 59
3.5.7. Thử va đập .......................................................................................................... 59

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
A: Mô hình kết tinh A của thép không gỉ austenit
AF: Mô hình kết tinh AF của thép không gỉ austenit
A1, A2: Hằng số

a: Hệ số khuếch tán nhiệt
ac: Hoạt tính của cacbon
acαθ: Hoạt tính của cacbon tại mặt phân pha α/θ
acθα: Hoạt tính của cacbon tại mặt phân pha θ/α
B1, B2: Hằng số
CCT: Giản đồ chuyển biến nguội liên tục
Ctđ: Crom tƣơng đƣơng
Ci*, Ci0: Nồng độ chất i trong pha lỏng và nồng độ danh nghĩa của chất i
c: Nhiệt dung riêng
D: Hệ số khuếch tán
Dik: Độ khuếch tán của nguyên tố i dƣới ảnh hƣởng gradient của nguyên tố k
Dα: Hệ số khuếch tán của cacbon trong α
Dθ: Hệ số khuếch tán của cacbon trong θ
d: Chiều dày mẫu hàn
dc: Chiều dày danh nghĩa
F: Mô hình kết tinh F của thép không gỉ austenit
FA: Mô hình kết tinh FA của thép không gỉ austenite
G: Gradient nhiệt độ
G1: Năng lƣợng tự do của hợp kim giàu B
G2: Năng lƣợng tự do của hợp kim giàu A
G3: Năng lƣợng tự do ban đầu của hợp kim sau khi liên kết thành khối
G4: Năng lƣợng tự do của hợp kim đồng nhất A – B
GMAW (Gas Metal Arc Welding): Hàn hồ quang với khí bảo vệ
HAZ (Heat affected – zone): Vùng ảnh hƣởng nhiệt
I: Cƣờng độ dòng điện
Ji: Dòng chuyển động của nguyên tử i
k: Hệ số chia phần
K1, K2, K3, K4: Hệ số
qđ: Năng lƣợng đƣờng
Q: Công suất hiệu dụng của hồ quang

mi: Độ dốc của đƣờng lỏng theo giản đồ pha
Nitđ: Niken tƣơng đƣơng
R: Hằng số khí
r: Khoảng cách từ vị trí đang xét tới nguồn nhiệt hàn
SMAW (Shielded Metal Arc Welding): Hàn hồ quang tay
T: Nhiệt độ
T0: Nhiệt độ ban đầu của vật hàn
Ti: Nhiệt độ tại thời điểm bất kỳ
Tp: Nhiệt độ lớn nhất tại vị trí bất kỳ trên vật hàn
TLB: Nhiệt độ nóng chảy của vật hàn
TLW: Nhiệt độ nóng chảy của điện cực
Tm: Nhiệt độ nóng chảy
TIG (Tungsten Inert Gas): Hàn điện cực không nóng chảy
TTT: Đƣờng cong động học chuyển biến khi làm nguội đẳng nhiệt
t: Thời gian
U: Hiệu điện thế
vii


v: Tốc độ hàn
vng: Tốc độ nguội
x: Nồng độ của cacbon
xα: Nồng độ của cacbon trong α
xβ: Nồng độ của cacbon trong θ
xα0: Nồng độ cacbon ban đầu trong α
xθ0: Nồng độ cacbon ban đầu trong θ
xαθ: Nồng độ cacbon trong α khi nó ở điều kiện cân bằng với θ tại mặt phân cách
xθα: Nồng độ cacbon trong θ khi nó ở điều kiện cân bằng với α tại mặt phân cách
y: tỉ số mol
ym: Tỉ số mol của sắt hoặc nguyên tử thay thế

yc: Tỉ số mol của cacbon
z: Khoảng cách của cacbon so với mặt phân cách
α: Vùng cacbon hoạt tính cao tại mặt phân cách
β: Vùng cacbon hoạt tính thấp tại mặt phân cách cho các mối nối ferrite
ΔT: Độ quá nguội
ΔHm: Ẩn nhiệt nóng chảy
ΔT8-5: Thời gian nguội từ 8000C đến 5000C
Δ0Gγ-grC: Năng lƣợng tự do Gibb của cacbon trong sự chuyển đổi cấu trúc từ γ sang graphit
ϵij: Hệ số phản ứng qua lại Wagner giữa nguyên tử i và j
λ: Hệ số dẫn nhiệt
µ: Hóa năng
µ0: Hóa năng ở trạng thái tiêu chuẩn
µαθ: Hóa năng của cacbon tại mặt phân cách α/θ
µθα: Hóa năng của cacbon tại mặt phân cách θ/α
Г: Hệ số hoạt tính của cacbon
Гi: Hệ số hoạt tính của nguyên tử i
Гα: Hệ số hoạt tính của cacbon trong vùng α của mối hàn
Гθ: Hệ số hoạt tính của cacbon trong vùng θ của mối hàn
η: Hiệu suất nhiệt
θ: Vùng cacbon hoạt tính thấp của mặt phân cách cho mối nối austenit
θ’: Góc tiếp xúc giữa mầm và nền kim loại
ρ: Khối lƣợng riêng
γLC: Năng lƣợng bề mặt giữa pha lỏng và mầm

viii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên bảng
Trang

Bảng 1.1. Nhiệt độ làm việc tối đa cho phép của các loại vật liệu.
11
Bảng 1.2. Ảnh hƣởng của đặc tính lý tính tới mối hàn thép không gỉ austenit so
11
sánh với thép cacbon
Bảng 2.1. Sự tiết pha trong thép không gỉ austenit
32
Bảng 2.2. Các dạng kết tinh, phƣơng trình phản ứng và tổ chức tế vi
33
Bảng 3.1. Thành phần hóa học của kim loại cơ bản và điện cực
52
Bảng 3.2. Thành phần hóa học thực tế
53
Bảng 3.3. Chế độ hàn
53
Bảng 3.4. Vị trí đo nhiệt độ (x: Khoảng cách tính từ tâm mối hàn ra kim loại cơ
55
bản)
Bảng 3.5. Dung dịch tẩm thực
56
Bảng 4.1. Cơ tính của thép không gỉ và thép cacbon
61
Bảng 4.2. Hàm lƣợng δ-ferit theo giản đồ Schaeffler
65
Bảng 4.3. Hàm lƣợng δ-ferit theo giản đồ WRC-1992
65
Bảng 4.4. Hàm lƣợng δ-ferit
67
Bảng 4.5. Giá trị độ cứng tại vùng chuyển tiếp phía thép cacbon
79

Bảng 4.6. Tốc độ nguội vùng HAZ thép cacbon
81
Bảng 4.7. Giá trị độ cứng vùng HAZ thép cacbon
85
Bảng 4.8. Tốc độ nguội vùng HAZ thép không gỉ
86
Bảng 4.9. Giá trị độ cứng vùng HAZ thép không gỉ
89
Bảng 5.1. Tỉ phần các pha ở trạng thái cân bằng
95
Bảng 5.2. Khoảng cách khuếch tán của cacbon giữa lý thuyết và thực tế
107
Bảng 5.3. Hệ số khuếch tán cacbon thực tế
108
Bảng 1.PL1: Thành phần hóa học của vật liệu cơ bản và điện cực
i
ii
Bảng 2.PL1: Tham số hàn và năng lƣợng đƣờng
Bảng 3.PL1. Chiều rộng và chiều cao của mối hàn
Bảng 4.PL1. Kích thƣớc mẫu trƣớc và sau khi kéo
Bảng 5.PL1. Giá trị cơ tính
Bảng 6.PL1 Kết quả thử độ dai va đập vùng HAZ thép cacbon
Bảng 1.PL2 Các đặc tính của vật liệu hàn
Bảng 2.PL2. Năng lƣợng đƣờng và chiều dày danh nghĩa
Bảng 1.PL3. Số δ - ferit tính theo Schaeffler
Bảng 1.PL4. Hệ số khuếch tán của cacbon
Bảng 2.PL4. Bảng tính các tham số theo phƣơng pháp Wagner
Bảng 3.PL4. Bảng tính các tham số theo phƣơng pháp Uhrenius
Bảng 4.PL4. Bảng tính các tham số theo phƣơng pháp Wada
Bảng 5.PL4. Bảng tính các hệ số A1, A2, B1, B2

