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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lê Thị Nhung NGHIÊN CỨU SỰ BIẾN ĐỔI TỔ CHỨC VÀ TÍNH CHẤT TRONG Q TRÌNH HÀN THÉP KHÔNG GỈ VỚI THÉP CACBON Ngành: Kỹ thuật Vật liệu Mã số: 9520309 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội - 2019 Công trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phạm Mai Khánh TS Nguyễn Đức Thắng Phản biện 1: GS.TS Đinh Quảng Năng Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Hoành Sơn Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Văn Tích Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hàn hai vật liệu khác loại áp dụng rộng rãi kết cấu nhà máy nhiệt điện, hóa chất, dầu khí, đóng tàu Thép khơng gỉ chọn cho kết cấu làm việc môi trường chịu ăn mòn, chịu nhiệt, chịu lực tác dụng; thép cacbon dùng cho kết cấu làm việc điều kiện chịu lực, khơng bị ăn mịn nhiệt độ thấp Mục đích việc nhằm giảm giá thành sản phẩm đảm bảo đầy đủ yêu cầu kỹ thuật Các thông số tính mối hàn độ bền kéo, độ bền uốn, độ giãn dài, độ dai va đập tiêu quan trọng để đánh giá mối hàn có đảm bảo hay không Tuy nhiên, giá trị định tổ chức hình thành mối hàn Sau hàn, mối hàn phân chia thành vùng nhỏ: vùng kim loại mối hàn, vùng ảnh hưởng nhiệt vùng kim loại có tổ chức hồn tồn khác Bài tốn tổ chức tính chất mối hàn vấn đề phức tạp, câu hỏi đặt thường đặt là: i) Sau hàn, tham số cơng nghệ, tổ chức tính vật liệu có mối quan hệ nào? ii) Tổ chức tính chất mối hàn bị thay đổi làm việc nhiệt độ nâng cao? iii) Tổ chức tiểu vùng khác có hay khơng tạo sai hỏng xét điều kiện làm việc lâu dài nhiệt độ khác nhau? Với mục đích làm sáng tỏ vấn đề trên, đề tài “Nghiên cứu biến đổi tổ chức tính chất q trình hàn thép không gỉ với thép cacbon” thực luận án tiến sĩ kỹ thuật vật liệu Mục tiêu, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu luận án Xét điều kiện hàn, tham số định tới thay đổi tổ chức mối hàn vật liệu đầu vào, nhiệt độ tối đa đạt trình nung tốc độ nguội Xét điều kiện làm việc, thời gian, nhiệt độ làm việc, yếu tố ngoại lực lại chiếm ưu yếu tố làm thay đổi tổ chức mối hàn Do vậy, mục tiêu luận án là: nghiên cứu thay đổi tổ chức, tính chất mối hàn ảnh hưởng tham số kể Đối tượng nghiên cứu mối hàn thép không gỉ austenit 304 thép cacbon thấp sử dụng điện cực E309L-16, phương pháp sử dụng hàn hồ quang tay ứng dụng kết cấu nhà máy nhiệt điện Phạm vi nghiên cứu gồm: i) Xác định tổ chức pha hình thành, độ cứng tế vi, độ bền đạt biện luận hình thành pha tham số đầu vào điều kiện hàn ii) Xác định pha hình thành, đánh giá sai hỏng phát sinh thay đổi tổ chức điều kiện làm việc nhiệt độ nâng cao iii) Tính tốn đường phân bố hàm lượng cacbon biên giới nóng chảy thép cacbon theo mơ hình Darken ảnh hưởng khuếch tán cacbon tới tổ chức mối hàn ảnh hưởng khuếch tán tới tổ chức mối hàn Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Các thí nghiệm thực nhà máy nhiệt điện Thái Bình, phịng thí nghiệm trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Khoa Vật lý – trường Đại học Khoa học Tự nhiên; phịng thí nghiệm trọng điểm Polyme Composite – trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh; Viện tên lửa – Viện khoa học Công nghệ Quân sự; trung tâm đánh giá không phá hủy – Viện lượng nguyên tử Việt Nam, trung tâm thực hành thí nghiệm – Viện Cơ khí – Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Phịng thí nghiệm Vật lý - trường Shimane Nhật Bản, đề tài có số đóng góp mang tính khoa học thực tiễn sau: Ý nghĩa khoa học + Xác định hình thái, hàm lượng δ-ferit giải thích hình thành, phát triển pha δ-ferit theo nhiệt động học điều kiện hàn điều kiện làm việc nhiệt độ nâng cao + Xác định mối quan hệ nhiệt độ lớn tốc độ nguội tới hình thành pha vitmantet ferit, mactenxit, bainit, sigma cacbit vùng HAZ Phân tích hình thái pha dựa hiển vi điện tử truyền qua (TEM) + Tính tốn bề rộng vùng chuyển tiếp đường phân bố nồng độ cacbon biên giới nóng chảy thép cacbon theo mơ hình Darken so sánh với kết thực tế Đưa ảnh hưởng khuếch tán cacbon tới tổ chức tính chất vùng chuyển tiếp mối hàn + Đưa chế hình thành sai hỏng (nứt, phân hủy cacbit) vùng chuyển tiếp thép cacbon vùng ảnh hưởng nhiệt thép không gỉ mối hàn làm việc nhiệt độ 6000C 9000C 10 Ý nghĩa thực tiễn + Phân tích, đánh giá, dự đoán sai hỏng xảy mối hàn làm việc nhiệt độ khác + Đề xuất giải pháp nhằm giảm khuyết tật điều kiện làm việc hợp lý Những đóng góp luận án i) Dựa sở lý thuyết nhiệt động học giải thích kết tinh thay đổi hình thái, hàm lượng pha δ-ferit vùng kim loại mối hàn điều kiện hàn thí nghiệm nhiệt độ nâng cao ii) Đã nghiên cứu mối quan hệ giữa: yếu tố công nghệ hàn – tổ chức tế vi – độ cứng tế vi độ bền vùng ảnh hưởng nhiệt thép cacbon Sự hình thành pha mactenxit, bainit, vitmantet ferit chịu chi phối nhiệt độ lớn tốc độ nguội nguyên nhân làm giảm mạnh độ bền mối hàn (giải thích vùng ảnh hưởng nhiệt thép cacbon vùng yếu mối hàn) iii) Tính tốn đường phân bố nồng độ cacbon vùng chuyển tiếp thép cacbon dựa mơ hình Darken Kết hợp với kết thực nghiệm, xác định ảnh hưởng khuếch tán tới tổ chức mối hàn như: hình thành vùng ferit phía thép cacbon 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 nguyên nhân xuất tách lớp nứt iv) Đã xác định giải thích xuất khuyết tật mối hàn nhiệt độ 6000C, 9000C Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm sở tổng hợp, đánh giá phân tích, chế tạo mẫu xử lý kết thực nghiệm Luận án sử dụng phần mềm tiên tiến thiết bị đánh giá kiểm tra đại Bố cục luận án Luận án chia thành chương phần mở đầu Cụ thể theo thứ tự sau: Mở đầu Chương Tổng quan Chương Cơ sở lý thuyết Chương Thực nghiệm Chương Sự thay đổi tổ chức tính chất kim loại sau hàn Chương Sự thay đổi tổ chức tính chất kim loại điều kiện làm việc nhiệt độ nâng cao Kết luận chung CHƢƠNG I TỔNG QUAN Hàn hai vật liệu khác trình kết nối hai vật liệu có thành phần hóa học tính khác tới trạng thái hàn, kim loại kết tinh khuếch tán để tạo liên kết hàn Thành phần hóa học điện cực thường khác so với thành phần kim loại Khi đó, kim loại vùng nóng chảy hịa trộn kim loại điện cực kim loại Vùng kim loại khơng bị nung nóng bị thay đổi tổ chức tính chất ảnh hưởng nhiệt độ tốc độ nguội khác Sự hình thành tiểu vùng là: vùng nóng chảy (hay cịn gọi vùng vũng hàn hay vùng kim loại mối hàn), vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) (là vùng không bị nung nóng có nhiệt độ lớn 5000C) vùng kim loại Mối hàn thép không gỉ austenite 304 thép cacbon ứng dụng kết cấu nhà máy nhiệt điện Thái Bình (hình đây) thường dùng phương pháp hàn hàn hồ quang tay, điện cực E309L-16 Hình 1.12 – 1.15 Ứng dụng mối hàn thép 304 thép cacbon nhà máy nhiệt điện Trong thực tế, mối hàn thường làm việc nhiệt độ cao, vào khoảng 6000C, có trường hợp lên tới 9000C Khi làm việc nhiệt độ cao thời gian kéo dài làm cho tổ chức mối hàn tiếp tục biến đổi, dẫn tới thay đổi mặt tính Nếu so sánh với nhiệt độ tối đa thép cacbon 3500C, thép khơng gỉ 304 6000C nhiệt độ làm việc thực tế vượt ngưỡng cho phép Điều làm phát sinh sai hỏng không mong muốn thay đổi tổ chức gây lên CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các yếu tố ảnh hƣởng tới thay đổi tổ chức tế vi tính chất mối hàn thép khơng gỉ austenit với thép cacbon Có bốn yếu tố ảnh hưởng tới tổ chức tính chất mối hàn người, thiết bị, vật liệu lượng Dưới xét hai yếu tố vật liệu lượng (cụ thể nhiệt độ tốc độ nguội hàn) 2.1.1 Vật liệu hàn Vật liệu xét nghiên