Giáo trình Công nghệ hàn điện nóng chảy (Tập 2 - Ứng dụng): Phần 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:156

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 cuốn giáo trình "Công nghệ hàn điện nóng chảy (Tập 2 - Ứng dụng)" cung cấp cho người đọc các kiến thức: Khái niệm chung về hàn thép, công nghệ hàn thép cacbon và thép kết cấu hợp kim thấp, công nghệ hàn thép hợp kim thấp. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Công nghệ hàn điện nóng chảy (Tập 2 - Ứng dụng): Phần 1

CHÁY A V* (ýắ á *
TS. NGÔ LÊ THÔNG CÔNG NGHỆ HÀN ĐIỆN NÓNG CHẢY Tập 2 - ng dụng ử (Tirọn bộ 2 tập) (Giáo trình cho sinh viên cơ khí thuộc các hệ đào tạo) In lấn thứ NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ Nộ! 2007
LỜI NÓI ĐẦU Do nhucầu cùa công cuộc công nghiệp hóa nước, công nghệ hàn ngày càng được sửdụng rộng trong nhi nghiệp như chê tạo mảy, xâyỉắp công trình công nghiệp giao thông vận tả ó chất, v.v. Cùng i,h a đội ngũ cán bộ quản lý và công nhân hàn, các kỹ sư hàn dược đào tạo từ các nước ngoài và tại trường Đại học Bách khoa Hà nội (kế từ năm ¡977) đã và đang đóng góp nhiều công sức tại cáccông ty, nghiệp, viện nghiên cơ sở đào tạo trong cả nước, đáp ứng phần nào nhu cầu không ngừng gia tăng cùa nền công nghiệp nước nhà đội ngũ chuyên gia hàn. Đây là tập 2 trong bộ tài liệuCóng nghệ Cơ sở lý thuyết (Tập ỉ) vàUng dụng (Tập dùng là cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ hàn của trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Bạn đọc là sinh viên cơ khí, kỹ sư, kỹ thuật viên và công nhân bậc cao công tác tại các cơ ssản xuất có hàn cũng cớ thể dùng cuốn sách này làm tài tham khảo, phục vụ cho công việchàng ngày cùa mình. Tập 2 này giới thiệu các ứng dụng công nghệ hàn điện nóng chảy đổi vớihầu hét vật liệukim tâm cùa tài liệulà các chương về và tầm quan trọng cùa việc sửdụng kết cấu hà này. Các quá trình hàn những vật l nêu trong t giới thiệu trong tập I,xuất bàn năm 2Ờ04. Hy vọng rằng cuốnsách sẽ giúp bạn đọc phần nào nắm bắt được những vấn đệ chính vể tính hàn cùa các vật liệu kim loạithông dụng, cách thức chọn vật liệu hàn và đưa ra được các biện pháp công nghệ thích hợp cho từng trường hợp cụ thê. Riêng đối với bạn đọc là simh viên chuyên ngành Công nghệ hàn, cần tham khảo thêm tài liệuHướng dẫn th nghệ hàn điện nóng chảy, nhằm hoàn thành đồ án môn học cùng các thí nghiệm có liên quan. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Hàn và Công nghệ Kim loại, trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Nhà xuât bản Khoa học vờ Kỹ thuật đã tạo mọi điều kiệm thuận cho việc biên soạn và 3
xuất bản tài liệunày, đặcbiệt là PGS. TS. Hoà Nguyễn Thúc Hà đã đọc bản tháo và có những nhận xét góp ỷ báu. Do những hạn chế về mặt kiến thức, kinh nghiệm cũng như thời gian, tài liệu này chắc không tránh khỏi những thiếu sót. Chủng tôi xin trăn trọng cảm ơn những ỷ kiến đóng góp của bạn đọc và của đồng nghiệp. Các ý kiến xin gửi về địa chỉ sau: Bộ môn Hàn và Công nghệ Kim loại Khoa Cơ khỉ Nhà C l phòng 306 trường Đại học Bách khoa Hà Nội SỔ I Đại Cồ ,Hà Nội. t ệ i V Tel:04-8692204 Email: thong-dwe@mail.hut.edu.vn Tác giả 4
