LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan 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” là công trình do chính tôi nghiên
cứu và thực hiện, dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS TS Phạm Mai Khánh và TS
Nguyễn Đức Thắng.
Các số liệu và kết quả đƣợc trình bày trong luận án này hoàn toàn trung thực và chƣa từng
đƣợc tác giả khác công bố dƣới bất kì hình thức nào. Các thông tin trích dẫn đã đƣợc ghi rõ
nguồn gốc.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Hà Nội, ngày tháng
năm
2019
Giáo viên hướng dẫn

Tác giả

Lê Thị Nhung

i


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc và chân thành tới hai thầy giáo của tôi
là PGS TS Phạm Mai Khánh và TS Nguyễn Đức Thắng đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn tôi
trong suốt thời gian thực hiện luận án.
Tôi xin cảm ơn tới Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Khoa học và Kỹ thuật
vật liệu đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian tôi học tập tại trƣờng.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo tại Bộ môn Vật liệu và Công nghệ đúc –
Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu – Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội đã nhiệt tình
giúp đỡ, tạo điều kiện và động viên trong suốt thời gian sinh hoạt chuyên môn tại Bộ môn.
Đồng thời, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam, Viện Cơ

1.4. Tóm tắt chƣơng 1 ...................................................................................................... 17
1.4.1. Các hƣớng nghiên cứu chính về mối hàn hai vật liệu khác loại......................... 17
1.4.2. Nhận xét về tình hình nghiên cứu trong nƣớc .................................................... 17
1.4.3. Xu hƣớng nghiên cứu về công nghệ hàn ............................................................ 18
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................... 19
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 ............................................................................ 19
2.1.1. Vật liệu hàn ........................................................................................................ 19
2.1.2. Nguồn nhiệt hàn ................................................................................................. 20
Trong đó: ...................................................................................................................... 24
2.1.3. Tốc độ nguội....................................................................................................... 24
2.1.4. Các yếu tố khác .................................................................................................. 26
2.2. Giản đồ pha của vật liệu cần hàn .............................................................................. 26
2.2.1. Giản đồ pha thép cacbon .................................................................................... 26
2.2.2. Giản đồ pha thép không gỉ ................................................................................. 28
2.3. Sự kết tinh và chuyển pha trong vùng nóng chảy mối hàn ....................................... 32
iii


2.3.1. Mô hình kết tinh ................................................................................................. 32
2.3.2. Ảnh hƣởng của pha δ-ferit tới cơ tính của mối hàn ........................................... 34
2.3.3. Cơ chế hình thành ferit trong mối hàn ............................................................... 34
2.3.4. Dự đoán hàm lƣợng δ-ferit trong mối hàn thép không gỉ austenit ..................... 35
2.4. Chuyển biến pha tại vùng HAZ của thép cacbon ..................................................... 37
2.5. Chuyển biến pha trong vùng HAZ thép không gỉ ..................................................... 39
2.5.1. Sự lớn lên của hạt ............................................................................................... 39
2.5.2. Sự hình thành ferit .............................................................................................. 39
2.5.3. Sự tiết pha........................................................................................................... 40
2.5.4. Sự nung nóng biên giới hạt ................................................................................ 40
2.6. Sự thay đổi tổ chức trong vùng chuyển tiếp của mối hàn giữa thép không gỉ austenit

