1
A. GIỚI THIỆU VỀ LUẬN ÁN
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Trên thế giới hiện nay, vật liệu mới trong kỹ thuật chủ yếu là vật liệu trimetal
(ba lớp); bimetal (hai lớp); compozit chịu mòn; gốm kim loại; hợp kim cứng luyện
kim bột làm dụng cụ gia công cơ khí; vật liệu kỹ thuật điện và điện tử; vật liệu nanô
được sử dụng cho chế tạo mới các phụ tùng mau mòn bởi tích hợp được tính năng tốt
của các thành phần để có nhiều tính năng đặc biệt so với vật liệu truyền thống.
Ở Việt Nam hiện nay hầu hết các máy móc, thiết bị công nghệ đều nhập từ nhiều
quốc gia như: Anh, Mỹ, CHLB Đức, Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc, Liên bang
Nga, Ucraina và các Đông Âu. Sau một thời gian làm việc chúng cần được bảo
dưỡng và thay thế phụ tùng mau mòn chóng hỏng, ví dụ như các chi tiết dạng trục,
bạc trượt, ổ bi, phụ tùng máy động lực và máy công cụ với số lượng lớn. Hàn nổ là
công nghệ tiên tiến đảm bảo tạo phôi bimetal làm các chi tiết máy chịu mài mòn và
có độ cứng cao. Vì thế, đề tài luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu lựa chọn chế độ hàn nổ thích hợp để tạo phôi bimetal thép các bon –
thép hợp kim có dạng hình trụ, sử dụng cho việc chế tạo các chi tiết máy như: chốt
biên của bộ trục khuỷu; chốt pít tông trong bộ nổ động cơ đốt trong; bi trụ
3. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn nổ để tạo phôi vật liệu bimetal thép C45 –
thép ШХ15 với lớp thép hợp kim hàn trên bề mặt hình trụ có tính chất ổn định và độ
bền bám dính với lớp thép C45 cao, đảm bảo mục đích sử dụng được đề xuất.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học
1. Đã sử dụng phần mềm tin học chuyên dụng để xử lý số liệu thực nghiệm và
nhận được mô hình toán học mô tả hàm mục tiêu độ bền bám dính 2 lớp (
b.d
) phụ
thuộc các thông số hàn nổ (r), (h) và (C) theo quy hoạch thực nghiệm kiểu N = 3
3

- Ý nghĩa thực tiễn
Lần đầu tiên ở Việt Nam đã thử nghiệm thành công việc ứng dụng năng lượng
nổ để biến dạng dẻo tóp ống thép hợp kim ШX15 và hàn dính với lõi thép các bon
C45 đạt chất lượng cao: độ bền bám dính 2 lớp vật liệu sau hàn nổ đạt trong khoảng

b.d
= 128,7333  258,6667 MPa, có đặc tính cấu trúc tế vi vùng biên giới liên kết tốt.
5. Các đóng góp mới của luận án
1. Đã hệ thống hoá cơ sở lý thuyết công nghệ hàn nổ ứng dụng cho tạo phôi
bimetal dạng tấm phẳng, bề mặt cong từ các tài liệu đăng tải trong và ngoài nước làm cơ
sở khoa học cho việc giải bài toán biến dạng dẻo tóp ống và hàn nổ ống thép hợp kim
ШX15 vào lõi thép C45 có dạng hình trụ và thực nghiệm trong điều kiện Việt Nam;
2. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm kiểu ba mức ba yếu tố (N = q
k
=
3
3
= 27) đã tiến hành thí nghiệm hàn nổ tạo phôi bimetal thép C45 – thép ШX15 dạng
trụ và khảo sát đánh giá ảnh hưởng của 3 thông số công nghệ hàn nổ chính (r), (h),
(C) đến độ bền bám dính 2 lớp (
b.d
) và đặc tính cấu trúc tế vi vùng liên kết hai lớp ở
trạng thái sau hàn nổ. Từ đó chọn chế độ hàn nổ phù hợp yêu cầu về chất lượng bám
dính giữa hai lớp kim loại hàn nổ;
3. Sử dụng phương pháp ép chảy nóng để nghiên cứu ảnh hưởng của mức độ
biến dạng dẻo tương đối với khác nhau theo hướng kính (
V
) đến (
b.d
), từ đó cho

ĐỀ TÀI LUẬN ÁN
1.1. Khái quát về vật liệu kết cấu chịu mài mòn
Vật liệu chịu mòn kết cấu có độ cứng cao dùng làm các chi tiết trong vòng bi
thường là bằng thép hợp kim cao, rất khó biến dạng dẻo và khó gia công, còn các chi
tiết dạng trục như: chốt biên, chốt ắc pit tông…có thể làm bằng thép hợp kim thấp và
thấm tôi nên công nghệ rất phức tạp, chi phí nguyên vật liệu và năng lượng cao.
Từ sau năm 1960 ở các nước thuộc Liên Xô trước đây tại nhiều Viện nghiên cứu
và các Trường Đại học đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn nổ 1,
2362 để chế tạo vật liệu bimetal, trong đó có bimetal thép – thép hợp kim chịu
mòn, thép - thép không gỉ, thép - titan, Về mặt lý thuyết hàn nổ được sử dụng hầu
như đối với các cặp vật liệu khác nhau, đặc biệt là các cặp kim loại và hợp kim có cơ
lý tính khác xa nhau và rất khó bám dính bằng các phương pháp tạo phôi bimetal
khác. Ngoài ra, hàn nổ có thể được sử dụng trong sản xuất đơn chiếc hoặc loạt nhỏ
các sản phẩm với năng suất cao, đảm bảo tạo ra các liên kết kim loại chất lượng cao,
chi phí đầu tư thiết bị ít tốn kém, phù hợp với các nước chưa từng có công nghiệp
luyện kim và máy cán mạnh như Việt Nam. Cho đến thời điểm hiện nay ở Việt Nam,
công nghệ hàn nổ mới được bắt đầu triển khai nghiên cứu ứng dụng ở dạng tấm phôi
bimetal thép các bon – thép hợp kim, thép các bon – thép không rỉ, thép các bon thấp
– hợp kim nhôm, thép các bon – hợp kim đồng, nhưng chưa có nghiên cứu sâu nào về
vấn đề tạo phôi bimetal ở dạng trụ có tính năng chịu mài mòn cao.
1.1.1. Vật liệu bimetal chịu mòn để chế tạo chi tiết máy dạng trục, chi tiết ổ bi
Các chi tiết hình trụ thuộc về nhóm chốt biên, chốt ắc pít tông trong động cơ ô
tô, xe máy và máy động lực, ca bi trong và ca bi ngoài, chiếm phần lớn các phụ
tùng mau mòn chóng hỏng cần thay thế định kỳ trong máy móc thiết bị nhiều ngành
kinh tế. Hiện nay ở ngoài nước người ta sản xuất các loại chi tiết đó bằng các công
nghệ tạo phôi tiên tiến (trong đó có hàn nổ), tiết kiệm nguyên liệu cao, với lớp bề mặt
làm việc có tính năng đặc biệt, khả năng chịu mòn cao. Ở Việt Nam hàn nổ là một
trong những công nghệ tiên tiến đã và đang được nghiên cứu ứng dụng trong tạo phôi
vật liệu bimetal dùng trong chế tạo máy, đóng tầu,
1.1.2. Một số chi tiết kết cấu khác từ vật liệu bimetal

