Nghiên cứu kim loại học mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao, xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra phân tích kim loại học mối hàn dùng cho môn học công nghệ kim loại

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

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ÐIỂM

NGHIÊN CỨU KIM LOẠI HỌC MỐI HÀN THÉP HỢP KIM
THẤP ÐỘ BỀN CAO, XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM
KIỂM TRA PHÂN TÍCH KIM LOẠI HỌC MỐI HÀN
DÙNG CHO MÔN HỌC CÔNG NGHỆ KIM LOẠI
Mã số: T2013-90

Chủ nhiệm đề tài: GV.ThS. Trần Thế San

SKC005425

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12/2013


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

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG

NGHIÊN CỨU KIM LOẠI HỌC MỐI HÀN THÉP HỢP KIM
THẤP ĐỘ BỀN CAO, XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM
TRA PHÂN TÍCH KIM LOẠI HỌC MỐI HÀN DÙNG CHO
MÔN HỌC CÔNG NGHỆ KIM LOẠI

Mã số: T2013-90

Chủ nhiệm đề tài: GV.ThS. Trần Thế San

TP. HCM, Tháng 12 năm 2013


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

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG

NGHIÊN CỨU KIM LOẠI HỌC MỐI HÀN THÉP HỢP KIM
THẤP ĐỘ BỀN CAO, XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM
TRA PHÂN TÍCH KIM LOẠI HỌC MỐI HÀN DÙNG CHO
MÔN HỌC CÔNG NGHỆ KIM LOẠI

Mã số: T2013-90

Chủ nhiệm đề tài: GV.ThS. Trần Thế San

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


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T201 3 – 090

THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1.
-

Thơng tin chung:
Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU KIM LOẠI HỌC MỐI HÀN THÉP HỢP KIM THẤP ĐỘ BỀN CAO,
XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM TRA PHÂN TÍCH KIM LOẠI HỌC MỐI
HÀN DÙNG CHO MƠN HỌC CÔNG NGHỆ KIM LOẠI
-

Mã số: T2013 - 90

-

Chủ nhiệm: GVC. ThS. Trần Thế San

-

Cơ quan chủ trì: Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

-

Thời gian thực hiện: 01/2013 – 12/2013

2.
-

Mục tiêu:
Nghiên cứu kim loại học mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao.

Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra, phân tích kim loại học mối hàn dùng cho mơn học

Cơng Nghệ Kim Loại
3.
4.
5.
-

Tính mới và sáng tạo:
Đƣa vào trong môn học Công Nghệ Kim Loại để sinh viên có thể tự nghiên cứu
Kết quả nghiên cứu:
Hoàn thiện mục tiêu đề ra, xây dựng đƣợc bài thí nghiệm
Sản phẩm:
Bản thiết kế và cụm thiết bị hàn hồ quang dƣới thuốc.

6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
- Có khả năng áp dụng tại bộ môn Công nghệ Kim loại và một số trƣờng khác tuỳ điều
kiện cụ thể.
Trƣởng Đơn vị

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên, đóng dấu)

(ký, họ và tên)

i

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T201 3 – 090

MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................................
DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................................
DANH MỤC HÌNH...................................................................................................................
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................................
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................................
1.

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

2.

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

3.

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

4.

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

5.

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

6.

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

7.

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

8.

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

CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...........................................................................................
1.1.

Tổng quan về thép hợp kim thấp độ bền cao ............................................................

1.2.

Giới thiệu một số phƣơng pháp hàn ......................................................................

CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM KIỂM TRA, PHÂN TÍCH KIM LOẠI HỌC
MỐI HÀN .................................................................................................................................
2.1.

Mục đích u cầu ...................................................................................................

2.2.

Cơ sở lý thuyết .......................................................................................................

2.3.

Trình tự thí nghiệm ................................................................................................

2.4.

Phân tích và đánh giá kết quả ................................................................................
...........................................................................................................

