Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu sự biến đổi tổ chức và tính chất trong quá trình hàn thép không gỉ với thép cacbon

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

56
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án được nghiên cứu với mục tiêu xác định các tổ chức pha hình thành, độ cứng tế vi, độ bền đạt được và biện luận sự hình thành pha trên các tham số đầu vào trong điều kiện hàn. Tính toán đường phân bố hàm lượng cacbon tại biên giới nóng chảy thép cacbon theo mô hình Darken và ảnh hưởng của sự khuếch tán cacbon tới tổ chức mối hàn và ảnh hưởng của sự khuếch tán tới tổ chức mối hàn.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: 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 QUÁ 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 1
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Phạm Mai Khánh 2. 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 được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam 2
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Hàn giữa hai vật liệu khác loại đang được áp dụng rộng rãi trong các kết cấu của nhà máy nhiệt điện, hóa chất, dầu khí, đóng tàu. Thép không gỉ được chọn cho các kết cấu làm việc trong môi trường chịu ăn mòn, chịu nhiệt, chịu lực tác dụng; thép cacbon dùng cho các kết cấu làm việc trong điều kiện ít chịu lực, không bị ăn mòn và ở nhiệt độ thấp hơn. Mục đích của việc này nhằm giảm giá thành sản phẩm nhưng vẫn đảm bảo đầy đủ yêu cầu kỹ thuật. Các thông số về cơ tính của mối hàn như độ bền kéo, độ bền uốn, độ giãn dài, độ dai va đập là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá mối hàn có đảm bảo hay không. Tuy nhiên, các giá trị này được quyết định bởi tổ chức hình thành trong mối hàn. Sau hàn, mối hàn được phân chia thành các vùng nhỏ: vùng kim loại mối hàn, vùng ảnh hưởng nhiệt và vùng kim loại cơ bản có tổ chức hoàn toàn khác nhau. Bài toán về tổ chức và tính chất mối hàn là một vấn đề phức tạp, các câu hỏi đặt thường đặt ra là: i) Sau hàn, tham số công nghệ, tổ chức và cơ tính của vật liệu có mối quan hệ như thế nào? ii) Tổ chức và tính chất của mối hàn bị thay đổi như thế nào khi làm việc ở nhiệt độ nâng cao? iii) Tổ chức tại các tiểu vùng khác nhau có hay không tạo ra các sai hỏng khi xét trong điều kiện làm việc lâu dài ở các nhiệt độ khác nhau? Với mục đích làm sáng tỏ vấn đề trên, đề tài “Nghiên cứu sự biến đổi tổ chức và tính chất trong quá trình hàn thép không gỉ với thép cacbon” đã được thực hiện trong luận án tiến sĩ kỹ thuật vật liệu. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án Xét trong điều kiện hàn, các tham số chính quyết định tới sự thay đổi tổ chức mối hàn là vật liệu đầu vào, nhiệt độ tối đa đạt được trong quá trình nung và tốc độ nguội. Xét trong điều kiện làm việc, thời gian, nhiệt độ làm việc, yếu tố ngoại lực lại chiếm ưu thế trong các yếu tố làm thay đổi tổ chức mối hàn. Do vậy, mục tiêu của luận án chính là: nghiên cứu sự thay đổi tổ chức, tính chất của mối hàn dưới ảnh hưởng của các tham số kể trên. 1
