Ch ng VIII – LUY N KIM HÀNươ Ệ
VIII.1. Khái ni m chungệ
Luy n kim là khoa h c nghiên c u, x lí c u trúc bên trong c a kim lo i/ h pệ ọ ứ ử ấ ủ ạ ợ
kim và m i liên h gi a các c u trúc này v i các thu c tính c a kim lo i và h pố ệ ữ ấ ớ ộ ủ ạ ợ
kim. Nói đ n luy n kim hàn, ng i ta th ng quan tâm đ n nh ng thay đ i khácế ệ ườ ườ ế ữ ổ
nhau x y ra trong kim lo i khi hàn các ph n t v i nhau, đ c bi t là chúng nhả ạ ầ ử ớ ặ ệ ả
h ng đ n tính ch t c h c. ưở ế ấ ơ ọ
Ng i Thanh tra Hàn ph i có ki n th c c b n v luy n kim hàn. Gi sườ ả ế ứ ơ ả ề ệ ả ử
ng i thanh tra đã có ki n th c v luy n kim hàn, thì h cũng không hoàn toànườ ế ứ ề ệ ọ
ch u trách nhi m v thông s kim lo i c b n và kim lo i hàn ho c ph ngị ệ ề ố ạ ơ ả ạ ặ ươ
pháp x lí c a chúng. Song, s hi u bi t v b n ch t luy n kim hàn không chử ủ ự ể ế ề ả ấ ệ ỉ
giúp cho ng i thanh tra trong công vi c v hàn, mà còn trong nhi u lĩnh v cườ ệ ề ề ự
khác. M t trong nh ng nguyên nhân là c tính c a kim lo i nh đ b n, độ ữ ơ ủ ạ ư ộ ề ộ
c ng, đ d o, đ dai, đ b n m i, đ ch ng mài mòn, t t c đ u ch u nhứ ộ ẻ ộ ộ ề ỏ ộ ố ấ ả ề ị ả
h ng do s chuy n bi n luy n kim trong quá trình hàn.ưở ự ể ế ệ
Các thu c tính b nh h ng b i các y u t luy n kim khác nhau g m vi c bộ ị ả ưở ở ế ố ệ ồ ệ ổ
sung nguyên t h p kim, x lí c nhi t. Ng i Thanh tra Hàn ph i hi u cácố ợ ử ơ ệ ườ ả ể
thu c tính này đ c m nh n t t h n nh m ph c v t t các nguyên công s nộ ể ả ậ ố ơ ằ ụ ụ ố ả
xu t. Các yêu c u s n xu t nh t đ nh, nh gia nhi t, x lí nhi t sau hàn, ki mấ ầ ả ấ ấ ị ư ệ ử ệ ể
tra nhi t đ gi a các l t hàn, ki m tra năng l ng đ ng, đ m m i hàn, gi mệ ộ ữ ượ ể ượ ườ ầ ố ả
ng su t nhi t… có th gây ra m t s lo i chuy n bi n luy n kim t đó nhứ ấ ệ ể ộ ố ạ ể ế ệ ừ ả
h ng đ n tính ch t c h c c a kim lo i. Vì v y, ch ng này s mô t chưở ế ấ ơ ọ ủ ạ ậ ươ ẽ ả ủ
y u các khía c nh luy n kim hàn thép và nh n m nh đ n các ph ng pháp đi uế ạ ệ ấ ạ ế ươ ề
khi n nh ng thay đ i có th x y ra.ể ữ ổ ể ả
Do ch đ luy n kim hàn g m nhi u khía c nh, nên có th v t ra ch đủ ề ệ ồ ề ạ ể ượ ủ ề
th o lu n. Do đó đây ch gi i h n nh ng thay đ i quan tr ng mà có th x y raả ậ ở ỉ ớ ạ ữ ổ ọ ể ả
trong nguyên công hàn. Nh ng thay đ i này đ c tóm t t và chia làm hai lo i.ữ ổ ượ ắ ạ
Lo i đ u tiên g m nh ng thay đ i x y ra bên trong kim lo i khi nó nh n đ cạ ầ ồ ữ ổ ả ạ ậ ượ