Hình 1.2. Sự lan truyền sóng nổ tr
ên
bề mặt hình trụ 1
1.3. Nghiên cứu lý thuyết về hàn nổ các bề mặt lồi hình trụ
Để thành lập được công nghệ hàn nổ sát với thực tiễn đối với phôi đúc cánh tuabin
thuỷ lực với hình dạng prôphin không gian rất phức tạp, ở Liên Xô trước đây đã nghiên
cứu các đặc tính nổ của thuốc nổ dạng hình trụ có bán kính (R) thì mặt phân cách nổ
luôn luôn bị biến dạng từ mặt phẳng AB ở thời điểm ban đầu (hình 1.2) thành đường
thân khai CE và đưa ra các công thức tính toán lý thuyết 40. Hiệu ứng đó cũng được
khẳng định bằng các nghiên cứu thực nghiệm trích dẫn trong công trình 1.
1.4. Nghiên cứu ứng dụng năng lượng nổ để tạo phôi bimetal, trimetal ở Việt Nam
1.4.1. Khái quát chung
Ứng dụng năng lượng nổ trong hàn các kim loại có thành phần hóa học và cơ
tính khác nhau làm bạc trượt, cũng như tóp ống xy lanh bằng thép trong phục hồi
cụm xy lanh giảm xóc xe ô tô vận tải mỏ đã được khởi xướng ở Việt Nam từ những
năm thập kỷ 80 thế kỷ trước [1], [30]. Tuy nhiên, các nghiên cứu theo hướng này bị
gián đoạn do có nhiều yếu tố khách quan của nền kinh tế nước ta ở giai đoạn này. Chỉ
sau năm 1995 và cho đến nay, nhóm nghiên cứu ứng dụng hàn nổ tại Viện Nghiên
cứu Cơ khí (Bộ Công Thương) lại tiếp tục triển khai hướng công nghệ này:
5
1. Hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal thép các bon – thép các bon dụng cụ làm dao
cắt trong máy công cụ và thép các bon – thép hợp kim dụng cụ làm dao băm gỗ [7],
[9], [11],[12], [14], [16], [17], [22], [24], [27];
2. Hàn nổ tạo phôi vật liệu trimetal thép CT3 – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm
đóng tầu AA5083 sử dụng trong công nghiệp đóng tầu thuỷ [10], [15], [19], [20],
[23], [25], [26];
3. Hàn nổ tạo phôi vật liệu trimetal thép 08s – nhôm AA1050 – hợp kim nhôm chịu
mòn hệ Al – Sn – Cu (mác AO9-2) làm bạc trượt [10], [19], [20], [21], [23], [25], [26];
4. Hàn nổ tạo phôi vật liệu bimetal thép 08s – đồng M1 làm thanh cái dẫn điện
điện động lực [13], [18];

r





(1.14)
Theo điều kiện dẻo Misses:
Tr


3
2

(1.15)
trong đó: 
r
, 

- ứng suất hướng tâm và ứng suất tiếp tuyến tương ứng; 
T
- ứng suất
chảy của vật liệu.
Sau các phép biến đổi ta có giới hạn áp suất p
1
đủ để xy lanh biến dạng dẻo dưới
tác dụng của tải trọng tĩnh được xác định theo biểu thức:
 
2
1

tdtd



(1.20)
Xét trường hợp ống bị tóp co lại theo hướng kính (vật liệu thành ống
chuyển động hướng vào tâm) dưới tác dụng của áp lực xung nổ, nhà khoa học
6
người Nga Đeribas A. A. 40 giả thiết coi hình trụ bị biến dạng rất nhanh như
một chất lỏng lý tưởng. Khi đó, nếu gọi r
o
là khoảng cách của một phần tử nhỏ
của ống đối với tâm trước lúc biến dạng: r(r
o
, t) là khoảng cách của chính điểm
đó ở thời điểm (t) trong quá trình dịch chuyển khi nổ.
Áp lực sinh ra do quá trình nổ tác dụng lên ống hình trụ được xác định như sau:

3
11100
)(
/
)(
27
16
)(





= 610,7 MPa; ống có kích thước ban đầu R
10
= 56 mm; R
20
= 50 mm. Thuốc nổ
được dùng là loại amônít 6ЖB có mật độ rải bằng 
0
= 0,9 g/cm
3
và chiều dầy lớp thuốc
nổ tối thiểu bằng H = 9 mm. Kết quả thí nghiệm đạt được rất tốt, các xy lanh thủy lực sau
phục hồi được đưa vào sử dụng trên khai trường mỏ Quảng Ninh có hiệu quả.
1.4.3. Đề xuất phương án nổ tóp ống để hàn với lõi thép ở giữa
Trong công trình [7 tác giả đã đưa ra đề xuất hàn nổ tạo phôi bimetal dạng ống
trên cơ sở ứng dụng năng lượng nổ biến dạng tóp ống phục hồi các xy lanh thuỷ lực
nói trên và một số kết quả thực nghiệm hàn nổ tạo phôi bimetal dạng trụ thép C45 
thép ШХ15, khảo sát cấu trúc tế vi vùng biên giới liên kết giữa hai lớp kim loại sau
hàn nổ trên mặt cắt ngang và cắt dọc theo hướng nổ trên các phân vùng khác nhau
theo một số phương pháp luận đã đề xuất ở các công trình [4], [6], 7, [8], [9]. Bài
toán sẽ được hoàn thành khi đảm bảo được điều kiện sau:
0
)(
max
2

H
v
dt
tdR
(1.33)

dạng co theo hướng kính cần thiết.
Giới hạn nhiệm vụ nghiên cứu của luận án
Với mục tiêu đề ra nội dung chính của luận án này tập trung vào các vấn đề sau:
1. Nghiên cứu lý thuyết về hàn nổ tạo phôi bimetal từ dạng tấm, băng đến dạng
có bề mặt cong đã được đăng tải trong và ngoài nước để lựa chọn phạm vi nghiên
cứu thực nghiệm hàn nổ ống thép hợp kim ШХ15 vào mặt ngoài đối với chi tiết có bề
mặt dạng hình trụ làm bằng thép C45. Điều kiện thực nghiệm hàn nổ ở đây được xác
định trên cơ sở nghiên cứu trường hợp khi đường kính trong của ống thép hợp kim và
khe hở hàn so với lõi thép bên trong chọn ở giá trị không lớn. Với giả thiết điều kiện
biên là nếu xét trên một phần tử vật liệu ống thép hàn dọc phôi nổ đủ nhỏ, có thể áp
dụng các thông số nổ tính toán của bài toán hàn nổ tấm phẳng làm dữ liệu đầu vào
cho trường hợp hàn nổ bề mặt cong, sử dụng phương pháp điều chỉnh tăng dần lên
tới mức tạo ra được liên kết kim loại giữa 2 lớp trên phôi nổ dạng hình trụ;
2. Đề xuất mô hình thí nghiệm và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để xác
định các quy luật cơ bản khi hàn nổ tạo phôi hình trụ dựa trên cơ sở lý thuyết hàn
tấm, có tính đến bài toán biến dạng ống thép ШХ15 hình trụ bọc ốp tạo lớp bề mặt
chịu mòn phía ngoài lõi thép đặc C45 bên trong. Việc đề xuất phương án thực hiện
thí nghiệm hàn nổ tạo phôi bimetal dạng hình trụ với các giả thiết ban đầu khi coi sự
ảnh hưởng của thành phần biến dạng dẻo co ngang theo chu vi xét trên mặt cắt
ngang phôi nổ tại thời điểm va đập của ống thép bên ngoài với lõi thép bên trong sẽ
được tính đến trong các hệ số ẩn của mô hình toán học thực nghiệm của luận án là
cần thiết và khả thi trong điều kiện Việt Nam. Các thí nghiệm hàn nổ trong công trình
này chỉ giới hạn ở trường hợp phôi nổ gồm ống thép hợp kim và lõi thép các bon
chọn ở trạng thái đã qua xử lý nhiệt thường hóa để có độ dẻo cao nhất;
3. Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của một số thông số công nghệ hàn nổ chính
đến tính chất liên kết hai lớp kim loại bimetal thép C45 – thép ШХ15 thông qua thử phá
hủy mẫu xác định độ bền bám dính hai lớp và phân tích tổ chức tế vi vùng biên giới 2
lớp trên các mẫu thí nghiệm dạng trụ sau hàn nổ bằng phương pháp hiển vi quang học;
4. Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của mức độ biến dạng dẻo tương đối theo
hướng kính phôi bimetal thép C45 – thép ШХ15 dạng hình trụ sau hàn nổ và ép chảy

tấm kim loại, tạo ra tia kim loại cục bộ tạo điều kiện cho chúng liên kết kim loại với
nhau. Tốc độ cao và áp suất cao ở vùng va đập xảy ra sự đánh sạch màng ôxit trên
các bề mặt tiếp xúc, làm linh hoạt hoá chúng và tạo ra mối liên kết kim loại giữa các
lớp với nhau có dạng sóng âm đặc trưng hoặc không có dạng sóng 30, 37, 40.
2.2. Nguyên lý cơ bản hình thành liên kết kim loại khi hàn nổ
Sự va đập của các tấm kim loại hàn có đi kèm lượng biến dạng dẻo rất lớn, làm
xuất hiện sự nung nóng đẳng nhiệt cục bộ các bề mặt tiếp xúc khi hàn nổ, kết quả quá
trình đó là hình thành được liên kết kim loại 1, 37. Khi đó, để nhận được liên kết
bền vững, cần thiết phải đảm bảo sao cho thời gian tác dụng trong mối hàn áp lực
dương lớn hơn thời gian kết tinh lại của hỗn hợp các kim loại hàn và kim loại nền
nóng chảy 48.Cơ chế hình thành biên giới liên kết kim loại hai lớp vật liệu dạng sóng
âm trong quá trình hàn nổ cho trên hình 2.3  2.6 15, 28.
Quá trình hình thành liên kết kim loại giữa 2 tấm vật liệu hàn nổ được mô tả trên
hình 2.6ac có thể phân tích như sau:
1. Vị trí ban đầu của 2 tấm kim loại trước khi hàn nổ theo sơ đồ song song, đặt
cách nhau với khe hở hàn (h), chiều dày lớp thuốc nổ (H), chiều dày các tấm kim loại
trên và dưới tương ứng là 
1
và 
2
được cho trên hình 2.6a. Khi kích nổ thuốc nổ
bằng kíp nổ đặt ở phần đầu pakét nổ, tấm kim loại trên dưới tác dụng của quá trình
nổ tạo ra áp suất cao (p), nhận được động năng cao và va đập vào tấm dưới, chuyển
năng lượng vào điểm va đập và tạo ra trạng thái chảy lỏng các lớp bề mặt 2 tấm kim
9
loại hàn, đồng thời đẩy màng ôxit ra khỏi vùng có độ nén cao (vùng I – hình 2.6b) để
hình thành liên kết kim loại bền vững;
2. Vùng tiếp xúc trong quá trình cháy nổ chuyển động từ trái sang phải, khi đó
vùng II là miền có sự dịch chuyển biến dạng dẻo với cường độ cao, ở đó dưới áp suất
cao hơn nhiều so với độ bền trượt lý thuyết nên xuất hiện hàng loạt các lệch mạng trên 2