Đối tượng nghiên cứu là mối hàn giữa thép không gỉ austenit 304 và thép cacbon thấp sử dụng điện cực E309L-16, phương pháp sử dụng là hàn hồ quang tay đã được ứng dụng trong kết cấu của nhà máy nhiệt điện. Phạm vi nghiên cứu gồm: i) Xác định các tổ chức pha hình thành, độ cứng tế vi, độ bền đạt được và biện luận sự hình thành pha trên các tham số đầu vào trong điều kiện hàn ii) Xác định các pha hình thành, đánh giá các sai hỏng phát sinh do sự thay đổi tổ chức trong điều kiện làm việc ở nhiệt độ nâng cao iii) Tính toán đường phân bố hàm lượng cacbon tại biên giới nóng chảy thép cacbon theo mô hình Darken và ảnh hưởng của sự khuếch tán cacbon tới tổ chức mối hàn và ảnh hưởng của sự khuếch tán tới tổ chức mối hàn. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Các thí nghiệm được thực hiện tại nhà máy nhiệt điện Thái Bình, các phòng thí nghiệm của trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Khoa Vật lý – trường Đại học Khoa học Tự nhiên; phòng thí nghiệm trọng điểm Polyme và Composite – trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh; Viện tên lửa – Viện khoa học và Công nghệ Quân sự; trung tâm đánh giá không phá hủy – Viện năng lượng nguyên tử Việt Nam, trung tâm thực hành thí nghiệm – Viện Cơ khí – Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Phòng thí nghiệm Vật lý - trường Shimane Nhật Bản, đề tài đã có một số đóng góp mang tính khoa học và thực tiễn như sau: Ý nghĩa khoa học + Xác định hình thái, hàm lượng δ-ferit và giải thích sự hình thành, phát triển của pha δ-ferit theo nhiệt động học trong điều kiện hàn và trong điều kiện làm việc ở nhiệt độ nâng cao. + Xác định mối quan hệ giữa nhiệt độ lớn nhất và tốc độ nguội tới sự hình thành các pha vitmantet ferit, mactenxit, bainit, sigma và cacbit trong vùng HAZ. Phân tích hình thái các pha dựa trên hiển vi điện tử truyền qua (TEM). 2
+ Tính toán bề rộng vùng chuyển tiếp và đường phân bố nồng độ cacbon tại biên giới nóng chảy thép cacbon theo mô hình Darken và so sánh với kết quả thực tế. Đưa ra ảnh hưởng của sự khuếch tán cacbon tới tổ chức và tính chất tại vùng chuyển tiếp mối hàn. + Đưa ra cơ chế sự hình thành sai hỏng (nứt, phân hủy cacbit) tại vùng chuyển tiếp thép cacbon và vùng ảnh hưởng nhiệt thép không gỉ khi mối hàn làm việc ở nhiệt độ 6000C và 9000C trong 10 giờ. Ý nghĩa thực tiễn + Phân tích, đánh giá, dự đoán các sai hỏng xảy ra khi mối hàn làm việc ở các nhiệt độ khác nhau. + Đề xuất giải pháp nhằm giảm khuyết tật và điều kiện làm việc hợp lý. Những đóng góp mới của luận án i) Dựa trên cơ sở lý thuyết nhiệt động học giải thích sự kết tinh và sự thay đổi hình thái, hàm lượng của pha δ-ferit vùng kim loại mối hàn trong điều kiện hàn và thí nghiệm ở nhiệt độ nâng cao. ii) Đã nghiên cứu mối quan hệ giữa: các yếu tố công nghệ hàn – tổ chức tế vi – độ cứng tế vi và độ bền trong vùng ảnh hưởng nhiệt thép cacbon. Sự hình thành các pha mactenxit, bainit, vitmantet ferit chịu sự chi phối bởi nhiệt độ lớn nhất và tốc độ nguội và là một trong các nguyên nhân làm giảm mạnh độ bền mối hàn (giải thích vùng ảnh hưởng nhiệt thép cacbon là vùng yếu nhất trong mối hàn) iii) Tính toán đường phân bố nồng độ của cacbon tại vùng chuyển tiếp thép cacbon dựa trên mô hình của Darken. Kết hợp với kết quả thực nghiệm, đã xác định được ảnh hưởng của sự khuếch tán tới tổ chức mối hàn như: hình thành vùng ferit phía thép cacbon và sự 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 là nguyên nhân xuất hiện tách lớp và nứt. iv) Đã xác định và giải thích sự xuất hiện các khuyết tật trong mối hàn ở nhiệt độ 6000C, 9000C Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu là lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trên cơ sở tổng hợp, đánh giá phân tích, chế tạo mẫu và xử lý kết quả thực nghiệm. Luận án sử dụng các phần mềm tiên tiến và các thiết bị đánh giá kiểm tra hiện đại. 3