nhi t năng và chuy n t nhi t đ bình th ng đ n nhi t đ cao và các giai đo nệ ể ừ ệ ộ ườ ế ệ ộ ạ
khi h t nhi t đ cao v nhi t đ th p. Lo i th hai là nh h ng c a t c đạ ừ ệ ộ ề ệ ộ ấ ạ ứ ả ưở ủ ố ộ
thay đ i nhi t đ đ n các thu c tính c a kim lo i. Quan tr ng h n n a là tìmổ ệ ộ ế ộ ủ ạ ọ ơ ữ
hi u quá trình ngu i c a kim lo i t nhi t đ cao đ n nhi t đ bình th ngể ộ ủ ạ ừ ệ ộ ế ệ ộ ườ
di n ra nh th nào.ễ ư ế
1
Đ u tiên, kh o sát nh ng thay đ i x y ra trong kim lo i khi nó đ c làm nóngầ ả ữ ổ ả ạ ượ
và h nhi t m t cách đ u đ u. Tuy nhiên, c n chú ý r ng quá trình hàn th hi nạ ệ ộ ề ề ầ ằ ể ệ
m t s v n đ r t khác vì nguyên công hàn có xu h ng gia nhi t t p trung vàoộ ố ấ ề ấ ướ ệ ậ
vùng r t nh c a kim lo i. Do đó nung nóng và làm ngu i không đ u s gây raấ ỏ ủ ạ ộ ề ẽ
m t s v n đ khác n a.ộ ố ấ ề ữ
VIII.2. C u trúc (t ch c) kim lo i c b n.ấ ổ ứ ạ ơ ả
VIII.2.1. S s p x p các nguyên tự ắ ế ử
Đ hi u đ c các thu c tính luy n kim c a kim lo i, c n ph i b t đ u b ngể ể ượ ộ ệ ủ ạ ầ ả ắ ầ ằ
vi c mô t m t s thu c tính c a h t có trong các d ng v t ch t. Các h t cệ ả ộ ố ộ ủ ạ ạ ậ ấ ạ ơ
b n này k t h p l i t o thành các d ng v t ch t th r n (đ c), l ng, khí (h i);ả ế ợ ạ ạ ạ ậ ấ ể ắ ặ ỏ ơ
chúng đ c bi t đ n v i tên g i là nguyên t . Các nguyên t này nh đ n m cượ ế ế ớ ọ ử ử ỏ ế ứ
m t th ng không th nhìn th y, th m chí dùng c kính hi n vi công su tắ ườ ể ấ ậ ả ể ấ
m nh nh t. Tuy nhiên khi b t đ u m c đ này và đ c gi i thích v tính ch tạ ấ ắ ầ ở ứ ộ ượ ả ề ấ
c a nguyên t cũng nh c u trúc c a chúng, ng i đ c có th hi u đ y đ h nủ ử ư ấ ủ ườ ọ ể ể ầ ủ ơ
m t s hi n t ng mà đ c quan sát qua kính hi n vi ho c v i m t th ng.ộ ố ệ ượ ượ ể ặ ớ ắ ườ
M t trong nh ng tính ch t quan tr ng c a các nguyên t là d i nhi t đ nh tộ ữ ấ ọ ủ ử ở ả ệ ộ ấ
đ nh, chúng có khuynh h ng t o nên c u trúc có hình d ng riêng. S dĩ nhị ướ ạ ấ ạ ở ư
v y vì có nh ng l c xác đ nh tác đ ng t ng h gi a các t ng nguyên t khiậ ữ ự ị ộ ươ ỗ ữ ừ ử
gi a chúng có m t kho ng tr ng nh t đ nh. Nh ng l c này có khuynh h ngữ ộ ả ố ấ ị ữ ự ướ
đ y ho c hút các nguyên t v i nhau, trong khi các nguyên t cũng đang đ yẩ ặ ử ớ ử ẩ
nhau. Do đó t ng nguyên t đ c gi v trí riêng c a chúng đ i v i các nguyênừ ử ượ ữ ở ị ủ ố ớ
t khác quanh đó b ng các l c t ng tác (ử ằ ự ươ h.VIII.1). Nh ng nguyên t v tríữ ử ở ị
riêng c a chúng đ c s p x p theo hàng, c t và l p trong m ng tinh th làủ ượ ắ ế ộ ớ ạ ể