cứu thép cacbon có %C < 0,2 % thép khơng gỉ 304 có 18,3 %Cr, 7,56 %Ni Thành phần hóa học vật liệu sở để xác định chuyển biến pha, hình thành tổ chức, tiết cacbit trình hàn mối hàn làm việc nhiệt độ nâng cao 2.1.2 Nguồn nhiệt hàn Nguồn nhiệt trình hàn hồ quang vị trí có nhiệt độ lớn nhất, thường coi trung tâm mối hàn Trong trình hàn, nhiệt độ vùng trung tâm tản nhiệt môi trường xung quanh, hình thành vùng ảnh hưởng nhiệt mối hàn Tổ chức vùng định nhiệt độ lớn mà vùng đạt nung tốc độ nguội nguội Công thức xác định nhiệt độ lớn tốc độ nguội cho mỏng xuất phát từ phương trình Rosenthal sau: 1/2 Nhiệt độ lớn nhất: Tp  T0    q / v   e  d  c 2r (2.6) Tốc độ nguội: dT  2 c  d  T  T 3 (2.8)   p dt q/v   2.2 Giản đồ pha vật liệu cần hàn 2.2.1 Giản đồ pha thép cacbon Giản đồ trạng thái Fe-C, đường cong động học chuyển biến làm nguội đẳng nhiệt (TTT) đường cong động học chuyển biến làm nguội liên tục (CCT) sử dụng để dự đoán, giải thích thay đổi tổ chức vùng HAZ thép cacbon 2.2.2 Giản đồ pha thép không gỉ Giản đồ pha thép khơng gỉ sử dụng để dự đốn, giải thích hình thành pha vùng HAZ thép cacbon vùng mối hàn 2.3 Sự kết tinh chuyển pha vùng nóng chảy mối hàn Trong trình hàn, kim loại điện cực phần kim loại nung nóng chảy lượng hồ quang hàn, đó, kim loại lỏng kết tinh để tạo liên kết hàn Thành phần hóa học kim loại vùng tương đương với thành phần thép không gỉ, vậy, kim loại lỏng kết tinh theo bốn mơ hình: A, AF, FA F Pha δ-ferit hình thành austenit tỉ phần, hình thái δ-ferit định tới tính chất vùng Đồ thị Schaeffle, đồ thị Delong dùng để dự đoán mối quan hệ thành phần hóa học hàm lượng ferit kim loại mối hàn thép không gỉ austenit Trong đó, crom tương đương xác định từ nồng độ nguyên tố hợp kim thúc đẩy hình thành ferit trước trình kết tinh Cr, Mo, Si, Cb; niken tương đương xác định từ nồng độ nguyên tố hợp kim thúc đẩy hình thành austenit trước trình kết tinh Ni, C, Mn 2.4 Chuyển biến pha vùng HAZ thép cacbon Chuyển biến pha xảy vùng HAZ thép cacbon chuyển biến thể rắn thép có %C = 0,2 % Tại vị trí có nhiệt độ lớn Ac1 peclit chuyển biến thành austenit Tùy theo biến đổi tốc độ nguội, tổ chức đạt peclit, bainit, mactenxit tổ chức vitmantet Độ hạt vùng khác chia thành ba vùng: độ hạt nhỏ mịn cục bộ, độ hạt nhỏ mịn hạt thô 2.5 Chuyển biến pha vùng HAZ thép không gỉ Trong vùng ảnh hưởng nhiệt thép khơng gỉ ausenit xảy tượng như: lớn lên hạt, hình thành ferit tiết pha biên giới hạt Các khuyết tật xuất vùng HAZ thép khơng gỉ q trình nứt tượng ăn mòn ứng suất, ăn mòn tinh giới làm giảm khả chống ăn mòn vật liệu 2.6 Sự thay đổi tổ chức vùng chuyển tiếp mối hàn hai vật liệu khác Tổ chức kim loại mối hàn vùng chuyển tiếp mối hàn hai vật liệu khác loại phức tạp so với loại Tại vùng biên giới, xuất hiện”biên giới loại II” thành phần hóa học hai vật liệu khác Nó khác với phát triển hàn hai vật liệu loại, tổ chức kim loại lỏng kết tinh thường có dạng định hướng vng góc với biên giới nóng chảy, gọi ”biên giới loại I” Để phân biệt dạng biên giới mối hàn hai vật liệu khác loại ta dựa vào hướng chúng Biên giới loại I thường vng góc với biên giới nóng chảy, cịn biên giới loại II song song với biên giới nóng chảy Ngồi ra, q trình hịa trộn kết tinh, vùng chuyển tiếp cịn có tượng thiên tích thay đổi thành phần hóa học 2.7 Cơ sở lý thuyết mơ hình khuếch tán cacbon austenit Theo nghiên cứu, biên giới thép cacbon kim loại mối hàn có chênh lệch hàm lượng nguyên tố hợp kim nguyên nhân dẫn tới trình khuếch tán cacbon từ phía thép cacbon sang phía kim loại mối hàn Để xác định đường cong biểu diễn thay đổi nồng độ khuếch tán cacbon vùng pha austenit dựa vào mơ hình Darken theo phương trình sau: (2.38) ( ) { } √ (2.39) | | ) √ ( { } √ Để giải