Bố cục của luận án Luận án được chia thành 5 chương và phần mở đầu. Cụ thể theo thứ tự sau: Mở đầu Chương 1 Tổng quan Chương 2 Cơ sở lý thuyết Chương 3 Thực nghiệm Chương 4 Sự thay đổi tổ chức và tính chất của kim loại sau hàn Chương 5 Sự thay đổi tổ chức và tính chất của kim loại trong điều kiện làm việc ở nhiệt độ nâng cao Kết luận chung CHƢƠNG I. TỔNG QUAN Hàn hai vật liệu khác nhau là quá trình kết nối hai vật liệu có thành phần hóa học và cơ tính khác nhau tới trạng thái hàn, kim loại kết tinh hoặc khuếch tán để tạo liên kết hàn. Thành phần hóa học của điện cực thường khác so với thành phần của các kim loại cơ bản. Khi đó, kim loại vùng nóng chảy sẽ là sự hòa trộn của kim loại điện cực và kim loại cơ bản. Vùng kim loại không bị nung nóng cũng bị thay đổi về tổ chức và tính chất do ảnh hưởng của nhiệt độ và tốc độ nguội khác nhau. Sự hình thành các tiểu vùng sẽ là: vùng nóng chảy (hay còn được gọi là vùng vũng hàn hay vùng kim loại mối hàn), vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) (là vùng không bị nung nóng có nhiệt độ lớn hơn 5000C) và vùng kim loại cơ bản. Mối hàn giữa thép không gỉ austenite 304 và thép cacbon ứng dụng trong các kết cấu của nhà máy nhiệt điện Thái Bình (hình dưới đây) thường dùng phương pháp hàn là hàn hồ quang tay, điện cực E309L-16. Hình 1.12 – 1.15. Ứng dụng mối hàn giữa thép 304 và thép cacbon tại nhà máy nhiệt điện Trong thực tế, mối hàn này thường làm việc ở nhiệt độ cao, vào khoảng 6000C, có trường hợp lên tới 9000C. Khi làm việc ở nhiệt độ 4
cao trong thời gian kéo dài như vậy làm cho tổ chức của mối hàn tiếp tục biến đổi, dẫn tới sự thay đổi về mặt cơ tính. Nếu so sánh với nhiệt độ tối đa của thép cacbon là 3500C, thép không gỉ 304 là 6000C thì nhiệt độ làm việc thực tế đã vượt ngưỡng cho phép. Điều này có thể làm phát sinh các sai hỏng không mong muốn do sự thay đổi tổ chức gây lên. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Các yếu tố ảnh hƣởng tới sự thay đổi tổ chức tế vi và tính chất của mối hàn giữa thép không gỉ austenit với thép cacbon Có bốn yếu tố chính ảnh hưởng tới tổ chức và tính chất của mối hàn là con người, thiết bị, vật liệu và năng lượng. Dưới đây xét hai yếu tố là vật liệu và năng lượng (cụ thể là nhiệt độ và tốc độ nguội trong khi hàn) 2.1.1. Vật liệu hàn Vật liệu xét trong nghiên cứu này là thép cacbon có %C < 0,2 % và thép không gỉ 304 có 18,3 %Cr, 7,56 %Ni. Thành phần hóa học của vật liệu là cơ sở để xác định các chuyển biến pha, sự hình thành tổ chức, sự tiết cacbit trong quá trình hàn cũng như khi mối hàn làm việc ở nhiệt độ nâng cao. 2.1.2. Nguồn nhiệt hàn Nguồn nhiệt trong quá trình hàn hồ quang là vị trí có nhiệt độ lớn nhất, thường được coi là trung tâm của mối hàn. Trong quá trình hàn, nhiệt độ tại vùng trung tâm sẽ tản nhiệt ra môi trường xung quanh, hình thành vùng ảnh hưởng nhiệt mối hàn. Tổ chức các vùng được quyết định bởi nhiệt độ lớn nhất mà vùng đó đạt được khi nung và tốc độ nguội khi nguội. Công thức xác định nhiệt độ lớn nhất và tốc độ nguội cho tấm mỏng xuất phát từ phương trình của Rosenthal như sau: 1/2 Nhiệt độ lớn nhất: Tp  T0   2  q / v (2.6)   e  d  c 2r 2 Tốc độ nguội: dT  2 c  d  T  T 3 (2.8)   p 0 dt  q/v  5