không gian ba chi u đ i x ng.ề ố ứ
Hình VIII.1
2
Tuy nhiên, các v trí này không c đ nh. Trong th c t , chúng có xu h ng daoị ố ị ự ế ướ
đ ng quanh v trí cân b ng đ duy trì kho ng cách cân b ng. V i nhi t đ đãộ ị ằ ể ả ằ ớ ệ ộ
cho, chúng s gi v trí cân b ng. Khi có s cân b ng gi a các l c hút và l cẽ ữ ị ằ ự ằ ữ ự ự
đ y, thì ng i ta nói r ng năng l ng bên trong (n i năng) c a kim lo i m cẩ ườ ằ ượ ộ ủ ạ ở ứ
cân b ng.ằ
M i c g ng nh m tác đ ng cho các nguyên t l i g n nhau s b l c đ yọ ố ắ ằ ộ ử ạ ầ ẽ ị ự ẩ
ch ng l i và l c đ y đó s tăng khi các nguyên t b đ y l i g n nhau. Ph nố ạ ự ẩ ẽ ử ị ẩ ạ ầ ả
ng này là b ng ch ng th c t cho th y kim lo i th hi n đ b n nén r t cao.ứ ằ ứ ự ế ấ ạ ể ệ ộ ề ấ
T ng t nh v y, m i c g ng nh m kéo các nguyên t xa nhau s b l c hútươ ự ư ậ ọ ố ắ ằ ử ẽ ị ự
ch ng l i. Song l c hút s b gi m m nh khi các nguyên t tr nên xa cách nhau.ố ạ ự ẽ ị ả ạ ử ở
D n ch ng c a ph n ng này có th đ c quan sát th y khi th kéo. Khi đ thẫ ứ ủ ả ứ ể ượ ấ ử ồ ị
d i đi m ch y, t i tr ng làm m u b giãn dài ra và kho ng tr ng gi a cácở ướ ể ả ả ọ ẫ ị ả ố ữ
nguyên t tăng lên. Khi gi m l c kéo (t i tr ng) m u s th hi n tính đàn h i,ử ả ự ả ọ ẫ ẽ ể ệ ồ
t c là m u s tr v kích th c ban đ u.ứ ẫ ẽ ở ề ướ ầ
N u t i tr ng tác d ng lên m u tăng lên v t quá đi m ch y c a kim lo i, nóế ả ọ ụ ẫ ượ ể ả ủ ạ
s th hi n tính d o. Gi đây nó s không tr v kích th c dài ho c kho ngẽ ể ệ ẻ ờ ẽ ở ề ướ ặ ả
cách gi a các nguyên t ban đ u, vì các nguyên t ch u tác d ng l c khá l n đữ ử ầ ử ị ụ ự ớ ể
tách xa nhau mà l c hút không đ m nh đ gi chúng v trí ban đ u. Khiự ủ ạ ể ữ ở ị ầ
kho ng cách (kho ng tr ng) gi a các nguyên t ti p t c tăng v t xa đi mả ả ố ữ ử ế ụ ượ ể
ch y thì l c hút này càng y u và không đ s c đ gi các nguyên t liên k t v iả ự ế ủ ứ ể ữ ử ế ớ
nhau n a làm cho kim lo i b phá h y.ữ ạ ị ủ
Tr c h t chú ý r ng các nguyên t kim lo i th hi n kho ng tr ng riêng đ cướ ế ằ ử ạ ể ệ ả ố ặ
tr ng nhi t đ ho c năng l ng bên trong v i m c nh t đ nh. Vì nhi t là m tư ở ệ ộ ặ ượ ớ ứ ấ ị ệ ộ
d ng c a năng l ng, nên n i năng c a kim lo i tăng khi nhi t đ c a nó tăng.ạ ủ ượ ộ ủ ạ ệ ộ ủ
Năng l ng b sung này có xu h ng làm cho các nguyên t dao đ ng m nhượ ổ ướ ử ộ ạ
h n d n đ n kho ng tr ng gi a các nguyên t tăng lên. Có th quan sát m tơ ẫ ế ả ố ữ ử ể ộ