MỤC LỤC Trang LÒI NÓI ĐẦU 3 CHƯƠi>G 1: ^ H Á I NIỆM CHUNG VÈ HÀN THÉP 11 1.1 Phâ.. loại thép dùng cho kết cấu hàn 12 1.2 Tính hàn của thép 21 1.2 . 1 Một số khái niệm cơ bản liên quan đến tính hàn của thep 21 12.2 Chu trình nhiệt hàn và tính chất vùng ảnh hưởng nhiệt 21 1.2.3 Giản đồ phân hủy của austenit vùng ảnh hưởng nhiệt và kim loại mối hàn 23 1.2.4 Tính toán điều kiện nguội vùng ảnh hường nhiệt khi hàn thép 30 1.3 Nứt và độ lành lặn của liên kết hàn thép 43 1.3.1 Khái niệm độ lành lặn của liên kết hàn và phân loại nứt 43 1.3.2 Nứt nóng 45 1.3.3 Nứt nguội 55 1.3.4 Nứt tầng 62 1.3.5 Nứt do ram mối hàn 64 1.4 Chỉ tiêu lựa chon công nghệ và chế độ nhiệt cho hàn thép 68 1.4.1 Thép cán trước khi hàn và không nhiệt luyện sau khi hàn 68 1.4.2 Thép thường hóa hoặc thép tôi và ram cao trước khi hàn và nhiệt luyện sai’ khi hản 69 1.4.3 Thép thường hóa hoặc ram cao trước khi hàn và không nhiệt luyện sau khi hàn 72
1.4.4 Thép ủ trước khi hàn và nhiệt luyện sau khi hàn 73 CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ HÀN THÉP CACBON VÀ THÉP KẾT CÁU HỢP KIM THÁP 74 2.1 Công nghệ hàn thép cacbon thấp và thép kết cấu họp kim thấp 75 2.1.1 Thành phần và tính chất kim loại cơ bản 75 2.1.2 Sự hình thành mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt 16 2.1.3 Công nghệ hàn thép cacbon thấp và thép kết cấu hợp kim thấp 81 2.1.4 Công nghệ hàn một số loại thép kết cấu hợp kim thấp điển hình 99 2.2 Công nghệ hàn thép họp kim vi lượng 1 10 2.2.1 Thành phần và tính chất kim loại cơ bản 110 2.2.2 Tính hàn của thép hợp kim vi lượng 1 15 2.2.3 Công nghệ hàn thép họp kim vi lượng 1 20 2.3 Công nghệ hàn thép cacbon trung bình và thép cacbon cao 122 2.3.1 Công nghệ hàn thép cacbon trung bình 1 22 2.3.2 Công nghệ hàn thép cacbon cao 1124 CHƯƠNG 3: CÔNG NGHỆ HÀN THÉP HỢP KIM THÁP 1127 3.1 Đặc điểm và tính hàn của thép họp kim thấp 1127 3.2 Công nghệ hàn thép hợp kim thấp tôi và ram nồng độ cacbon thấp 113 3.2.1 Lựa chọn vật liệu hàn 1134 3.2.2 Kỹ thuật hàn thép tôi và ram nồng độ cacbon thấp 113íf 3.2.3 Công nghệ hàn một số loại thép tôi và ram nồng độ cacbon thấp điển hình 112> s 3.3 Công nghệ hàn thép hợp kim thấp chịu nhiệt II4 f 3.3.1 Tính chất kim loại cơ bản 114 í 3.3.2 Đặc điểm công nghệ và kỹ thuật hàn thép hợp kim thấp chịu nhiệt 1146 6
3.4 Công nghệ hàn thép độ bền cực cao có nồng độ cacbon trung bình 150 3.4. ] Cơ sở xác định chế độ hàn thép độ bền cực cao có nồng độ cacbon trung binh 150 3.4.2 Lựa chọn vật liệu hàn thép độ bền cực cao có nồng độ cacbon trung bình 15Ậ 3.4.3 Đặc điểm công nghệ và kỹ thuật hàn thép độ bền cực cao có nồng độ cacbon trung bình ] 54- CHƯƠNG 4: CÔNG NGHỆ HÀN THÉP HỢP KIM CAO 150 4.1 Công nghệ hàn thép không gỉ crom 159 4.1.1 Thành phần và tính chất kim loại cơ bản 159 4 .1.2 Tỉnh hàn của thép không gỉ crom 165 4.1.3 Vật liệu hàn, công nghệ và kỹ thuật hàn thép không gỉ crom 166 4.2 Công nghệ hàn thép không gỉ austenit 175 4.2.1 Thành phần và tính chất kim loại cơ bản 175 . 4.2.2 Tính hàn của thép không gỉ austenit 184 4.2.3 Vật liệu hàn và kỹ thuật hàn thép không gỉ austenit 191 4.3 Công nghệ hàn thép không gỉ duplex 202 4.3.1 Thành phần và tính chất kim loại cơ bản 202 4.3.2 Tính hàn của thép không gi duplex 207 4.3.3 Vật liệu hàn và kỹ thuật hàn thép không gỉ duplex điển hình 209 4.4 Công nghệ hàn thép không gỉ biến cứng kết tủa 217 4.4.1 Thành phần và tính chất kim loại cơ bàn 217 4.4.2 Công nghệ hàn thép không gí biến cứng kết tủa mactenzit 219 4.4.3 Công nghệ hàn thép không gí biến cứng kết tủa nửa austenit 220 4.4.4 Công nghệ hàn thép không gi biến cứng kết tủa austenit 220 7