2.2. Giản đồ pha của vật liệu cần hàn 2.2.1. Giản đồ pha thép cacbon Giản đồ trạng thái Fe-C, đường cong động học chuyển biến khi làm nguội đẳng nhiệt (TTT) và đường cong động học chuyển biến khi làm nguội liên tục (CCT) được sử dụng để dự đoán, giải thích sự thay đổi tổ chức vùng HAZ thép cacbon. 2.2.2. Giản đồ pha thép không gỉ Giản đồ pha thép không gỉ được sử dụng để dự đoán, giải thích sự hình thành các pha vùng HAZ thép cacbon và vùng mối hàn. 2.3. Sự kết tinh và chuyển pha trong vùng nóng chảy mối hàn Trong quá trình hàn, kim loại điện cực và một phần kim loại cơ bản được nung nóng chảy do năng lượng của hồ quang hàn, khi đó, kim loại lỏng sẽ kết tinh để tạo liên kết hàn. Thành phần hóa học của kim loại tại vùng này tương đương với thành phần của thép không gỉ, do vậy, kim loại lỏng có thể kết tinh theo bốn mô hình: A, AF, FA và F. Pha δ-ferit được hình thành trên nền của austenit và tỉ phần, hình thái của δ-ferit sẽ quyết định tới tính chất của vùng này. Đồ thị Schaeffle, đồ thị Delong dùng để dự đoán mối quan hệ giữa thành phần hóa học và hàm lượng ferit trong kim loại mối hàn thép không gỉ austenit. Trong đó, crom tương đương được xác định từ nồng độ của các nguyên tố hợp kim thúc đẩy sự hình thành ferit trước trong quá trình kết tinh như Cr, Mo, Si, Cb; còn niken tương đương được xác định từ nồng độ của các nguyên tố hợp kim thúc đẩy sự hình thành austenit trước trong quá trình kết tinh như Ni, C, Mn. 2.4. Chuyển biến pha tại vùng HAZ của thép cacbon Chuyển biến pha xảy ra vùng HAZ thép cacbon là chuyển biến ở thể rắn của thép có %C = 0,2 %. Tại vị trí có nhiệt độ lớn hơn Ac1 peclit sẽ chuyển biến thành austenit. Tùy theo sự biến đổi của tốc độ nguội, tổ chức đạt được có thể là peclit, bainit, mactenxit hoặc tổ chức vitmantet. Độ hạt từng vùng cũng khác nhau và có thể được chia thành ba vùng: độ hạt nhỏ mịn cục bộ, độ hạt nhỏ mịn và hạt thô. 2.5. Chuyển biến pha trong vùng HAZ thép không gỉ Trong vùng ảnh hưởng nhiệt của thép không gỉ ausenit có thể xảy ra các hiện tượng như: sự lớn lên của hạt, sự hình thành ferit hoặc sự tiết pha tại biên giới hạt. Các khuyết tật có thể xuất hiện trong vùng 6
HAZ thép không gỉ như quá trình nứt do hiện tượng ăn mòn ứng suất, ăn mòn tinh giới làm giảm khả năng chống ăn mòn của vật liệu. 2.6. Sự thay đổi tổ chức trong vùng chuyển tiếp của mối hàn giữa hai vật liệu khác Tổ chức của kim loại mối hàn tại vùng chuyển tiếp của mối hàn hai vật liệu khác loại phức tạp hơn so với cùng loại. Tại vùng biên giới, xuất hiện”biên giới loại II” khi thành phần hóa học của hai vật liệu khác nhau. Nó khác với sự phát triển khi hàn hai vật liệu cùng loại, tổ chức kim loại lỏng khi kết tinh thường có dạng định hướng vuông góc với biên giới nóng chảy, gọi đây là ”biên giới loại I”. Để phân biệt các dạng biên giới này trong mối hàn giữa hai vật liệu khác loại ta dựa vào hướng của chúng. Biên giới loại I thường vuông góc với biên giới nóng chảy, còn biên giới loại II song song với biên giới nóng chảy. Ngoài ra, do quá trình hòa trộn và kết tinh, tại vùng chuyển tiếp còn có hiện tượng thiên tích và sự thay đổi về thành phần hóa học. 2.7. Cơ sở lý thuyết và mô hình khuếch tán của cacbon trong austenit Theo các nghiên cứu, tại biên giới giữa thép cacbon và kim loại mối hàn có sự chênh lệch về hàm lượng của các nguyên tố hợp kim là nguyên nhân dẫn tới quá trình khuếch tán của cacbon từ phía thép cacbon sang phía kim loại mối hàn. Để xác định đường cong biểu diễn sự thay đổi nồng độ khuếch tán của cacbon trong vùng pha austenit dựa vào mô hình Darken theo phương trình sau: (2.38) ( ) { } √ | | (2.39) √ ( ) { } √ Để giải được phương trình trên, xuất phát từ dữ liệu đầu vào (thành phần hóa học của vật liệu, nhiệt độ, thời gian khuếch tán) xác định hệ số tỉ phần k và hệ số khuếch tán D. Sau khi tính hệ số A1, A2, B1, B2, nồng độ cacbon ở một vị trí bất kì trên hệ đang xét có thể xác định được. Công thức tính các hệ số như sau: 7
