MỤC LỤC
MỤC LỤC -------------------------------------------------------------------------------------1
LỜI CAM ĐOAN ----------------------------------------------------------------------------4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ----------------------------------5
DANH MỤC CÁC BẢNG ------------------------------------------------------------------6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ --------------------------------------------------------------7
MỞ ĐẦU ------------------------------------------------------------------------------------- 10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ------------------------------------------------------------- 13
I. TỔNG QUAN VỀ THÉP KHÔNG GỈ ---------------------------------------------- 13
1.1.

Giới thiệu --------------------------------------------------------------------------- 13

1.2.

Phân loại thép ---------------------------------------------------------------------- 14

1.2.1.

Thép không gỉ ferit ----------------------------------------------------------- 14

1.2.2.

Thép không gỉ austenit ------------------------------------------------------- 15

1.2.3.

Thép không gỉ mactenxit ---------------------------------------------------- 15

1.2.4.



2.5. Quá trình tiết pha trong thép không gỉ song pha 2205 ------------------------ 28
2.6.

Quá trình tiết pha σ ---------------------------------------------------------------- 31

2.6.1.

Đặc trưng của sự tiết pha sigma σ ------------------------------------------ 31

2.6.2.

Hình thái pha sigma (σ) ------------------------------------------------------ 32

2.7.

Ưng dụng của thép không gỉ song pha 2205 ----------------------------------- 33

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ------------------------------------- 35
2.1. Sơ đồ nghiên cứu--------------------------------------------------------------------- 35
2.2. Mẫu và các chế độ thí nghiệm ----------------------------------------------------- 36
2.2.1. Các mẫu thí nghiệm ------------------------------------------------------------- 36
2.2.2. Chế độ nhiệt luyện -------------------------------------------------------------- 37
2.3.

Phương pháp thực nghiệm -------------------------------------------------------- 38

2.3.1.

Phương pháp chuẩn bị mẫu để chụp ảnh tổ chức tế vi ------------------- 38

2.4.6.

Thiết bị phân tích EDS và chụp ảnh SEM --------------------------------- 44

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ------------------------------------------- 46
3.1.

Sự hình thành tổ chức khi làm nguội liên tục ---------------------------------- 46

3.1.1.

Kết quả tính toán nhiệt động học bằng phần mềm Thermo-Calc ------ 46

3.1.2.

Tổ chức thép khi làm nguội nhanh ----------------------------------------- 50

3.1.3.

Tổ chức tế vi của thép khi làm nguội chậm ------------------------------- 52
2


3.2.

Ảnh hưởng của các thông số cơ bản khi nguội tại nhiệt độ tiết pha -------- 54

3.2.1.

Sự hình thành tổ chức thép khi nguội tại nhiệt độ tiết pha -------------- 54

Tác giả luận văn

Lê Thu Hà

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
: Pha sigma
Pha ferit
 Pha austenit
PREN: chỉ số đánh giá chống ăn mòn điểm
EDS: Phổ tán sắc năng lượng tia rơngen
EBSD: (electron backcatster difaction) điện tử tán xạ ngược
SEM: Ảnh hiển vi điện tử quét

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên
bảng

Nội dung

Trang

Bảng 1.1

Thành phần nguyên tố của thép không gỉ


37

Bảng 2.3

Biểu thức tính khoảng cách mặt dhkl của hệ tinh thể có trong thép

40

Bảng 3.1

Tỉ phần các pha có trong thép

51

Bảng 3.2

Kết quả phân tích EDS của mẫu

56

Bảng 3.3

Thành phần nguyên tố tại các vùng pha

59

Bảng 3.4

Bảng các mẫu thử dai va đập


Hình 1.4

Giới hạn chảy của các loại thép không gỉ

25

Hình 1.5

Ảnh hưởng của hàm lượng Cr đến tốc độ ăn mòn của thép

26

Hình 1.6

Chỉ số PREN của họ thép không gỉ song pha và họ thép không gỉ

27

austenit
Hình 1.7

Giản đồ pha tính toán bằng phần mềm Thermo-Calc

28

Hình 1.8

Giản đồ nguội đẳng nhiệt của thép không gỉ song pha



41

Hình 2.5

Lò nhiệt luyện điều khiển theo chu trình.

42

Hình 2.6

Máy đo độ cứng.tế vi Duramin

43

Hình 2.7

Kính hiển vi quang học Axiovert 25A.

