Chương VIII: Luyện kim hàn

Chia sẻ: Vudinhduong Vudinhduong | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:30

Thêm vào BST

Báo xấu

92
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu "Chương VIII: Luyện kim hàn" giúp các bạn nắm được những kiến thức về: khái niệm luyện kim hàn, cấu trúc kim loại cơ bản, cách luyện kim đối với hàn, luyện kim hàn đối với các vật liệu được sử dụng phổ biến. Với các bạn chuyên ngành Hàn thì đây là một tài liệu hữu ích.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương VIII: Luyện kim hàn

Chương VIII – LUYỆN KIM HÀN VIII.1. Khái niệm chung Luyện kim là khoa học nghiên cứu, xử lí cấu trúc bên trong của kim loại/ hợp kim và mối liên hệ giữa các cấu trúc này với các thuộc tính của kim loại và hợp kim. Nói đến luyện kim hàn, người ta thường quan tâm đến những thay đổi khác nhau xảy ra trong kim loại khi hàn các phần tử với nhau, đặc biệt là chúng ảnh hưởng đến tính chất cơ học. Người Thanh tra Hàn phải có kiến thức cơ bản về luyện kim hàn. Giả sử người thanh tra đã có kiến thức về luyện kim hàn, thì họ cũng không hoàn toàn chịu trách nhiệm về thông số kim loại cơ bản và kim loại hàn hoặc phương pháp xử lí của chúng. Song, sự hiểu biết về bản chất luyện kim hàn không chỉ giúp cho người thanh tra trong công việc về hàn, mà còn trong nhiều lĩnh vực khác. Một trong những nguyên nhân là cơ tính của kim loại như độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai, độ bền mỏi, độ chống mài mòn, tất cả đều chịu ảnh hưởng do sự chuyển biến luyện kim trong quá trình hàn. Các thuộc tính bị ảnh hưởng bởi các yếu tố luyện kim khác nhau gồm việc bổ sung nguyên tố hợp kim, xử lí cơ nhiệt. Người Thanh tra Hàn phải hiểu các thuộc tính này để cảm nhận tốt hơn nhằm phục vụ tốt các nguyên công sản xuất. Các yêu cầu sản xuất nhất định, như gia nhiệt, xử lí nhiệt sau hàn, kiểm tra nhiệt độ giữa các lượt hàn, kiểm tra năng lượng đường, đầm mối hàn, giảm ứng suất nhiệt… có thể gây ra một số loại chuyển biến luyện kim từ đó ảnh hưởng đến tính chất cơ học của kim loại. Vì vậy, chương này sẽ mô tả chủ yếu các khía cạnh luyện kim hàn thép và nhấn mạnh đến các phương pháp điều khiển những thay đổi có thể xảy ra. Do chủ đề luyện kim hàn gồm nhiều khía cạnh, nên có thể vượt ra chủ đề thảo luận. Do đó ở đây chỉ giới hạn những thay đổi quan trọng mà có thể xảy ra trong nguyên công hàn. Những thay đổi này được tóm tắt và chia làm hai loại. Loại đầu tiên gồm những thay đổi xảy ra bên trong kim loại khi nó nhận được nhiệt năng và chuyển từ nhiệt độ bình thường đến nhiệt độ cao và các giai đoạn khi hạ từ nhiệt độ cao về nhiệt độ thấp. Loại thứ hai là ảnh hưởng của tốc độ thay đổi nhiệt độ đến các thuộc tính của kim loại. Quan trọng hơn nữa là tìm hiểu quá trình nguội của kim loại từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ bình thường diễn ra như thế nào. 1
Đầu tiên, khảo sát những thay đổi xảy ra trong kim loại khi nó được làm nóng và hạ nhiệt một cách đều đều. Tuy nhiên, cần chú ý rằng quá trình hàn thể hiện một số vấn đề rất khác vì nguyên công hàn có xu hướng gia nhiệt tập trung vào vùng rất nhỏ của kim loại. Do đó nung nóng và làm nguội không đều sẽ gây ra một số vấn đề khác nữa. VIII.2. Cấu trúc (tổ chức) kim loại cơ bản. VIII.2.1. Sự sắp xếp các nguyên tử Để hiểu được các thuộc tính luyện kim của kim loại, cần phải bắt đầu bằng việc mô tả một số thuộc tính của hạt có trong các dạng vật chất. Các hạt cơ bản này kết hợp lại tạo thành các dạng vật chất thể rắn (đặc), lỏng, khí (hơi); chúng được biết đến với tên gọi là nguyên tử. Các nguyên tử này nhỏ đến mức mắt thường không thể nhìn thấy, thậm chí dùng cả kính hiển vi công suất mạnh nhất. Tuy nhiên khi bắt đầu ở mức độ này và được giải thích về tính chất của nguyên tử cũng như cấu trúc của chúng, người đọc có thể hiểu đầy đủ hơn một số hiện tượng mà được quan sát qua kính hiển vi hoặc với mắt thường. Một trong những tính chất quan trọng của các nguyên tử là ở dải nhiệt độ nhất định, chúng có khuynh hướng tạo nên cấu trúc có hình dạng riêng. Sở dĩ như vậy vì có những lực xác định tác động tương hỗ giữa các từng nguyên tử khi giữa chúng có một khoảng trống nhất định. Những lực này có khuynh hướng đẩy hoặc hút các nguyên tử với nhau, trong khi các nguyên tử cũng đang đẩy nhau. Do đó từng nguyên tử được giữ ở vị trí riêng của chúng đối với các nguyên tử khác quanh đó bằng các lực tương tác (h.VIII.1). Những nguyên tử ở vị trí riêng của chúng được sắp xếp theo hàng, cột và lớp trong mạng tinh thể là không gian ba chiều đối xứng. Hình VIII.1 2