cách rõ ràng năng l ng b sung này vì kích th c t ng th c a m u kim lo iượ ổ ướ ổ ể ủ ẫ ạ
tăng khi các nguyên t chuy n đ ng ra xa nhau. Do đó, b t kì s gi m nhi t đử ể ộ ấ ự ả ệ ộ
nào trong kim lo i s làm cho nguyên t g n nhau h n, nói cách khác, kim lo iạ ẽ ử ầ ơ ạ
b co l i.ị ạ
Khi nhi t b sung làm kim lo i nóng lên, dao đ ng c a các nguyên t ti p t cệ ổ ạ ộ ủ ử ế ụ
tăng lên làm cho kho ng tr ng tăng d n đ n giãn n kim lo i. Quá trình này ti pả ố ẫ ế ở ạ ế
t c đ n đi m mà đó kho ng tr ng gi a các nguyên t l n đ n m c cácụ ế ể ở ả ố ữ ử ớ ế ứ
3
nguyên t không đ s c gi nhau t o thành c u trúc riêng đ c n a. Khi đó kimử ủ ứ ữ ạ ấ ượ ữ
lo i r n chuy n sang th l ng ạ ắ ể ể ỏ (h.VIII.2). Nhi t đ mà t i đó x y ra s chuy nệ ộ ạ ả ự ể
tr ng thái này đ c g i là đi m nóng ch y. Ti p t c gia nhi t, thì kim lo i l ngạ ượ ọ ể ả ế ụ ệ ạ ỏ
s chuy n sang th khí; s chuy n tr ng thái t l ng sang khí này x y ra ẽ ể ể ự ể ạ ừ ỏ ả ở
nhi t đ đ c g i là đi m b c h i.ệ ộ ượ ọ ể ố ơ
Hình VIII.2
Kim lo i r n có năng l ng bên trong th p nh t và kho ng tr ng gi a cácạ ắ ượ ấ ấ ả ố ữ
nguyên t nh nh t. Kim lo i l ng có năng l ng bên trong cao h n v i kho ngử ỏ ấ ạ ỏ ượ ơ ớ ả
tr ng l n h n và đ c coi nh không còn c u trúc c đ nh. Kim lo i khí có năngố ớ ơ ượ ư ấ ố ị ạ
l ng bên trong cao nh t v i kho ng trông l n nh t và cũng không còn c u trúcượ ấ ớ ả ớ ấ ấ
c đ nh.ố ị
Trong khi nh ng hi n t ng trên khá thích thú và d hi u, đi u có ý nghĩa h nữ ệ ượ ễ ể ề ơ
là nh n th c đ c t i sao chúng l i quan tr ng đ i v i thanh tra hàn. Rõ ràngậ ứ ượ ạ ạ ọ ố ớ
r ng hàn và c t truy n nhi t l ng vào kim lo i, nhi t l ng này làm kim lo iằ ắ ề ệ ượ ạ ệ ượ ạ
giãn n ra. N u đi u khi n sao cho quá trình truy n nhi t vào kim lo i đ u vàở ế ề ể ề ệ ạ ề
không đ i, thì ng i ta có th đo đ c s thay đ i chi u dài ho c kích th cổ ườ ể ượ ự ổ ề ặ ướ
c a m u kim lo i khi đ c gia nhi t. M i kim lo i/ h p kim đ u có h s giãnủ ẫ ạ ượ ệ ỗ ạ ợ ề ệ ố
n nhi t riêng. Do đó có th tính đ c giá tr giãn n chính xác c a m u kimở ệ ể ượ ị ở ủ ẫ
lo i khi tăng nhi t đ lên m t giá tr nào đó.ạ ệ ộ ộ ị
VIII.2.2. C u trúc m ng tinh thấ ạ ể
Trong kim lo i r n (đ c), các nguyên t có xu h ng s p x p theo hàng, c t,ạ ắ ặ ử ướ ắ ế ộ
l p m t cách tr t t đ t o ra c u trúc m ng tinh th ba chi u. Theo đ nh nghĩa,ớ ộ ậ ự ể ạ ấ ạ ể ề ị