Bảng 6.PL4. Bảng tính các hệ số A1, A2, B1, B2

ix

iv
vi
vii
vii
viii
viii
x
xii
xiii
xiii
xiii
xiv
xiv


DANH MỤC CÁC HÌNH
Tên hình
Trang
Hình 1.1. Mối hàn hai vật liệu khác loại giữa thép không gỉ Austenit 304 và thép
03
cacbon
Hình1.2. Sơ đồ hàn hồ quang tay
04
Hình 1.3. Cấu tạo điện cực nóng chảy
04
Hình 1.4. Giản đồ Schaeffler dùng để xác định điện cực hàn giữa thép cacbon và

05
thép không gỉ Austenit 304
Hình 1.5. Tổ chức của vùng ảnh hƣởng nhiệt thép cacbon
06
Hình 1.6. Sự hình thành pha σ tại vùng nóng chảy, và nứt tại pha σ
07
Hình 1.7. Nứt tại kim loại mối hàn giữa thép không gỉ 304 và thép A36 sử dụng
07
điện cực 309L
Hình 1.8. Sai hỏng tại biên giới nóng chảy do không đảm bảo liên kết
07
Hình 1.9. Nứt tại biên giới nóng chảy mối hàn giữa thép không gỉ 304 và thép
08
A36 sử dụng điện cực 309L
Hình1 .10. Nứt nóng vùng HAZ của mối hàn thép không gỉ Austenit
08
Hình 1.11. Các hợp kim đƣợc sử dụng trong PWR
09
Hình 1.12. Hàn đƣờng lấy mẫu cho bao hơi, đầu chờ vòi phun là thép cacbon hàn
09
với thép không gỉ Austenit 304
Hình 1.13. Hàn hệ thống lấy mẫu cho đƣờng ống mái với đầu chờ là thép cacbon
10
kết nối với thép không gỉ austenite 304
Hình 1.14. Hàn hệ thống tấm chắn bụi với các tấm chắn là thép không gỉ
10
Austenit 304 và ống là thép cacbon
Hình 1.15. Hàn tấm chắn bụi phần mái lò hơi giữa thép không gỉ Austenit 304
10
với thép cacbon và thép hợp kim A213T11

Hình 1.16. Cơ tính của mối hàn khi sử dụng điện cực GFW 304L
12
Hình 1.17. Tổ chức tế vi của mối hàn sau khi ngâm mối hàn vào vùng nƣớc sâu
13
trong 30 ngày
Hình 1.18. Tổ chức vùng hàn
13
Hình 1.19. Mô hình lƣới và trƣờng nhiệt độ trong hàn GMAW.
14
Hình 1.20. So sánh các đƣờng biên giới tại mối hàn giữa mô phỏng và thực
14
nghiệm
Hình 1.21. Sự phân bố nhiệt độ và sự phân bố tốc độ vận chuyển của hồ quang
14
Hình 1.22.Tổ chức tế vi thu đƣợc ứng với hai chế độ hàn khác nhau
15
Hình 1.23. Hình thái của delta ferit trong vùng nóng chảy của mối hàn giữa hai
15
vật liệu khác nhau với sự thay đổi của số lớp hàn.
Hình 1.24. Ăn mòn ứng suất gần chân mối hàn 316L.
16
Hình 1.25. Đƣờng cong đẳng nhiệt tiết pha cacbit crom trong thép không gỉ 304
16
0
Hình 1.26. Đƣờng nồng độ cacbon của mối hàn 1Cr/12Cr sau xử lý nhiệ ở 730 C
16
trong 10 giờ
Hình 1.27. Trƣờng nhiệt độ trong liên kết hàn nhôm – thép chữ T
17
Hình 2.1. Hệ tọa độ của nguồn nhiệt

21
Hình 2.2. Sự chuyển động của nguồn nhiệt khi xét với tấm mỏng
21
Hình 2.3. Sự chuyển động của nguồn nhiệt trong tấm dày
22
Hình 2.4. Kết quả tính toán từ phƣơng trình Rosenthal cho tấm dày
23
Hình 2.5. Giản đồ CCT của thép 0,2%C
25
Hình 2.6. Biểu đồ Ishikawa
26
Hình 2.7. Giản đồ trạng thái Fe - C
27
Hình 2.8. Đồ thị TTT cho thép trƣớc cùng tích
28
x


Hình 2.9. Mặt phẳng đƣờng lỏng và đƣờng đặc của hệ Fe – Cr – Ni
Hình 2.10. Giản đồ hệ Fe – Cr – Ni.
Hình 2.11. Giản đồ pha đƣợc tính bằng Thermolcal.
Hình 2.12. Kết tinh dạng A và kết tinh dạng AF
Hình 2.13. Kết tinh loại FA.
Hình 2.14. Sự kết tinh loại F
Hình 2.15. Cơ chế hình thành δ-ferit hình kim, hình giun
Hình 2.16. Đồ thị Schaeffler năm 1949
Hình 2.17. Đồ thị Delong dự đoán hàm lƣợng Ferit và mô hình kết tinh
Hình 2.18. Đồ thị WRC - 1992 dự đoán hàm lƣợng ferit và mô hình kết tinh
Hình 2.19. Đồ thị WRC – 1992 với lớp biên mactenxit cho 1%, 4%, 10%
Mangan

Hình 2.20. Tổ chức tế vi của thép cacbon thấp tại các vị trí khác nhau trong vùng
ảnh hƣởng nhiệt thép cacbon
Hình 2.21. Ferit dọc theo biên giới hạt austenit trong HAZ của thép không gỉ
304L
Hình 2.22. Sự hình thành biên giới loại II khi kim loại mối hàn là austenit kết
tinh trên nền kim loại ferit
Hình 2.23. Sự hình thành thiên tích thô đại khi TLW < TLB
Hình 2.24. Sự hình thành cacbit ở biên giới hạt
Hình 2.25. Vùng biên giới nóng chảy của thép A508 với 309L, sau khi ủ ở 6100C
Hình 2.26. Năng lƣợng tự do của hệ khuếch tán “downhill”
Hình 2.27. Năng lƣợng tự do của hệ khuếch tán ngƣợc“uphill”
Hình 2.28. Mô hình bài toán củab cacon trong nền austenit
Hình 3.1. Sơ đồ thực nghiệm
Hình 3.2. Chuẩn bị mẫu hàn
Hình 3.3. Điện cực hàn và tủ sấy que hàn
Hình 3.4. Sơ đồ cắt mẫu
Hình 3.5. Sơ đồ bố trí vị trí can nhiệt
Hình 3.6. Quy trình xử lý nhiệt
Hình 3.7. Giản đồ TTT và CCT của thép không gỉ austenit, thép cacbon đƣợc
xây dựng bằng phần mềm Thermocal
Hình 3.8. Kính hiển vi quang học Axiovert 25A
Hình 3.9. Máy hiển vi điện tử quét FESEM Jeol 7600
Hình 3.10. Thiết bị hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Hình 3.11. Thiết bị phân tích nhiễu xạ Rơnghen D500
Hình 3.12. Máy đo độ cứng ARK600
Hình 3.13. Máy thử kéo và va đập
Hình 4.1.Tổ chức tế vi của thép cacbon
Hình 4.2. Tổ chức tế vi của thép không gỉ
Hình 4.3. Sơ đồ tổng quan về tổ chức của mối hàn giữa thép không gỉ và thép
cacbon