Tuy nhiên, các vị trí này không cố định. Trong thực tế, chúng có xu hướng dao động quanh vị trí cân bằng để duy trì khoảng cách cân bằng. Với nhiệt độ đã cho, chúng sẽ giữ vị trí cân bằng. Khi có sự cân bằng giữa các lực hút và lực đẩy, thì người ta nói rằng năng lượng bên trong (nội năng) của kim loại ở mức cân bằng. Mọi cố gắng nhằm tác động cho các nguyên tử lại gần nhau sẽ bị lực đẩy chống lại và lực đẩy đó sẽ tăng khi các nguyên tử bị đẩy lại gần nhau. Phản ứng này là bằng chứng thực tế cho thấy kim loại thể hiện độ bền nén rất cao. Tương tự như vậy, mọi cố gắng nhằm kéo các nguyên tử xa nhau sẽ bị lực hút chống lại. Song lực hút sẽ bị giảm mạnh khi các nguyên tử trở nên xa cách nhau. Dẫn chứng của phản ứng này có thể được quan sát thấy khi thử kéo. Khi đồ thị ở dưới điểm chảy, tải trọng làm mẫu bị giãn dài ra và khoảng trống giữa các nguyên tử tăng lên. Khi giảm lực kéo (tải trọng) mẫu sẽ thể hiện tính đàn hồi, tức là mẫu sẽ trở về kích thước ban đầu. Nếu tải trọng tác dụng lên mẫu tăng lên vượt quá điểm chảy của kim loại, nó sẽ thể hiện tính dẻo. Giờ đây nó sẽ không trở về kích thước dài hoặc khoảng cách giữa các nguyên tử ban đầu, vì các nguyên tử chịu tác dụng lực khá lớn để tách xa nhau mà lực hút không đủ mạnh để giữ chúng ở vị trí ban đầu. Khi khoảng cách (khoảng trống) giữa các nguyên tử tiếp tục tăng vượt xa điểm chảy thì lực hút này càng yếu và không đủ sức để giữ các nguyên tử liên kết với nhau nữa làm cho kim loại bị phá hủy. Trước hết chú ý rằng các nguyên tử kim loại thể hiện khoảng trống riêng đặc trưng ở nhiệt độ hoặc năng lượng bên trong với mức nhất định. Vì nhiệt là một dạng của năng lượng, nên nội năng của kim loại tăng khi nhiệt độ của nó tăng. Năng lượng bổ sung này có xu hướng làm cho các nguyên tử dao động mạnh hơn dẫn đến khoảng trống giữa các nguyên tử tăng lên. Có thể quan sát một cách rõ ràng năng lượng bổ sung này vì kích thước tổng thể của mẫu kim loại tăng khi các nguyên tử chuyển động ra xa nhau. Do đó, bất kì sự giảm nhiệt độ nào trong kim loại sẽ làm cho nguyên tử gần nhau hơn, nói cách khác, kim loại bị co lại. Khi nhiệt bổ sung làm kim loại nóng lên, dao động của các nguyên tử tiếp tục tăng lên làm cho khoảng trống tăng dẫn đến giãn nở kim loại. Quá trình này tiếp tục đến điểm mà ở đó khoảng trống giữa các nguyên tử lớn đến mức các 3
nguyên tử không đủ sức giữ nhau tạo thành cấu trúc riêng được nữa. Khi đó kim loại rắn chuyển sang thể lỏng (h.VIII.2). Nhiệt độ mà tại đó xảy ra sự chuyển trạng thái này được gọi là điểm nóng chảy. Tiếp tục gia nhiệt, thì kim loại lỏng sẽ chuyển sang thể khí; sự chuyển trạng thái từ lỏng sang khí này xảy ra ở nhiệt độ được gọi là điểm bốc hơi. Hình VIII.2 Kim loại rắn có năng lượng bên trong thấp nhất và khoảng trống giữa các nguyên tử nhỏ nhất. Kim loại lỏng có năng lượng bên trong cao hơn với khoảng trống lớn hơn và được coi như không còn cấu trúc cố định. Kim loại khí có năng lượng bên trong cao nhất với khoảng trông lớn nhất và cũng không còn cấu trúc cố định. Trong khi những hiện tượng trên khá thích thú và dễ hiểu, điều có ý nghĩa hơn là nhận thức được tại sao chúng lại quan trọng đối với thanh tra hàn. Rõ ràng rằng hàn và cắt truyền nhiệt lượng vào kim loại, nhiệt lượng này làm kim loại giãn nở ra. Nếu điều khiển sao cho quá trình truyền nhiệt vào kim loại đều và không đổi, thì người ta có thể đo được sự thay đổi chiều dài hoặc kích thước của mẫu kim loại khi được gia nhiệt. Mỗi kim