43

Hình 2.8

Máy phân tích quang phổ phát xạ rơngen

44

Hình 2.9

Hiển vi điện tử quét FE-SEM



Hình 3.5

Giản đồ nhiễu xạ mẫu làm nguội trong môi trường nước

51

Hình 3.6

Chế độ nhiệt luyện cho thép thưong phẩm

52

Hình 3.7

Ảnh tổ chức mẫu ủ 1050oC-40 phút: a-nguội trong nước; b-nguội

53

ngoài không khí; c-nguội cùng lò
Hình 3.8

Ảnh tổ chức tế vi và nhiễu xạ tia rơngen của thép 2205 ở 800oC

55

giữ nhiệt 240 phút
Hình 3.9



Hình 3.14

Ảnh nhiễu xạ rơngen ở các chế độ giữ nhiệt: ở 800OC -60

62

phút(M8-6) và 800OC-240 phút(M8-8)
Hình 3.15

Ảnh nhiễu xạ rơngen ở các chế độ giữ nhiệt ở 900OC-120 phút

62

Hình 3.16

Ảnh tổ chức thép 2205 giữ nhiệt trong thời gian 15 phút: (a)-

63

700oC; (b)-800oC; (c)-900oC
Hình 3.17

Ảnh tổ chức thép 2205 giữ nhiệt trong thời gian 240 phút:(a)-

64

700oC; (b)-800oC; (c)-900oC
Hình 3.18


Hình 3.22

(b)
Ảnh tổ chức mẫu thép ở 900oC với thời gian giữ
nhiệt khác nhau

68

(a)- 3 phút; (b)- 5 phút; (c)- 60 phút; (d)- 240 phút
Hình 3.23

Ảnh tổ chức của thép hóa già ở 800oC và giữ nhiệt ở các thời

69

gian khác nhau: (a)- 2 phút; (b)- 10 phút; (c)- 60 phút
Hình 3.24

Giá trị độ cứng của thép khảo sát theo nhiệt độ nguội đẳng nhiệt

70

với thời gian giữ nhiệt tăng
Hình 3.25

Giá trị độ cứng thu được sau hóa già và giữ nhiệt ở 800oC

71

Hình 3.26

ứng dụng của thép không gỉ song pha là cần thiết.
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Đề tài tiến hành nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các chế độ xử lý nhiệt
tới tổ chức và tính chất của thép không gỉ song pha. Thông qua các kết quả nghiên
cứu lý thuyết và thực nghiệm xác định vai trò của các chế độ xử lý nhiệt như cách

10


thức làm nguội, nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt trong việc tiết pha trung gian làm
giảm cơ tính của thép không gỉ song pha 2205.
ĐÔI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Luận văn nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện lên thép không gỉ
song pha, mác 2205. Thông qua việc đánh giá tổ chức và sự hình thành các tổ chức,
cơ tính của thép sau các chế độ xử lý nhiệt khác nhau để xác định các yếu tố chủ
yếu ảnh hưởng đến quá trình tiết pha trung gian trong thép.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
Thép không gỉ song pha với nhiều tính năng ưu việt khi cấu trúc của thép bao
gồm hai pha ferit và austenit. Sự xuất hiện của pha trung gian đặc biệt là pha sigma
làm giảm cơ tính và khả năng chống ăn mòn của thép. Việc xác định nhiệt độ và
thời gian tiết ra pha sigma là cần thiết để mở rộng phạm vi ứng dụng của thép
không gỉ song pha 2205.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Trên cơ sở tham khảo các nghiên cứu và các tài liệu về thép không gỉ song
pha, thép không gỉ song pha 2205 và các tính toán nhiệt động học bằng phần mềm
Thermo - Calc kết hợp với thí nghiệm công nghệ và đánh giá tổ chức, cấu trúc pha
để nghiên cứu ảnh hưởng của các chế độ xử lý nhiệt đến tổ chức và tính chất của
thép không gỉ song pha 2205.
KẾT CẤU LUẬN VĂN
Luận văn nghiên cứu chia làm 5 phần

có cấu trúc xít chặt trên bề mặt. Lớp oxit crom chính là lớp thụ động trên bề mặt
bảo vệ kim loại nền không bị ăn mòn. Tuy nhiên nếu làm việc trong môi trường
khắc nghiệt hơn thì hàm lượng crom phải tăng lên. Ngoài crom ra thép không gỉ còn
có thêm niken và mangan là những nguyên tố giúp mở rộng vùng γ để có thể hình
thành tổ chức austenit trong thép, molepden được thêm vào để tăng khả năng chống
lại ăn mòn lỗ. Khi điều chỉnh các nguyên tố này với hàm lượng nhất định có thể tạo
ra thép không gỉ với các tổ chức khác nhau. Thép không gỉ chia làm 5 nhóm chính.
(1) Thép không gỉ ferit.
(2) Thép không gỉ austenit
(3) Thép không gỉ mactenxit
(4) Thép không gỉ song pha
(5) Thép không gỉ hóa cứng tiết pha
Bảng 1.1 đưa ra thành phần nguyên tố của các loại thép không gỉ khác nhau.