Hình 4.4. Tổ chức tế vi vùng giữa kim loại mối hàn
Hình 4.5. Hình thái delta-ferit tại biên giới nóng chảy thép không gỉ
Hình 4.6. Hình thái delta-ferit tại biên giới thép cacbon
Hình 4.7. Ảnh SEM mô tả hình thái delta-ferit dạng xƣơng cá và đều trục trong
kim loại mối hàn
Hình 4.8. Đồ thị Shaeffler
Hình 4.9. Đồ thị WRC-1992
xi

29
30
31
33
34
34
35
36
36
37
37
38
40
41
41
42
42
43
43
47
51

52
52
54
54
55
56
56
57
57
58
59
59
60
60
61
63
63
63
65
66
66


Hình 4.10. Hình thái δ-ferit tính theo phần mềm Image plus
Hình 4.11 Tạp chất trong vùng kim loại mối hàn
Hình 4.12. Mầm kết tinh trên các hạt kim loại nền. (b) Hƣớng phát triển của kim
loại tại biên giới nóng chảy
Hình 4.13. Giản đồ pha của thép cacbon
Hình 4.14. Sự phân bố nguyên tố tại biên giới nóng chảy thép cacbon
Hình 4.15. Sự phát triển cạnh tranh thông qua nhiệt độ đỉnh đầu các pha rắn nhƣ

là hàm của tốc độ kết tinh
Hình 4.16. Mối quan hệ giữa tốc độ phát triển mầm và tốc độ hàn
Hình 4.17. Sự biến đổi tốc độ phát triển dọc theo biên giới nóng chảy
Hình 4.18. Sự thay đổi gradient nhiệt độ và tốc độ phát triển mầm
Hình 4.19. Hai dạng pha austenit trong vùng kim loại mối hàn, (a) vùng tâm mối
hàn, (b) vùng giáp biên giới thép không gỉ
Hình 4.20. Kết quả đo độ cứng tại vùng kim loại mối hàn tƣơng với 6 mẫu có
chế độ hàn thay đổi
Hình 4.21. Đƣờng phân bố nồng độ của các nguyên tố trong vùng chuyển tiếp tại
hai vị trí khác nhau
Hình 4.22. Thành phần hóa học tại các điểm khác nhau trong vùng chuyển tiếp
Hình 4.23. Tổ chức tế vi tại vùng chuyển tiếp phía thép cacbon
Hình 4.24. Sự thay đổi hình dáng biên giới nóng chảy
Hình 4.25. Chu trình nhiệt vùng HAZ thép cacbon
Hình 4.26. Nhiệt độ lớn nhất tại các điểm trong vùng HAZ thép cacbon theo tính
toán và thực nghiệm
Hình 4.27. Sự thay đổi độ hạt vùng HAZ thép cacbon
Hình 4.28. Tổ chức tế vi cùng HAZ thép cacbon.
Hình 4.29. Ảnh SEM tổ chức vùng HAZ thép cacbon
Hình 4.30. Ảnh TEM chỉ các tổ chức mactenxit và bainit trong vùng HAZ thép
cacbon
Hình 4.31. Kết quả X-ray vùng HAZ thép cacbon
Hình 4.32. Vết đo độ cứng tại vùng ảnh hƣởng nhiệt (HAZ) của thép cacbon
Hình 4.33. Chu trình nhiệt vùng HAZ thép không gỉ
Hình 4.34. Đƣờng cong nhiệt độ lớn nhất vùng HAZ thép không gỉ
Hình 4.35. Tổ chức tế vi vùng HAZ thép không gỉ
Hình 4.36. Sự hình thành các hạt cacbit tại biên giới hạt
Hình 4.37. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen tại vùng gần biên giới nóng chảy thép
không gỉ
Hình 4.38. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen tại vùng HAZ

Hình 4.39. Ảnh TEM chỉ hình thái của cabit Cr23C6 và Cr7C3
Hình 4.40. Vết đo độ cứng vùng HAZ thép không gỉ
Hình 4.41. Đƣờng cong thử kéo, a. Vùng HAZ giáp biên giới nóng chảy, b. Vùng
HAZ xa biên giới nóng chảy
Hình 4.42. Vị trí vết nứt tại vùng HAZ giáp biên giới nóng chảy
Hình 4.43. Vị trí vết nứt tại vùng HAZ xa biên giới nóng chảy
Hình 5.1. Tổ chức tế vi pha δ-ferit tại trung tâm mối hàn.
Hình 5.2. Tổ chức tế vi pha δ-ferit giáp biên giới thép không gỉ
xii

67
68
69
70
71
72
73
74
74
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84

84
85
85
86
86
87
87
88
88
88
89
89
90
90
93
94


Hình 5.3. Tổ chức pha δ-ferit giáp biên giới thép cacbon
Hình 5.4. Dự đoán tỉ phần các pha ở trạng thái cân bằng thép 304
Hình 5.5. Ảnh TEM pha δ-ferit
Hình 5.6. Ảnh TEM chỉ sự xuất hiện cacbit tại vùng kim loại mối hàn
Hình 5.7. Hàm lƣợng δ-ferit tính theo phần mềm Image plus
Hình 5.8. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi hàm lƣợng δ-ferit ở các chế độ khác nhau
Hình 5.9. Bề rộng pha δ-ferit
Hình 5.10. Độ cứng tế vi vùng kim loại mối hàn
Hình 5.11. Sự hình thành vùng ferit do sự khuếch tán cacbon
Hình 5.12. Ảnh SEM vùng ferit mối hàn ở 9000C
Hình 5.13. Giản đồ nhiễu xạ Ronghen vùng lân cận biên giới thép cacbon
Hình 5.14. Sự hình thành cacbit tại vùng chuyển tiếp bên phía thép cacbon

Hình 5.15. Dự đoán tỉ phần cacbit ở 6100C
Hình 5.16. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ cứng tại biên giới nóng chảy
Hình 5.17. Sự phân bố nồng độ của các nguyên tố ban đầu
Hình 5.18. Sự thay đổi nồng độ cacbon trong các khoảng thời gian khác nhau ở
6000C
Hình 5.19. Bề rộng vùng có độ cứng cao thấp hình thành khi cacbon khuếch tán
ở 6000C
Hình 5.20. Sự phân bố nguyên tố Fe, Cr, Ni
Hình 5.21. Đƣờng cong biểu diễn sự khuếch tán của cacbon trong điều kiện hàn,
Hình 5.22. Đƣờng cong biểu diễn khuếch tán của cacbon tại 6000C trong 10 giờ
Hình 5.23. Đƣờng cong biểu diễn sự khuếch tán của cacbon ở 6000C trong 10
giờ sau hiệu chỉnh
Hình 5.24. Tổ chức tế vi vùng HAZ thép cacbon sau khi xử lý nhiệt ở 4000C
trong 10 giờ
Hình 5.25. Tổ chức tế vi vùng HAZ thép cacbon sau khi xử lý nhiệt ở 6000C
trong 10 giờ
Hình 5.26. Tổ chức tế vi vùng HAZ thép cacbon sau khi xử lý nhiệt ở 9000C
trong 10 giờ.
Hình 5.27. Độ cứng vùng HAZ thép cacbon
Hình 5.28. Tổ chức tế vi vùng HAZ thép không gỉ tại 4000C trong 10 giờ.
Hình 5.29. Tổ chức tế vi vùng HAZ thép không gỉ tại 6000C trong 10 giờ.
Hình 5.30. Tổ chức tế vi vùng HAZ thép không gỉ tại 9000C trong 10 giờ.
Hình 5.31. Ảnh SEM sự xuất hiện cacbit và pha δ-ferit tại biên giới hạt trong
vùng HAZ thép không gỉ
Hình 5.32. Đƣờng cong độ cứng cắt ngang biên giới nóng chảy vùng thép không
gỉ
Hình 5.33. Khuyết tật tại biên giới nóng chảy vùng chuyển tiếp
Hình 5.34. Kết quả EDS-line tại biên giới thép cacbon
Hình 5.35. Vết nứt vùng HAZ thép không gỉ
Hình 5.36. CÁc khuyết tật vùng HAZ thép không gỉ