√ (2.36) √ ( ) √ ( ) ( ) CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM 3.1. Nội dung nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu sự thay đổi tổ chức và tính chất của mối hàn giữa thép không gỉ austenit 304 và thép cacbon bao gồm: 1. Trong điều kiện hàn, nghiên cứu sự thay đổi tổ chức và tính chất của mối hàn giữa thép không gỉ austenit 304 và thép cacbon. Đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ lớn nhất và tốc độ nguội tới sự thay đổi tổ chức vùng nóng chảy và vùng HAZ mối hàn. Như phân tích ở chương 2, tổ chức tại vùng nóng chảy và vùng HAZ thay đổi đáng kể do hình thành các pha mới dưới ảnh hưởng của nhiệt độ và tốc độ nguội. Pha δ-ferit hình thành tại vùng nóng chảy mối hàn trong quá trình kết tinh từ thể lỏng sang thể rắn. Tuy nhiên, do sự khác nhau về quá trình hòa trộn và sự phân bố các nguyên tố hóa học dẫn tới sự thay đổi mô hình kết tinh cũng như hình thái của pha δ-ferit, đặc biệt ở sát biên giới phía thép cacbon. Tại vùng HAZ thép cacbon, nhiệt độ lớn nhất và tốc độ nguội tại các điểm khác nhau là khác nhau dẫn tới tổ chức vùng sát biên giới nóng chảy khác so với vùng phía xa biên giới nóng chảy. Cụ thể, vùng hoàn toàn mactenxit hình thành tại biên giới nóng do tốc độ nguội lớn. Các vùng có nhiệt độ lớn hơn Ac3, austenit chuyển biến thành mactenxit hoặc bainit hoặc peclit. 2. Nghiên cứu sự thay đổi tổ chức của mối hàn trong điều kiện làm việc ở nhiệt độ cao. Xử lý nhiệt dựa theo nhiệt độ làm việc của mối hàn trong kết cấu nhà máy nhiệt điện, cụ thể tại 4000C, 6000C, 9000C trong 10 giờ. Bên cạnh việc đánh giá sự thay đổi tổ chức và tính chất mối hàn, cần dự đoán các khuyết tật có thể xảy ra và ảnh hưởng của nó tới khả năng làm việc của chi tiết. 3. Nghiên cứu ảnh hưởng quá trình khuếch tán của cacbon tới chất lượng mối hàn. Như phân tích ở chương 2, tại biên giới nóng chảy phía thép cacbon, do sự chênh lệch lượng nguyên tố hợp kim dẫn tới hình thành thế năng hóa học, thúc đẩy sự khuếch tán của 8
cacbon từ phía thép cacbon sang kim loại mối hàn. Sự khuếch tán của cacbon dẫn tới hình thành vùng có độ cứng cao (vùng giàu cacbon) và vùng có độ cứng thấp (vùng nghèo cacbon). Ngoài ra, sự tăng hàm lượng cacbon tại vùng này tạo điều kiện cho sự hình thành cacbit, ví dụ như cacbit crom, làm ảnh hưởng tới tính chất của mối hàn. 4. Tiến hành tính toán quá trình khuếch tán của cacbon dựa trên cơ sở lý thuyết của Darken. Kết quả khuếch tán được so sánh với kết quả thực nghiệm nhằm xác định hệ số khuếch tán của cacbon trong điều kiện thực tế. Dựa vào các kết quả tính toán này sẽ dự đoán được ứng xử của vật liệu mối hàn trong điều kiện làm việc lâu dài. 3.2. Chuẩn bị mẫu và quy trình hàn Bảng 3.1. Thành phần hóa học của kim loại cơ bản và kim loại điệc cực (theo nhà sản xuất) C Mn Si S P Cr Ni Mo V Nguyên tố [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] Thép không gỉ austenit 0,09 1,54 0,49 0,005 0,005 18,3 7,56 0,13 0,11 304 Thép 0,18 0,62 0,02 0,04 0,05 0,02 0,08 0,005 0,01 cacbon Điện cực 0,03 1,34 0,71 0,005 0,003 23,7 12,6 - - E309L - 16 Thép không gỉ và thép cacbon được cắt trên máy cắt dây để tạo các tấm có kích thước 275x85x3 mm. Để chuẩn bị cho quá trình hàn, các mẫu được mài sạch để loại bỏ tạp chất có trên bề mặt, nhằm tránh các khuyết tật có thể xảy ra. Các mẫu thép được hàn với nhau bằng phương pháp hàn hồ quang tay (SMAW). Thành phần hóa học vật liệu hàn và chế độ hàn được đưa ra trong 3.1 và bảng 3.3. Bảng 3.3. Chế độ hàn Tham số I (A) U (V) V (mm/ph) Nhiệt độ môi trường hàn (0C) Giá trị 80 25 100 30 3.3. Quy trình đo nhiệt độ trong quá trình hàn Trong quá trình hàn tiến hành đo nhiệt độ tại một số điểm trên vùng HAZ để xác định nhiệt độ lớn nhất và tốc độ nguội trong khi hàn. 9