4.5 Công nghệ hàn thép mactenzit hóa già 2:21 4.5.1 Thành phần và tính chất kim loại cơ bản 221 4.5.2 Tính hàn và công nghệ hàn thép mactenzit hóa già 223 4.6 Công nghệ hàn thép austenit mangan 224 4.6.1 Thành phần và tính chất kim loại cơ bàn 224 4.6.2 Tính hàn của thép austenit mangan 2:25 4.6.3 Công nghệ hàn thép austenit mangan 2:25 CHƯƠNG 5: CÔNG NGHỆ HÀN GANG 2:27 5.1 Thành phần, tể chức kim loại và tính chất của gang 2:28 5.2 Tính hàn của gang 230 5.3 Nguyên tắc lựa chọn công nghệ hàn gang 2 32 5.4 Phương pháp và kỹ thuật hàn gang 2:33 5.4.1 Phương pháp hàn nóng gang 2:35 5.4.2 Phương pháp hàn nguội gang 236 5.4.3 Vấn đề nung nóng sơ bộ khi hàn gang 2:37 5.4.4 Kỹ thuật hàn gang 2:37 CHƯƠNG 6: ĐẶC ĐIẺM CÔNG NGHỆ HÀN KIM LOẠI MAU 2:40 6.ỉ Tính chất hóa lý và ứng dụng hàn cua kim loại màu 241 6.2 Vai trò của tạp chất trong kim loại màu khi hàn 2:46 6.2.1 Tương tác của kim loại màu với oxi 246 6.2.2 Tương tác của kim loại màu với nitơ 248 6.2.3 Tương tác của kim loại màu với hydro 248 6.2.4 Vai trò của các tạp chất khác trong kim loại màu 250 6.3 Đặc điểm chung của kim loại màu khi hàn 252 CHƯƠNG 7: CÔNG NGHỆ HÀN KIM LOẠI NẶNG VÀ HỢP KIM CŨA CHỨNG 254 7.1 Công nghệ hàn đồng và họp kìm đồng 255 7.1.1 Đặc điểm cùa kim loại cơ bản và tính hàn 255 7.1.2 Công nghệ và kỹ thuật hàn 257 8
7.2 Công nghệ hàn niken và họp kim niken 264 7.2.1 Đặc điểm của kim loại cơ bàn và tính hàn 264 7.2.2 Công nghệ và kỹ thuật hàn 266 CHƯƠNG 8: CÔNG NGHỆ HÀN KIM LOẠI NHẸ VÀ HỢP KIM CỦA CHÚNG 270 8.1 Công nghệ hàn nhôm và họp kim nhôm 271 8. 1.1 Đặc điêm, tính chất và ứng dụng của kim loại cơ bản 271 8. 1.2 Tính hàn của nhôm và hợp kim nhôm 275 8. 1.3 Vật liệu hàn nhôm 277 8.1.4 Công nghệ và kỹ thuật hàn nhôm và hợp kim nhôm 280 8.2 Công nghệ hàn họp kim manhê 289 8.2.1 Đặc điểm và tính chất của kim loại cơ bản 289 8.2.2 Tính hàn cùa hợp kim manhê 290 8.2.3 Công nghệ và kỹ thuật hàn hợp kim manhê 291 CHƯƠNG 9: CÔNG NGHỆ HÀN KIM LOẠI CÓ HOẠT TÍNH CAO VÀ NHIỆT Đ ộ NÓNG CHẢY CAO 295 9.1 Công nghệ hàn titan và họp kim titan 296 9.1.1 Đặc điểm, phân loại và tính hàn 296 9 .1.2 Công nghệ và kỹ thuật hàn 300 9.2 Công nghệ hàn các kim loại khác có hoạt tính cao và nhiệt độ nóng chảy cao 306 CHƯƠNG 10: CÔNG NGHỆ HÀN VẬT LIỆU KHÁC CHỦNG LOẠI 308 10.1 Đặc điểm hàn vật liệu khác chủng loại 309 10.2 Công nghệ hàn các thép khác chủng loại vói nhau 314 10.2.1 Đặc điểm hàn thép khác chủng loại 314 10.2.2 Sự hình thành kim loại mối hàn và vùng ảnh hướng nhiệt 318 10.2.3 Tính chất cúa liên kết hàn 326 9
10.2.4 Đặc trưng công nghệ và kỹ thuật hàn thép cùng nhóm cấu trúc 329 10.2.5 Đặc trưng công nghệ và kỹ thuật hàn thép khác nhóm cấu trúc 333 10.3 Hàn và nối một sổ kim loại khác chủng loại điển hình 335 10.3.1 Hàn thép với nhôm 335 10.3.2 Các công nghệ nối nguội 337 TÀI LIỆU THAM KHẢO 339* ị * 10
CHƯƠNG : HẢI NIỆM CHUNG VỀ THÉP 1K Trang 1.1 Phân loại thép dùng cho chế tạo kết cấu hàn 12 1.2 Tính hàn của thép 21 1.3 Nứt và độ lành lặn của liên kết hàn thép 43 1.4 Tiêu chí lựa chọn công nghệ và chế độ nhiệt cho hàn 68 thép Sau khi đọc xong chương này, bạn sẽ nắm được: • Các loại thép cơ bản dùng cho kết cáu hàn, thành phần và phạm viứng dụng cùa chúng. • Khái niệm cơ bàn vềtính hàn thép những chỉ tiêu đánh giá tính hàn củathép. • Các loại nứt thường gặp trong các kết hàn, ảnh hưởng cùa chúng đến độ lành lặn cùa liên kêt hàn và các biện pháp chống nứt,cãithiện độ lành lặn cúa kết.• • Những chitiêu chính trong lựa chọn công nghệ và chế độ nhiệt khi hàn thép. 11
CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HÀN THÉP 1.1 Phân loại thép dùng cho chế tạo kết cấu hàn Thép dùng cho kết cấu hàn thường được phân loại dựa vào những chỉ tiêu như: • Thành phần hóa học: thép cacbon, thép hợp kim thấp, hoặc thép không gỉ. • Phương pháp sản : t ấ u xhép lò Martin, thép lò thổi oxi kiềm (bazơ), thép lò điện. • Phương pháp cán và nhiệt luyện: thép cán nóng, thép cán nguội, thép gia công cơ nhiệt, thép ủ, thép tôi và ram. • Dạng sản phẩm: thép tấm dày, thép tấm mỏng, thép lá, thép thanh hoặc thép hình. • Phương pháp khù : i xhép sôi, thép lặng, thép nửa lặng. o t • TỔchức kim loại: thép ferit, thép peclit, thép mactenzit... • Độ bền cần : ế i h theo quy định trong tiêu chuẩn về độ bền. • Chất lượng sàn : t ấ u xhép chất lượng cao, thép chất lượng thô thường. Trong vài chục năm trở lại đây, những thay đồi về phương pháp sản xuất thép đã cải thiện đáng kể không những về năng suất, mài cả về chất lượng và tính hàn của nhiều loại thép. Đáng kể nhất trong; các công nghệ luyện thép là công nghệ lò chuyển oxi thổi đinh (công; nghệ Linz - Donawitz, viết tắt L - D) ra đời tại nước Áo sau Đại chiến; Thế giới lần thứ 2, cho phép kết hợp ưu thế về thể tích của lò Martin với năng suất của các loại lò thổi khác (thời gian tinh luyện ngắn). Hơn nữa, công nghệ này còn cho phép giảm đáng kể nồng độ nitơ vài cacbon trong thép [8]. Nhược điểm của loại lò này là không cho phép1 tận dụng thép phế liệu (có thể khắc phục bàng công nghệ lò điện). Ngoài ra, việc tinh luyện thép trước khi luyện trong lò L - D (kim loại nóng chảy từ lò cao được đưa vào lò thổi trung gian kết hợp đưai manhê hoặc cacbit canxi, oxit canxi và cacbonat canxi vào lò cho> phép giảm mạnh nồng độ tạp chất có hại như phốt pho và lưu huỳnh — thập ky 1970). 12
Công nghệ điện xỉ cũng cho phép tinh luyện và giảm đáng kể hàm lượng tạp chât trong thép. Công nghệ đức thép liên tục (từ thập kỷ 1960) còn cho phép chế tạo ra thép lặng hoàn toàn, giúp cải thiện đáng kể tính hàn của thép. Trong thập kỷ 1980, việc tiếp tục kiểm soát nồng độ các nguyên tô như s, p, c và N nhằm cải thiện độ dai va đập và tính hàn của thép cho phép tạo ra các sản phẩm thép đáp ứng những yêu cầu khắt khe cùa các kết cấu hàn sử dụng ngoài khơi. Việc áp dụng cán có kiểm soát (controlled rolling), gia công cơ nhiệt (thermomechanical controlled Processing, TMCP) kết hợp với bổ sung một lượng nhỏ các nguyên tô hiêm, nguyên tô hợp kim vi lượng như Nb, Ti, V cho phép tiêp tục tăng đáng kê độ dai va đập của thép thông qua cơ chê làm mịn hạt kim loại. Đồng thời, biến cứng kết tủa cũng được áp dụng để tăng giới hạn chảy của thép. Theo Viện Hàn Quốc tế (IIW), thép dùng cho các kết cấu hàn được phân thành các nhóm sau [6]: • Nhỏm 1: Nhóm này bao gồm thép cacbon, thép kết cấu c - Mn (thép cacbon thấp với hàm lượng Mn nâng cao đến 1,5%) và thép hợp kim vi lượng, được sản xuất bàng phương pháp cổ điển hoặc kết hợp với cán có kiểm soát, ờ trạng thái thường hóa hoặc trạng thái tôi và ram. về mặt cấu trúc kim loại, thép loại này có cấu trúc peclit. Chúng thường là các sản phẩm dạng tấm hoặc băng. Nồng độ cacbon có thể xuống đến mức 0,12+0,15%; nồng độ Mn có thể lên đến 1,5%. Trong trường hợp thép hợp kim vi lượng, tổng lượng các nguyên tố hợp kim vi lượng như Nb, Ti và V đạt tối đa 0,15%, đồng thời nồng độ tối đa của các nguyên tố khác như sau: 0,015% Al, 0,15% Zr, 0,20% Zr + Ti, 0,10-0,20% Ti, 0,15% V và 0,05% Nb. Nếu thép được hợp kim hóa bằng bo thì nồng độ B < 0,005%. Đây là các loại thép có giới hạn chảy lên đên 400+600 MPa, ví dụ,thép ASTM A572. • Nhóm 2: Thành phần hóa học của các thép loại này tương tự như của thép nhóm 1. Tuy nhiên, chúng có tỷ lệ pha peclit tlhấp hơn hoặc hoàn 13