13


Bảng 1.1. Thành phần nguyên tố của thép không gỉ
Loại thép

Thành phần (% khối lượng

không gỉ

Tính chất từ

C

Cr


Mactenxit

>0,1

11-14

0-1

-

V

Có từ tính

Duplex


là loại thép có thể hàn được. Tuy nhiên, một số chủng loại thép không gỉ trong quá
trình hàn thường xuất hiện các vết nứt ở vùng ảnh hưởng nhiệt vì vậy làm giảm lĩnh
vực áp dụng của loại thép này. Do sử dụng hàm lượng Cr nhỏ hơn dòng thép khác

14


và trong thép không chứa Ni nên giá thành của thép không gỉ ferit thấp hơn dòng
thép austenit.
1.2.2. Thép không gỉ austenit
Thép không gỉ austenit là thép mà trong tổ chức tế vi chỉ chứa một pha γ với
mạng lập phương tâm mặt ở ngay nhiệt độ phòng [24]. Đây là loại thép có chứa
lượng Ni rất cao (lên đến 35%) do Ni là nguyên tố có khả năng mở rộng vùng γ rất
mạnh. Ngoài ra trong thành phần của thép này còn chứa các nguyên tố nhằm ổn
định γ như C, N, Mn. Do có tổ chức thuần austenit và trong thép có chứa hàm lượng
Ni lớn nên độ dai của thép rất cao. Ở trạng thái ủ, giới hạn chảy của thép có thể đạt
giá trị 200MPa nên có khả năng gia công biến dạng tốt. Tương tự như thép không gỉ
ferit, do có tổ chức một pha nên thép không gỉ austenit không thể hóa bền bằng
nhiệt luyện. Tuy nhiên, đây là dòng thép có khả năng hóa bền biến dạng rất cao,
giới hạn chảy có thể tăng lên đến 2000MPa khi biến dạng dẻo. Ngoài ra, do tổ chức
austenit với kiểu mạng lập phương tâm mặt đảm bảo cho thép có độ dai khi làm
việc ở nhiệt độ dưới 0oC. Đây là dòng thép có khả năng chống ăn mòn tốt nhất.
Nhìn chung thép không gỉ austenit có thể hàn được. Tuy nhiên, khi hàn hoặc làm
việc ở nhiệt độ cao, sẽ hình thành cacbit crom ở vùng biên giới hạt làm nghèo Cr ở
vùng này dẫn đến suy giảm khả năng chống ăn mòn tinh giới của thép. Để nâng cao
tính hàn cho thép có thể áp dụng nhiều phương pháp khác nhau như giảm hàm
lượng cacbon xuống thấp hơn, tăng lượng Cr trong thép hay hợp kim hóa thêm một
lượng Ti nhất định. Nhìn chung đây là dòng thép có nhiều ứng dụng nhất, không
những trong công nghiệp (công nghiệp ô tô, công nghiệp hóa chất, hóa dầu …) mà
còn được sử dụng nhiều trong dân dụng.

1.2.4. Thép không gỉ duplex
Thép không gỉ duplex (thép không gỉ song pha) là thép mà trong cấu trúc pha có
chứa hai pha là ferit có thể dao động trong khoảng 30% đến 70% và austenit[24].
Ưu điểm nổi trội của dòng thép không gỉ duplex là có độ bền cao hơn trong khi khả
năng chống ăn mòn vẫn tương đương với dòng thép không gỉ austenit. Các dòng
thép không gỉ duplex thế hệ thứ hai do có thêm Mo và N nên khả năng chống ăn
mòn lỗ được nâng lên một cách đáng kể.