phương trình trên, xuất phát từ liệu đầu vào (thành phần hóa học vật liệu, nhiệt độ, thời gian khuếch tán) xác định hệ số tỉ phần k hệ số khuếch tán D Sau tính hệ số A1, A2, B1, B2, nồng độ cacbon vị trí hệ xét xác định Cơng thức tính hệ số sau: √ √ (2.36) √ ( ) ( ) ( ) CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 3.1 Nội dung nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu thay đổi tổ chức tính chất mối hàn thép khơng gỉ austenit 304 thép cacbon bao gồm: Trong điều kiện hàn, nghiên cứu thay đổi tổ chức tính chất mối hàn thép khơng gỉ austenit 304 thép cacbon Đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ lớn tốc độ nguội tới thay đổi tổ chức vùng nóng chảy vùng HAZ mối hàn Như phân tích chương 2, tổ chức vùng nóng chảy vùng HAZ thay đổi đáng kể hình thành pha ảnh hưởng nhiệt độ tốc độ nguội Pha δ-ferit hình thành vùng nóng chảy mối hàn trình kết tinh từ thể lỏng sang thể rắn Tuy nhiên, khác trình hịa trộn phân bố ngun tố hóa học dẫn tới thay đổi mơ hình kết tinh hình thái pha δ-ferit, đặc biệt sát biên giới phía thép cacbon Tại vùng HAZ thép cacbon, nhiệt độ lớn tốc độ nguội điểm khác khác dẫn tới tổ chức vùng sát biên giới nóng chảy khác so với vùng phía xa biên giới nóng chảy Cụ thể, vùng hồn tồn mactenxit hình thành biên giới nóng tốc độ nguội lớn Các vùng có nhiệt độ lớn Ac3, austenit chuyển biến thành mactenxit bainit peclit Nghiên cứu thay đổi tổ chức mối hàn điều kiện làm việc nhiệt độ cao Xử lý nhiệt dựa theo nhiệt độ làm việc mối hàn kết cấu nhà máy nhiệt điện, cụ thể 4000C, 6000C, 9000C 10 Bên cạnh việc đánh giá thay đổi tổ chức tính chất mối hàn, cần dự đốn khuyết tật xảy ảnh hưởng tới khả làm việc chi tiết Nghiên cứu ảnh hưởng trình khuếch tán cacbon tới chất lượng mối hàn Như phân tích chương 2, biên giới nóng chảy phía thép cacbon, chênh lệch lượng nguyên tố hợp kim dẫn tới hình thành hóa học, thúc đẩy khuếch tán 3.5.6 Thử kéo mẫu Để xác định giá trị độ bền kéo kim loại hợp kim trước tiên phải chế tạo mẫu vật liệu CHƢƠNG SỰ THAY ĐỔI TỔ CHỨC VÀ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI SAU HÀN 4.1 Sự phân chia vùng mối hàn thép không gỉ 304 thép cacbon Tổ chức ban đầu thép cacbon peclit + ferit, cịn bên phía thép khơng gỉ austenit Sau hàn, tổ chức vùng thay đổi phân chia thành vùng theo thứ tự là: kim loại thép không gỉ, HAZ thép không gỉ, vùng chuyển tiếp phía thép khơng gỉ, vùng kim loại mối hàn, vùng chuyển tiếp phía thép cacbon, HAZ thép cacbon kim loại thép cacbon (hình 4.3) Hình 4.3 Sơ đồ tổng quan tổ chức mối hàn thép không gỉ thép cacbon Vùng chuyển tiếp hình thành hịa trộn kim loại kim loại điện cực Dựa sở lý thuyết động lực học, bề rộng vùng hịa trộn (52÷82) μm, tương đồng với kết đo từ EDS-line, vào khoảng 82 μm 4.2 Sự hình thành δ-ferit vùng kim loại mối hàn Trong vùng kim loại mối hàn, tổ chức pha δ-ferit austenit Bao quát toàn tổ chức vùng kim loại mối hàn, hình thái pha δ-ferit từ biên giới nóng chảy vào tâm mối hàn có thay đổi đáng kể Pha δ-ferit có dạng xương cá nhánh phát triển 11 theo hướng vng góc với đường bao nóng chảy mối hàn Tại trung tâm vùng nóng chảy, δ-ferit phân bố đồng có dạng trục Tuy nhiên, hình thái biên giới hai bên có khác Tại biên giới nóng chảy thép khơng gỉ, xuất cụm δ-ferit có dạng sợi mảnh phát triển khơng theo hướng định tổ chức vitmantet austenit với kích thước lớn đâm xuyên vào pha δ-ferit theo hướng ngẫu nhiên Sự thay đổi diễn phạm vi hẹp khoảng (60÷120) μm Phía biên giới nóng chảy thép cacbon xuất dải đen chạy dọc biên giới dự đoán pha mactenxit Kế tiếp phía kim loại mối hàn, tồn vùng hồn tồn austenit (màu trắng) có chiều rộng từ (5÷60)μm Nối tiếp, pha δ-ferit có dạng tinh thể hình trụ (các pha song song vng