b)

c)

Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý hình thành mối hàn giữa hai tấm kim loại trong quá trình hàn nổ
28: a) Sơ đồ nổ song song; b) Giai đoạn nổ chưa ổn định; c) Giai đoạn nổ ổn định
3. Toàn bộ mối hàn cấu thành từ các phần cục bộ của kim loại nóng chảy và
đông đặc nhanh có thể đạt được chỉ khi dưới tác dụng của sóng đàn hồi dỡ tải (di
chuyển ngay sau vùng nén ép ở điểm va đập) với tốc độ sao cho trong vùng IV không
xẩy ra hiện tượng phá hủy mối liên kết kim loại đang hình thành giữa 2 lớp hàn nổ
(hình 2.6c).
2.3. Các thông số chủ yếu của công nghệ hàn nổ: Phân biệt các thông số chủ yếu
đặc trưng cho quá trình hàn nổ kim loại sau đây 1, 30:
1. Nhóm thông số động học gồm có: tốc độ bay của tấm kim loại hàn khi va đập
vào tấm kim loại nền (v
P
), tốc độ điểm tiếp xúc giữa hai tấm kim loại (v
K
), góc va đập
(), góc uốn động ().
2. Nhóm thông số vật lý gồm có: áp suất tại điểm tiếp xúc khi va đập (p
K
), thời
gian va đập (t) , nhiệt độ tại điểm va đập (T).
3. Nhóm các thông số công nghệ: tốc độ nổ (D) - đặc trưng bởi mỗi loại thuốc
nổ; thông số không đơn vị (r) – tỷ lệ giữa khối lượng thuốc nổ và khối lượng tấm kim
loại hàn; khe hở hàn (h
O
) – khoảng cách ban đầu giữa các tấm kim loại hàn; độ nhám
bề mặt tiếp xúc khi hàn (R

P


 
1 r 27 / 32 1
1 - r 27 / 32 1
1,2D



; (với K = 3) (2.13)
Trên thực tế, để tính áp suất va đập khi hàn nổ, tốt nhất nên sử dụng công thức
được đề xuất trong công trình 37, 43 và được trích dẫn trong công trình 30:
Các thông số hàn nổ chính bao gồm:
1. Thông số công nghệ 1: đặc trưng cho thuốc nổ sử dụng, sự thay đổi của nó
phụ thuộc vào đặc tính vật lý của thuốc nổ, thứ nhất là tốc độ nổ (D): đường kính
hoặc chiều dày, mật độ, thành phần hỗn hợp, kích thước hạt, độ ẩm, vỏ bọc đã được
trình bày khá rõ trong công trình 35, 37, 40, 43, 66.
2. Thông số công nghệ 2: (r) – tỷ lệ giữa khối lượng thuốc nổ sử dụng và khối
lượng tấm kim loại hàn. Nếu diện tích thuốc nổ được đặt trên bề mặt tấm kim loại
hàn bằng diện tích của nó thì thông số này được xác định theo công thức:
r = m
TN
/ m
1
= 
O
. H / 
1


2
Kb
ρ.vσ

(2.30)
trong đó: 
b
– Độ bền (trở kháng biến dạng tức thời) của kim loại hàn.
2.4.2. Ảnh hưởng của các thông số ban đầu khi hàn nổ đến cấu trúc: có quy
luật lý thuyết cho trên các hình 2.9  2.11.
2.4.3. Ảnh hưởng của độ cứng vật liệu hàn đến chất lượng mối hàn
Để tính đến độ cứng vật liệu hàn, tác giả công trình [1] trích dẫn đề xuất của tác
giả công trình 34: R
e
= (
1
+
2
)
2
K
v / [2(H
1
+H
2
)]  10.
Ý nghĩa vật lý của điều kiện R
e
là: áp suất tại vùng lân cận điểm tiếp xúc cao
hơn nhiều so với độ bền của vật liệu va đập. Sử dụng điều kiện này để hàn nổ đối với

Hình 2.9. Sự phụ thuộc của chiều dày trung
bình các tạp chất (
2
), các thông số biên
dạng sóng liên kết (, a) và độ bền bám
dính hai lớp (
k.d
) vào thông số (r)
Hình 2.10. Sự phụ thuộc của chiều d
ày trung
bình các tạp chất (
2
), các thông số biên
dạng sóng liên kết (, a) và độ bền bám
dính khi kéo đứt (
k.d
) vào tốc độ nổ (D) 1

Kết luận chương 2
1. Qua nghiên cứu hệ thống hoá cơ sở lý thuyết và kinh nghiệm thực tiễn của
nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới về hàn nổ tạo vật liệu bimetal ở phần này tác giả
luận án đã lựa chọn phương án thí nghiệm hàn nổ tạo phôi bimetal thép C45 – thép
hợp kim ШX15 dạng hình trụ phù hợp với điều kiện Việt Nam với ba thông số hàn nổ
chính là: Tỷ lệ khối lượng thuốc nổ trên khối lượng ống thép hợp kim hàn nổ (r); Tỷ
lệ khe hở ban đầu giữa lõi thép C45 với ống thép hợp kim ШX15 và chiều dày ống
thép hợp kim ШX15 (h); Tốc độ nổ (D), xác định bằng phương pháp đo trực tiếp khi
hàn nổ đối với mỗi một thí nghiệm nổ có khối lượng thuốc nổ khác nhau nhờ trợ giúp