Hình 5.37. Sự phân bố nguyên tố tại vùng HAZ giáp biên giới nóng chảy thép
không gỉ
Hình 1.PL1. Quy trình khảo sát
Hình 2.PL1. a) Chuẩn bị mép hàn, b) Hàn đính
Hình 3.PL1. a) Điện cực hàn, b) Tủ sấy que hàn
Hình 4.PL1. Hình dáng sau khi hàn và kiểm tra kích thƣớc
Hình 5.PL1. a. Sơ đồ cắt mẫu, b. kích thƣớc mẫu thử kéo, c. kích thƣớc mẫu thử
xiii

95
96
96
97
97
98
98
99
101
101
102
102
102
103
104
105
105
106
106
107
108

109
109
109
110
110
110
111
111
112
113
113
114
114
115
i
ii
ii
iii
iii


va đập
Hình 6.PL1. Sự thay đổi kích thƣớc của mối hàn
Hình 7.PL1. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của bề rộng vùng ảnh hƣởng nhiệt theo
năng lƣợng đƣờng

iv
v

Hình 8.PL1. Sự thay đổi độ hạt vùng HAZ của thép cacbon tại vị trí giáp biên

giới nóng chảy khi thay đổi tốc độ hàn

v

Hình 9.PL1. Sự thay đổi độ hạt vùng HAZ thép cacbon tại vị trí giáp biên giới
nóng chảy khi thay đổi cƣờng độ dòng điện

v

Hình 10.PL1. Độ cứng tế vi dọc theo mặt cắt ngang mối hàn
Hình 1.PL2. Đƣờng cong nhiệt độ lớn nhất vùng HAZ thép không gỉ
Hình 2.PL2. Đƣờng cong nhiệt độ lớn nhất vùng HAZ thép cacbon
Hình 1.PL3. Đồ thị Shaeffler
Hình 2.PL3. Đồ thị WRC-1992

vi
ix
ix
xi
xi

xiv


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hàn giữa hai vật liệu khác loại đang đƣợc áp dụng rộng rãi trong các kết cấu của nhà
máy nhiệt điện, hóa chất, dầu khí, đóng tàu. Thép không gỉ đƣợc chọn cho các kết cấu làm
việc trong môi trƣờng chịu ăn mòn, chịu nhiệt, chịu lực tác dụng; thép cacbon dùng cho
các kết cấu làm việc trong điều kiện ít chịu lực, không bị ăn mòn và ở nhiệt độ thấp hơn.

Mục đích của việc này nhằm giảm giá thành sản phẩm nhƣng vẫn đảm bảo đầy đủ các yêu
cầu kỹ thuật.
Các thông số về cơ tính của mối hàn nhƣ độ bền kéo, độ bền uốn, độ giãn dài, độ dai va
đập là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá mối hàn có đảm bảo hay không. Tuy nhiên, các giá
trị này đƣợc quyết định bởi tổ chức hình thành trong mối hàn. Sau hàn, mối hàn đƣợc phân
chia thành các vùng nhỏ: vùng kim loại mối hàn, vùng ảnh hƣởng nhiệt (HAZ) và vùng
kim loại cơ bản với tổ chức hoàn toàn khác nhau. Trong mối hàn giữa thép không gỉ
austenit và thép cacbon thấp, vị trí xuất hiện phá hủy khi thử kéo là vùng ảnh hƣởng nhiệt
thép cacbon, điều này có nghĩa đây là vùng kém bền nhất sau khi hàn. Tuy nhiên, vẫn còn
một vài khuyết tật tế vi có thể xuất hiện tại các vùng do sự thay đổi tổ chức sau hàn và
trong điều kiện làm việc gây ra.Vậy để giải quyết bài toán về tổ chức và tính chất mối hàn
nhằm tìm ra giải pháp nâng cao chất lƣợng hay giảm khuyết tật thì cần trả lời các câu hỏi
sau:
i) Sau hàn, tham số công nghệ, tổ chức và cơ tính của vật liệu có mối quan hệ nhƣ thế
nào?
ii) Tổ chức và tính chất của mối hàn bị thay đổi nhƣ thế nào khi làm việc ở nhiệt độ
nâng cao?
iii) Tổ chức tại các tiểu vùng khác nhau có hay không tạo ra các sai hỏng khi xét trong
điều kiện làm việc lâu dài ở các nhiệt độ khác nhau?
Với mục đích làm sáng tỏ vấn đề trên, đề tài “Nghiên cứu sự biến đổi tổ chức và tính
chất trong quá trình hàn thép không gỉ với thép cacbon” đã đƣợc thực hiện trong luận án
tiến sĩ kỹ thuật vật liệu.
2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Xét trong điều kiện hàn, các tham số chính quyết định tới sự thay đổi tổ chức mối hàn là
vật liệu đầu vào, nhiệt độ tối đa đạt đƣợc trong quá trình nung và tốc độ nguội. Xét trong
điều kiện làm việc, thời gian, nhiệt độ môi trƣờng làm việc, yếu tố ngoại lực lại chiếm ƣu
thế trong các yếu tố làm thay đổi tổ chức mối hàn. Do vậy, mục tiêu của luận án chính là:
sự thay đổi tổ chức, tính chất của mối hàn dƣới ảnh hƣởng của các tham số kể trên.
Đối tƣợng nghiên cứu là mối hàn giữa thép không gỉ austenit 304 và thép cacbon thấp
sử dụng điện cực E309L-16, phƣơng pháp sử dụng là hàn hồ quang tay SMAW đã đƣợc

ứng dụng trong kết cấu của nhà máy nhiệt điện.
Phạm vi nghiên cứu gồm:
i) Xác định các tổ chức pha hình thành, độ cứng tế vi, độ bền đạt đƣợc và biện luận sự
hình thành pha trên các tham số đầu vào trong điều kiện hàn
ii) Xác định các pha hình thành, đánh giá các sai hỏng phát sinh do sự thay đổi tổ chức
trong điều kiện làm việc ở nhiệt độ cao
iii) Tính toán đƣờng phân bố hàm lƣợng cacbon tại biên giới nóng chảy thép cacbon
theo mô hình Darken và ảnh hƣởng của sự khuếch tán cacbon tới tổ chức mối hàn.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Trong thời gian thực hiện luận án tại trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, tại nhà máy
nhiệt điện Thái Bình 2 và tại các phòng thí nghiệm của trƣờng Đại học Khoa học tự nhiên,
viện hàn lâm khoa học Việt Nam, trung tâm đánh giá không phá hủy – Viện năng lƣợng
1


Nguyên tử Việt Nam, Trung tâm thực hành thí nghiệm – Viện cơ khí – Trƣờng Đại học
Hàng hải Việt Nam, trƣờng Đại học bách khoa thành phố Hồ Chí Mình, trƣờng Shimane
Nhật Bản, luận án đã hoàn thành mục tiêu và nhiệm vụ đặt ra. Một số đóng góp mang tính
khoa học và thực tiễn nhƣ sau:
a) Ý nghĩa khoa học
- Xác định hình thái, hàm lƣợng δ-ferit và giải thích sự hình thành, phát triển của pha δferit theo nhiệt động học trong điều kiện hàn và trong điều kiện làm việc ở nhiệt độ nâng
cao.
- Xác định mối quan hệ giữa nhiệt độ lớn nhất và tốc độ nguội tới sự hình thành các pha
vitmantet ferit, mactenxit, bainit, sigma và cacbit trong vùng HAZ. Phân tích hình thái các
pha dựa trên hiển vi điện tử truyền qua (TEM).
- Tính toán bề rộng vùng chuyển tiếp và đƣờng phân bố nồng độ cacbon tại biên giới
nóng chảy thép cacbon theo mô hình Darken và so sánh với kết quả thực tế. Đƣa ra ảnh
hƣởng của sự khuếch tán cacbon tới tổ chức và tính chất tại vùng chuyển tiếp mối hàn.
- Đƣa ra cơ chế sự hình thành sai hỏng (nứt, phân hủy cacbit) tại vùng chuyển tiếp thép
cacbon và vùng ảnh hƣởng nhiệt thép không gỉ khi mối hàn làm việc ở nhiệt độ 6000C và