loại/ hợp kim đều có hệ số giãn nở nhiệt riêng. Do đó có thể tính được giá trị giãn nở chính xác của mẫu kim loại khi tăng nhiệt độ lên một giá trị nào đó. VIII.2.2. Cấu trúc mạng tinh thể Trong kim loại rắn (đặc), các nguyên tử có xu hướng sắp xếp theo hàng, cột, lớp một cách trật tự để tạo ra cấu trúc mạng tinh thể ba chiều. Theo định nghĩa, các kim loại có cấu trúc tinh thể và bất kì sai lệch nào xảy ra do kết tinh, tất nhiên là không đúng. Khi kim loại đông đặc, nó luôn luôn tạo ra mô hình tinh thể. Sự xuất hiện hỏng hóc bề mặt tinh thể vì sai sót thường là do phá hủy bề mặt bị giòn và mỏi. 4
Số các nguyên tử nhỏ nhất được sắp xếp theo một trật tự nhất định được gọi là “ô cơ bản”. Điều quan trọng cần biết là ô cơ bản không tồn tại như một đơn vị độc lập mà nó chung các nguyên tử với các ô lân cận theo sự sắp xếp không gian ba chiều. Các cấu trúc mạng tinh thể (hoặc là các phase) phổ biến nhất trong kim loại là lập phương tâm khối (BCC), lập phương tâm mặt (FCC) và lục phương xếp chặt (HCP), chúng được minh họa trên hình VIII.3. Một số kim loại như sắt tồn tại cả ở phase rắn khi nhiệt độ bình thường, cũng như phase rắn khác khi nhiệt độ tăng cao. Khi nhiệt độ thay đổi, sự chuyển biến từ phase này sang phase khác trong kim loại rắn được gọi là chuyển biến thù hình hoặc chuyển biến phase trong trạng thái rắn. Tinh thể kim loại có cấu trúc khác, nhưng có cùng thành phần hóa học được gọi là tinh thể thù hình. Điều này sẽ được đề cập kĩ hơn ở phần sau. Hình VIII.3 Ô cơ bản BCC được mô tả như một hình lập phương mà mỗi đỉnh có một nguyên tử và một nguyên tử hoàn toàn nằm tại tâm của ô. Những kim loại có ô cơ bản BCC điển hình là sắt, thép carbon, chromium, molybdenum, wolfram… Ô cơ bản FCC được nhìn thấy như hình lập phương mà mỗi đỉnh có một nguyên tử và tại tâm của mỗi mặt có một nguyên tử. Thuộc về các kim loại có ô cơ bản FCC phổ biến là sắt, nhôm, đồng, nickel, thép không gỉ austenite… Ô cơ bản HCP là hình lăng trụ lục giác. Nó có thể được hình dung như hai hình lục giác tạo nên đỉnh và đáy lăng trụ. Mỗi nguyên tử được nằm tại tâm và đỉnh các hình lục giác. Ngoài ra còn có ba nguyên tử nằm tại tâm của ba hình lăng trụ tam giác cách đều có cùng mặt đỉnh và đáy. Thuộc về các kim loại có ô cơ bản HCP phổ biến là titanium, kẽm, cadmium, beryllium, magnesium… VIII.2.3. Sự đông đặc của kim loại 5
Kim loại đông đặc thành cấu trúc tinh thể theo quá trình được gọi là tạo mầm và phát triển mầm. Khi nguội, các nhóm nguyên tử tạo thành mầm (kết tinh) tại các vị trí nằm ở tinh giới lỏng – đặc, như tại giao diện giữa kim loại hàn nóng chảy và vùng ảnh hưởng nhiệt nguội hơn không nóng chảy. Những nhóm này được gọi là nhánh cây và chúng tạo thành với số lượng lớn. Trong kim loại hàn, các hạt tạo nên quanh nhánh cây và phát triển cho đến khi gặp các hạt khác. Các nhánh cây ban đầu có dạng hình kim, chúng lớn dần lên và phát triển theo nguồn nhiệt cuối cùng. Khi khuấy luyện tiếp tục để làm nguội chỉ còn các vùng nhỏ cho các hạt lớn lên và số hạt hình kim ít đi cũng như kích thước nhỏ đi. Hình VIII.4 chỉ ra các hạt kim loại hàn được hình thành khi kim loại mối hàn đông đặc diễn ra thế nào. Hình VIII.4A, các tinh thể nhánh cây ban đầu được tạo thành tại giao diện hàn. Hình VIII.4B cho thấy các hạt được hình thành khi các mầm ban đầu của nó lớn lên. Do các mầm được định hướng khác nhau, biên giới hạt được hình thành khi các hạt lân cận cùng phát triển và gặp nhau. Hình VIII.4C cho thấy quá trình đông đặc kim loại hàn đã hoàn tất. Biên giới hạt được xem như là những bất liên tục, vì chúng thể hiện những gián đoạn trong sự sắp xếp các nguyên tử đồng bộ. Hình VIII.4 Cơ tính phụ thuộc vào kích thước hạt của kim loại. Kim loại có kích thước hạt nhỏ sẽ thể hiện độ bền kéo tốt hơn ở nhiệt độ thường, vì biên giới hạt có xu hướng ngăn cản biến dạng của các hạt riêng biệt khi vật liệu chịu ứng suất. Tuy nhiên, ở nhiệt độ cao, các nguyên tử tại biên giới hạt có thể dịch chuyển dễ dàng và trượt tương đối với nhau, do đó làm giảm độ bền ở nhiệt độ cao. Do kết quả này, vật liệu hạt nhỏ mịn được sử dụng và làm việc tại nhiệt độ trong phòng và nhiệt độ thấp sẽ tốt hơn, trong khi vật liệu hạt thô mong muốn được làm việc tại nhiệt độ cao hơn. Kim loại hạt nhỏ mịn có độ dẻo, độ dai va đập và độ bền mỏi cao hơn. 6