́́
KÊT LUÂṆ - ĐỀ NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................

ii


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T201 3 – 090

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Ký hiệu nguyên tốhơpp̣ kim tương đương giữa tiêu chuẩn TCVN vàtiêu chuẩn
ΓΟCT Bảng 1.2. Thành phần hóa học của một sớ mác thép theo tiêu chuẩn
TCVN3104-79
Bảng 1.3 Một số mác thép hợp kim thấp có độ bền cao theo tiêu chuẩn Nga
Bảng 3.4 thành phần hóa học của mác thép A558 theo tiêu ch̉n ASTM
Bảng 1.5: Thành phần hóa học và cơ tính của một số mác thép HSLA theo SAE
Bảng 1.6: Thành phần hóa học của một sớ mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A572 -88C
Bảng 1.7: Cơ tính của các mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A572 -88C
Bảng 1.8: Thành phần hóa học của một sớ mác thép theo tiêu ch̉n ASTM A573 -89
Bảng 1.9: Cơ tính của một sớ mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A573 -89
Bảng 1.10: Thành phần hóa họccủa một sớ mác thép ASTM A633 -90
Bảng 3.11: Cơ tính của một sớ mác thép theo tiêu ch̉n ASTM A633-90

Bảng 1.12: Thành phần hóa học (%) của các mác thép theo JIS G319 -88
Bảng 1.13: Cơ tính của một số mác thép theo tiêu chuẩn JIS G319 -88
Bảng 1.14: Thành phần hóa học (%) của các mác thép theo JIS G3128 -87
Bảng 1.15: Thành phần hóa học của một số mác thép theo tiêu chuẩn GB 1591 - 94
Bảng 1.16: Cơ tính của một sớ mác thép theo tiêu ch̉n GB1591 - 94

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Tổ chức tế vi của HSLA-100 ở trạng thái cơ bản và ở vùng hàn Hình
1.2 Tổ chức tế vi của HSLA-100 ở vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ)

Hình 1.3 Tổ chức tế vi của thép HSLA. a.As-rolled; b. tempered at 200°C; c.
tempered at 400°C; d. tempered at 600°C; e. tempered at 700°C.
Hình 1.4 Tổ chức tế vi của thép HSLA-340 đã ram Hình
1.5 Tổ chức tế vi của thép HSLA cán nguội, tôi

iii


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T201 3 – 090

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
SMAW : Shielded metal arc welding
GTAW : Gas–tungsten arc welding

Trang iv


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T201 3 – 090

MỞ ĐẦU

1.

Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vục đề tài ở trong và ngoài

nƣớc Phá hủy kết cấu hàn đã đƣợc quan tâm từ lâu. Đánh giá độ bền và độ ổn
định
của kết cấu hàn định kỳ sau một thời gian sử dụng là một yêu cầu rất quan trọng, nhằm
phát huy tối đa hiệu quả sử dụng của các kết cấu hàn. Thực tế Việt Nam, tại các Cơng
ty Chế tạo thiết bị dầu khí; Cơng ty Doosan – KCN Dung Quất; Tổng Công ty Rƣợu,
bia và nƣớc giải khát Sài Gòn; Nhà máy nhiệt điện bằng tuabin khí,… q trình phá
hủy của các chi tiết, cụm chi tiết có mối ghép hàn là điều đáng lo ngại.
2.

Tính cấp thiết :
-

Xây dựng bài thí nghiệm phục vụ cho công tác đào tạo của Bộ môn Công

nghệ Kim loại, Khoa Cơ Khí Máy, Trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật
TPHCM tƣơng lai gần.
3.

Mục tiêu:
-

Nghiên cứu kim loại học mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao

-

Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra, phân tích kim loại học mối hàn dùng

cho môn học công nghệ kim loại
4.

Cách tiếp cận:
-

5.

Tìm hiểu nhu cầu thực tế và tính khả thi của đề tài
Phƣơng pháp nghiên cứu

-

Khảo sát thực tế

-

Nghiên cứu tài liệu

-

Thực nghiệm.

6.

Đối tƣợng nghiên cứu:
-

Kim loại học mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao

-

Phƣơng pháp phân tích kim loại học mối hàn

7.