3.4. Quá trình xử lý nhiệt Các mẫu được nung và giữ nhiệt ở 4000C, 6000C, 9000C trong 10 giờ, sau đó, các mẫu được làm nguội cùng lò đến nhiệt độ thường. Chế độ xử lý nhiệt này được lựa chọn dựa trên sự phân tích điều kiện làm việc thực tế của mối hàn ở nhà máy nhiệt điện. 3.5. Phƣơng pháp nghiên cứu 3.5.1. Tính toán nhiệt động học, xây dựng giản đồ pha và giản đồ CCT Giản đồ pha của thép không gỉ austenit, thép cacbon và điện cực hàn được xây dựng bằng phần mềm ThermoCalc với tham số đầu vào là thành phần hóa học của các nguyên tố hợp kim chính Fe-Cr- Ni-C. Bên cạnh đó, giản đồ CCT được xây dựng dựa trên phần mềm JMatPro. 3.5.2. Nghiên cứu tổ chức tế vi Phương pháp hiển vi quang học, phương pháp hiển vi điện tử quét, phương pháp hiển vi điện tử truyền qua được sử dụng để chụp anh tổ chức tế vi ở các vùng khác nhau, ở các mức phóng đại khác nhau. 3.5.3. Xác định thành phần hóa học mẫu Phương pháp quang phổ phát xạ: Mục đích của việc phân tích thành phần hóa học nhằm xác định lại thành phần thực tế của kim loại cơ bản và thành phần hóa học tại các vị trí khác nhau của mẫu sau khi hàn. Phương pháp EDS: Phương pháp này được dùng để xác định lượng nguyên tố hợp kim tại một điểm hoặc một đường. 3.5.4. Phân tích cấu trúc Rơnghen Mục đích sử dụng phương pháp phân tích Rơnghen là xác định thông số mạng pha nền hợp kim. Xác định các thông số mạng của các pha thứ cấp. 3.5.5. Xác định độ cứng tế vi Tất cả các phép đo được thực hiện trên máy ARK600 tại phòng thí nghiệm trường Đại học Bách khoa Hà Nội. 10
3.5.6. Thử kéo mẫu Để xác định được giá trị độ bền kéo của kim loại và hợp kim trước tiên phải chế tạo mẫu của vật liệu đó. CHƢƠNG 4. SỰ THAY ĐỔI TỔ CHỨC VÀ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI SAU HÀN 4.1. Sự phân chia vùng của mối hàn giữa thép không gỉ 304 và thép cacbon Tổ chức ban đầu của thép cacbon là peclit + ferit, còn bên phía thép không gỉ là austenit. Sau hàn, tổ chức các vùng thay đổi và phân chia thành các vùng theo thứ tự lần lượt là: kim loại cơ bản thép không gỉ, HAZ thép không gỉ, vùng chuyển tiếp phía thép không gỉ, vùng kim loại mối hàn, vùng chuyển tiếp phía thép cacbon, HAZ thép cacbon và kim loại cơ bản thép cacbon (hình 4.3). Hình 4.3. Sơ đồ tổng quan về tổ chức của mối hàn giữa thép không gỉ và thép cacbon. Vùng chuyển tiếp được hình thành là do sự hòa trộn giữa kim loại cơ bản và kim loại điện cực. Dựa trên cơ sở lý thuyết động lực học, bề rộng vùng hòa trộn là (52÷82) μm, tương đồng với kết quả đo được từ EDS-line, vào khoảng 82 μm. 4.2. Sự hình thành δ-ferit trong vùng kim loại mối hàn Trong vùng kim loại mối hàn, tổ chức pha là δ-ferit trên nền austenit. Bao quát toàn bộ tổ chức vùng kim loại mối hàn, hình thái của pha δ-ferit từ biên giới nóng chảy vào tâm mối hàn có sự thay đổi đáng kể. Pha δ-ferit có dạng xương cá hoặc nhánh cây phát triển 11