Tóm lại, các kim loại có cấu trúc tinh thể được hình thành bằng sự sắp xếp các nguyên tử theo kiểu hình với một trật tự nhất định. Sự sắp xếp hình mẫu trật tự như thế này được gọi là phase và được thể hiện qua ô cơ bản. Kim loại đông đặc từ nhiều mầm ở khắp nơi và các mầm lớn lên theo các hướng thích hợp để tạo thành hạt hoặc tinh thể. Vùng chuyển tiếp, kết nối giữa các hạt được gọi là biên giới hạt. Kích thước hạt sẽ quyết định diện tích vùng biên giới hạt trong kim loại, nói cách khác, nó sẽ xác định cơ tính của kim loại. VIII.2.4. Hợp kim hóa. Các thuộc tính của các phần tử kim loại nếu bổ sung vào kim loại đó các nguyên tố kim loại hoặc phi kim. Kĩ thuật như vậy được gọi là hợp kim hóa. Hợp chất kim loại được tạo thành từ tổ hợp kim loại và các nguyên tố bổ sung được gọi là hợp kim. Ví dụ người ta thêm kẽm và đồng nguyên chất để tạo thành hợp kim đồng thau. Carbon là nguyên tố á kim được thêm vào sắt để tạo thành thép (hợp kim sắt – carbon). Các nguyên tố hợp kim có trong mạng kim loại cơ bản (sắp xếp các nguyên tử riêng biệt) theo các cách khác nhau phụ thuộc vào kích thức tương đối của nguyên tử. Các nguyên tử nhỏ hơn như carbon, nitrogen, hydrogen có xu hướng chiếm các vị trí giữa các nguyên tử tạo thành cấu trúc mạng của kim loại cơ bản. Cấu trúc này được gọi là hợp kim hóa xen kẽ và nó được minh họa bằng sơ đồ 2D trong hình VIII.5. Ví dụ, một lượng nhỏ carbon chiếm các vị trí xen kẽ giữa các nguyên tử sắt trong hợp kim thép. Hình VIII.5 Các nguyên tố hợp kim với các nguyên tử có kích thước gần với kích thước của nguyên tử kim loại cơ bản có xu hướng chiếm các vị trí thay thế. Nghĩa là chúng thay thế một trong những nguyên tử của kim loại cơ bản trong cấu trúc 7
mạng. Hiện tượng này được gọi là hợp kim hóa thay thế và được minh họa trên hình VIII.6. Ví dụ cả hai hợp kim đồng trong nickel và nickel trong đồng. Hình VIII.6 Cũng như sự hiện diện của biên giới hạt, việc bổ sung các nguyên tố hợp kim làm cho cấu trúc mạng bị thay đổi. Như thấy trên hình VIII.5 và VIII.6, sự hiện diện của các nguyên tố hợp kim làm thay đổi sức hút và đẩy các nguyên tử làm cho sự sắp xếp mạng bị xô lệch, hay bị trượt. Điều này làm tăng năng lượng bên trong của kim loại và cải thiện cơ tính. Hầu như tất cả các kim loại sử dụng trong kĩ thuật đều ở dạng hợp kim gồm một nguyên tố chính và thêm một lượng nhỏ các nguyên tố hợp kim. Hợp kim thường bao gồm nhiều hạt định hướng ngẫu nhiên, với từng hạt được sắp xếp theo cách riêng biệt và có một hoặc nhiều phase đặc trưng. Nếu có nhiều hơn một phase thì hợp kim đó có cấu trúc tinh thể đặc trưng của riêng mình. VIII.2.5. Các Thành phần Cấu trúc tế vi của Thép Carbon Sự sắp xếp toàn bộ các hạt, biên giới hạt và phase có trong hợp kim được gọi là cấu trúc tế vi. Cấu trúc tế vi là nguyên nhân chủ yếu tạo nên các thuộc tính của hợp kim. Cấu trúc tế vi này chịu ảnh hưởng của thành phần các nguên tố hợp kim cùng các yếu tố khác như các nguyên công tạo hình bằng áp lực hoặc xử lí nhiệt. Cấu trúc tế vi chịu ảnh hưởng lớn do nguyên công hàn, nói cách khác, nó ảnh hưởng đến thuộc tính của hợp kim. Trong khi tất cả kim loại đều thể hiện các cấu trúc tế vi khác nhau, trong phạm vi phần này chỉ nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc tế vi xảy ra trong thép carbon chỉ có nguyên tố chính là sắt và nguyên tố hợp kim là carbon. Các nguyên tố hợp kim khác cũng có thể được thêm vào, nhưng ảnh hưởng của chúng đến cấu trúc tế vi sẽ không đáng kể so với carbon. 8