9000C trong 10 giờ.
b) Ý nghĩa thực tiễn
- Phân tích, đánh giá, dự đoán các sai hỏng xảy ra khi mối hàn làm việc ở các nhiệt độ
khác nhau.
- Đề xuất giải pháp nhằm giảm khuyết tật và điều kiện làm việc hợp lý.
4. Những đóng góp mới của luận án
i) Dựa trên cơ sở lý thuyết nhiệt động học giải thích sự kết tinh và sự thay đổi hình thái,
hàm lƣợng của pha δ-ferit vùng kim loại mối hàn trong điều kiện hàn và thí nghiệm ở nhiệt
độ nâng cao.
ii) Đã nghiên cứu mối quan hệ giữa: các yếu tố công nghệ hàn – tổ chức tế vi – độ cứng
tế vi và độ bền trong vùng ảnh hƣởng nhiệt thép cacbon. Sự hình thành các pha mactenxit,
bainit, vitmantet ferit chịu sự chi phối bởi nhiệt độ lớn nhất và tốc độ nguội và là một trong
các nguyên nhân làm giảm mạnh độ bền mối hàn (giải thích vùng ảnh hƣởng nhiệt thép
cacbon là vùng yếu nhất trong mối hàn)
iii) Tính toán đƣờng phân bố nồng độ của cacbon tại vùng chuyển tiếp thép cacbon dựa
trên mô hình của Darken. Kết hợp với kết quả thực nghiệm, đã xác định đƣợc ảnh hƣởng
của sự khuếch tán tới tổ chức mối hàn nhƣ: hình thành vùng ferit phía thép cacbon và sự
tiết cacbit phía kim loại mối hàn; hình thành vùng có độ cứng cao, vùng có độ cứng thấp
hai bên biên giới nóng chảy là nguyên nhân xuất hiện tách lớp và nứt.
iv) Đã xác định và giải thích sự xuất hiện các khuyết tật trong mối hàn ở nhiệt độ
6000C, 9000C
5. Phương pháp nghiên cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu là lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trên cơ sở tổng hợp, đánh
giá phân tích, chế tạo mẫu và xử lý kết quả thực nghiệm. Luận án sử dụng các phần mềm
tiên tiến và các thiết bị đánh giá kiểm tra hiện đại.
6. Bố cục của luận án
Luận án đƣợc chia thành 5 chƣơng và phần mở đầu. Cụ thể theo thứ tự sau:
Mở đầu
Chƣơng 1 Tổng quan
Chƣơng 2 Cơ sở lý thuyết

Chƣơng 3 Thực nghiệm
Chƣơng 4 Sự thay đổi tổ chức và tính chất của kim loại sau hàn
Chƣơng 5 Sự thay đổi tổ chức và tính chất của kim loại trong điều kiện làm việc ở nhiệt
độ nâng cao
2


CHƢƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. Đặc điểm mối hàn hai vật liệu khác loại
1.1.1. Khái niệm chung
1.1.1.1. Khái niệm chung
Hàn hai vật liệu khác nhau là quá trình kết nối hai vật liệu có thành phần hóa học và cơ
tính khác nhau tới trạng thái hàn (nóng chảy hoặc dẻo), sau đó kim loại kết tinh hoặc
khuếch tán để tạo liên kết hàn. Thông thƣờng, hàn hai vật liệu khác loại là mối hàn nóng
chảy. Thành phần hóa học của điện cực thƣờng khác so với thành phần của các kim loại cơ
bản. Khi đó, kim loại vùng nóng chảy sẽ là sự hòa trộn của kim loại điện cực và kim loại
cơ bản dẫn tới sự hình thành các vùng có tổ chức và cơ tính khác nhau gồm: vùng nóng
chảy (hay còn đƣợc gọi là vùng vũng hàn hay vùng kim loại mối hàn), vùng ảnh hƣởng
nhiệt (HAZ) và vùng kim loại cơ bản. Hình 1.1 là ví dụ về phân vùng tổ chức của mối hàn
giữa thép không gỉ austenit 304 với thép cacbon sử dụng điện cực E309L-16.
Thép không gỉ 304

HAZ

Vùng kim loại mối hàn

Vùng nóng chảy

Thép cacbon

HAZ

Biên giới
Biên giới
Hình 1.1. Mối hàn giữa thép không gỉ austenit 304 và thép cacbon

1.1.1.2. Quá trình hàn và điện cực hàn
Phƣơng pháp hàn thƣờng đƣợc lựa chọn dựa vào vật liệu hàn, yêu cầu kỹ thuật và điều
kiện nhà máy. Phƣơng pháp hàn hồ quang tay (SMAW) đƣợc áp dụng tạo liên kết hàn giữa
thép không gỉ 304 và thép cacbon trong các công trình xây dựng nhà máy nhiệt điện Thái
Bình.
Hàn hồ quang là quá trình ion hoá mãnh liệt lớp không khí giữa hai điện cực, bình
thƣờng lớp không khí không dẫn điện nhƣng khi bị ion hoá sẽ dẫn điện tạo thành cột dẫn
điện giữa hai cực gọi là cột hồ quang. Hồ quang phát ra ánh sáng cƣờng độ rất mạnh, nhờ
nguồn nhiệt có nhiệt độ cao, tập trung, nhiệt độ trung tâm lên đến 5000 oC để nung chảy
kim loại vùng hàn. Sơ đồ hàn hồ quang tay xem trong hình 1.2.
Ƣu điểm của phƣơng pháp này là:
- Thiết bị đơn giản, rẻ tiền, cơ động, phù hợp với sản xuất tại công trƣờng
- Kim loại đƣợc bảo vệ dƣới lớp xỉ nên không cần biện pháp phụ trợ
- Sản phẩm đa dạng, có thể hàn đƣợc nhiều loại kim loại khác nhau
- Có thể gia công nhiều chi tiết phức tạp mà các phƣơng pháp gia công khác không thể
thực hiện đƣợc.

3


Nguồn

Đầu kẹp điện cực
Hƣớng hàn

Que hàn
(a)

Phôi hàn
Lõi que hàn
Vỏ que hàn
Giọt kim loại lỏng

Khí
Hồ quang
Xỉ

Dòng lƣu thông

Kim loại mối hàn
(b)

Kim loại cơ bản Vũng hàn

Hình 1.2. Hàn hồ quang tay: (a) sơ đồ tổng quát; (b) vùng kim loại mối hàn [1]

Điện cực hàn
Điện cực hàn trong hàn hồ quang tay (còn gọi là que hàn) ngoài nhiệm vụ duy trì hồ
quang còn có nhiệm vụ bổ sung kim loại cho mối hàn. Chiều dài điện cực thƣờng là
(250÷450) mm tùy thuộc vào đƣờng kính. Cấu tạo điện cực gồm hai phần: phần lõi của
điện cực thƣờng đƣợc làm bằng thép cacbon hoặc thép hợp kim tuỳ theo vật liệu hàn, phần
thuốc bọc vỏ que hàn là hỗn hợp của các chất tạo xỉ và môi trƣờng bảo vệ (hình 1.3).

Lõi
Thuốc

bọc
Hình 1.3. Cấu tạo của điện cực nóng chảy

Trong mối hàn hai vật liệu khác loại, việc lựa chọn vật liệu điện cực có vai trò quan
trọng quyết định tới chất lƣợng mối hàn. Thông thƣờng, thành phần của điện cực khác so
với thành phần của kim loại cơ bản và phải đảm bảo độ bền cho mối hàn cũng nhƣ giảm
khuyết tật trong quá trình hàn. Giản đồ Schaeffler có thể đƣợc sử dụng để dự đoán tổ chức
sau cùng của mối hàn dựa vào thành phần ban đầu của vật liệu, thành phần kim loại điện
cực và tỉ lệ hòa trộn. Hình 1.4 cho thấy điện cực dùng cho liên kết giữa thép không gỉ
austenit 304 và thép cacbon là E309L-16. Tính toán này phù hợp với lựa chọn thực tế tại
nhà máy nhiệt điện Thái Bình. Lý giải cho việc sử dụng điện cực E309L-16 là:
- Giúp làm giảm số lớp trung gian trong quá trình hàn.
- Làm giảm lớp mactenxit hình thành tại biên giới thép cacbon trong quá trình nguội khi
hàn.
- Giảm sự chênh lệch hệ số giãn nở nhiệt giữa thép không gỉ và thép cacbon.