3.2. Chọn trang thiết bị phục vụ thí nghiệm
3.2.1. Mô hình hàn nổ tạo phôi bimetal dạng hình trụ
Để hàn nổ các phôi bimetal dạng trụ, thanh, trong công trình nghiên cứu này sử
dụng mô hình paket hàn nổ (hình 3.3). Phân bố áp suất tác dụng lên mặt trụ ống thép
khi hàn nổ tạo phôi bimetal thép C45 - thép ШX15 được biểu diễn trên sơ đồ ở hình
3.4. Thiết bị đo tốc độ nổ kỹ thuật số được sử dụng để thí nghiệm cho trên hình 3.5.
1
2
3
4
5
6
7
a)
b)
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý hàn nổ
ống kim loại vào lõi thép đặc (a)
và mô hình paket trước khi nổ (b):
1 - Kíp nổ; 2 - Chóp nón bằng gỗ;
3 - Ống kim loại cần tóp; 4 - Lõi
thép cố định kích thước đường
kính trong; 5 - Thuốc nổ; 6 - Ống
bọc thuốc nổ bằng bìa giấy;

7 - Đế nổ
13


trụ nhận được sau hàn nổ cho trên hình 3.9.

Dọc hướng nổ

a)
b)
Hình 3.8. Máy ép thuỷ lực 400 tấn dùng để
thí nghiệm ép chảy ở trạng thái nóng phôi
bimetal thép C.45 – thép ШХ15 sau hàn n
ổ tại
một nhà máy sản xuất cơ khí quốc phòng
Hình 3.9. Sơ đồ vị trí cắt lấy mẫu thử phá huỷ xác định độ bền bám dính 2 l
ớp bimetal
thép C45 - thép ШХ15 sau hàn nổ hoặc sau ép chảy từ phôi thí nghiệm dạng hình trụ
14

3.2.4. Ch
ọn thiết bị thí nghiệm ngh
iên c
ứu cấu trúc bi
ên gi
ới hai lớp bimetal

Sử dụng các thiết bị cho trên hình 3.12.
3.3. Phương pháp thực hiện thí nghiệm
3.3.1. Cách tiếp cận chung về đo đạc và thống kê số liệu thực nghiệm
Thực hiện theo các bước đề xuất trong công trình 30.
3.3.2. Phương pháp tiến hành hàn nổ tạo phôi bimetal:
Thí nghiệm hàn nổ tạo phôi bimetal thép C45 – thép ШХ15 dạng hình trụ được
thực hiện theo quy hoạch thực nghiệm kiểu trực giao N = 3


Việc đánh giá tổng hợp chất lượng mối hàn nổ được thực hiện trên cơ sở so sánh
kết quả thí nghiệm thử cơ tính lấy mẫu tại nhiều vị trí khác nhau theo hướng nổ trên
các mẫu quy hoạch thực nghiệm với kết quả nghiên cứu cấu trúc biên giới 2 lớp
bimetal tương ứng. Ví dụ như ở hình 3.14:
+ Mẫu có ký hiệu 4.1 – phân vùng đầu phôi bimetal theo hướng nổ (1);
+ Mẫu có lý hiệu 4.2 – phân vùng giữa phôi bimetal theo hướng nổ (2);
+ Mẫu có ký hiệu 4.3 – phân vùng cuối phôi bimetal theo hướng nổ (3).
15

3.3.3. Phương pháp thí nghiệm ép chảy phôi bimetal: Chỉ giới hạn nghiên cứu
ảnh hưởng của mức độ biến dạng dẻo tương đối tổng cộng (

) qua 3 lần ép chảy
nóng đến độ bền bám dính 2 lớp vật liệu bimetal thép C45 – thép ШХ15 sau hàn nổ
và khảo sát cấu trúc tế vi vùng biên giới 2 lớp ở trạng thái thường hóa. Phôi ép chảy
được nung nóng đến 1200
O
C và ép chảy trong khuôn kim loại có bôi trơn bằng
graphít. Nhiệt độ các mẫu thí nghiệm sau khi được lấy ra khỏi khuôn ép chảy nằm
trong khoảng T = 850  900
O
C, sau khi lấy phôi ra khỏi khuôn ép chúng được để
nguội trong không khí.
3.3.4. Phương pháp thí nghiệm xử lý nhiệt mẫu bimetal:
Mẫu bimetal thép C45 – thép ШХ15 sau hàn nổ và ép chảy nóng được thường hoá.
3.3.5. Phương pháp xác định độ bền bám dính hai lớp bimetal
Khi thử phá huỷ mẫu kẹp trong đồ gá chuyên dụng ở tải trọng 12502500 N và
tốc độ nén (kéo) bằng 1,2  1,7 mm/phút. Lực phá huỷ được xác định trên sơ đồ tải
nén (kéo) của máy thử ghi tự động. Độ bền bám dính hai lớp bimetal được tính theo

vết ấn lõm so với kích thước thực, phụ thuộc vào hệ thống lăng kính của máy đo độ
cứng tế vi được sử dụng. Độ cứng tế vi được tính theo công thức:
H = 1,8544. P
H
/ d
2
(3.19)
trong đó: P
H
– Tải trọng ấn đầu châm khi đo độ cứng tế vi, kG.
Kết luận chương 3
1. Đã chọn các phương pháp thực hiện thí nghiệm hàn nổ tạo phôi bimetal
thép C45 – thép ШХ15; biến dạng dẻo bằng phương pháp ép chảy nóng phôi sau hàn
nổ. Trên cơ sở đó, đã lựa chọn một cách có cơ sở khoa học vật liệu và thiết bị thí
nghiệm phù hợp để tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ chính
khi hàn nổ (r), (h), (C) và mức độ biến dạng dẻo tổng cộng tương đối trong quá trình
ép chảy phôi bimetal thép C45 – thép ШХ15 sau hàn nổ (