Để giới thiệu chủ đề này, điều quan trong cần hiểu rằng sắt và thép chịu các thay đổi theo sự sắp xếp tinh thể của chúng khi nhiệt độ thay đổi. Nghĩa là khi hợp kim sắt-carbon được nung nóng hoặc làm nguội thì sẽ có chuyển biến phase. Hiện tượng xảy ra này cho phép thay đổi cơ tính của hợp kim bằng cách áp dụng các phương pháp nhiệt luyện khác nhau. Để hiểu được sự thay đổi này xảy ra như thế nào, các nhà luyện kim đã sử dụng những giản đồ trạng thái, hay giản đồ phase, trong đó thể hiện bằng đồ thị các dải thành phần cấu trúc tế vi khác nhau đối với hợp kim sắt-carbon. Giản đồ trạng thái Sắt – Carbon được trình bày trên hình VIII.7. Giản đồ này mô tả bản chất của các phase có trong hợp kim sắt-carbon dưới điều kiện “gần cân bằng”, tức là tốc độ nung nóng và làm nguội diễn ra rất chậm. Hình VIII.7 Nhìn vào biểu đồ thấy rằng, trục tung biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ, còn trục hoành chỉ hàm lượng carbon theo phần trăm. Do đó với hàm lượng carbon đã cho, gióng đường vuông góc qua điểm trên trục hoành ứng với hàm lượng đó. Mặt khác từ những nhiệt độ khác nhau gióng đường ngang, đường đó cắt đường 9
thẳng đứng tại điểm nào đó, từ điểm này có thể xác định được cấu trúc nào tồn tại. Hình VIII.8 chỉ ra cấu trúc điển hình của sắt nguyên chất về mặt thương mại (ferrite) với hàm lượng carbon gần bằng không. Hình VIII.9 là hình ảnh của pearlite sau khi đánh bóng, tẩm thực acid và soi dưới kính hiển vi mạnh (1500 ). Vùng sáng là ferrite và vùng tối là cementite. Một chuyển biến quan trọng xảy ra trong thép là chuyển biến các thành phần khác nhau (ferrite, pearlite, cementite và hỗn hợp của chúng) từ nhiệt độ thường (trong phòng) sang austenite. Hãy xét ví dụ dùng thép với 0,30% C. Khi cấp nhiệt, chuyển biến này bắt đầu xảy ra ở nhiệt độ 1333 oF (723 oC); đường nằm ngang thể hiện nhiệt độ chuyển biến này được gọi là đường A1. Tại 723oC, pearlite và ferrite bắt đầu chuyển sang austenite và ferrite. Sự thay đổi này không xảy ra ngay lập tức, mà diễn ra từ từ. Khi nhiệt độ vượt quá 723oC thay đổi diễn ra nhanh hơn và sẽ chuyển biến hoàn toàn sang austenite. Hình VIII.8 Hình VIII.9 Khi nhiệt độ ở trên 1550 oF (843 oC), tức trên đường A3, austenite và ferrite chuyển biến hoàn toàn thành austenite. Sự thay đổi này cũng không xảy ra tức thời. Nhiệt độ càng cao thì chuyển thành austenite càng nhanh và các hiện tượng khác cũng xảy ra. Các hạt austenite ghép lại với nhau và kích thước hạt tăng lên. Điểm nóng chảy thấp (bắt đầu nóng chảy) đạt được ở 2770 oF (1521oC). Giữa nhiệt độ nóng chảy thấp và cao sẽ có các hạt austenite nổi lẫn trong vũng kim 10
loại nóng chảy. Khi đạt đến điểm nóng chảy cao, toàn bộ austenite nóng chảy trong vũng và các nguyên tử không còn sắp xếp cố định nữa. Khi làm nguội rất chậm, các thay đổi như vậy sẽ xảy ra ngược lại. Đây là tình trạng của chuyển biến mà cho phép làm thép cứng lên hoặc mềm đi bằng cách sử dụng các phương pháp nhiệt luyện khác nhau. Khi nung nóng thép đến vùng austenite rồi làm nguội rất chậm qua vùng chuyển biến này, kết quả thu được là cấu trúc tế vi chứa pearlite. Cấu trúc này chỉ có thể xảy ra khi đủ thời gian cho phép các nguyên tử khuếch tán vào trật tự sắp xếp đó. Sự khuếch tán đơn giản là các nguyên tử chuyển vị trí theo trật tự trong cấu trúc kim loại đặc. Nhiệt độ càng cao, các nguyên tử càng linh hoạt sắp xếp trong cấu trúc mạng. Khi tốc độ làm nguội từ austenite diễn ra đủ chậm, sẽ hình thành nên pearlite. Thép được xử lí nhiệt để tạo thành austenite thường rất mềm và dẻo. Khi tốc độ nguội từ vùng austenite diễn ra nhanh hơn, có sự thay đổi đáng kể trong chuyển biến đối với hợp kim thép đã cho. Đầu tiên, chuyển biến diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn. Tiếp theo, cấu trúc tế vi tạo thành có thay đổi mạnh mẽ và độ bền, độ cứng của thép tăng đáng kể, cùng với đó là sự giảm độ dẻo. Tốc độ nguội càng nhanh, các cấu trúc tế vi chủ yếu được tạo nên bao gồm, pearlite mịn, bainite và martensite. Với tốc độ nguội tăng nhẹ, nhiệt độ chuyển biến giảm đi, tạo thành cấu trúc pearlite. Cấu trúc này, cấu trúc này cứng hơn và độ dẻo hơi thấp hơn cấu trúc pearlite. Nếu tốc độ nguội vẫn nhanh và nhiệt độ chuyển biến thấp hơn nữa, sẽ không còn tồn tại