a: Hệ số khuếch tán nhiệt
ac: Hoạt tính của cacbon
acαθ: Hoạt tính của cacbon tại mặt phân pha α/θ
acθα: Hoạt tính của cacbon tại mặt phân pha θ/α
B1, B2: Hằng số
CCT: Giản đồ chuyển biến nguội liên tục
Ctđ: Crom tƣơng đƣơng
Ci*, Ci0: Nồng độ chất i trong pha lỏng và nồng độ danh nghĩa của chất i
c: Nhiệt dung riêng
D: Hệ số khuếch tán
Dik: Độ khuếch tán của nguyên tố i dƣới ảnh hƣởng gradient của nguyên tố k
Dα: Hệ số khuếch tán của cacbon trong α
Dθ: Hệ số khuếch tán của cacbon trong θ
d: Chiều dày mẫu hàn
dc: Chiều dày danh nghĩa
F: Mô hình kết tinh F của thép không gỉ austenit
FA: Mô hình kết tinh FA của thép không gỉ austenite
G: Gradient nhiệt độ
G1: Năng lƣợng tự do của hợp kim giàu B
G2: Năng lƣợng tự do của hợp kim giàu A
G3: Năng lƣợng tự do ban đầu của hợp kim sau khi liên kết thành khối
G4: Năng lƣợng tự do của hợp kim đồng nhất A – B
GMAW (Gas Metal Arc Welding): Hàn hồ quang với khí bảo vệ
HAZ (Heat affected – zone): Vùng ảnh hƣởng nhiệt
I: Cƣờng độ dòng điện
Ji: Dòng chuyển động của nguyên tử i
k: Hệ số chia phần
K1, K2, K3, K4: Hệ số
qđ: Năng lƣợng đƣờng
Q: Công suất hiệu dụng của hồ quang

yc: Tỉ số mol của cacbon
z: Khoảng cách của cacbon so với mặt phân cách
α: Vùng cacbon hoạt tính cao tại mặt phân cách
β: Vùng cacbon hoạt tính thấp tại mặt phân cách cho các mối nối ferrite
ΔT: Độ quá nguội
ΔHm: Ẩn nhiệt nóng chảy
ΔT8-5: Thời gian nguội từ 8000C đến 5000C
Δ0Gγ-grC: Năng lƣợng tự do Gibb của cacbon trong sự chuyển đổi cấu trúc từ γ sang graphit
ϵij: Hệ số phản ứng qua lại Wagner giữa nguyên tử i và j
λ: Hệ số dẫn nhiệt
µ: Hóa năng
µ0: Hóa năng ở trạng thái tiêu chuẩn
µαθ: Hóa năng của cacbon tại mặt phân cách α/θ
µθα: Hóa năng của cacbon tại mặt phân cách θ/α
Г: Hệ số hoạt tính của cacbon
Гi: Hệ số hoạt tính của nguyên tử i
Гα: Hệ số hoạt tính của cacbon trong vùng α của mối hàn
Гθ: Hệ số hoạt tính của cacbon trong vùng θ của mối hàn
η: Hiệu suất nhiệt
θ: Vùng cacbon hoạt tính thấp của mặt phân cách cho mối nối austenit
θ’: Góc tiếp xúc giữa mầm và nền kim loại
ρ: Khối lƣợng riêng
γLC: Năng lƣợng bề mặt giữa pha lỏng và mầm

viii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên bảng
Trang

Bảng 4.6. Tốc độ nguội vùng HAZ thép cacbon
81
Bảng 4.7. Giá trị độ cứng vùng HAZ thép cacbon
85
Bảng 4.8. Tốc độ nguội vùng HAZ thép không gỉ
86
Bảng 4.9. Giá trị độ cứng vùng HAZ thép không gỉ
89
Bảng 5.1. Tỉ phần các pha ở trạng thái cân bằng
95
Bảng 5.2. Khoảng cách khuếch tán của cacbon giữa lý thuyết và thực tế
107
Bảng 5.3. Hệ số khuếch tán cacbon thực tế
108
Bảng 1.PL1: Thành phần hóa học của vật liệu cơ bản và điện cực
i
ii
Bảng 2.PL1: Tham số hàn và năng lƣợng đƣờng
Bảng 3.PL1. Chiều rộng và chiều cao của mối hàn
Bảng 4.PL1. Kích thƣớc mẫu trƣớc và sau khi kéo
Bảng 5.PL1. Giá trị cơ tính
Bảng 6.PL1 Kết quả thử độ dai va đập vùng HAZ thép cacbon
Bảng 1.PL2 Các đặc tính của vật liệu hàn
Bảng 2.PL2. Năng lƣợng đƣờng và chiều dày danh nghĩa
Bảng 1.PL3. Số δ - ferit tính theo Schaeffler
Bảng 1.PL4. Hệ số khuếch tán của cacbon
Bảng 2.PL4. Bảng tính các tham số theo phƣơng pháp Wagner
Bảng 3.PL4. Bảng tính các tham số theo phƣơng pháp Uhrenius
Bảng 4.PL4. Bảng tính các tham số theo phƣơng pháp Wada
Bảng 5.PL4. Bảng tính các hệ số A1, A2, B1, B2