) đến chất lượng của nó
phù hợp với điều kiện ở Việt Nam;
2. Đã chọn các phương pháp đánh giá chất lượng mối hàn theo tiêu chí tổng
hợp độ bền bám dính và tổ chức tế vi vật liệu sau hàn nổ và sau ép chảy nóng tại các
vị trí điển hình theo chu vi phôi bimetal dạng hình trụ trên biên giới 2 lớp bằng cách
sử dụng trang thiết bị thí nghiệm hiện đại. Đồng thời đã ứng dụng phần mềm tin học
16

chuyên dụng để xử lý số liệu thực nghiệm bằng tính toán mô phỏng số hàm mục tiêu
độ bền bám dính 2 lớp bimetal phụ thuộc vào các thông số nổ chính, đưa ra phương
pháp đánh giá sai số tương đối trong phép đo đạc trực tiếp, gián tiếp của các giá trị


6; b) Lô số 2: Mẫu số 12, 14

17; c) Lô số 3: Mẫu số 24

27

1. Tất cả các mẫu bimetal thép C45 – thép ШХ15 dạng hình trụ sau khi hàn nổ
đều có khả năng bám dính giữa lõi thép C45 với ống thép hợp kim ШХ15 tốt;
2. Độ sai lệch tương đối giữa các đường kính phôi bimetal trung bình trên 03 phân
vùng đầu (1), giữa (2) và cuối (3) đạt trong khoảng 1,5  3,5 % (Lô thí nghiệm 1); 2,5 
3,5 % (Lô thí nghiệm 2); 3,0  5,5 % (Lô thí nghiệm 3), trong đó phần giữa phôi (2) có
hiện tượng bị co vào với mức độ lớn hơn so với phần đầu (1) và phần cuối (3);
17

3. Khi thông số (h) tăng trong khoảng h = 0,10,3 khả năng bám dính 2 lớp thép
ШХ15 và lõi thép nền C45 có xu hướng tăng và sau đó giảm trong khoảng h = 0,30,5.
4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn nổ đến độ bền liên kết hai lớp
bimetal thép C45 - thép ШХ15
4.2.1. Xác định tốc độ nổ của thuốc nổ bằng phương pháp đo trực tiếp
Thuốc nổ hỗn hợp (AD1 + NH
4
NO
3
)

với C = 0,75; 0,875; 1,0 và mật độ rải 
0
=
0,95  0,97 g/cm

các mẫu hàn nổ theo QHTN 2 tăng tỷ lệ thuận cùng chiều tăng của các
thông số (r); (C) và (h = 0,1  0,2), đồng thời giảm tỷ lệ nghịch theo chiều tăng của (r);
(C) và khi (h = 0,2  0,3) (bảng 4.5 luận án).
4.2.3. Mô hình toán học hàm mục tiêu độ bền bám dính 2 lớp bimetal
Mô hình toán học hàm mục tiêu (
b.d
) cần tìm nhận được như sau:

600.7542 256.9280 452.8175 446.8207,553
162,94,742 207,2851136,650 44,433
22


ChrhC
rCrhChr
2
bd

(4.1)
trong đó: r – Tỷ lệ khối lượng thuốc nổ (m
0
) so với khối lượng ống thép ШX15 (m
1
), r =
m
0
/m
1
; h – Tỷ lệ khe hở hàn h
0

b.d
);
- Thông số (h) có ảnh hưởng mạnh thứ hai vì các hệ số trước số hạng bậc 1 mặc
dù có giá trị lớn hơn cả và mang dấu dương (+452,8175), nhưng hệ số trước số hạng
bậc 2 lại rất lớn và mang dấu âm ngược lại (1136,65) của (h);
- Tiếp sau đó là thông sô (r) vì các hệ số trước số hạng bậc 1 (+446,82) và bậc 2
(44,433) của (r) nhỏ hơn so với các số hạn của (h), đồng thời còn kể đến ảnh hưởng
trái chiều của (h) ở phân vùng khảo sát h = 0,2  0,3 như đã nêu trên.
4.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ hàn nổ đến cấu trúc tế vi biên giới hai lớp
bimetal thép C45 - thép ШХ15
4.3.1. Cấu trúc tế vi vật liệu bimetal thép C45 - thép ШХ15 trên biên giới hai lớp
theo mặt cắt ngang hướng nổ: Ví dụ điển hình cho trên các hình 4.8e,f (QHTN 1); hình
4.10c,d &4.11e,f (QHTN 2). Biên giới liên kết 2 lớp vật liệu bimetal sau hàn nổ ở một
vài chế độ QHTN 1 còn có lớp cấu trúc màng mỏng phân bố không liên tục trên toàn bộ
chiều dài mẫu khảo sát. Nguyên nhân là do chọn chế độ nổ với mức thấp (r = 1,4) và
trung bình (r = 1,6) và (h = 0,3  0,5) là chưa đảm bảo tạo ra tia kim loại cục bộ tại vùng
tiếp xúc va đập đủ mạnh để đẩy hết các hợp chất giữa các thành phần kim loại thép hàn
và sản phẩm nổ ra khỏi khe hở hàn và chưa đủ biến dạng co tóp ống thép ШХ15.

e - Mẫu số 20 (MS: 012)f - Mẫu số 24 (MS: 122)