4


32

Nitđ = %Ni + 30%C +
0.5%Mn

24
Austenit

16

A+F

A+M
309L
Mactenxit

8
Thép
cacbon

0

8

A+M+F
ferit
16

24

32

40

Crtđ = %Cr + %Mo + 1.5%Si + 0.5%Nb
Hình 1.4. Giản đồ Schaeffler dùng để xác định điện cực hàn giữa thép cacbon và thép không gỉ
austenit 304 [1]

1.1.1.3. Sự phân vùng tổ chức mối hàn
Trong quá trình hàn, dƣới nguồn nhiệt của hồ quang, kim loại điện cực và một phần kim
loại cơ bản đƣợc nung nóng tới trạng thái lỏng, sau đó kim loại lỏng trong vùng này kết
tinh để tạo liên kết hàn. Tại các vùng lân cận, kim loại cơ bản không bị nung nóng chảy

nhƣng lại chịu ảnh hƣởng của nhiệt độ và tốc độ nguội khác nhau dẫn tới tổ chức thay đổi.
Để thuận lợi cho quá trình phân tích, mối hàn đƣợc phân chia thành các vùng nhƣ sau:
- Vùng nóng chảy: Là vùng kim loại đƣợc nung đến trạng thái lỏng hoàn toàn sau đó kết
tinh tạo tổ chức mối hàn.
- Vùng chảy lỏng không hoàn toàn (vùng chuyển tiếp): Là vùng nằm giữa kim loại mối
hàn ở trạng thái lỏng và kim loại cơ bản ở trạng thái rắn. Trong vùng này có sự hòa trộn
giữa hai pha lỏng và rắn. Tuy nhiên, sự phân chia vùng này chỉ mang tính chất tƣơng đối
và rất khó xác định rõ ràng.
- Vùng ảnh hƣởng nhiệt: Là vùng từ biên giới nóng chảy cho tới vùng có nhiệt độ bằng
500 0C.
- Vùng kim loại cơ bản: Là vùng có nhiệt độ nhỏ hơn 500 0C. Tổ chức của vùng này
giống nhƣ tổ chức ban đầu của kim loại cơ bản.
Hình 1.5 là ví dụ về sự phân vùng tổ chức trong mối hàn thép cacbon có hàm lƣợng cacbon
0,2 %. Theo giản đồ trạng thái, tổ chức của kim loại cơ bản là peclit + ferit. Trong vùng
ảnh hƣởng nhiệt, xuất hiện chuyển biến pha từ peclit thành austenit khi nhiệt độ lớn hơn
Ac1 và thu đƣợc hoàn toàn austenit khi nhiệt độ lớn hơn Ac3 với kích thƣớc hạt austenit
tăng khi tăng nhiệt độ. Vùng chảy lỏng không hoàn toàn tồn tại pha rắn austenit và pha
lỏng. Nhiệt độ thép cacbon ở trạng thái lỏng hoàn toàn vào khoảng 1540 0C. Nhƣ vậy, tổ
chức tại các vùng khác nhau có thể dự đoán dựa vào tổ chức thu đƣợc khi biết nhiệt độ
nung và tốc độ nguội.

5


Vùng chảy lỏng
không hoàn toàn

Vùng nóng chảy

Nhiệt độ (0C)

1600

Vùng ảnh
hƣởng nhiệt

1200

Kim loại cơ bản

L

γ
A3

800
500

L+γ
γ + Fe3C

A1
α + Fe3C

1 2
3
Cacbon, %
Hình 1.5. Tổ chức của vùng ảnh hưởng nhiệt thép cacbon [1]
Fe

Thép cacbon

4

1.1.2. Các dạng khuyết tật khi hàn hai vật liệu khác loại
Hàn hai vật liệu khác loại gặp nhiều khó khăn hơn khi hàn hai vật liệu cùng loại. Các
nguyên nhân chủ yếu là:
- Sự chênh lệch về nhiệt độ nóng chảy và giới hạn hòa tan của kim loại;
- Sự chênh lệch về hệ số giãn nở nhiệt;
- Sự khác nhau về tính dẫn nhiệt của hai vật liệu;
- Sự khác nhau về hàm lƣợng nguyên tố hợp kim và sự hình thành các pha cứng, giòn
trong quá trình hàn và trong điều kiện làm việc.
Để trình bày các dạng khuyết tật phát sinh trong quá trình hàn và trong điều kiện làm
việc, dƣới đây chỉ trích dẫn các dạng khuyết tật sinh ra do sự thay đổi về mặt tổ chức.
Theo nghiên cứu của J. c. Lippold [2] có nhiều dạng khuyết tật thƣờng gặp trong mối hàn
giữa thép không gỉ austenit và thép cacbon. Đó là nứt xảy ra trong quá trình kết tinh, nứt
tại biên giới nóng chảy phía thép cacbon, các sai hỏng tại vùng HAZ phía thép cacbon. Các
sai hỏng này sẽ đƣợc trình bày cụ thể dƣới đây.
1.1.2.1. Khuyết tật trong vùng nóng chảy
Nứt trong quá trình kết tinh thƣờng xảy ra tại vùng kim loại nóng chảy khi kết tinh từ
thể lỏng sang thể rắn. Hiện tƣợng nứt bị chi phối bởi tỉ lệ hòa trộn giữa kim loại điện cực
và kim loại cơ bản, sự thay đổi thành phần hóa học giữa các vùng và tỉ lệ các pha hình
thành trong mối hàn. Theo J. c. Lippold quá trình nứt thƣờng xảy ra khi kim loại điện cực
là thép austenit. Kim loại tại chân mối hàn hay các vị trí bị pha loãng nhiều bởi thép
cacbon, tổ chức thu đƣợc là hoàn toàn austenit hoặc hàm lƣợng ferit thấp nên rất dễ xảy ra
hiện tƣợng nứt. Mặt khác, khi tăng tỉ lệ hòa trộn thép cacbon, tổ chức thu đƣợc gồm
mactenxit trên nền austenit. Các pha mactenxit rất cứng và dòn là nguyên nhân dẫn tới các
vết nứt tế vi (hình 1.7). Vùng kim loại mối hàn của thép không gỉ, việc tăng hàm lƣợng δferit dễ dẫn tới hiện tƣợng nứt nóng, giảm độ bền va đập hay giảm khả năng chống ăn mòn
của vật liệu [2-6]. Hàm lƣợng ferit quá cao, trong điều kiện làm việc trong khoảng nhiệt độ
(600-800) 0C sẽ chuyển biến từ ferit thành pha sigma (hình 1.6). Pha sigma là pha giòn dễ
gây nứt [7-9].

6


Pha σ

Nứt

σ

(a)

(b)

Hình 1.6. (a) Sự hình thành pha σ tại vùng nóng chảy [32], (b) Nứt tại pha sigma [8]

Nứt

Hình 1.7. Nứt tại kim loại mối hàn giữa thép không gỉ 304 và thép A36 sử dụng điện cực 309L [2]

1.1.2.2. Khuyết tật tại biên giới nóng chảy phía thép cacbon
Sự không đảm bảo liên kết hàn thƣờng xảy ra dọc theo biên giới thứ II bên phía thép
cacbon (hình 1.8). Nguyên nhân chính là do cacbit đƣợc tiết ra mạnh hoặc do sự tồn tại của
hydro trong vùng hoàn toàn mactenxit ở biên giới nóng chảy [2]. Hầu hết các sai hỏng này
thƣờng xảy ra trong quá trình nhiệt luyện hoặc trong điều kiện làm việc của mối hàn và rất
khó xác định khi nào chúng sẽ xảy ra.