toàn không chứa pha peclit. Tỷ lệ này đạt được thông qua việc thay đôi thành phần hóa học của thép và sử dụng biện pháp cán và làm nguội có kiểm soát. Nồng độ cacbon tối đa 0,12% khi thép có tỷ lệ peclit thấp và khi thép không chứa pha peclit, nồng độ cacbon tối đa là 0,09%. Đồng thời hàm lượng Mn trong thép có thể lên đến 2%. Chúng còn có thể chứa đến 0,3% Mo hoặc 1% Cr. v ề cơ bản, thép loại này còn được hợp kim hóa bằng Nb. Thép loại này được sản xuất thông qua nhiệt luyện kết hợp với cán ở nhiệt độ thấp và thường được biết dưới tên gọi thép hợp kim thấp độ bền cao (high strength low alloy steel - HSLA). Giới hạn chảy của thép loại này lên đen 420+650 MPa. • Nhóm 3: - Thép hợp kim thấp loại tôi và ram (QT Steel). - Thép thường hóa (được hợp kim hỏa bằng các nguyên tố Mo hoặc B). - Thép hợp kim thấp Cr - Mo, hay Ni - V. Đại diện tiêu biểu cùa các loại thép này có thành phần hóa học: a) 0,5% Mo kết hợp với B, b) 1,5%Cr - 0,5% Mo kết hợp với B, C) l,5%Ni - 0,75% Cr - 0,70% Mo kết hợp với B, d) 0,5% Ni, e) 1,5% Ni - 0,80% Cr - 0,60% Mo có kết hợp với Cu hoặc không. Giới hạn chảy của chúng năm trong khoảng 360+700 MPa.• • Nhóm 4: Nhóm này bao gồm các loại thép hợp kim thấp khác (nồng độ tối đa của từng nguyên tố hợp kim là 5%), được sản xuất dưới dạng thường hóa và ủ, dạng tôi và ram, hoặc gia công cơ nhiệt. Giới hạn chảy của chúng nằm trong khoảng 400+2000 MPa. Các loại thép hợp kim này còn có thể được chia thành: a) Thép kết cấu, b) Thép sử dụng cho chế tạo các bình cao áp có chứa hydro làm việc ở nhiệt độ đến 450 °c, c) Thép sử dụng ờ nhiệt độ thấp - 50 tới - 80 °c, d) Thép tôi và ram cổ điển dành cho chế tạo các bình cao áp, rô to tuabin hoặc máy nén tuabin, v.v. 14
• Nhóm 5: Thép hợp kim cao độ bền cao, ví dụ,thép m.actenzit hóa già (thép maráging) 9% Ni, thép 13% Cr, v.v. • Nhóm 6: Thép dùng làm cốt bê tông. • Nhóm 7: Thép austenit (đọc là ôxtenit) Cr - Ni và hợp kim Ni, chủ yếu dùng trong ngành hóa chất. Ngoài cách phân loại trên, Viện Gang và Thép Mỹ (AISI) cũng có cách phân loại tương tự, bảng 1-1. Bảng 1-1 Tóm tắtphân loại thép theo AISI Loại thép Thành phần hóa học C ấu trúc Thép cachón Thép cacbon thấp < 0,3%c F erit Thép cacbon trung bình 0,3-0,6%c F erit - peclit Thép cacbon cao > 0 ,6 %c P eclit Théphợp kìm thấp < 8% các nguyên tố hợp F erit - peclit Thép hợp kim thấp kim P eclit B ain it Thẻp hợp kim cao F erit M acten zit Thép hợp kim cao chống > 8% các nguyên tố hợp A u sten it ăn mòn (thép không gi) kim A u sten it - ferit B iến cứ n g kết tủa F erit Thép hợp kim cao chịu > 8% các nguyên tố hợp A u sten it nhiệt kim A u sten it - ferit T h ép h ọ p kim cao > 8% các nguyên tổ hợp A u sten it ch ổn g m ài m òn kim Sau đây là tóm tắt những loại thép thường dùng trong các loại kết cấu hàn. /. Thép cacbon Thép được coi là thép cacbon khi không có quy định nào về 15