Hình 4.8. Ảnh chụp cấu trúc biên giới 2 lớp vật liệu bimetal thép C45 – thép ШХ15 trên
một số mẫu thí nghiệm theo quy hoạch thực nghiêm định hướng công nghệ (QHTN 1)

c - Mẫu số 14* (MS: 111)
trụ có tính năng đặc biệt vì lớp vật liệu bề mặt bằng thép hợp kim chịu mòn cao.
Kết luận chương 4
Bằng các nghiên cứu thực nghiệm trong phần này đã nhận được các kết quả sau:
1. Giữa đại lượng (C) với tốc độ nổ của thuốc nổ sử dụng (D = v
k
), áp suất va đập
(p
k
) và năng lượng va đập (W
p
) theo chiều dày ống thép ШX15 (

1
= 2,0

4,0 mm) có
mối quan hệ sau: Khi hàn nổ với C = 0,75 xác định được tốc độ nổ D
1
= v
k1
= 3430,0
m/s; tốc độ, áp suất và năng lượng va đập đạt giá trị tương ứng: v
p1
= 1029,0 m/s; p
k1

= 8,312 GPa; W
p1
= 83,119


p3
= 146,456

292,912 MJ/m
2
;
20

2. Độ bền bám dính 2 lớp vật liệu bimetal thép C45

thép ШX15 nhận được ở các
chế độ hàn nổ theo QHTN 2 sau hàn nổ (

b.d
) trên các mẫu thí nghiệm lặp theo QHTN 2
tăng tỷ lệ thuận cùng chiều tăng của các thông số (r), (C) và (h = 0,1

0,2), đồng thời
giảm tỷ lệ nghịch theo chiều tăng của (r), (C) và (h = 0,2

0,3). Ảnh hưởng của thông
số (C) là mạnh nhất, sau đó là thông số (h) và cuối cùng là thông số (r). Độ bền bám
dính 2 lớp bimetal thép C45

thép ШX15 sau hàn nổ (

b.d
) trên các mẫu thí nghiệm lặp
QHTN 2 đạt trong khoảng


nóng lần 1 với 

1
= 7,5%, lần 2 với 

2
= 15% và lần 3 với 

= 22,5%. Mẫu thí
nghiệm sau ép chảy nóng phôi bimetal dạng hình trụ cho trên hình 5.1, còn kết quả
tính toán xác định độ bền bám dính 2 lớp bimetal cho tyển hình 5.2.

a) Mẫu thí nghiệm số 14 b) Mẫu thí nghiệm số 15

c) Mẫu thí nghiệm số 16

d) Mẫu thí nghiệm số 26
Hình 5.1. Ảnh chụp mẫu thí nghiệm ép chảy nóng từ phôi bimetal thép C45 – thép ШX15 dạng

hình trụ qua hàn nổ ở các chế độ có mã số: a) – (111) ; b – (121) ; c) – (201) ; d) – (212)
170
§é bÒn b¸m dÝnh, 
b.d
, MPa


%

ra cả 2 phía kim loại hàn (thép ШX15) và kim loại nền (thép C45). Độ cứng lớp thép
hợp kim ШX15 đạt HV
ШX15
= 235  260, còn độ cứng lớp thép C45 đạt HV
C.45
= 178
 199; độ cứng trên biên giới 2 lớp bimetal đạt HV
b.g.
= 169  175;
2. Đối với mẫu sau ép chảy nóng với 

= 22,5%: HV
ШX15
= 311  342, còn độ
cứng lớp thép C45 đạt HV
C.45
= 240  265. Độ cứng trên biên giới 2 lớp bimetal đạt
HV
b.g.
= 264  274. Nguyên nhân vì do qua ép chảy lần 3 với 

= 22,5 % đã làm cho
2 lớp vật liệu bimetal bị biến cứng mạnh và dẫn đến chúng có độ cứng cao hơn rất
đáng kể so với vật liệu trên mẫu sau ép chảy với 

= 15% (bảng 4.6 luận án).
5.3. Ảnh hưởng của biến dạng đến hình thái cấu trúc tế vi mối hàn trên biên giới
kiên kết 2 lớp bimetal
Ví dụ điển hình trên hình 5.4 cho thấy biên độ sóng liên kết 2 lớp bimetal (a)
thay đổi giảm dần theo chiều tăng của mức độ biến dạng dẻo tương đối tổng cộng (


2
= 15%, làm nguội sau đó ngoài không khí, là một
trong số các mẫu được chọn để phân tích SEM-EDX. Tổ chức tế vi lớp thép C45 và
thép ШX15 cho ở hình 5.8b,c.
Đã tiến hành nghiên cứu SEM-EDX tại ba phân vùng: mép hàn nổ phía lớp thép
C45; mép phía lớp thép ШX15 và vùng biên giới hàn nổ C45  ШX15 mà kết quả cho
trên hình 5.10 và các bảng kèm theo là ví dụ điển hình.
22Hình 5.7a. Tổ chức tế vi của mối hàn
bimetal thép C45
– thép ШХ
15 sau hàn
nổ, ép chảy nóng và làm nguội trong
không khí (x500; 
2
=15%)

b) x500c) x500

Hình 5.8b,c. Ảnh tổ chức tế vi lớp thép C45 (a) và thép
ШX15 (c) sau ép chảy nóng và làm nguội trong không khí:

a) Peclít + Pherit); b) Peclit mịn + Các bít lưới


b) Tiểu vùng 001 và 002

c) Tiểu vùng 003 và 004, x3000
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00
keV
004
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
CKa
OKa
NaKa
NaKsum
MgKa
AlKa
SiKa
KKa
KKb
CaKesc
CaKa
CaKb

e) x3000
a - c: Phân tích theo tiểu vùng
V
ị
trí
Kết quả phân tích thành phần hóa học, % kh.l.
C O Na Mg