Phạm vi nghiên cứu:
-

Nghiên cứu kim loại học mối hàn thép hợp kim thấp độ bền cao

-

Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra, phân tích kim loại học mối hàn dùng

cho môn học công nghệ kim loại
8.

Nội dung nghiên cứu :
-

Khái niệm chung về thép hợp kim thấp độ bền cao

-

Giới thiệu một số phƣơng pháp hàn
Trang 1

Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T201 3 – 090
-

Sơ lƣợc về tổ chức kim loại mối hàn và vùng phụ cận

-

Xây dựng bài thí nghiệm kiểm tra, phân tích kim loại học mối hàn dùng

cho mơn học công nghệ kim loại

Trang 2


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T201 3 – 090

CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Tổng quan về thép hợp kim thấp độ bền cao
1.1.1. Khái niệm chung
Thép hợp kim thấp có độ bền cao (Thép HSLA: High Strength Low Alloy Steel)
là nhóm thép hợp kim có hàm lƣợng cacbon thấp và hàm lƣợng nhỏ các nguyên tố
hợp kim chẳng hạn nhƣ: Mangan, Silic, nhôm, vanadi, titan, molipden, đồng, … Do
các đặt điểm nhƣ vậy nên chúng có c ác đặc tính chất nhƣ: độ bền và độ dai va đập
cao, có tính hàn tốt. Độ bền cao đƣợc sinh ra do chúng đƣợc thêm vào một lƣợng nhỏ
các nguyên tố hợp kim có hàm lƣợng nhỏ hơn 0.1%. Giới hạn chảy của chúng lớn.
Nhờ vậy nhóm thép này có các thơng số u cầu về độ dẻo, độ dai, tính hàn và tính
chống ăn mịn rất tốt. Hàm lƣợng các thành phần nguyên tố hợp kim đƣợc điều chình
tùy vào yêu cầu làm việc của từng loại thép.
Thép HSLA có thể đƣợc chia thành sáu loại sau:
Thép hợp kim thấp Ferite – Pearlite: có chứa bổ sung rất nhỏ (bé hơn 0,1%)

cacbite mạnh hay carbonitride hình thành nhƣ Nb, V, Ti, để tăng cƣờng độ bền, làm
mịn hạt.
Thép cán Pearlite: bao gồm thép C - Mn nhƣng cũng có thể bổ sung lƣợng
nhỏ nguyên tố hợp kim khác để tăng cƣờng độ bền, dẻo dai và tính hàn.
Thép Ferrite hình kim: (cacbon thấp bainite) cacbon thấp (ít hơn 0,05% C) độ
bền cao, (690 MPa) khả năng hàn và tính dẻo dai tốt.
Thép song pha:trong đó có một cấu trúc tinh thể của mactenxit phân tán trong
ma trận Ferite và tạo một hợp chất có độ dẻo và độ bền kéo cao.
Thép tạo hình: bổ sung thêm các nguyên tố hợp kim Ca, Zr, Ti để cải thiện
tính dẻo dai của thép.
1.1.2. Thành phần hóa học và Cơ tính theo tiên chuẩn của một số Quốc gia

 Tiêu chuẩn ViêṭNam

TCVN 1659 – 75 quy đinḥ phƣơng phap biểu t
HSLA gồm hai phần
phần vaṇ va ky hiêụ chi nguyên tốhơpp̣ kim đƣng sau thƣơng la Mn
́̀ ́

hàm lƣợng hợp kim khoảng 1% thì sau ngun tốhơpp̣ kim khơng cóchƣƣ̃số , nếu vƣơṭ
q 1.5% thì thêm số 2.
Ví dụ: thép 12MnSi – thép chứa cacbon trung bình 0.12%, hàm lƣợng Mn
khoảng 1% và hàm lƣợng Si khoảng 1%.