nồng độ tối thiểu của các nguyên tố: Cr, Co, Nb, Mo, Ni, Ti, w , V, Zr hoặc bất kỳ nguyên tố nào khác cần đưa thêm vào để có được hiệu ứng hợp kim hóa cần thiết; khi nồng độ tối thiểu quy định cho đồng (Cu) không vượt quá 0,40%; hoặc khi nồng độ tối đa quy định cho bất kỳ nguyên tố hợp kim nào trong các nguyên tố sau đây không vượt quá: 1,65% với Mn, 0,60% với Si, và 0,60% với Cu. Theo phương pháp khử oxi, có thể chia thép cacbon thành: thép sôi, thép lặng, thép nửa lặng. Phương pháp khử oxi trong quá trình chế tạo thép có ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm thép. Tuy nhiên, nồng độ cacbon có ảnh hưởng lớn nhất đến cơ tính cùa thép; khi nồng độ cacbon tăng, độ cứng và độ bền của thép cũng tăng. Do vậy, thép cacbon thường được phân loại theo nồng độ cacbon. Nói chung, thép cacbon chứa đến 2% tổng các nguyên tố hợp kim và thường được chia thành thép cacbon thấp, thép cacbon trung bình, thép cacbon cao và thép cacbon cực cao. Trong các loại thép, thép cacbon chiếm đa số về mức độ sử dụng (khoảng trên 80%). Thép cacbon thấp chứa đến 0,3% c. Trong một số tài liệu, thép cacbon thấp còn được chia thành thép cacbon cực thấp và thép mềm (mild Steel). Thép có nồng độ cacbon cực thấp (< 0,15% C) được chế tạo dưới dạng sôi, nửa lặng hoặc lặng (khử oxi bằng các nguyên tố Al, Si). Nồng độ Mn trong thep nay nằm trong khoảng 0,30+0,60%. Các thép này có giới hạn chảy thấp và đưọc dùng chủ yếu dưới dạng tấm mỏng hoặc thép cuộn ờ trạng thái cán nguội hoặc cán nóng. Chúng thường được hàn bằng quá trình hàn điện tiếp xúc, nhưng cũng có thể hàn được chúng băng các quá trình hàn nóng chày nêu chiêu dày đủ lớn. Thép mềm (0,15+0,29% C) là nhóm thép được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp. Ở ưạng thái cán, giới hạn chảy của chúng năm trong khoảng250*450MPa Khi được nhiệt luyện, chu ngco độ dai va đập tốt. Giới hạn chảy của các loại thép này có thể lên đến 690 MPa. Chúng thường đuọcsừ du ng dưới dạng tấm và có tính hàn rất tốt (khi sử dụng các quá trình hàn thông thường). Một số thép cacbon thấp được nhiệt luyện để cải thiện cơ tính (thường hóa hoặc tôi và ram). Các chi tiết có chiều dày lớn từ thép cacbon thấp loại này khi được thường hóa sẽ có tổ chức hạt mịn (ví dụ, thép ASTM A515). Thép hạt mịn được thường hóa (kể cả loại tấm dày lẫn tấm mỏng) nhàm mục đích cải thiện độ dai va đập của chúng 16
tại nhiệt độ thử mẫu dưới 0 °c. Các chi tiết thép cacbon thấp hạt mịn có chiều dày lớn được tôi và ram để có được tổ chức tế vi tương đương với các tấm mỏng hơn đã qua thường hóa (ví dụ, thép ASTM A516 với chiêu dày trên 100 mm). Hàn các loại thép cacbon thâp đã qua thường hóa cũng dễ như hàn thép cacbon thấp khác mà không cần có các biện pháp công nghệ đặc hiệt. Nhỏm sản phấm thép cacbon lớn nhất là thép tấm cán (tấm mỏng, băng), thường ở trạng thái cán nguội và ủ. Với nồng độ cacbon dưới 0,10% c, và tối đa 0.4% Mn, thép có khả năng biến dạng cao và thường được dùng làm các tấm mỏng dùng trong chế tạo thân ô tô, vỏ đồ hộp, các lơại dây. Với thép kết cấu cán dưới dạng tấm và thép hình, nồng độ cacbon có thể được nâng lên tới khoảng 0,30%, nồng độ Mn đến 1,5% (khi đó gọi là thép cachón - mangan, thép c - Mn). Các loại thép này được dùng chế tạo các vật rèn, đột, ống, tấm thép nồi hơi. Thép cacbon trung bình tương tự như thép cacbon thấp, nhưng có nồng độ cacbon từ 0,30-^0,60% và nồng độ Mn từ 0,60-N ,65%. Khi nồng độ cacbon tăng đến gần 0,5%, kêt họp với nồng độ Mn nâng cao, có thể dùng thép loại này ở trạng thái tôi và ram. Thép