pearlite. Thay vào đó, bainite được tạo thành. Bainite có độ bền và độ cứng tăng đáng kể, độ dẻo thấp và rất khó quan sát dưới kính hiển vi. Khi tốc độ nguội rất nhanh (tôi), thời gian không đủ để xảy ra khuếch tán. Do đó, một số nguyên tử carbon không kịp thoát ra khỏi mạng. Nếu tốc độ nguội đủ nhanh và lượng carbon còn lại trong mạng đủ nhiều, thì sẽ hình thành martensite. Martensite có cấu trúc hình hộp tâm khối (BCT) và dễ bị trượt tức không bền vững. Cấu trúc martensite thể hiện năng lượng bên trong cao và có độ cứng, độ bền rất lớn. Tuy nhiên, martensite chỉ có độ dẻo và độ dai thấp. Hình VIII.10 cho thấy hình ảnh của martensite với độ phóng đại cao (500 ). 11
Hình VIII.10 Để trợ giúp việc xác định thành phần cấu trúc tế vi nào sẽ được hình thành từ tốc độ nguội nhanh, các nhà luyện kim sử dụng giản đồ khác với tên gọi là giản đồ TTT (Time-Temperature-Transformation). Nó còn được gọi là giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt (IT). Như tên gọi, nó mô tả sự hình thành cấu trúc tế vi mà xảy ra sau một thời gian nhất định tại nhiệt độ riêng đối với thành phần thép cụ thể. Một giản đồ tương tự, giản đồ CCT (Continuous Cooling Transformation), giản đồ này chỉ ra sự thay đổi diễn ra khi làm nguội liên tục từ vùng austenite. Hai loại giản đồ này được sử dụng khá thích hợp. Hình VIII.11 mô tả đặc trưng chuyển biến làm nguội liên tục của loại thép 8630. 12
Hình VIII.11 Giản đồ này cho thấy các cấu trúc tế vi được tạo thành như là hàm hai biến nhiệt độ và thời gian. Tốc độ nguội khác nhau được chỉ ra để minh họa cách sử dụng giản đồ như thế nào. Cấu trúc tế vi được hình thành phụ thuộc vào các miền mà đường cong làm nguội qua đó và khoảng thời gian mà các đường cong làm nguội qua. Ví dụ, đường cong “A” chỉ qua các vùng austenite đến martensite, do đó kết quả là cấu trúc tế vi có 100% martensite. Tốc độ làm nguội chậm hơn được đặc trưng bằng đường cong “D” cho thấy các thành phần cấu trúc tế vi tạo thành sẽ chủ yếu chứa ferrite với lượng nhỏ bainite và martensite. Do martensite chỉ có thể nhận được từ chuyển biến austenite, nên bất kì austenite nào mà đã chuyển biến thành ferrite hoặc bainite sẽ không thể chuyển thành martensite được. Để cải thiện độ dẻo và dai mà không làm giảm nhiều độ cứng và bền của martensite, người ta sử dụng quá trình (sau tôi) được gọi là ram. Quá trình ram gồm nung nóng lại cấu trúc martensite đã qua tôi đến nhiệt độ nhất định thấp hơn nhiệt độ chuyển biến dưới (723 oC). Việc này làm cho martensite đã tôi, không ổn định chuyển thành martensite ram bằng cách cho carbon tiết ra (lắng) dưới dạng các hạt carbide nhỏ. Độ bền và độ cứng mong muốn có thể được 13
điều khiển bằng cách chọn thời gian và nhiệt độ ram hợp lí. Nhiệt độ ram cao làm tăng độ mềm (giảm độ cứng) và độ dẻo. Nhiệt luyện tôi và ram thường xuyên được sử dụng để nâng cao các thuộc tính của thép trong chế tạo máy, vì nó làm tăng giới hạn chảy và độ bền kéo, tăng tỉ số giữa giới hạn chảy với độ bền kéo, cải thiện độ dai va đập, có thể so sánh được với thép cán, ủ hoặc thường hóa. Ví dụ về ảnh hưởng của nhiệt độ ram khác nhau đối với hợp kim thép cụ thể được minh họa trên hình VIII.12. Hình VIII.12 VIII.3. Luyện kim đối với Hàn VIII.3.1. Cơ sở lí thuyết Do hàn có thể dẫn đến những thay đổi đáng kể cả về nhiệt độ kim loại cũng như tốc độ nguội từ nhiệt độ cao, cho nên điều quan trọng là phải hiểu được những thay đổi luyện kim từ nguyên công hàn sẽ cho kết quả thế nào. Hình VIII.13 mô tả tiến trình hàn dọc tấm. Trên tấm đó lấy sáu vùng có nhiệt độ khác nhau 400 oF (200oC), 1100oF (590oC), 1335oF (724oC), 1560oF (900oC), 1850oF (1010oC), 2550oF (1400oC) và vùng kim loại nóng chảy. Nếu nhiệt độ chuyển biến là 723 oC, thì có thể tiên đoán được vùng kim loại có nhiệt độ cao hơn 723 oC sẽ thay đổi. Các mối quan tâm gồm nhiệt độ kim loại đạt được, khoảng thời gian ở nhiệt độ đó và làm nguội nhanh thế nào. Hình VIII.14 minh 14
họa mối quan hệ giữa đỉnh nhiệt độ được thể hiện trong các vùng khác nhau của vũng hàn và giản đồ cân bằng sắt-cementite. Hình VIII.13 15