theo hướng vuông góc với đường bao nóng chảy mối hàn. Tại trung tâm vùng nóng chảy, δ-ferit phân bố đồng đều và có dạng đều trục. Tuy nhiên, hình thái tại biên giới hai bên có sự khác nhau. Tại biên giới nóng chảy thép không gỉ, xuất hiện các cụm tấm δ-ferit có dạng sợi mảnh phát triển không theo một hướng nhất định và tổ chức của vitmantet austenit với kích thước lớn đâm xuyên vào các pha δ-ferit theo các hướng ngẫu nhiên. Sự thay đổi này diễn ra trong phạm vi rất hẹp khoảng (60÷120) μm. Phía biên giới nóng chảy thép cacbon xuất hiện một dải đen chạy dọc biên giới được dự đoán là pha mactenxit. Kế tiếp về phía kim loại mối hàn, tồn tại vùng hoàn toàn austenit (màu trắng) có chiều rộng từ (5÷60)μm. Nối tiếp, các pha δ-ferit đầu tiên có dạng tinh thể hình trụ (các pha song song và vuông góc với biên giới nóng chảy) rồi mới đến dạng nhánh cây hay dạng đều trục. Kim loại Ferit dạng đều trục Kim loại Ferit dạng xương mối hàn mối hàn cá Ferit Ferit dạng Ferit tinh dạng nhánh cây thể hình sợi trụ Vidmantet mảnh austenit Thép không gỉ Thép cacbon δ-ferit vùng bán lỏng Biên giới nóng chảy (a)Biên giới thép không gỉ b) Tâm mối hàn c.biên giới thép cacbon Hình 4.5. Hình thái của δ-ferit tại Hàm lượng δ-ferit được xác định theo giản đồ Schaffler, Delong và kiểm tra lại bằng phần mềm tính tỉ phần pha. Theo kết quả đo đạc thực tế, lượng δ-ferit đạt 23,5%. Để biện luận cho sự thay đổi hình thái và tỉ phần của δ-ferit giữa các vùng khác nhau, dựa trên ba yếu tố: - Ảnh hưởng của tốc độ phát triển mầm và gradient nhiệt độ tới sự thay đổi hình thái của δ-ferit - Ảnh hưởng của nền kim loại tới hình thái của δ-ferit - Ảnh hưởng của nồng độ Kết quả độ cứng tế vi sau khi đo tương đối đồng đều trên toàn bộ vùng kim loại mối hàn và không phụ thuộc vào hình dáng của pha δ- ferit. Giá trị trung bình đạt (160÷170)HV. 12
4.3. Chuyển pha, sự thay đổi tổ chức và tính chất trong vùng chuyển tiếp phía thép cacbon Bề rộng vùng chuyển tiếp đo được từ EDS-line vào khoảng (50÷100)μm tương ứng với vị trí gần mặt trên và phía sát chân mối hàn. Sự thay đổi thành phần trong 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 do sự kết hợp giữa tốc độ nguội nhanh của quá trình hàn và thành phần hóa học cục bộ tại biên giới nóng chảy. - Thiên tích tại biên giới nóng chảy: hiện tượng thiên tích tại biên giới thường xảy ra khi hàn hai vật liệu khác loại có nhiệt độ nóng chảy khác nhau. Có ba dạng thiên tích hình thành gồm: dạng bán đảo, dạng đảo, dạng bờ biển. Mặc dù hiện tượng thiên tích xảy ra nhưng ở phạm vi rất nhỏ nên không ảnh hưởng nhiều tới cơ 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 tại vùng chuyển tiếp phía thép cacbon (x500) 13
Giá trị độ cứng vùng chuyển tiếp đạt lớn nhất tại lớp biên giới nóng chảy (390HV) tương ứng với dải mactenxit. 4.4. Chuyển pha, sự thay đổi tổ chức và tính chất trong vùng HAZ thép cacbon Hai yếu tố quyết định tới sự thay đổi tổ chức vùng này là nhiệt độ lớn nhất và tốc độ nguội (đã được đo đạc trong quy trình đo nhiệt độ trong khi hàn). Khi đó, một số kết quả đạt được: - Kích thước hạt giảm dần từ biên giới nóng chảy (cấp 4.5) đến kim loại cơ bản (cấp 10.9) - Sự xuất hiện của các pha cứng dòn trong vùng HAZ như vitmantet ferit, mactenxit, bainit. - Độ cứng có sự thay đổi nhỏ, độ cứng tại vùng có các pha cứng dòn như vitmantet ferit, mactenxit, bainit có độ cứng cao hơn vùng có chứa pha peclit và ferit. B M B Hình 4.27. Ảnh TEM chỉ các tổ chức mactenxit và bainit trong vùng HAZ thép cacbon 4.5. Sự thay đổi tổ chức trong vùng HAZ thép không gỉ Trong vùng HAZ, không tìm thấy sự thay đổi tổ chức so với tổ chức ban đầu, tuy nhiên, đã xuất hiện các hạt cacbit xuất hiện nằm tại biên giới hạt. Cacbit này là Cr23C6 và M7C3. 14