Tiêu chuẩn Nga (Liên Xô cũ)

Tiêu chuẩn ViêṭN
ΓΟCT). Sau đây la bang biểu thi têṇ nguyên tốhơpp̣ kim tƣơng đƣơng giƣa tiêu chuẩn

́̀

TCVN vàtiêu chuẩn

Trang 3


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T201 3 – 090
Bảng 1.1: Ký hiệu nguyên tố hơpp̣ kim tương đương giữa tiêu chuẩn TCVN vàtiêu
chuẩn ΓΟCT
Ký hiệu theo tiêu
chuẩn ΓΟCT
A
B

M
H
P
C
T
Y
X

Trang 4


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090

Bảng 1.2. Thành phần hóa học của một sớ mác thép theo tiêu chuẩn TCVN3104 -79

Mác thép
C

14Mn

0,12÷0,18

09Mn2

≤ 0,12

18Mn2

0,14÷0,2

12MnSi

0,09÷0,15

09Mn2Si

≤0,12

15MnV

0,12÷0,18

14CrMnSi

0,11÷0,16

15CrSiNiC

0,12÷0,18
Thép làm cốt bêtơng

33MnSi

0,30÷0,37

0,6÷0,9

0,8÷1,2

0,3

0,3

0,3

0,04

0,045

20CrMn2Z

0,19÷0,26

0,4÷0,7

1,5÷1,7

0,9÷1,2

0,3

0,3

0,04

0,045

Zr:
0,07÷0,14


Trang 5


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090

Bảng 1.3 Một sớ mác thép hợp kim thấp có độ bền cao theo tiêu chuẩn Nga
Mác Thép
09Γ2

≤0.12

09Γ2 Д

≤0.12

14Γ2

0.12 ÷ 0.18

0.

12ΓC

0.09 ÷ 0.15

0

16ΓC

0.12 ÷ 0.18

17ΓC

0.14 ÷ 0.2

09 Γ2C

≤0.12

09Γ2C Д

≤ 0.12

10Γ2C1

≤ 0.12

10Γ2C Д

≤ 0.12

15ΓФ

0.12÷ 0.18


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090
As≤0.08,Ni≤0.008
15ΓФД

0.12÷ 0.18

0.17 ÷ 0.37

0.9 ÷ 1.2

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

V0.05÷0.12
As≤0.08,Ni≤0.008

15Γ2CФ

0.12÷ 0.18

0.4 ÷ 0.7

1.3 ÷ 1.7

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

V0.05÷0.12
As≤0.08,Ni≤0.008

15Γ2CФ Д

0.12÷ 0.18

0.4 ÷ 0.7

1.3 ÷ 1.7

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

V0.05÷0.12
As≤0.08,Ni≤0.008

14Γ2AФ

0.12÷ 0.18

0.3 ÷ 0.6

1.2 ÷ 1.6

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

V0.05÷0.12
As≤0.08,Ni≤0.008

14Γ2AФ Д

0.12÷ 0.18

0.3 ÷ 0.6

1.20÷ 1.60

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

V0.05÷0.12
As≤0.08,Ni≤0.008

16Γ2AФ

0.12÷ 0.18

0.3 ÷ 0.6

1.30÷ 1.70

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

V0 .08÷0.14,As≤0.08

No0.015÷0.025
16Γ2AФ Д

0.14 ÷ 0.20

0.30 ÷ 0.60

1.30 ÷ 1.70

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

V0 .08÷0.14,As≤0.08

No0.015÷0.025
18Γ2AФnc

0.14 ÷ 0.20

≤ 0.17

1.30 ÷ 1.70

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

V0 .08÷0.14,As≤0.08

No0.015÷0.025
10 Γ2Б
10 Γ2Б Д

0.14 ÷ 0.22

0.17 ÷ 0.37

1.20 ÷ 1.60

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

V0 .08÷0.14,As≤0.08

No0.015÷0.025
≤ 0.12

0.17 ÷ 0.37

1.20÷ 1.60

0.035

0.040

0.30

0.30

0.30

V0 .08÷0.14,As≤0.08

No0.015÷0.025

Trang 7


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T201 3 – 090

 Theo Tiêu chuẩn Hoa Kỳ
Theo tiêu chuẩn SAE quy đinḥ vềphƣơng pháp biểu thi mạ́c thép