Hình VIII.14 Có thể thấy rằng, tùy thuộc vào vị trí của điểm bên trong hoặc kế cận vũng hàn, có thể hình thành các cấu trúc luyện kim khác nhau. Trong vũng hàn, vùng có nhiệt độ cao nhất, kim loại có thể nguội từ trạng thái lỏng qua các vùng phase khác nhau được chú ý từ trước. Ngay cạnh vũng hàn, trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) (h.VIII.15), kim loại không bị chảy ra, nhưng nhiệt độ rất cao. Vùng ảnh hưởng nhiệt HAZ là vùng thuộc kim loại cơ bản nằm cạnh vũng hàn, có nhiệt độ tăng cao, nhưng dưới nhiệt độ nóng chảy của thép. Tốc độ nguội trong HAZ là nhanh nhất. Những thay đổi điều kiện hàn có ảnh hưởng đáng kể đến việc tạo thành các phase khác nhau, vì điều kiện hàn có ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ nguội của mối hàn. Các điều kiện hàn (biến số chính) có thể tạo nên sự thay đổi là năng lượng đường, gia nhiệt trước khi hàn, lượng carbon tương đương của kim loại cơ bản và chiều dày kim loại cơ bản. 16
Hình VIII.15 Khi năng lượng đường tăng, tốc độ nguội giảm. Dùng điện cực đường kính nhỏ, dòng điện hàn thấp, tốc độ hàn nhanh sẽ có xu hướng làm giảm năng lượng đường, do đó tăng tôc độ nguội. Với bất kì quá trình hàn hồ quang nào, đều có thể tính được năng lượng đường. Nó chỉ phụ thuộc vào dòng điện hàn, điện áp hồ quang và tốc độ di chuyển điện cực theo trục dọc của liên kết hàn. Công thức tính năng lượng đường của mối hàn là: Qd= Trong công thức này, năng lượng đường được biểu thị bằng đơn vị J/in hoặc J/cm và tốc độ di chuyển điện cực là in/min hoặc cm/min. Vì 1 J=1 W nên số 60 ở công thức trên là hệ số chuyển đổi từ min ra sec. Có thể mọi người sẽ hỏi người Thanh tra Hàn kiểm tra năng lượng đường để điều khiển các thuộc tính cấu trúc tế vi xảy ra trong HAZ. Vấn đề khác có ảnh hưởng nhiều đến sự tạo thành cấu trúc tế vi của vùng ảnh hưởng nhiệt là nung nóng trước khi hàn (gia nhiệt). Nói chung, sử dụng gia nhiệt sẽ có xu hướng giảm tốc độ nguội trong vũng hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt, dẫn đến cải thiện độ dẻo. Nếu không gia nhiệt, vùng ảnh hưởng nhiệt khá hẹp và thể hiện độ cứng cao nhất. Trong một số trường hợp, tùy thuộc vào hàm lượng nguyên tố hợp kim mà có thể tạo thành martensite. Tuy nhiên, khi gia nhiệt, vùng ảnh hưởng nhiệt rộng hơn và dẫn đến độ cứng thấp hơn hẳn vì tốc độ nguội chậm hơn, điều đó dễ dẫn đến việc hình thành ferrite, pearlite và có 17
thể bainit, thay cho việc tạo thành martensite. Vì vậy người thanh tra Hàn có thể được yêu cầu giám sát quá trình gia nhiệt đối với từng nguyên công hàn cụ thể. Yêu cầu này chủ yếu liên quan đến tốc độ làm nguội chậm trong vùng ảnh hưởng nhiệt để tạo thành cấu trúc tế vi có thuộc tính mong muốn. Yếu tố quan trọng khác khi hàn thép là hàm lượng carbon tương đương. Vì carbon là nguyên tố có ảnh hưởng mạnh mẽ nhất đến khả năng biến cứng (tạo thành martensite khi làm nguội dễ hay khó) của thép, nên cần phải cân nhắc khi bổ sung các nguyên tố hợp kim là bao nhiêu cho hợp lí. Hàm lượng carbon càng cao, thép càng dễ bị biến cứng. Các nguyên tố hợp kim khác cũng làm tăng khả năng biến cứng với mức độ khác nhau. Cho nên hàm lượng carbon tương đương là công thức kinh nghiệm được dùng để xác định ảnh hưởng tổ hợp các nguyên tố hợp kim đến khả năng biến cứng của thép như thế nào. Công thức điển hình để xác định hàm lượng carbon tương đương (C.E.) là: C.E.= Công thức này được dùng cho thép carbon và thép hợp kim chứa không quá 0,5% Carbon; 1,5% Manganese; 3,5% Nickel; 1% Chromium; 1% Đồng và 0,5% Molybdenum. Khi xác định được hàm lượng carbon tương đương, người ta có thể tính được khoảng gia nhiệt cần thiết để khi hàn đạt kết quả tốt nhất. Bảng VIII.1 tóm tắt một số nhiệt độ nung sơ bộ có thể áp dụng cho các hàm lượng carbon tương đương khác nhau. Bảng VIII.1 Sử dụng những hướng dẫn này, kĩ sư hàn có thể ra quyết định sơ bộ như là cần nung lên đến nhiệt độ nào trước khi hàn để thỏa mãn điều kiện đã cho. Tuy còn nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quyết định này, song đây là quyết định khởi đầu cần thiết. 18