Biên giới thứ II

Hình 1.8. Sai hỏng tại biên giới nóng chảy do không đảm bảo liên kết [2]

Nguyên nhân khác dẫn tới sai hỏng phải kể đến sự khuếch tán của cacbon từ kim loại cơ
bản sang kim loại điện cực do gradient nồng độ các nguyên tố hợp kim. Sự khuếch tán của
7


cacbon tạo ra các vùng có độ cứng chênh lệch nhau, dẫn tới vết nứt dễ hình thành tại mặt
phân cách các vùng này (hình 1.9).
Nứt tại biên giới

Hình 1.9. Nứt tại biên giới nóng chảy mối hàn giữa thép không gỉ 304 và thép A36 sử dụng điện
cực 309L [2]

1.1.2.3. Các dạng khuyết tật khác
Các sai hỏng khác thƣờng tìm thấy tại vùng kim loại cơ bản của thép không gỉ (hình
1.10). Ví dụ nhƣ hiện tƣợng ăn mòn hay nứt do ăn mòn ứng suất xảy ra là do sự hình thành
cacbit crom tại biên giới hạt [10-12]. Hoặc sai hỏng tại vùng kim loại cơ bản thép cacbon
do tồn tại ứng suất nhiệt trong quá trình hàn.

Nứt

Hình 1.10. Nứt nóng vùng HAZ của mối hàn thép không gỉ Austenit [12]

1.2. Ứng dụng và điều kiện làm việc của mối hàn giữa thép không
gỉ austenit và thép cacbon
Ứng dụng rộng rãi nhất của mối hàn giữa thép không gỉ và thép cacbon là các kết cấu
hoặc chi tiết trong các nhà máy hóa chất, nhiệt điện, dầu khí, đóng tàu. Ví dụ, trong công
nghiệp hóa chất, những bồn chứa axit thƣờng đƣợc chế tạo hai lớp, lớp vật liệu bên trong là
nơi tiếp xúc trực tiếp với hóa chất thƣờng lựa chọn thép không gỉ để tránh bị ăn mòn trong
thời gian dài, lớp vật liệu bên ngoài tiếp xúc với không khí là thép cacbon nhằm giảm giá

thành sản phẩm. Trong công nghiệp nhiệt điện, dầu khí, vị trí của mối hàn hai vật liệu khác
loại thƣờng tìm thấy tại ống dẫn khí thải ra môi trƣờng bên ngoài. Nhằm tiết kiệm chi phí,
các ống nối làm việc trong không khí là thép cacbon thấp. Một ví dụ khác trong công
nghiệp đóng tàu, các tấm thép tại vị trí hạ xuồng cứu sinh luôn chịu mài mòn do sự cọ sát
của thiết bị nên yêu cầu vật liệu có độ bền cao hơn so với các vị trí vỏ tàu khác. Do vậy, tại
đây vỏ tàu đƣợc thay thế bằng thép không gỉ nhằm nâng cao tuổi thọ làm việc. Hình 1.11
đƣa ra các loại vật liệu ứng dụng trong kết cấu lò phản ứng điện hạt nhân NPP. Từ các ví
dụ trên đây nhận thấy rằng, vai trò của mối hàn giữa hai vật liệu khác loại nhằm tận dụng
8


ƣu điểm của từng loại vật liệu (độ bền cao, tính chống ăn mòn tốt của thép không gỉ, tính
kinh tế của thép cacbon) mà vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và khả năng làm việc của chi
tiết.
Mối hàn giữa thép không gỉ austenit 304 và thép cacbon trong kết cấu nhà máy nhiệt
điện đƣợc lấy dẫn chứng về ứng dụng và điều kiện làm việc của mối hàn này.
Trong nhà máy nhiệt điện, thép không gỉ austenit 304 đƣợc lựa chọn làm kết cấu tại các
vùng có nhiệt độ làm việc cao do khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn. Còn thép cacbon
đƣợc chọn trong các kết cấu làm việc ở nhiệt độ thƣờng. Trên thực tế, mối hàn này thƣờng
áp dụng tại vị trí lấy mẫu cho bao hơi của nồi hơi: đầu chờ vòi phun là vật liệu thép
cacbon, ống nối là thép không gỉ austenit 304 (hình 1.12) hoặc hệ thống lấy mẫu cho
đƣờng ống mái với đầu chờ vòi phun là thép cacbon, ống kết nối là thép không gỉ austenit
304 (hình 1.13) hoặc hàn tấm chắn bụi phần mái lò hơi giữa vật liệu thép không gỉ austenit
304 với thép cacbon (hình 1.14, hình 1.15).
Hệ thống sơ cấp

Hệ thống thứ cấp
CS

600,405SS

308,309SS

CS

304SS

Lƣỡi đính kèm: CS

308,309SS

308,309SS
Kết cấu lõi: 304SS

Dầu
Ống sơ cấp 304SS
Kết cấu 304SS

Kết cấu: CS

308,309SS
Tấm ống: CS
Ống cấp: 405SS
Hợp kim 600

Ống trao đổi nhiệt: 304SS
Ống nƣớc cấp: CS

Hình 1.11. Các hợp kim được sử dụng trong điện hạt nhân NPP (CS: Thép cacbon, SS: Thép
không gỉ)[số liệu tại nhà máy]

Hình 1.12. Hàn đường lấy mẫu cho bao hơi, đầu chờ vòi phun là thép cacbon hàn với thép không
gỉ austenit 304
9


Hình 1.13. Hàn hệ thống lấy mẫu cho đường ống mái với đầu chờ là thép cacbon kết nối với thép
không gỉ austenite 304

Hình 1.14. Hàn hệ thống tấm chắn bụi với các tấm chắn là thép không gỉ austenit 304 và ống là
thép cacbon

Hình 1.15. Hàn tấm chắn bụi phần mái lò hơi giữa thép không gỉ austenit 304 với thép cacbon và
thép hợp kim A213T11

Trong điều kiện thực tế, các mối hàn giữa thép không gỉ và thép cacbon thƣờng làm
việc ở nhiệt độ cao. Ví dụ, tại đƣờng lấy mẫu cho bao hơi của lò hơi (hình 1.12, hình 1.13)
nhiệt độ làm việc lên tới 400 0C. Các tấm chắn bụi bằng thép trắng (hình 1.14) nhiệt độ là
600 0C. Ngoài ra, mối hàn tại vị trí tấm chắn bụi phần buồng đốt cho lò hơi (hình 1.15)
nhiệt độ lên tới 900 0C.

10


Dựa theo nhiệt độ làm việc tối đa cho phép cho trong bảng 1.1, thép cacbon làm việc ở
nhiệt độ nhỏ hơn 350 0C, thép không gỉ austenit nhiệt độ làm việc có thể lên tới 600 0C. So
sánh với điều kiện làm việc, thép cacbon làm việc ở nhiệt độ cao hơn mức độ cho phép,
đặc biệt, tại vị trí tấm chắn bụi phần buồng đốt cho lò hơi (hình 1.15) nhiệt độ vƣợt quá
mức cho phép 200 0C.
Bảng 1.1. Nhiệt độ làm việc tối đa cho phép của các loại vật liệu (Số liệu từ nhà máy)

Mác vật liệu

Thép cacbon
thấp
Thép cacbon
trung bình
Thép hợp kim

22К, ТУ 108-11-543-80,
ГОСТ 5520-79
45 ГОСТ 1050-74

Tấm và phôi rèn
Phôi rèn, cán

350

20X và 40X, ГОСТ 454
3-71
12Х1МФ, ТУ 14-3-46075, ГОСТ 20072-74,
10ГН2МФА, ТУ
108.766-86
08Х13, 12Х13, 20Х13,
ГОСТ 5 632-72
12Х18Н9, 08Х18Н10,
ГОСТ 5 632-72
08Х18Н10Т,
12Х18Н10Т, ГОСТ 5
632-72
Х20Н46Б, ТУ 14-31202.83