05
thép không gỉ Austenit 304
Hình 1.5. Tổ chức của vùng ảnh hƣởng nhiệt thép cacbon
06
Hình 1.6. Sự hình thành pha σ tại vùng nóng chảy, và nứt tại pha σ
07
Hình 1.7. Nứt tại kim loại mối hàn giữa thép không gỉ 304 và thép A36 sử dụng
07
điện cực 309L
Hình 1.8. Sai hỏng tại biên giới nóng chảy do không đảm bảo liên kết
07
Hình 1.9. Nứt tại biên giới nóng chảy mối hàn giữa thép không gỉ 304 và thép
08
A36 sử dụng điện cực 309L
Hình1 .10. Nứt nóng vùng HAZ của mối hàn thép không gỉ Austenit
08
Hình 1.11. Các hợp kim đƣợc sử dụng trong PWR
09
Hình 1.12. Hàn đƣờng lấy mẫu cho bao hơi, đầu chờ vòi phun là thép cacbon hàn
09
với thép không gỉ Austenit 304
Hình 1.13. Hàn hệ thống lấy mẫu cho đƣờng ống mái với đầu chờ là thép cacbon
10
kết nối với thép không gỉ austenite 304
Hình 1.14. Hàn hệ thống tấm chắn bụi với các tấm chắn là thép không gỉ
10
Austenit 304 và ống là thép cacbon
Hình 1.15. Hàn tấm chắn bụi phần mái lò hơi giữa thép không gỉ Austenit 304
10
với thép cacbon và thép hợp kim A213T11

21
Hình 2.2. Sự chuyển động của nguồn nhiệt khi xét với tấm mỏng
21
Hình 2.3. Sự chuyển động của nguồn nhiệt trong tấm dày
22
Hình 2.4. Kết quả tính toán từ phƣơng trình Rosenthal cho tấm dày
23
Hình 2.5. Giản đồ CCT của thép 0,2%C
25
Hình 2.6. Biểu đồ Ishikawa
26
Hình 2.7. Giản đồ trạng thái Fe - C
27
Hình 2.8. Đồ thị TTT cho thép trƣớc cùng tích
28
x


Hình 2.9. Mặt phẳng đƣờng lỏng và đƣờng đặc của hệ Fe – Cr – Ni
Hình 2.10. Giản đồ hệ Fe – Cr – Ni.
Hình 2.11. Giản đồ pha đƣợc tính bằng Thermolcal.
Hình 2.12. Kết tinh dạng A và kết tinh dạng AF
Hình 2.13. Kết tinh loại FA.
Hình 2.14. Sự kết tinh loại F
Hình 2.15. Cơ chế hình thành δ-ferit hình kim, hình giun
Hình 2.16. Đồ thị Schaeffler năm 1949
Hình 2.17. Đồ thị Delong dự đoán hàm lƣợng Ferit và mô hình kết tinh
Hình 2.18. Đồ thị WRC - 1992 dự đoán hàm lƣợng ferit và mô hình kết tinh
Hình 2.19. Đồ thị WRC – 1992 với lớp biên mactenxit cho 1%, 4%, 10%
Mangan

Hình 4.4. Tổ chức tế vi vùng giữa kim loại mối hàn
Hình 4.5. Hình thái delta-ferit tại biên giới nóng chảy thép không gỉ
Hình 4.6. Hình thái delta-ferit tại biên giới thép cacbon
Hình 4.7. Ảnh SEM mô tả hình thái delta-ferit dạng xƣơng cá và đều trục trong
kim loại mối hàn
Hình 4.8. Đồ thị Shaeffler
Hình 4.9. Đồ thị WRC-1992
xi