Cacbit Hình 4.33. Sự hình thành các hạt cacbit tại biên giới hạt (a) Cr23C6 (b) Cr7C3 Hình 4.36. Ảnh TEM chỉ hình thái của cabit Cr23C6 và Cr7C3 CHƢƠNG 5. 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 của mối hàn để lựa chọn quy trình xử lý nhiệt. Mối hàn được mô phỏng với điều kiện làm việc ở nhiệt độ nâng cao tại nhiệt độ 4000C, 6000C, 9000C, trong 10 giờ và làm nguội cùng lò. 5.2. Đánh giá sự thay đổi tổ chức tế vi và độ cứng tế vi 5.2.1. Ứng xử của vùng kim loại mối hàn ở nhiệt độ nâng cao Trong điều kiện làm việc, pha δ-ferit giảm tỉ lệ thuận với nhiệt độ và thời gian. Tỉ phần pha δ-ferit sau khi hàn đạt trung bình khoảng 15
23%. Khi mối hàn làm việc ở 4000C trong 10 giờ, pha δ-ferit giảm nhưng với lượng nhỏ, vào khoảng 22%. Khi tăng nhiệt độ, lượng δ- ferit giảm mạnh, chỉ còn khoảng 16% ở 6000C và 11% ở 9000C. Đã phát hiện cacbit và pha giòn sigma xuất hiện trong vùng kim loại mối hàn khi ở nhiệt độ 6000C. Có sự xuất hiện của cacbit crom tại vùng kim loại mối hàn ở 6000C là nguyên nhân làm tăng mạnh độ cứng. δ σ γ σ δ γ δ δ Hình 5.5. Ảnh TEM của pha δ-ferit, γ và pha σ trong vùng tại vùng kim loại mối hàn gần phía biên giới thép không gỉ ở 6000C – 10h Cacbit Hình 5.6. Ảnh TEM chỉ sự xuất hiện cacbit tại vùng kim loại mối hàn gần phía biên giới thép cacbon ở 6000C – 10h 16
5.2.2. Ảnh hưởng của quá trình khuếch tán cacbon tới tổ chức và tính chất mối hàn Tại vùng chuyển tiếp, sự khuếch tán của cacbon ở nhiệt độ cao dẫn tới một số sự thay đổi tổ chức như sau: * Sự hình thành vùng ferit bên phía thép cacbon: vùng tiếp giáp với biên giới nóng chảy, thấy xuất hiện một vùng màu trắng có bề rộng khoảng (10÷15)μm với mẫu 6000C và (250÷300)μm với mẫu 9000C, gọi là vùng ferit (hình 5.11). Vùng ferit hình thành là do lượng cacbon trong vùng này đã khuếch tán sang bên phía kim loại mối hàn do lực dẫn động về sự chênh lệch của các nguyên tố hợp kim. Thời gian càng dài, nhiệt độ cao, bề rộng vùng ferit càng lớn. Mối hàn P’ P’ α P’ P’ α α α Thép cacbon Hình 5.12. Vùng ferit Hình 5.14. Cacbit vùng chuyển tiếp * Sự tiết cacbit: Sự tiết cacbit tại vùng chuyển tiếp được chứng minh bằng phân tích nhiễu xạ Rơnghen. Tiến hành phân tích sâu hơn dựa trên vết nhiễu xạ điện tử của kính hiển vi điện tử xuyên (TEM) xác định được hai loại cacbit tồn tại trong vùng này ở nhiệt độ 6000C là Cr23C6 và Cr7C3. Lượng cacbon trong vùng này tăng do được bổ sung từ bên phía thép cacbon. Lúc này cacbon kết hợp với các nguyên tố hợp kim để tạo cacbit. * Sự hình thành vùng độ cứng cao, vùng độ cứng thấp là hệ quả do sự hình thành tổ chức do sự khuếch tán cacbon. Vùng pha ferit có độ cứng thấp, trong khi sự tiết mạnh cacbit làm tăng độ cứng. 17
Độ cứng Sau khi hàn (HV) 400 PWHT tại PWHT tại 350 PWHT tại 300 250 150 100 50 - 300 - 200 - 100 Biên giới 10 200 300 Khoảng cách (μm) 0 Hình 5.16. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ cứng tại biên giới nóng chảy 0.2 Biên giới 0.18 1 giờ Nồng độ cacbon (%) 0.16 0.14 10 giờ 0.12 Mối hàn Thép cacbon 0.1 100 giờ 0.08 1000 giờ 0.06 0.04 0.02 0 199 100 111 122 133 144 155 166 177 188 1 12 23 34 45 56 67 78 89 Khoảng cách (μm) Hình 5.18. Sự thay đổi nồng độ cacbon trong các khoảng thời gian khác nhau tại 6000C Mô hình Darken được sử dụng để xây dựng và tính toán đường cong biểu diễn sự thay đổi nồng độ của cacbon. Các kết quả tính toán ở nhiệt độ 6000C trong khoảng thời gian khác nhau như hình. Bề rộng vùng có độ cứng thấp và cao đều tỉ lệ thuận với và thời gian. Trong 10 giờ, khoảng cách khuếch tán bên phía thép cacbon là 13μm, sau 1000 giờ khoảng cách này là 135μm. Bề rộng vùng có độ cứng cao hình thành bên phía mối hàn đạt 3μm ở 10 giờ và 33μm trong 1000 giờ. Trong tất cả các trường hợp, bề rộng vùng này luôn 18