16


Tuy nhiên thép này lại rất dễ tạo thành pha liên kim với độ cứng cao và gây ảnh
hưởng đến tính chất của thép
1.2.5. Thép không gỉ hóa bền tiết pha
Thép không gỉ hóa bền tiết pha là dòng thép không gỉ có chứa Cr và Ni với hàm
lượng nhất định để kết hợp các tính chất tốt của dòng thép mactenxit và austenit.
Dòng thép này có độ bền cao tương đương như thép không gỉ mactenxit trong khi
khả năng chống ăn mòn tương tự như thép không gỉ austenit. Độ bền cao của thép
đạt được bằng phương pháp hóa bền tiết pha của các pha liên kim từ các dung dịch
rắn mactenxit hay austenit. Quá trình tiết pha có thể xảy ra khi thép được hợp kim
hóa với các nguyên tố như Cu, Al, Ti … với hàm lượng nhất định. Một trong những
ưu điểm của thép này là ở trạng thái cung cấp, thép có khả năng gia công cơ khí tốt
để tạo hình chi tiết. Quá trình hóa bền tiết pha có thể thực hiện ở vùng nhiệt độ thấp
nên không gây ra biến dạng chi tiết. Nhìn chung công nghệ hóa bền thép này tương
tự như quá trình hóa già hợp kim Al. Loại thép không gỉ hóa bền tiết pha thông
dụng nhất là mác 17-4-PH với 17%Cr và 4% Ni. Ngoài ra, thép còn chứa 4%Cu và
0,3% Nb. Do có độ bền cao nên thép thường được ứng dụng để chế tạo các chi tiết
chịu tải và chống ăn mòn trong lĩnh vực hàng không cũng như các lĩnh vực công
nghệ cao khác. Thép không gỉ hóa bền tiết pha có thể được sử dụng để chế tạo các
loại bánh răng, trục chịu tải nặng, các loại cánh bơm hoặc khuôn đúc.

mạnh sự phát triển cũng như nhu cầu sử dụng của thép không gỉ song pha. Đó là sự
thiếu hụt hàm lượng Ni trên thế giới đã đẩy giá thép không gỉ austenit lên và kết
hợp với sự gia tăng của ngành công nghiệp dầu khí đã khiến cho nhu cầu có một
loại vật liệu không gỉ phù hợp với môi trường đó. Đồng thời vào những năm đó thì
kỹ thuật sản xuất thép đã phát triển với các công nghệ khử cacbon trong thép. Với
những kỹ thuật như vậy đã khiến cho khả năng sản xuất thép tốt hơn với hàm lượng
cacbon thấp và lượng nitơ được kiểm soát.
Vào những năm 80, mác thép không gỉ song pha khác được giới thiệu với khả
năng hàn được cải thiện. Phổ biến là 2205, trong đó thành phần nguyên tố hợp kim

18


là 22%Cr, 5%Ni, 3%Mo, và 0,16%N. Thép 2205 được sử dụng trong nhiều ứng
dụng, thép 2205 chứa Nitơ vì nitơ cải thiện được tính chống ăn mòn của hợp kim và
giới hạn chảy (chảy) cao hơn gấp đôi so với thép không gỉ austenit thông thường.
Các mác thép không gỉ trước đó có khả năng chống ăn mòn và chống nứt trong môi
trường clorua nhưng sẽ làm cho tính chất thép bị mất đi khi hàn. Thép không gỉ
song pha 2205 có khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường tương tự như các
mác thép không gỉ austenit loại AISI 304, 316 và 317. Thép không gỉ song pha
2205 thường ở dạng ống sử dụng trong các môi trường ăn mòn nói chung và bền ăn
mòn trong clorua, độ bền tăng nên việc sản xuất thép có thể không cần dầy và
không phải xử lý sau ăn mòn.
Sự phát triển của thép không gỉ song pha vẫn tiếp tục và hiện nay có các năm
nhóm thép không gỉ song pha:
- thép không gỉ song pha 2304, với mác thép này có chứa rất ít Mo,
- thép không gỉ song pha 2205, loại thép thông dụng với hơn 80% nhu cầu sử dụng
- thép không gỉ song pha 25Cr như là hợp kim 255 với chỉ số PREN* ít hơn 40
- thép không gỉ song pha 2507 với 25-26% Cr, Mo và N tăng so với 25Cr, có chỉ số
PREN vào khoảng 40-45

22,75 5,04

2507 0,03

0,43

0,54

2101 0,026 0,69

2304 0,03

thép

C

0,56

Ni

W

P

3,19 -

-

0,025 0,002 0,16


4,3

Mo

Cu

0,67

S

N

Tùy từng mác thép mà thành phần thay đổi khác nhau. Thông dụng nhất là thép
không gỉ song pha 2205. Hàm lượng nguyên tố hợp kim thay đổi sẽ làm thay đổi
tính chất của thép không gỉ song pha.
Mỗi nguyên tố hợp kim đều có ảnh hưởng đến tính chất của thép. Sự kết hợp
giữa các nguyên tố hợp kim có trong thép cũng rất quan trọng. Cấu trúc và tính chất
của các loại thép không gỉ phụ thuộc vào những thành phần nguyên tố có trong
thép.[10,19].
Crôm (Cr): đây là nguyên tố hợp kim quan trọng nhất trong thép không gỉ.
Crôm là nguyên tố tạo nên tính chống ăn mòn cao của thép không gỉ. Khả năng
chống ăn mòn tăng khi hàm lượng Cr tăng. Crôm cũng làm tăng khả năng chống
oxy hóa ở nhiệt độ cao và là nguyên tố hợp kim mở rộng vùng  (ferit) trên giản đồ
pha Fe – Fe3C.
Nicken (Ni): Đây là nguyên tố mở rộng vùng  (austenit) trên giản đồ pha Fe –
Fe3C. Niken làm tăng độ dai và làm giản tốc độ ăn mòn trong môi trường axit.