29
30
31
33
34
34
35
36
36
37
37
38
40
41
41
42
42
43
43
47
51

là hàm của tốc độ kết tinh
Hình 4.16. Mối quan hệ giữa tốc độ phát triển mầm và tốc độ hàn
Hình 4.17. Sự biến đổi tốc độ phát triển dọc theo biên giới nóng chảy
Hình 4.18. Sự thay đổi gradient nhiệt độ và tốc độ phát triển mầm
Hình 4.19. Hai dạng pha austenit trong vùng kim loại mối hàn, (a) vùng tâm mối
hàn, (b) vùng giáp biên giới thép không gỉ
Hình 4.20. Kết quả đo độ cứng tại vùng kim loại mối hàn tƣơng với 6 mẫu có
chế độ hàn thay đổi
Hình 4.21. Đƣờng phân bố nồng độ của các nguyên tố trong vùng chuyển tiếp tại
hai vị trí khác nhau
Hình 4.22. Thành phần hóa học tại các điểm khác nhau trong vùng chuyển tiếp
Hình 4.23. Tổ chức tế vi tại vùng chuyển tiếp phía thép cacbon
Hình 4.24. Sự thay đổi hình dáng biên giới nóng chảy
Hình 4.25. Chu trình nhiệt vùng HAZ thép cacbon
Hình 4.26. Nhiệt độ lớn nhất tại các điểm trong vùng HAZ thép cacbon theo tính
toán và thực nghiệm
Hình 4.27. Sự thay đổi độ hạt vùng HAZ thép cacbon
Hình 4.28. Tổ chức tế vi cùng HAZ thép cacbon.
Hình 4.29. Ảnh SEM tổ chức vùng HAZ thép cacbon
Hình 4.30. Ảnh TEM chỉ các tổ chức mactenxit và bainit trong vùng HAZ thép
cacbon
Hình 4.31. Kết quả X-ray vùng HAZ thép cacbon
Hình 4.32. Vết đo độ cứng tại vùng ảnh hƣởng nhiệt (HAZ) của thép cacbon
Hình 4.33. Chu trình nhiệt vùng HAZ thép không gỉ
Hình 4.34. Đƣờng cong nhiệt độ lớn nhất vùng HAZ thép không gỉ
Hình 4.35. Tổ chức tế vi vùng HAZ thép không gỉ
Hình 4.36. Sự hình thành các hạt cacbit tại biên giới hạt
Hình 4.37. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen tại vùng gần biên giới nóng chảy thép
không gỉ
Hình 4.38. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen tại vùng HAZ

84
85
85
86
86
87
87
88
88
88
89
89
90
90
93
94


Hình 5.3. Tổ chức pha δ-ferit giáp biên giới thép cacbon
Hình 5.4. Dự đoán tỉ phần các pha ở trạng thái cân bằng thép 304
Hình 5.5. Ảnh TEM pha δ-ferit
Hình 5.6. Ảnh TEM chỉ sự xuất hiện cacbit tại vùng kim loại mối hàn
Hình 5.7. Hàm lƣợng δ-ferit tính theo phần mềm Image plus
Hình 5.8. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi hàm lƣợng δ-ferit ở các chế độ khác nhau
Hình 5.9. Bề rộng pha δ-ferit
Hình 5.10. Độ cứng tế vi vùng kim loại mối hàn
Hình 5.11. Sự hình thành vùng ferit do sự khuếch tán cacbon
Hình 5.12. Ảnh SEM vùng ferit mối hàn ở 9000C
Hình 5.13. Giản đồ nhiễu xạ Ronghen vùng lân cận biên giới thép cacbon
Hình 5.14. Sự hình thành cacbit tại vùng chuyển tiếp bên phía thép cacbon

Hình 5.37. Sự phân bố nguyên tố tại vùng HAZ giáp biên giới nóng chảy thép
không gỉ
Hình 1.PL1. Quy trình khảo sát
Hình 2.PL1. a) Chuẩn bị mép hàn, b) Hàn đính
Hình 3.PL1. a) Điện cực hàn, b) Tủ sấy que hàn
Hình 4.PL1. Hình dáng sau khi hàn và kiểm tra kích thƣớc
Hình 5.PL1. a. Sơ đồ cắt mẫu, b. kích thƣớc mẫu thử kéo, c. kích thƣớc mẫu thử
xiii