góc với biên giới nóng chảy) đến dạng nhánh hay dạng trục Ferit dạng xương cá Vidmantet austenit Ferit dạng trục Kim loại mối hàn Kim loại mối hàn Ferit dạng nhánh Ferit dạng sợi mảnh Thép khơng gỉ Biên giới nóng chảy δ-ferit vùng bán lỏng Ferit tinh thể hình trụ Thép cacbon (a)Biên giới thép không gỉ b) Tâm mối hàn c.biên giới thép cacbon Hình 4.5 Hình thái δ-ferit Hàm lượng δ-ferit xác định theo giản đồ Schaffler, Delong kiểm tra lại phần mềm tính tỉ phần pha Theo kết đo đạc thực tế, lượng δ-ferit đạt 23,5% Để biện luận cho thay đổi hình thái tỉ phần δ-ferit vùng khác nhau, dựa ba yếu tố: - Ảnh hưởng tốc độ phát triển mầm gradient nhiệt độ tới thay đổi hình thái δ-ferit - Ảnh hưởng kim loại tới hình thái δ-ferit - Ảnh hưởng nồng độ Kết độ cứng tế vi sau đo tương đối đồng toàn vùng kim loại mối hàn khơng phụ thuộc vào hình dáng pha δferit Giá trị trung bình đạt (160÷170)HV 12 4.3 Chuyển pha, thay đổi tổ chức tính chất vùng chuyển tiếp phía thép cacbon Bề rộng vùng chuyển tiếp đo từ EDS-line vào khoảng (50÷100)μm tương ứng với vị trí gần mặt phía sát chân mối hàn Sự thay đổi thành phần vùng chuyển tiếp: Thành phần thay đổi dần từ phía kim loại mối hàn sang phía thép cacbon Tổ chức vùng chuyển tiếp gồm: - Sự hình thành dải mactenxit rộng (2÷10)μm kết hợp tốc độ nguội nhanh trình hàn thành phần hóa học cục biên giới nóng chảy - Thiên tích biên giới nóng chảy: tượng thiên tích biên giới thường xảy hàn hai vật liệu khác loại có nhiệt độ nóng chảy khác Có ba dạng thiên tích hình thành gồm: dạng bán đảo, dạng đảo, dạng bờ biển Mặc dù tượng thiên tích xảy phạm vi nhỏ nên không ảnh hưởng nhiều tới tính mối hàn Kim loại mối hàn γ δ-ferit Lớp Mactenxit Vùng γ Thép cacbon Biên giới Hình 4.20 Tổ chức tế vi vùng chuyển tiếp phía thép cacbon (x500) 13 Giá trị độ cứng vùng chuyển tiếp đạt lớn lớp biên giới nóng chảy (390HV) tương ứng với dải mactenxit 4.4 Chuyển pha, thay đổi tổ chức tính chất vùng HAZ thép cacbon Hai yếu tố định tới thay đổi tổ chức vùng nhiệt độ lớn tốc độ nguội (đã đo đạc quy trình đo nhiệt độ hàn) Khi đó, số kết đạt được: - Kích thước hạt giảm dần từ biên giới nóng chảy (cấp 4.5) đến kim loại (cấp 10.9) - Sự xuất pha cứng dòn vùng HAZ vitmantet ferit, mactenxit, bainit - Độ cứng có thay đổi nhỏ, độ cứng vùng có pha cứng dịn vitmantet ferit, mactenxit, bainit có độ cứng cao vùng có chứa pha peclit ferit B M B Hình 4.27 Ảnh TEM tổ chức mactenxit bainit vùng HAZ thép cacbon 4.5 Sự thay đổi tổ chức vùng HAZ thép không gỉ Trong vùng HAZ, khơng tìm thấy thay đổi tổ chức so với tổ chức ban đầu, nhiên, xuất hạt cacbit xuất nằm biên giới hạt Cacbit Cr23C6 M7C3 14 Cacbit Hình 4.33 Sự hình thành hạt cacbit biên giới hạt (a) Cr23C6 (b) Cr7C3 Hình 4.36 Ảnh TEM hình thái cabit Cr23C6 Cr7C3 CHƢƠNG SỰ THAY ĐỔI TỔ CHỨC TẾ VI VÀ CƠ TÍNH CỦA MỐI HÀN Ở NHIỆT ĐỘ NÂNG CAO 5.1 Phân tích điều kiện làm việc Tiến hành phân tích điều kiện làm việc mối hàn để lựa chọn quy trình xử lý nhiệt Mối hàn mô với điều kiện làm việc nhiệt độ nâng cao nhiệt độ 4000C, 6000C, 9000C, 10 làm nguội lò 5.2 Đánh giá thay đổi tổ chức tế vi độ cứng tế vi 5.2.1 Ứng xử vùng kim loại mối hàn nhiệt độ nâng cao Trong điều kiện làm việc, pha δ-ferit giảm tỉ lệ thuận với nhiệt độ thời gian Tỉ phần pha δ-ferit sau hàn đạt trung bình khoảng 15 23% Khi mối hàn làm việc 4000C 10 giờ, pha δ-ferit giảm với lượng nhỏ, vào khoảng 22% Khi tăng nhiệt độ, lượng δferit giảm mạnh, khoảng 16% 6000C 11% 9000C Đã phát cacbit pha giòn sigma xuất vùng kim loại mối hàn nhiệt độ 6000C Có xuất cacbit crom vùng kim loại mối hàn 6000C nguyên nhân làm tăng mạnh độ cứng δ σ σ γ δ γ δ δ Hình 5.5 Ảnh TEM pha δ-ferit, γ pha σ vùng vùng kim loại mối hàn gần phía biên giới thép