20



Nitơ (N): Là một nguyên tố làm mở rộng cấu trúc austenit. Nó cũng làm tăng
đáng kể cơ tính. Nitơ làm tăng khả năng chống ăn mòn lỗ, đặc biệt là khi kết hợp
với molypden.
Ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim vào cấu trúc của thép không gỉ được tóm tắt
trong giản đồ Schaeffler-Delong (hình 1.2.) [11,19]. Sơ đồ này dựa trên thực tế là
các nguyên tố hợp kim có thể được chia thành các nguyên tố ổn đinh ferit và các
nguyên tố ổn định austenit. Điều này có nghĩa rằng sự hình thành của hai pha ferit
hoặc austenit trong cấu trúc là cần thiết và là mong muốn có trong thành phần cấu
trúc của thép. Nếu cần thúc đẩy sự hình thành austenit thì cần sử dụng các nguyên
tố làm ổn định pha austenti như là niken, nitơ. Nếu cần thúc đẩy sự hình thành ferit
khi đó cần sử dụng các nguyên tố làm ổn định pha ferit như là Cr, Mo. Dựa vào hai
nguyên tố cơ bản nhất là Ni và Cr có thể tính toán được tổng lượng ferit và austenit
có ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim. Cách tính toán này gọi là tính toán lượng
crom đương lượng và niken đương lượng dựa trên giản đồ Schaeffler-Delong.
Crôm đương lượng = %Cr + 1,5 x %Si +%Mo
Nicken đương lượng =%Ni + 30 x (%C +%N) + 0,5 x (%Mn +%Cu +%Co)
Dựa vào giản đồ này có thể thấy những ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim
lên thép. Sơ đồ Schaeffler-Delong ban đầu được phát triển cho mối hàn kim loại,
tức là nó mô tả cấu trúc sau khi nung nóng và làm nguội nhanh. Tuy nhiên với vật
liệu rèn và xử lý nhiệt trên giản đồ cũng thể hiện ảnh hưởng của các nguyên tố hợp
kim.

22


Hình 1.1. Giản đồ Schaeffler-Delong [11,19]
2.3.

Tổ chức thép không gỉ song pha
Với thành phần các nguyên tố hợp kim như đã nêu, tổ chức thép gồm hai pha


Cơ tính

Thép không gỉ song pha 2205 có thể thay thế cho thép không gỉ austenit đặc
biệt là khi làm việc ở nhiệt độ từ -50 đến 300oC [7] và phù hợp với nhiều ứng dụng
khác nhau.

24


Thép không gỉ duplex có độ bền cao hơn so với thép không gỉ austenit. Tại
nhiệt độ phòng, thép 2205 có thể đạt giới hạn chảy tới 450MPa và giới hạn bền
655MPa, cao hơn thép không gỉ austenit 316L. Khi làm việc ở nhiệt độ cao, độ bền
của thép vẫn cao hơn hai lần so với thép này (hình 1.4) [10]. So với thép không gỉ
ferit thép không gỉ song pha có nhiệt độ chuyển biến dẻo-giòn cao hơn nên khả
năng làm việc tại nhiệt độ thấp tốt hơn. Tuy nhiên, khi làm việc ở nhiệt độ dưới

Giới hạn chảy [MPa]

0oC, độ dai của thép duplex thường thấp hơn thép austenit.

Nhiệt độ [oC]

Hình 1.4. Giới hạn chảy của các loại thép không gỉ
Do có độ bền cao hơn nên có thể sử dụng thép không gỉ song pha với kích
thước mỏng hơn và tiết kiệm hơn. Đặc biệt so với thép không gỉ austenit thì thép
không gỉ song pha rẻ hơn do lượng niken chứa trong thép không gỉ song pha thấp
hơn nhiều so với thép không gỉ austenit.
2.4.2. Tính chống ăn mòn
Lý do cho việc chống ăn mòn tốt của thép không gỉ là chúng tạo ra một lớp