95
96
96
97
97
98
98
99
101
101
102
102
102
103
104
105
105
106
106
107
108

giới nóng chảy khi thay đổi tốc độ hàn

v

Hình 9.PL1. Sự thay đổi độ hạt vùng HAZ thép cacbon tại vị trí giáp biên giới
nóng chảy khi thay đổi cƣờng độ dòng điện

v

Hình 10.PL1. Độ cứng tế vi dọc theo mặt cắt ngang mối hàn
Hình 1.PL2. Đƣờng cong nhiệt độ lớn nhất vùng HAZ thép không gỉ
Hình 2.PL2. Đƣờng cong nhiệt độ lớn nhất vùng HAZ thép cacbon
Hình 1.PL3. Đồ thị Shaeffler
Hình 2.PL3. Đồ thị WRC-1992

vi
ix
ix
xi
xi

xiv


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hàn giữa hai vật liệu khác loại đang đƣợc áp dụng rộng rãi trong các kết cấu của nhà
máy nhiệt điện, hóa chất, dầu khí, đóng tàu. Thép không gỉ đƣợc chọn cho các kết cấu làm
việc trong môi trƣờng 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.

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 đƣợc 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 cao
iii) Tính toán đƣờng phân bố hàm lƣợng cacbon tại biên giới nóng chảy thép cacbon
theo mô hình Darken và ảnh hƣởng của sự khuếch tán cacbon tới tổ chức mối hàn.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Trong thời gian thực hiện luận án tại trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, tại nhà máy
nhiệt điện Thái Bình 2 và tại các phòng thí nghiệm của trƣờng Đại học Khoa học tự nhiên,
viện hàn lâm khoa học Việt Nam, trung tâm đánh giá không phá hủy – Viện năng lƣợng
1


Nguyên tử Việt Nam, Trung tâm thực hành thí nghiệm – Viện cơ khí – Trƣờng Đại học
Hàng hải Việt Nam, trƣờng Đại học bách khoa thành phố Hồ Chí Mình, trƣờng Shimane
Nhật Bản, luận án đã hoàn thành mục tiêu và nhiệm vụ đặt ra. Một số đóng góp mang tính
khoa học và thực tiễn nhƣ sau:
a) Ý nghĩa khoa học
- Xác định hình thái, hàm lƣợng δ-ferit và giải thích sự hình thành, phát triển của pha δferit 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).
- Tính toán bề rộng vùng chuyển tiếp và đƣờng phân bố nồng độ cacbon tại biên giới
nóng chảy thép cacbon theo mô hình Darken và so sánh với kết quả thực tế. Đƣa ra ảnh
hƣởng của sự khuếch tán cacbon tới tổ chức và tính chất tại vùng chuyển tiếp mối hàn.
- Đƣa ra cơ chế sự hình thành sai hỏng (nứt, phân hủy cacbit) tại vùng chuyển tiếp thép
cacbon và vùng ảnh hƣởng nhiệt thép không gỉ khi mối hàn làm việc ở nhiệt độ 6000C và

Chƣơng 3 Thực nghiệm
Chƣơng 4 Sự thay đổi tổ chức và tính chất của kim loại sau hàn
Chƣơng 5 Sự thay đổi tổ chức và tính chất của kim loại trong điều kiện làm việc ở nhiệt
độ nâng cao
2


CHƢƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. Đặc điểm mối hàn hai vật liệu khác loại
1.1.1. Khái niệm chung
1.1.1.1. Khái niệm chung
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 (nóng chảy hoặc dẻo), sau đó kim loại kết tinh hoặc
khuếch tán để tạo liên kết hàn. Thông thƣờng, hàn hai vật liệu khác loại là mối hàn nóng
chảy. Thành phần hóa học của điện cực thƣờng 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 dẫn tới sự hình thành các vùng có tổ chức và cơ tính khác nhau gồm: vùng nóng
chảy (hay còn đƣợc gọi là vùng vũng hàn hay vùng kim loại mối hàn), vùng ảnh hƣởng
nhiệt (HAZ) và vùng kim loại cơ bản. Hình 1.1 là ví dụ về phân vùng tổ chức của mối hàn
giữa thép không gỉ austenit 304 với thép cacbon sử dụng điện cực E309L-16.
Thép không gỉ 304