Chiều dày kim loại cơ bản cũng có ảnh hưởng đến tốc độ nguội; nói chung mối hàn trên kim loại cơ bản càng dày thì tốc độ nguội càng nhanh. Nhiệt dung hoặc khả năng tiêu nhiệt càng lớn do tiết diện lớn làm cho mối hàn nguội nhanh hơn. Cho nên khi hàn tiết diện dày, cần phải chỉ rõ yêu cầu về nung nóng sơ bộ để giảm tốc độ nguội, cải thiện cơ tính vùng ảnh hưởng nhiệt. Từ đây thấy rằng, khi hàn các phần tử có tiết diện lớn, thường phải tăng cường việc nung nóng sơ bộ ban đầu cũng như sau mỗi lượt hàn để giảm tốc độ nguội. VIII.3.2. Các Phương pháp Xử lí nhiệt (Nhiệt luyện) Ở trên đã đề cập đến một số phương pháp xử lí nhiệt có thể áp dụng cho kim loại. các phương pháp này có thể được áp dụng cho kim loại cơ bản trước khi hàn hoặc sau khi mối hàn hoàn thành để cải thiện cơ tính riêng. Một trong những công việc đối với người Thanh tra Hàn là điều hành các nguyên công nhiệt luyện nhằm khẳng định rằng thời gian và nhiệt độ đã được tuân thủ theo hướng dẫn. Các phương pháp xử lí nhiệt bao gồm ủ, thường hóa, tôi, ram, nung nóng trước, nung nóng sau, giảm ứng suất nhiệt. Ủ là phương pháp làm mềm được sử dụng để tăng tính dẻo của kim loại và phải chịu giảm độ bền của nó. Khi ủ, kim loại được nung nóng đến vùng (giải) nhiệt độ austenite, giữ nhiệt một thời gian, rồi làm nguội rất chậm cùng lò. Để làm nguội, người ta thường tắt lò và để chi tiết bên trong cho đến nhiệt độ môi trường. Thường hóa cũng là phương pháp làm mềm kim loại, nhưng không triệt để như ủ. Nó được xem như là phương pháp nhiệt luyện “làm đồng nhất” bằng cách làm cho cấu trúc kim loại rất đều nhau theo tiết diện. Thường hóa được bắt đầu bằng cách tăng nhiệt độ kim loại đến vùng nhiệt độ austenite, giữ nhiệt một thời gian, sau đó làm nguội chậm ngoài không khí. Tốc độ nguội ngoài không khí nhanh hơn trong lò, nên độ bền và độ cứng cao hơn, độ dẻo thấp hơn một ít so với ủ. Thép carbon và thép hợp kim đã thường hóa sẽ dễ hàn hơn. Tôi khác hẳn với ủ và thường hóa ở chỗ tạo ra sản phẩm có cơ tính với độ bền, độ cứng cao hơn, độ dẻo, độ dai thấp hơn đáng kể. Phương pháp xử lí biến cứng này được thực hiện bằng cách tăng nhiệt độ kim loại đến vùng nhiệt độ austenite, giữ nhiệt một thời gian, sau đó làm nguội nhanh đến nhiệt độ môi trường bằng cách nhúng chi tiết vào môi trường tôi, như nước, dầu, nước muối. 19
Tôi được thực hiện để tạo nên cấu trúc chủ yếu là martensite với đặc trưng là độ bền, độ cứng rất cao, độ dẻo, độ dai thấp. Ram – như đã nói ở phần trên, để cải thiện độ dẻo mà không làm độ bền giảm nhiều, sau khi tôi người ta phải tiến hành ram (nhiều khi là bắt buộc). Gia nhiệt (nung nóng trước hàn) được sử dụng để làm giảm tốc độ nguội của kim loại cơ bản gần với vũng hàn, cho phép tạo nên các thành phần cấu trúc tế vi khác với martensite. Xử lí nhiệt sau hàn được sử dụng sau khi đã hàn hoàn thiện nhằm giảm ứng suất dư và ram những phase giòn cứng đã hình thành khi làm nguội hoặc tôi. Thông thường nhiệt độ xử lí nhiệt sau khi hàn cao hơn nhệt độ gia nhiệt trước khi hàn. VIII.3.3. Ứng suất Khi hàn, nhiệt truyền vào vùng hàn không đều. Do đó, một phần kim loại nhận nhiều nhiệt nên nhiệt độ rất cao, trong khi kim loại gần vùng hàn chỉ có nhiệt độ thấp. Kết quả làm cho kim loại tại những điểm cách vùng hàn khoảng cách khác nhau bị giãn nở nhiệt khác nhau. Phần kim loại nhận được nhiều nhiệt trực tiếp sẽ có xu hướng giãn nở, khi giãn nở, chúng sẽ bị cản trở bởi vùng kim loại có nhiệt độ thấp hơn, giãn nở ít. Hình VIII.16 minh họa những thay đổi kích thước xảy ra trong thanh thẳng (h.VIII.16A) được nung nóng một phía bằng hồ quang hàn. Trong hình VIII.16B hồ quang truyền nhiệt vào và thanh bắt đầu nóng lên dưới ảnh hưởng nhiệt của hồ quang. Nhiệt không truyền qua thanh ngay lập tức. Vì chỉ phía trên của thanh được nung nóng, nên phía trên bị giãn nở, còn phía dưới thì không. Kết quả thanh bị biến dạng, hai đầu hướng xuống khi hàn (h.VIII.16C). 20