các kim lo i có c u trúc tinh th và b t kì sai l ch nào x y ra do k t tinh, t tạ ấ ể ấ ệ ả ế ấ
nhiên là không đúng. Khi kim lo i đông đ c, nó luôn luôn t o ra mô hình tinhạ ặ ạ
th . S xu t hi n h ng hóc b m t tinh th vì sai sót th ng là do phá h y bể ự ấ ệ ỏ ề ặ ể ườ ủ ề
m t b giòn và m i. ặ ị ỏ
4
S các nguyên t nh nh t đ c s p x p theo m t tr t t nh t đ nh đ c g iố ử ỏ ấ ượ ắ ế ộ ậ ự ấ ị ượ ọ
là “ô c b n”. Đi u quan tr ng c n bi t là ô c b n không t n t i nh m t đ nơ ả ề ọ ầ ế ơ ả ồ ạ ư ộ ơ
v đ c l p mà nó chung các nguyên t v i các ô lân c n theo s s p x p khôngị ộ ậ ử ớ ậ ự ắ ế
gian ba chi u.ề
Các c u trúc m ng tinh th (ho c là các phase) ph bi n nh t trong kim lo i làấ ạ ể ặ ổ ế ấ ạ
l p ph ng tâm kh i (BCC), l p ph ng tâm m t (FCC) và l c ph ng x pậ ươ ố ậ ươ ặ ụ ươ ế
ch t (HCP), chúng đ c minh h a trên ặ ượ ọ hình VIII.3. M t s kim lo i nh s t t nộ ố ạ ư ắ ồ
t i c phase r n khi nhi t đ bình th ng, cũng nh phase r n khác khi nhi tạ ả ở ắ ệ ộ ườ ư ắ ệ
đ tăng cao. Khi nhi t đ thay đ i, s chuy n bi n t phase này sang phase khácộ ệ ộ ổ ự ể ế ừ
trong kim lo i r n đ c g i là chuy n bi n thù hình ho c chuy n bi n phaseạ ắ ượ ọ ể ế ặ ể ế
trong tr ng thái r n. Tinh th kim lo i có c u trúc khác, nh ng có cùng thànhạ ắ ể ạ ấ ư
ph n hóa h c đ c g i là tinh th thù hình. Đi u này s đ c đ c p kĩ h n ầ ọ ượ ọ ể ề ẽ ượ ề ậ ơ ở
ph n sau.ầ
Hình VIII.3
Ô c b n BCC đ c mô t nh m t hình l p ph ng mà m i đ nh có m tơ ả ượ ả ư ộ ậ ươ ỗ ỉ ộ
nguyên t và m t nguyên t hoàn toàn n m t i tâm c a ô. Nh ng kim lo i có ôử ộ ử ằ ạ ủ ữ ạ
c b n BCC đi n hình là s t, thép carbon, chromium, molybdenum, wolfram…ơ ả ể ắ
Ô c b n FCC đ c nhìn th y nh hình l p ph ng mà m i đ nh có m tơ ả ượ ấ ư ậ ươ ỗ ỉ ộ
nguyên t và t i tâm c a m i m t có m t nguyên t . Thu c v các kim lo i có ôử ạ ủ ỗ ặ ộ ử ộ ề ạ
c b n FCC ph bi n là s t, nhôm, đ ng, nickel, thép không g austenite…ơ ả ổ ế ắ ồ ỉ
Ô c b n HCP là hình lăng tr l c giác. Nó có th đ c hình dung nh hai hìnhơ ả ụ ụ ể ượ ư
l c giác t o nên đ nh và đáy lăng tr . M i nguyên t đ c n m t i tâm và đ nhụ ạ ỉ ụ ỗ ử ượ ằ ạ ỉ
các hình l c giác. Ngoài ra còn có ba nguyên t n m t i tâm c a ba hình lăng trụ ử ằ ạ ủ ụ
tam giác cách đ u có cùng m t đ nh và đáy. Thu c v các kim lo i có ô c b nề ặ ỉ ộ ề ạ ơ ả
HCP ph bi n là titanium, k m, cadmium, beryllium, magnesium…ổ ế ẽ
VIII.2.3. S đông đ c c a kim lo i ự ặ ủ ạ
5