HAZ

Vùng kim loại mối hàn

Vùng nóng chảy

Thép cacbon


Que hàn
(a)

Phôi hàn
Lõi que hàn
Vỏ que hàn
Giọt kim loại lỏng

Khí
Hồ quang
Xỉ

Dòng lƣu thông

Kim loại mối hàn
(b)

Kim loại cơ bản Vũng hàn

Hình 1.2. Hàn hồ quang tay: (a) sơ đồ tổng quát; (b) vùng kim loại mối hàn [1]

Điện cực hàn
Điện cực hàn trong hàn hồ quang tay (còn gọi là que hàn) ngoài nhiệm vụ duy trì hồ
quang còn có nhiệm vụ bổ sung kim loại cho mối hàn. Chiều dài điện cực thƣờng là
(250÷450) mm tùy thuộc vào đƣờng kính. Cấu tạo điện cực gồm hai phần: phần lõi của
điện cực thƣờng đƣợc làm bằng thép cacbon hoặc thép hợp kim tuỳ theo vật liệu hàn, phần
thuốc bọc vỏ que hàn là hỗn hợp của các chất tạo xỉ và môi trƣờng bảo vệ (hình 1.3).

Lõi
Thuốc

A+M
309L
Mactenxit

8
Thép
cacbon

0

8

A+M+F
ferit
16

24

32

40

Crtđ = %Cr + %Mo + 1.5%Si + 0.5%Nb
Hình 1.4. Giản đồ Schaeffler dùng để xác định điện cực hàn giữa thép cacbon và thép không gỉ
austenit 304 [1]

1.1.1.3. Sự phân vùng tổ chức mối hàn
Trong quá trình hàn, dƣới nguồn nhiệt của hồ quang, kim loại điện cực và một phần kim
loại cơ bản đƣợc nung nóng tới trạng thái lỏng, sau đó kim loại lỏng trong vùng này kết
tinh để tạo liên kết hàn. Tại các vùng lân cận, kim loại cơ bản không bị nung nóng chảy

1600

Vùng ảnh
hƣởng nhiệt

1200

Kim loại cơ bản

L

γ
A3

800
500

L+γ
γ + Fe3C

A1
α + Fe3C

1 2
3
Cacbon, %
Hình 1.5. Tổ chức của vùng ảnh hưởng nhiệt thép cacbon [1]
Fe

Thép cacbon


6


Pha σ

Nứt

σ

(a)

(b)

Hình 1.6. (a) Sự hình thành pha σ tại vùng nóng chảy [32], (b) Nứt tại pha sigma [8]

Nứt

Hình 1.7. Nứt tại kim loại mối hàn giữa thép không gỉ 304 và thép A36 sử dụng điện cực 309L [2]

1.1.2.2. Khuyết tật tại biên giới nóng chảy phía thép cacbon
Sự không đảm bảo liên kết hàn thƣờng xảy ra dọc theo biên giới thứ II bên phía thép
cacbon (hình 1.8). Nguyên nhân chính là do cacbit đƣợc tiết ra mạnh hoặc do sự tồn tại của
hydro trong vùng hoàn toàn mactenxit ở biên giới nóng chảy [2]. Hầu hết các sai hỏng này
thƣờng xảy ra trong quá trình nhiệt luyện hoặc trong điều kiện làm việc của mối hàn và rất
khó xác định khi nào chúng sẽ xảy ra.

Biên giới thứ II

Hình 1.8. Sai hỏng tại biên giới nóng chảy do không đảm bảo liên kết [2]

thành sản phẩm. Trong công nghiệp nhiệt điện, dầu khí, vị trí của mối hàn hai vật liệu khác
loại thƣờng tìm thấy tại ống dẫn khí thải ra môi trƣờng bên ngoài. Nhằm tiết kiệm chi phí,
các ống nối làm việc trong không khí là thép cacbon thấp. Một ví dụ khác trong công
nghiệp đóng tàu, các tấm thép tại vị trí hạ xuồng cứu sinh luôn chịu mài mòn do sự cọ sát
của thiết bị nên yêu cầu vật liệu có độ bền cao hơn so với các vị trí vỏ tàu khác. Do vậy, tại
đây vỏ tàu đƣợc thay thế bằng thép không gỉ nhằm nâng cao tuổi thọ làm việc. Hình 1.11
đƣa ra các loại vật liệu ứng dụng trong kết cấu lò phản ứng điện hạt nhân NPP. Từ các ví
dụ trên đây nhận thấy rằng, vai trò của mối hàn giữa hai vật liệu khác loại nhằm tận dụng
8