, trong đóthép

HSLA đƣơcp̣ kýhiêụ nhƣ sau :
-

Chƣƣ̃sốthƣ́nhất làsố
Hai chƣƣ̃sốtiếp theo làgiới haṇ chảy tối thiểu theo đơn vi K
Tiếp theo làchƣƣ̃cái A, B, C, D hoăcp̣ X đểphân biêṭcác thành phần khác nhau

trong nhóm mác cócùng giới haṇ chảy .
Theo tiêu chuẩn ASTM thib̀ iểu thi thép HSLA nhƣ sau
- Chƣƣ̃thƣ́nhất làGrade
- Hai chƣ sốtiếp theo chi giơi haṇ chay tối thiểu theo đ
́ƣ̃
- Theo tiêu chuẩn ASTM có các mác thép nhƣ A656, A690, A709, A715,
A808, A812, A841, A871, A242, A440, A441, A529, A588, A606, A607,
A618… (trang 512 sổ tay mác thép thế giới)
Bảng 3.4 thành phần hóa học của mác thép A558 theo tiêu chuẩn ASTM
Mác Thép
ASTM

U

Gr. H

K1

Gr. J

K1

Gr. K


Trang 8


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T201 3 – 090

Bảng 1.5: Thành phần hóa học và cơ tính của một số mác thép HSLA theo SAE

Mác thép

SAE 942X
SAE 945A
SAE 945C
SAE 945X
SAE 950A
SAE 950B
SAE 950C
SAE 950D
SAE 950X
SAE 955X
SAE 960X
SAE 965X
SAE 970X
SAE 980X
Bảng 1.6: Thành phần hóa học của một sớ mác thép theo tiêu ch̉n ASTM A572 -88C

Đƣờng
kính /chiều
dài
(mm)

150
100
32
13÷32
≤13

Trang 9


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T201 3 – 090
Bảng 1.7: Cơ tính của các mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A572-88C

R0,2 (min)
Grade

42
50
60
65
Bảng 1.8: Thành phần hóa học của một số mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A573-89

ASTM

Grade 58
Grade 65
Grade 70

Bảng 1.9: Cơ tính của một sớ mác thép theo tiêu chuẩn ASTM A573 -89

ASTM

Grade 58
Grade 65
Grade 70

C


Trang 10


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T2013 – 090
Bảng 1.10: Thành phần hóa họccủa một sớ mác thép ASTM A633 -90

ASTM

C

Dày≤14

max

(mm)

Grade A

0,18

1,0÷1,35

Grade D

0,20

0,7÷1,35

Grade E

0,22

1,15÷1,5

ASTM
dày ≤
65(mm)
Grade A
Grade D
Grade E

290
345
415


Trang 11


Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường T201 3 – 090

 Tiêu chuẩn Nhâṭ Bản
Tiêu chuẩn Nhâṭ JIS quy đinḥ phƣơng pháp biểu thi mạ́c thép gồm ba phần
:
- Chƣƣ̃cái thƣ́nhất biểu thi thép S (Steel)
- Chƣƣ̃cái thƣ́hai biểu thi cơngp̣ dungp̣ H (Hot rolling) cán nóng .

- Ba chƣƣ̃sốtiếp theo biểu thi gị á trị thấp nhất của độ bền . Ngồi ra các mác thép
đơi khi co thểco thêm ky hiêụ biểu thi hịnh dangp̣ vâṭliêụ thep ,
chếtaọ va nhiêṭluyêṇ . P (Plate) thép tấm , S thep băng .

́́

́̀

Bảng 1.12: Thành phần hóa học (%) của các mác thép theo JIS G319-88

JIS

C

max

SH590P
SH590S
Bảng 1.13: Cơ tính của một số mác thép theo tiêu chuẩn JIS G319 -88
JIS
SH590P
SH590S

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

JIS
SHY-685
SHY685N
SHY685NS
Cơ tính

 Tiêu ch̉n Trung Q́c

0,12
0,18


Trang 12