không gỉ 6000C – 10h Cacbit Hình 5.6 Ảnh TEM xuất cacbit vùng kim loại mối hàn gần phía biên giới thép cacbon 6000C – 10h 16 5.2.2 Ảnh hưởng q trình khuếch tán cacbon tới tổ chức tính chất mối hàn Tại vùng chuyển tiếp, khuếch tán cacbon nhiệt độ cao dẫn tới số thay đổi tổ chức sau: * Sự hình thành vùng ferit bên phía thép cacbon: vùng tiếp giáp với biên giới nóng chảy, thấy xuất vùng màu trắng có bề rộng khoảng (10÷15)μm với mẫu 6000C (250÷300)μm với mẫu 9000C, gọi vùng ferit (hình 5.11) Vùng ferit hình thành lượng cacbon vùng khuếch tán sang bên phía kim loại mối hàn lực dẫn động chênh lệch nguyên tố hợp kim Thời gian dài, nhiệt độ cao, bề rộng vùng ferit lớn Mối hàn P’ P’ α P’ α α P’ Thép cacbon α Hình 5.12 Vùng ferit Hình 5.14 Cacbit vùng chuyển tiếp * Sự tiết cacbit: Sự tiết cacbit vùng chuyển tiếp chứng minh phân tích nhiễu xạ Rơnghen Tiến hành phân tích sâu dựa vết nhiễu xạ điện tử kính hiển vi điện tử xuyên (TEM) xác định hai loại cacbit tồn vùng nhiệt độ 6000C Cr23C6 Cr7C3 Lượng cacbon vùng tăng bổ sung từ bên phía thép cacbon Lúc cacbon kết hợp với nguyên tố hợp kim để tạo cacbit * Sự hình thành vùng độ cứng cao, vùng độ cứng thấp hệ hình thành tổ chức khuếch tán cacbon Vùng pha ferit có độ cứng thấp, tiết mạnh cacbit làm tăng độ cứng 17 Độ cứng (HV) Sau hàn 400 350 PWHT PWHT PWHT 300 250 150 100 50 - 300 - 200 - 100 Biên giới 10 Khoảng cách (μm) 200 300 0.2 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 Biên giới Thép cacbon Mối hàn 10 100 1000 12 23 34 45 56 67 78 89 100 111 122 133 144 155 166 177 188 199 Nồng độ cacbon (%) Hình 5.16 Đồ thị biểu diễn thay đổi độ cứng biên giới nóng chảy Khoảng cách (μm) Hình 5.18 Sự thay đổi nồng độ cacbon khoảng thời gian khác 6000C Mơ hình Darken sử dụng để xây dựng tính tốn đường cong biểu diễn thay đổi nồng độ cacbon Các kết tính tốn nhiệt độ 6000C khoảng thời gian khác hình Bề rộng vùng có độ cứng thấp cao tỉ lệ thuận với thời gian Trong 10 giờ, khoảng cách khuếch tán bên phía thép cacbon 13μm, sau 1000 khoảng cách 135μm Bề rộng vùng có độ cứng cao hình thành bên phía mối hàn đạt 3μm 10 33μm 1000 Trong tất trường hợp, bề rộng vùng 18 nhỏ bề rộng vùng có độ cứng thấp chênh lệch hệ số khuếch tán Bề rộng (μm) 200 150 Vùng độ cứng thấp 100 50 Vùng độ cứng cao 10 100 1000 Thời gian, Hình 5.19 Bề rộng vùng có độ cứng cao, vùng có độ cứng thấp hình thành cacbon khuếch tán 6000C Hình 5.21 Đường cong biểu diễn khuếch tán cacbon - sau hàn Hình 5.22 Đường cong biểu diễn khuếch tán cacbon 600°C 10h Kết tính toán so sánh với kết đo đạc thực nghiệm EDS-line (hình 5.22) cho thấy, kết thực nghiệm có giá trị nhỏ giải thích vài nguyên nhân sau: i) Theo lý thuyết giả thuyết khuếch tán cacbon hai vùng hoàn toàn austenit Thực tế, tổ chức tế vi hai phía biên giới 19 nóng chảy mối hàn ln tồn cacbit pha khác làm cản trở khuếch tán cacbon Ngồi ra, theo phân tích chương 4, tồn lớp mactenxit chạy dọc biên giới nóng chảy, đó, cacbon khuếch tán từ thép cacbon qua lớp mactenxit vào vùng austenit kim loại mối hàn ii) Theo lý thuyết giả thiết hóa nguyên tố dọc theo biên giới pha liên tục dòng chuyển động chất tan qua biên giới pha liên tục Tuy nhiên, khuếch tán cabon qua biên giới pha không liên tục chịu tác động sai lệch biên giới cản trở cacbit hình thành biên giới Tiến hành hiệu chỉnh cách, dựa vào bề rộng khuếch tán theo đo đạc thực tế cacbon bên phía thép cacbon 3μm bên phía kim loại mối hàn 1μm Tiến hành tính toán lại hệ số A1, A2, B1, B2 cách hiệu chỉnh hệ số Dα Dβ cho bề rộng khuếch tán phù hợp với thực tế Hệ số khuếch tán sau hiệu chỉnh cho bên phía thép cacbon 1.5.10-11 (mm2/s) bên phía mối hàn 1,2.10-12 (mm2/s) 5.2.3 Sự chuyển pha đặc điểm tổ chức vùng HAZ thép cacbon