ƣu điểm của từng loại vật liệu (độ bền cao, tính chống ăn mòn tốt của thép không gỉ, tính
kinh tế của thép cacbon) mà vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và khả năng làm việc của chi
tiết.
Mối hàn giữa thép không gỉ austenit 304 và thép cacbon trong kết cấu nhà máy nhiệt
điện đƣợc lấy dẫn chứng về ứng dụng và điều kiện làm việc của mối hàn này.
Trong nhà máy nhiệt điện, thép không gỉ austenit 304 đƣợc lựa chọn làm kết cấu tại các
vùng có nhiệt độ làm việc cao do khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn. Còn thép cacbon
đƣợc chọn trong các kết cấu làm việc ở nhiệt độ thƣờng. Trên thực tế, mối hàn này thƣờng
áp dụng tại vị trí lấy mẫu cho bao hơi của nồi hơi: đầu chờ vòi phun là vật liệu thép
cacbon, ống nối là thép không gỉ austenit 304 (hình 1.12) hoặc hệ thống lấy mẫu cho
đƣờng ống mái với đầu chờ vòi phun là thép cacbon, ống kết nối là thép không gỉ austenit
304 (hình 1.13) hoặc hàn tấm chắn bụi phần mái lò hơi giữa vật liệu thép không gỉ austenit
304 với thép cacbon (hình 1.14, hình 1.15).
Hệ thống sơ cấp

Hệ thống thứ cấp
CS

600,405SS

Hình 1.12. Hàn đường lấy mẫu cho bao hơi, đầu chờ vòi phun là thép cacbon hàn với thép không
gỉ austenit 304
9


Hình 1.13. Hàn hệ thống lấy mẫu cho đường ống mái với đầu chờ là thép cacbon kết nối với thép
không gỉ austenite 304

Hình 1.14. Hàn hệ thống tấm chắn bụi với các tấm chắn là thép không gỉ austenit 304 và ống là
thép cacbon

Hình 1.15. Hàn tấm chắn bụi phần mái lò hơi giữa thép không gỉ austenit 304 với thép cacbon và
thép hợp kim A213T11

Trong điều kiện thực tế, các mối hàn giữa thép không gỉ và thép cacbon thƣờng làm
việc ở nhiệt độ cao. Ví dụ, tại đƣờng lấy mẫu cho bao hơi của lò hơi (hình 1.12, hình 1.13)
nhiệt độ làm việc lên tới 400 0C. Các tấm chắn bụi bằng thép trắng (hình 1.14) nhiệt độ là
600 0C. Ngoài ra, mối hàn tại vị trí tấm chắn bụi phần buồng đốt cho lò hơi (hình 1.15)
nhiệt độ lên tới 900 0C.

10


Dựa theo nhiệt độ làm việc tối đa cho phép cho trong bảng 1.1, thép cacbon làm việc ở
nhiệt độ nhỏ hơn 350 0C, thép không gỉ austenit nhiệt độ làm việc có thể lên tới 600 0C. So
sánh với điều kiện làm việc, thép cacbon làm việc ở nhiệt độ cao hơn mức độ cho phép,
đặc biệt, tại vị trí tấm chắn bụi phần buồng đốt cho lò hơi (hình 1.15) nhiệt độ vƣợt quá
mức cho phép 200 0C.
Bảng 1.1. Nhiệt độ làm việc tối đa cho phép của các loại vật liệu (Số liệu từ nhà máy)



Phôi rèn

350

Phôi cán hình và ống

550

Tấm ống, rèn

350

Tấm ống rèn

300

Tấm ống, cán

600

Tấm ống cán, vật kẹp
gia cố

600

Dạng ống, vật rèn

600


tính ở tất cả
nhiệt độ
Độ dẫn nhiệt
(%)
tại 100 0C
28
tại 650 0C
66
Điện trở
tại 20 0C
72
tại 558 0C
126