Si K Ca Ti Cr Mn

Fe Tổng
001 0.27

- - - 0.14

- - -
0.11

- 99.48
100.00



0.22

1.13

0.79

12.6

4.2 56.6
100.00

e: Phân tích theo đường màu: đỏ, xanh thẫm, xanh lơ
Vị

trí
Kết quả phân tích thành phần hóa học EDX theo đường, % kh.l.
Khoảng K.S. C Si Cr Fe Tổng
000
0.000

m
2.47 0.64 1.59 95.31 100.00
001
2.763

m
2.03 0.39 1.46 96.12 100.00
002
5.526


m
1.90 0.17 0.48 97.45 100.00
009
24.869

m
2.07 0.12 0.55 97.25 100.00
f)
Hình 5.10. Vị trí tiểu vùng khảo sát mẫu No.1.3 (1): (a x1000; c x3000); Kết quả phân tích
SEM-EDX tương ứng (b; d); Vị trí và kết quả phân tích SEM-EDX theo đường (e x3000; f)
20 µm
LG
1
Distance0.00 24.87 µm
Mass%0 4
C
Si
Cr
23

Từ hình 5.10 cho thấy: tổ chức phần trên của ảnh ứng với thép C45 bao gồm
peclít và ferít; phần dưới gồm peclít mịn, các bít dạng lưới và cả ferít hợp kim. Tổ
chức tại mối hàn có đặc trưng của cả hai loại thép đã nêu. Đó là kết quả của sự
phân bố không đều của các nguyên tố trong thép gây nên.Tổng hợp từ 16 phân tích
SEM-EDX tương tự đã xây dựng được bảng 5.3.
Qua phân tích số liệu trong bảng 5.3 cho thấy:
- Có sự thay đổi thành phần hóa học trung bình từ mác thép C45 qua lớp hàn tới mác
thép IIIX15 một cách tuần tự mà không có bước nhảy đột ngột;
- Do quá trình hàn nổ tạo ra va đập rất mạnh cùng với quá trình nóng chảy cục bộ,

nghĩa
Trung
bình

M1-3M2-4M3.2M3-4M3.2- 3

C
0,19
 0,73

0,48
0,28  1,27

0,43
0,05,2
1,37 3,05 3,00 2,37 1,57 1,59
Si
0,14

bám dính của bimetal giảm từ với tỷ lệ 1,85

1,99% tới 5,41

5,55% khi tăng mức độ
biến dạng từ 7,5% tới 22,5%. Điều đó do nhiều nguyên nhân có liên quan tới sự liên kết
giữa hai lớp thép như cường độ sóng tại bề mặt liên kết, vai trò cuả gia công ép nóng, sự
kết tinh lại và ứng suất tạo ra, sự thay đổi cả tạp chất sau biến dạng dẻo mà các đồng
nghiệp cùng tác giả luận án sẽ tiếp tục nghiên cứu ở công trình khác;
2. Sự liên kết giữa giữa 2 lớp vật liệu bimetal hàn nổ là do việc tạo thành các tổ chức
mang tính kim loại. Tuy nhiên, do tốc độ va đập lớn và sự nóng chảy cục bộ khi hàn nổ mà
các nguyên tố trong bimetal bị thiên tích rất mạnh, đồng thời không khí và tạp chất tạo thành
trong môi trường hàn không kịp thoát hết ra ngoài nên vùng mối hàn ngoài các tổ chức péclít
24

mịn, các bít dạng lưới và pherít còn tồn tại các ôxyt và tạp chất phi kim. Kết quả làm giảm
độ cứng và độ bền bám dính mối hàn và sự phá hủy chủ yếu xẩy ra tại đây. Điều đó làm
cho độ bền bám dính 2 lớp bimetal giảm dần theo chiều tăng của mức độ biến dạng dẻo (


).

KẾT LUẬN CHUNG LUẬN ÁN
Từ kết quả nghiên cứu trình bày trong luận án, đã rút ra các kết luận sau:
1. Hàn nổ bimetal thép C45 - thép ШX15 dạng ống để chế tạo các chi tiết làm
việc trong điều kiện chịu mài mòn là một công nghệ mới có thể thực hiện tại Việt nam
mà không cần đầu tư nhiều để tạo ra năng lượng dưới áp lực cao trong quá trình va
đập của các lớp kim loại hàn, nhờ đó sẽ hiệu quả kinh tế trong việc tạo phôi bimetal
đảm bảo độ bền ban đầu đạt yêu cầu kỹ thuật cho các bước gia công tiếp theo;
2. Nhờ một hệ thống lý thuyết về hàn nổ dạng ống và phương pháp nghiên cứu

nghệ hàn cứng cao: r = 1,7; h = 0,2; C = 1,0 khi sóng liên kết giữa hai lớp thép lớn,
sạch tạp chất;
5. Trong quá trình biến dạng dẻo phôi bimetal thép C45 – thép ШХ15, biên độ
sóng liên kết giữa 2 lớp giảm dần theo chiều tăng của mức độ biến dạng tương đối do
phôi bị ép đã co theo hướng kính và chảy dài dọc theo hướng ép. Độ bền bám dính của
bimetal giảm từ 1,85  1,99% tới 5,41  5,55% khi tăng độ biến dạng từ 7,5% tới
22,5%. Điều đó do nhiều nguyên nhân có liên quan tới sự liên kết giữa hai lớp thép như
cường độ sóng tại bề mặt liên kết, vai trò cuả gia công ép chảy nóng, sự kết tinh lại và ứng
suất tạo ra, sự thay đổi cuả tạp chất sau ép chảy nóng mà tác giả luận án sẽ tiếp tục nghiên
cứu ở công trình nghiên cứu khoa học khác;
6. Sự liên kết giữa 2 lớp vật liệu bimetal là do việc tạo thành các tổ chức mang tính
kim lọai. Tuy nhiên, do tốc độ va đập lớn và sự nóng chảy cục bộ khi hàn nổ mà các
nguyên tố trong bimetal bị thiên tích rất mạnh, đồng thời không khí và tạp chất tạo thành
trong môi trường hàn không kịp thoát hết ra ngoài nên vùng mối hàn ngoài các tổ chức
péclít mịn, ferít và các bít dạng lưới còn tồn tại các ôxit và tạp chất phi kim. Kết quả làm
giảm độ cứng và độ bền bám dính mối hàn và sự phá hủy chủ yếu xẩy ra tại đây.