Nhìn chung, tổ chức nhận vùng HAZ thép cacbon không thay đổi nhiều mối hàn làm việc nhiệt độ thấp, thay đổi tổ chức pha thể rõ ràng làm việc nhiệt độ cao Ở 6000C, không thấy xuất pha vitmantet ferit Mactenxit bainit chuyển thành mactenxit ram bainit ram Điểm khác biệt xuất vùng hồn tồn ferit có kích thước (5÷10)μm chạy dọc biên giới nóng chảy Khi mối hàn làm việc 9000C, tổ chức thay đổi rõ rệt Các pha vitmantet ferit, mactenxit bainit khơng cịn vùng HAZ, thay vào xuất vùng ferit peclit nghèo cacbon gần biên giới nóng chảy, kích thước vào khoảng 250μm Độ cứng khơng có thay đổi nhiều mối hàn làm việc 4000C 6000C so với sau hàn Giá trị độ cứng giảm mạnh, đạt trung bình 100HV nhiệt độ 9000C 5.2.4 Sự chuyển pha đặc điểm tổ chức vùng HAZ thép không gỉ Mặc dù khơng có chuyển biến pha vùng HAZ thép không gỉ cacbit pha δ-ferit tiết biên giới Trên 20 thực tế, cacbit Cr7C3 tiết biên giới cacbit Cr23C6 tiết vùng HAZ kim loại Dựa vào kết phân tích chương 4, hai loại cacbit xuất sau hàn với số lượng Trong điều kiện mối hàn làm việc nhiệt độ cao, đặc biệt 6000C, tiết cacbit diễn mạnh Ở 9000C, tượng thoát cacbit xảy Sự hình thành cacbit hay tiết cacbit nguyên nhân làm giảm hàm lượng cacbon biên giới hạt dẫn tới ăn mòn ứng suất, đặc biệt dẫn tới nứt biên giới 5.3 Đánh giá khuyết tật hình thành 5.3.1 Khuyết tật vùng chuyển tiếp phía thép cacbon Hiện tượng nứt, tách lớp xảy biên giới nóng chảy bên phía thép cacbon hình thành hai vùng có độ cứng chênh lệch 5.3.2 Khuyết tật vùng HAZ thép khơng gỉ Hiện tượng nứt tìm thấy vùng HAZ thép không gỉ Các vết nứt có xuất phát điểm từ cacbit có độ cứng cao vùng HAZ thép không gỉ, biên giới hạt nơi có tiết cacbit vết hạt cacbit bị phân hủy nhiệt độ cao Vết nứt Vết nứt Hình 5.37 Vết nứt HAZ thép khơng gỉ Hình 5.34.Vết nứt biên giới cacbon 21 Mối hàn Nứt Tách lớp Thép cacbon Hình 5.35 vùng chuyển tiếp Vết hạt cacbit Vết nứt Hình 5.36 Vùng HAZ thép không gỉ PHẦN IV KẾT LUẬN CHUNG Tổ chức tế vi vùng xung quanh mối hàn thay đổi đáng kể với phân chia thành vùng khác nhau: vùng kim loại mối hàn, vùng chuyển tiếp, vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) thép cacbon, vùng HAZ thép không gỉ vùng kim loại Tổ chức vùng tiếp tục thay đổi thí nghiệm nhiệt độ nâng cao, cụ thể sau: + Vùng kim loại mối hàn gồm pha δ-ferit austenit Sau hàn, hình thái δ-ferit từ biên giới nóng chảy vào tâm mối hàn thay đổi từ dạng nhánh sang dạng trục thay đổi gradient nhiệt độ Tỉ phần pha δ-ferit đồng toàn thể tích vào khoảng 23% Hàm lượng pha δ-ferit giảm tăng nhiệt độ làm việc Lượng δ-ferit giảm từ 23,5 % sau hàn xuống 22 % giữ 400 0C 10 giờ, giảm 11 % tăng nhiệt độ lên 900 0C 10 Độ cứng tế vi không phụ thuộc vào hình thái hàm lượng pha δ-ferit, đạt trung bình khoảng 165HV + Yếu tố định tới tổ chức vùng HAZ thép cacbon nhiệt độ lớn tốc độ nguội Kích thước hạt vùng giảm dần từ biên giới nóng chảy tới vùng kim loại với tổ chức vitmantet ferit, bainit, mactenxit peclit làm tăng độ cứng, giảm độ bền vật liệu Tuy nhiên, mối hàn thí nghiệm nhiệt độ nâng cao, tổ chức vùng cải thiện với hình thành pha mactenxit ram, bainit ram cụm ferit +peclit có độ cứng giảm 22 + Cacbit phức M23C6, M7C3 cacbit crom xuất vùng HAZ thép không gỉ vùng kim loại mối hàn làm việc 600 0C nguyên nhân làm tăng mạnh độ cứng tế vi Các vết nứt vùng thường xuất phát từ hạt cacbit có độ cứng cao nằm austenite Đã tìm thấy vết nứt biên giới hạt 900 0C + Vùng chuyển tiếp bên phía thép cacbon với chênh lệch gradient nồng độ nguyên nhân thúc đẩy khuếch tán cacbon từ thép cacbon sang phía kim loại mối hàn Kết bên phía kim loại mối hàn xuất vùng giàu cacbon có độ cứng cao (lớn vào khoảng 330HV 6000C); ngược lại bên phía thép cacbon tồn vùng