Phôi rèn

350

Phôi cán hình và ống

550

Tấm ống, rèn

350

Tấm ống rèn

300

Tấm ống, cán

600

Tấm ống cán, vật kẹp
gia cố

600

Dạng ống, vật rèn

600

Thép hợp kim
Thép hợp kim
Thép không gỉ
ferit
Thép không gỉ
austenit
Thép không gỉ
austenit
Thép hợp kim
Fe - Ni

Dạng thành phẩm

Nhiệt độ làm
việc tối đa 0C
350

Loại vật liệu

Bảng 1.2. Ảnh hưởng của lý tính tới mối hàn thép không gỉ austenit so sánh với thép cacbon (số
liệu từ nhà máy)

Đặc tính

Thép không
gỉ austenit
Nhiệt độ nóng (1400 – 1450)
chảy (0C)
Từ tính
Không có từ

tính ở tất cả
nhiệt độ
Độ dẫn nhiệt
(%)
tại 100 0C
28
tại 650 0C
66
Điện trở
tại 20 0C
72
tại 558 0C
126

Hệ số giãn nở
nhiệt

9,8

Thép
cacbon
1510

Chú ý

Thép không gỉ austenit 304 yêu cầu nhiệt thấp
hơn thép cacbon để nung nóng chảy vật liệu.
Từ tính ở Thép không gỉ chứa niken không chịu thổi hồ
nhiệt độ quang
< 7050C

Thép 304 dẫn nhiệt chậm hơn nhiều so với
thép cacbon. Điều này làm cho sản phầm dễ
100
cong vênh.
100
Điện trở của thép 304 cao hơn thép cacbon dẫn
12,5
đến việc tạo ra nhiều nhiệt hơn khi có cùng
125
cƣờng độ dòng điện. Điều này, cùng với độ
dẫn nhiệt kém sẽ làm giảm hiệu suất khi hàn
thép 304
6,5
Thép 304 giãn nở nhiệt và co lại nhanh hơn
thép cacbon, dẫn tới dễ gây cong vênh và ứng
suất trong quá trình hàn
11


Nhận xét: Qua việc phân tích điều kiện làm việc, nhiệt độ và thời gian làm việc có
ảnh hưởng trực tiếp tới tổ chức mối hàn. Vậy sự thay đổi này theo chiều hướng xấu
hay tốt? Điều này sẽ được làm sáng tỏ trong nội dung nghiên cứu của luận văn.

1.3. Tình hình nghiên cứu về mối hàn hai vật liệu khác loại
1.3.1. Những nghiên cứu ngoài nƣớc
Trƣớc hết cần kể đến là các nghiên cứu về mối quan hệ giữa tham số đầu vào với tổ
chức và tính chất của mối hàn. Thông thƣờng, các nghiên cứu này tiến hành thay đổi một
trong các tham số công nghệ nhƣ phƣơng pháp hàn, tham số hàn, điện cực hàn nhằm xem
xét ảnh hƣởng của chúng tới độ bền kéo, độ cứng và lựa chọn phƣơng án tối ƣu.
Trong nghiên cứu [13] đã thay đổi tốc độ hàn (từ 250÷450 mm/s) và điện cực hàn (sử

dụng ba điện cực GFW 304L, GFW 308L, GFW 316L) khi hàn thép không gỉ 304 và thép
cacbon thấp. Kết quả cho thấy ảnh hƣởng của các tham số hàn tới độ bền, độ giãn dài
tƣơng đối, độ cứng sau cùng của sản phẩm. Độ bền cao nhất đạt đƣợc là 275 MPa khi sử
dụng điện cực GFW 304L, tốc độ 250 mm/s, cƣờng độ 160 A; trong khi đó độ dãn dài
tƣơng đối cao nhất là 12,3 mm ứng với trƣờng hợp sử dụng điện cực GFW 316L, tốc độ
250 mm/s, cƣờng độ 140 A.

Độ bền kéo, MPa

280
250 mm/ph
270
350 mm/ph
260
350 mm/ph
250
120
(a)

140
Cƣờng độ dòng điện (A)

160

Độ giãn dài, %

12.5
250 mm/ph
11.5
10.

5

350 mm/ph

450 mm/ph

9.5
140

120
(b)

160

Cƣờng độ dòng điện, A

Hình 1.16. Cơ tính của mối hàn. a) điện cực GFW 304L, b) điện cực 308L [13]

Công trình [14] đƣa ra ảnh hƣởng của hai phƣơng pháp GTAW và GMAW đến chất
lƣợng mối hàn giữa thép không gỉ và thép cacbon. Đặc biệt, nghiên cứu đã so sánh sự ăn

12


mòn tại biên giới nóng chảy thép cacbon khi thay đổi phƣơng pháp hàn. Hình 1.17 là tổ
chức tế vi tại vùng biên giới trong điều kiện ăn mòn mối hàn.

Phƣơng pháp hàn GMAW

Phƣơng pháp hàn TGAW

Hình 1.17. Tổ chức tế vi của mối hàn sau khi ngâm trong vùng nước sâu trong 30 ngày [14]

Cùng sử dụng loại nhóm vật liệu này, các tác giả [15] nghiên cứu phƣơng pháp hàn
điểm ma sát để liên kết giữa thép không gỉ 302 và thép cacbon. Tác giả đƣa ra ảnh hƣởng
của hai tham số là cƣờng độ dòng điện hàn và thời gian tác dụng lực tới tổ chức tế vi và cơ
tính mối hàn (hình 1.18).

Hình 1.18. Tổ chức vùng hàn, CS: Thép cacbon, SS: Thép không gỉ [15]

Ngoài ra, các nghiên cứu khác đã thay đổi hiệu điện thế, tốc độ hàn, góc nghiêng điện
cực hàn, đƣờng kính điện cực hay chế độ gia nhiệt [16,17]. Tuy nhiên, chƣa có nghiên cứu
tổng quát nào chỉ ra đầy đủ ảnh hƣởng của các tham số này tới chất lƣợng mối hàn do sự
đa dạng và số lƣợng thí nghiệm cần làm là rất lớn.
Để khắc phục nhƣợc điểm trên, các phần mềm chuyên dụng cho công nghiệp hàn đƣợc
tạo ra giúp việc tối ƣu hóa chế độ công nghệ hàn đƣợc thuận lợi hơn. Do đó, các nghiên
cứu liên quan đến mô phỏng truyền nhiệt hàn và ứng suất biến dạng cũng chiếm một số
lƣợng lớn. Các phần mềm thƣờng đƣợc sử dụng phải kể đến Ansys, Sysweld ...
Hầu hết các phần mềm này dựa trên mô hình bài toán của Rosenthal và Rykalin [18,19]
và sau đó mở rộng ra với nhiều mô hình khác. Quá trình truyền nhiệt trong khi hàn ngoài
sự dẫn nhiệt còn phải kể đến cả quá trình đối lƣu và bức xạ nhiệt, dòng chuyển động của
chất lỏng, sự biến dạng bề mặt tự do và các hiện tƣợng vật lý của hồ quang [20-24].
Các công trình [25,26] nghiên cứu truyền nhiệt giữa mối hàn AISI 1005 sử dụng
phƣơng pháp hàn GMAW. Tác giả xây dựng mô hình phôi với sự phân bố nhiệt độ vùng
hàn, sự tổn hao nhiệt độ ra môi trƣờng xung quanh do quá trình đối lƣu, bức xạ và sự dẫn
nhiệt trong mối hàn. Qua đó, tác giả dự đoán sự phân bố của các pha tinh thể khác nhau
trong tổ chức tế vi của vật liệu hàn trong vùng nóng chảy và vùng ảnh hƣởng nhiệt dƣới
các tham số của quá trình hàn GMAW (hình 1.19, hình 1.20).

13