cacbon trung bình được dùng làm trục, bánh răng, trục khuỷu, khóp nối, vật rèn. Khi nồng độ cacbon từ 0,40-0,60%, có thể dùng thép trong các ứng dụng như đường ray, bánh xe lửa, trục bánh xe lửa. Thép cacbon cao chứa 0.60-0,90% c với nồng độ Mn từ 0,30^-0,90%. Chúng được dùng làm dụng cụ, lò xo và dây độ bền cao. Thép cacbon cực cao là các hợp kim thực nghiệm chứa từ 1 ,25+2,0% c. Chúng được gia công cơ nhiệt để cho tổ chức tế vi chứa các hạt cacbit trước cùng tích, phân bố không liên tục, có dạng đăng trục, tròn, siêu mịn. Đối với phân loại thép sản xuất trong nước, bạn đọc có thể tìm hiêu thêm trong các tiêu chuân quốc gia vê những loại thép phô biên nhất là TCVN 1765 : 1975 Thép cacbon kết cấu thông thường - Mác thép và yêu cầu kỹ thuật [16]; TCVN 1766 : 1975 Thép cacbon kết cấu chất lượng tốt - Mâc..thép:VàAêtt-eềto-kHhuật [17]. TK & 0 iậl lìỌ N ĨRAN61 ƯH C liố ... THƯ VIỆN 17 CNHONC-2 K I - tt—r. Q
2 hép . T kếtcẩu hợpkim thấp Thép kết cấu họp kim thấp (cũng được gọi là thép hợp kim thấp độ bền cao) và thép họp kim vi lượng được sử dụng nhằm tạo ra cơ tính tốt hơn và/hoặc khả năng chống ăn mòn tốt hơn trong không khí so với thép cacbon thông thường vì chúng được chế tạo nhằm đáp ứng các yêu cầu cụ thể về mă t cơ tính chứ không phải về mă t thành phần hoá học. Thép họp kim thấp độ bền cao có nồng độ cacbon thấp (0,05-^0,25% C) để có tính biến dạng và tính hàn tốt, với nồng độ Mn đến 2,0%. Một lượng nhỏ Cr, Ni, Mo, Cu, N, V, Nb, Ti và Zr được sử dụng theo nhiều kiểu phối họp khác nhau. Thép kết cấu họp kim thấp được phân loại như sau: • Thép kết cấu bền ăn mòn khí quyển (còn gọi là thép kết cấu chịu ăn mòn khí quyển). • Thép cán có kiểm soát, được cán nóng theo một quy trình cán xác định trước để nhận được tổ chức austenit với mức độ biến dạng cao trước khi chuyển biến pha thành tổ chức ferit hạt rất mịn có đặc tính đẳng trục khi nguội. • Thép có nồng độ peclit giảm, được bền hóa bằng các hạt ferit rất mịn và bằng kết tủa nhưng có nồng độ cacbon thấp, vì vậy có ít hoặc không có peclit trong tổ chức tế vi. • Thép họp kim vi lượng, chứa thêm một lượng rất nhỏ các nguyên tố như Nb, V và/hoặc Ti để làm mịn hạt và/hoặc biến cứng kết tủa. • Thép ferit hình kim, có nồng độ cacbon rất thấp nhưng có đủ khả năng biến cứng để chuyển biến pha khi nguội thành tô chức ferit hình kim rất mịn độ bền cao, thay vì chuyển biến pha thành tổ chức ferit đa diện thông thường. • Thép có tổ chức hai pha, chứa ferit với một lượng nhỏ mactenzit nồng độ cacbon cao phân bố đều. Chúng có độ bền cao và khả năng biến dạng rất tốt. Ngoài ra, thép kết cấu hợp kim thấp còn có ứiể chứa một lượng nhỏ Ca, các nguyên tố đất hiếm hoặc Zr để khống chế hình dạng sunfit. 18
3 . Théphợp kim thấp Thép hợp kim thấp có cơ tính cao hơn hẳn so với thép cacbon thông thường vì có chứa thêm các nguyên tố hợp kim như Ni, Cr, và Mo. Tổng lượng nguyên tố hợp kim từ 2,07% đến giá trị ngay dưới nồng độ các nguyên tố họp kim của thép không gỉ (tối thiểu 10% Cr). Với nhiều loại thép họp kim thấp, chức năng chủ yếu của các nguyên tố họp kim ỉà tăng tính thấm tôi để tối ưu hóa cơ tính và độ dai sau khi nhiệt luyện. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, các nguyên tố họp kim có tác dụng giảm thiểu tác động có hại của môi trường làm việc cụ thể của thép. Do tính đa dạng về thành phần hoá học và do một số thép họp kim thấp được sừ dụng không chi ở một trạng thái nhiệt luyện, việc phân loại chúng theo các phương pháp khác nhau có thê có mức độ trùng lắp nhất định. Có thể phân loại thép họp kim thấp theo: • Thành phần hóa học: thép Ni, thép Ni - Cr, thép Mo, thép Cr - Mo. • Chế độ nhiệt luyện: thép tôi và ram, thép thường hóa và ram, thép ủ. Những loại thép hợp kim thấp tiêu biểu nhất trong các kết cấu hàn là: a. Thóp tôi và ram nồng độ cacbon thấp: chúng la sư kết hợp giới hạn chảy cao (350M240 MPa) và độ bền cao với độ dai va đập, tính dẻo, khả năng chống ăn mòn hoặc tính hàn tốt. Tùy thuộc vào sự kết hợp cụ thể các đặc tính nói trên mà ứng dụng của chúng cũng khác nhau. Một số loại thép như HY-80 và HY-100 được sử dụng chủ yếu dưới dạng tấm. Một số khác còn được sử dụng dưới dạng vật rèn, vật đúc. Thép HY-100(T) và HY-130 cũng là các loại thép tôi và ram độ bền cao. Tương tự như thép HY-80, thép H Y-100 được sử dụng trong các kết cấu tàu ngầm. Thép HY-130 thường được dùng riêng cho các ứng dụng có yêu cầu cao trong ngành đóng tàu và máy bay. So với thép HY-80, thép HY-100 có giới hạn chảy 690 MPa, có thành phần hóa học tương tự nhưng chứa nhiều Cr và Ni hơn. Thép này được quy định ưong tiêu chuẩn ASTM A543 class 2. Thép HY-130 có gióri hạn chày trong khoảng 895-^-1030 MPa, trên cơ sở sử dụng 5% Ni và có bổ sung 19
thêm Cr, Mo và V. Thép HY-IOO(T) là một dạng thép HY-130 nhưng có tính hàn tốt hơn. Đây là loại thép 3% Ni-Cr-Mo-V được sản xuất trong lò điện và được khử khí trong chân không. b. Thép độ bền cực cao có nồng độ cacbon trung bình: là thép kết cấu có giới hạn chảy cao hơn 1380 MPa. Một số thép loại náy có tính năng được quy định trong các tiêu chuẩn SAE/AISI hoiặc có thành phần độc quyền. Chúng thường được dùng dưới dạng thỏi, thanh, vật rèn, tấm mỏng, ống và dây hàn. c, Thép chịu niệC ht r - Mo: chứa 0,5+9% Cr Chúng thường có nồng độ cacbon dưới 0,2%. Nguyên tố Cr tạo khả năng chống ăn mòn và chống oxi hóa, còn Mo làm tămg độ bền ở nhiệt độ cao. Chúng thường được cung cấp ở trạng thái thường hóa và ram, tôi và ram, hoặc ủ. Thép Cr - Mo đưíỢC sử dụng rộng rãi trong thiết bị ngành dầu khí, nhiệt điện và nhâ máy điện nguyên tử. 4. Thép hợp kim cao Thép không gỉ (thép hợp kim cao chống ăn mòn) là hợp kim của sắt, chứa tối thiểu 10,5% Cr (về mặt tính hàn, một số hợp kim chứa trên 30% Cr hoặc dưới 50% Fe cũng có thể được liệt vào nhóm vật liệu này). Chúng có được đặc tính không gỉ nhờ eó lớp bề m ật bền vững giàu oxit Cr. Thép không gỉ là những loại thép hợp kim cao được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp. Thép không gỉ thường được chia thành 5 nhóm: (1) thép Ikhông gỉ mactenzit, (2) thép không gỉ ferit, (3) thép không gi austeniit, (4) thép không gỉ duplex (bao gồm hai pha cân đối íerit-austenit), và (5) thép không gỉ biến cứng kết tủa (niken được thay thế bằng mangan và nitơ). Thép không gỉ được cung cấp dưới dạng tấm, tấm mỏng, băng, thanh, dây, bán thành phẩm, đường ống, ống công nghệ. Các niguyên tố khác cải thiện một số đặc tính nhất định của thép như Ni, MtO, Cu, Ti, AI, Si, Nb, N, s, và Se. Nồng độ cacbon từ 0,03% đến trêni 1,0% (trong một số loại thép mactenzit). Việc chọn thép không gỉ (CÓ t h ể theo khả năng chống ăn mòn, đặc điểm chế tạo, cơ tính theo nhiiệt độ, khả năng cung cấp hay giá cả. Tuy nhiên cơ tính và khả năng chống ăn mòn là các yếu tố quan trọng nhất trong việc lựa chọn loại thép cho ứng dụng cụ thể. 20