nghèo cacbon có độ cứng thấp (trung bình khoảng 170HV 6000C Sự chênh lệch độ cứng nguyên dân dẫn tới tượng tách lớp nứt vùng chuyển tiếp mối hàn Độ cứng tế vi vật liệu thay đổi phù hợp với tổ chức tế vi hình thành Giá trị độ cứng vùng kim loại mối hàn vào khoảng (160-170)HV không phụ thuộc vào hình thái hàm lượng δ-ferit Trong vùng HAZ thép cacbon, độ cứng tăng vùng có pha cứng dòn mactenxit, bainit độ cứng giảm vùng có tổ chức peclit với giá trị thay đổi từ 175HV tới 125HV Vùng HAZ thép khơng gỉ đạt trung bình 180 HV sau hàn tăng mạnh 6000C (trung bình 245HV) hình thành cacbit Trên toàn mối hàn, độ cứng lớp mactenxit biên giới đạt giá trị lớn Đường biểu diễn nồng độ cacbon xây dựng theo mơ hình Darken xác định bề rộng vùng có độ cứng thấp, vùng có độ cứng cao hai bên biên giới nóng chảy phía cacbon Hệ số khuếch tán cacbon điều kiện thực tế 600 0C 10 1.5.10-11 (mm2/s) bên phía thép cacbon 1,2.10-12 (mm2/s) bên phía thép không gỉ Các giải pháp đề xuất nhằm cải thiện tính mối hàn sau hàn giảm khuyết tật điều kiện làm việc nhiệt độ nâng cao như: gia nhiệt ủ vùng HAZ thép cacbon sau hàn Khống chế cho mối hàn làm việc nhiệt độ thấp 23 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Lê Thị Nhung, Nguyễn Đức Thắng, Phạm Mai Khánh (10/2016), Influence of process parameters on microstructures and properties of the heat – affected zone (HAZ) and fusion zone (FZ) of the dissimilar metal welding, The international conference on marine science and technology, ISBN 978-604-937-127-1, p 202-206 Le Thi Nhung, Pham Mai Khanh, Le Minh Hai, Nguyen Duong Nam (7/2017), The Relationship Between continuous cooling rate and Microstructure in the heat affected zone (HAZ) of the dissimilar weld between carbon steel and austenitic Stainless steel, Acta Metallurgica Slovaca, 23(4), p 363-370 Lê Thị Nhung, Bùi Sỹ Hồng, Ngơ Xn Hùng, Phạm Mai Khánh (11/2017), Nghiên cứu thay đổi tổ chức, tính vùng HAZ mối hàn thép cacbon chiều dày khác kết cấu tàu thủy, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, ISSN 1859-316X, số 52, p 33-37 Lê Thị Nhung, Nguyễn Dương Nam, Nguyễn Đức Thắng, Phạm Mai Khánh (2/2018), Sự hình thành δ-ferit mối hàn thép không gỉ với thép cacbon sử dụng điện cực E309L-16, Tạp chí Khoa học Công nghệ Kim loại, ISSN 1859-4344, số 76, p 44-48 T.Nhung Le, M.Khanh Pham, A Tuan Hoang, T.N.Mai Bui, D.Nam Nguyen (7/2018), Microstructure change for Multi-pass Welding Between Austenitic Stainless Steel and Carbon Steel, Journal of Mechanical Engineering Research & Developments, ISSN: 1024-1752, 41(2), p 97-102 T.Nhung Le, M.Khanh Pham, A.Tuan Hoang, D.Nam Nguyen (4/2019), Microtructures and elements distribution in the transition zone of carbon steel and stainless steel welds, Journal of Mechanical Engineering Research & Developments, ISSN: 1024-1752, 42(3), pp 96103 Le Thi Nhung, Pham Mai Khanh, Nguyen Duc Thang, Bui Sy Hoang (9/2018), Microstructures In HAZ After Heat Treatment Of Carbon Steel And Austenitic Stainless Steel Welds, Acta Metallurgica 24đã đồng ý đăng) Slovaca, 2019 (qua phản biện ... cứu thay đổi tổ chức tính chất mối hàn thép khơng gỉ austenit 304 thép cacbon bao gồm: Trong điều kiện hàn, nghiên cứu thay đổi tổ chức tính chất mối hàn thép khơng gỉ austenit 304 thép cacbon. .. CHƢƠNG SỰ THAY ĐỔI TỔ CHỨC VÀ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI SAU HÀN 4.1 Sự phân chia vùng mối hàn thép không gỉ 304 thép cacbon Tổ chức ban đầu thép cacbon peclit + ferit, cịn bên phía thép khơng gỉ austenit... làm thay đổi tổ chức mối hàn Do vậy, mục tiêu luận án là: nghiên cứu thay đổi tổ chức, tính chất mối hàn ảnh hưởng tham số kể Đối tượng nghiên cứu mối hàn thép không gỉ austenit 304 thép cacbon