Hệ số giãn nở
nhiệt

9,8

Thép
cacbon
1510

Chú ý

Thép không gỉ austenit 304 yêu cầu nhiệt thấp
hơn thép cacbon để nung nóng chảy vật liệu.
Từ tính ở Thép không gỉ chứa niken không chịu thổi hồ
nhiệt độ quang
< 7050C

dụng ba điện cực GFW 304L, GFW 308L, GFW 316L) khi hàn thép không gỉ 304 và thép
cacbon thấp. Kết quả cho thấy ảnh hƣởng của các tham số hàn tới độ bền, độ giãn dài
tƣơng đối, độ cứng sau cùng của sản phẩm. Độ bền cao nhất đạt đƣợc là 275 MPa khi sử
dụng điện cực GFW 304L, tốc độ 250 mm/s, cƣờng độ 160 A; trong khi đó độ dãn dài
tƣơng đối cao nhất là 12,3 mm ứng với trƣờng hợp sử dụng điện cực GFW 316L, tốc độ
250 mm/s, cƣờng độ 140 A.

Độ bền kéo, MPa

280
250 mm/ph
270
350 mm/ph
260
350 mm/ph
250
120
(a)

140
Cƣờng độ dòng điện (A)

160

Độ giãn dài, %

12.5
250 mm/ph
11.5
10.


Hình 1.17. Tổ chức tế vi của mối hàn sau khi ngâm trong vùng nước sâu trong 30 ngày [14]

Cùng sử dụng loại nhóm vật liệu này, các tác giả [15] nghiên cứu phƣơng pháp hàn
điểm ma sát để liên kết giữa thép không gỉ 302 và thép cacbon. Tác giả đƣa ra ảnh hƣởng
của hai tham số là cƣờng độ dòng điện hàn và thời gian tác dụng lực tới tổ chức tế vi và cơ
tính mối hàn (hình 1.18).

Hình 1.18. Tổ chức vùng hàn, CS: Thép cacbon, SS: Thép không gỉ [15]

Ngoài ra, các nghiên cứu khác đã thay đổi hiệu điện thế, tốc độ hàn, góc nghiêng điện
cực hàn, đƣờng kính điện cực hay chế độ gia nhiệt [16,17]. Tuy nhiên, chƣa có nghiên cứu
tổng quát nào chỉ ra đầy đủ ảnh hƣởng của các tham số này tới chất lƣợng mối hàn do sự
đa dạng và số lƣợng thí nghiệm cần làm là rất lớn.
Để khắc phục nhƣợc điểm trên, các phần mềm chuyên dụng cho công nghiệp hàn đƣợc
tạo ra giúp việc tối ƣu hóa chế độ công nghệ hàn đƣợc thuận lợi hơn. Do đó, các nghiên
cứu liên quan đến mô phỏng truyền nhiệt hàn và ứng suất biến dạng cũng chiếm một số
lƣợng lớn. Các phần mềm thƣờng đƣợc sử dụng phải kể đến Ansys, Sysweld ...
Hầu hết các phần mềm này dựa trên mô hình bài toán của Rosenthal và Rykalin [18,19]
và sau đó mở rộng ra với nhiều mô hình khác. Quá trình truyền nhiệt trong khi hàn ngoài
sự dẫn nhiệt còn phải kể đến cả quá trình đối lƣu và bức xạ nhiệt, dòng chuyển động của
chất lỏng, sự biến dạng bề mặt tự do và các hiện tƣợng vật lý của hồ quang [20-24].
Các công trình [25,26] nghiên cứu truyền nhiệt giữa mối hàn AISI 1005 sử dụng
phƣơng pháp hàn GMAW. Tác giả xây dựng mô hình phôi với sự phân bố nhiệt độ vùng
hàn, sự tổn hao nhiệt độ ra môi trƣờng xung quanh do quá trình đối lƣu, bức xạ và sự dẫn
nhiệt trong mối hàn. Qua đó, tác giả dự đoán sự phân bố của các pha tinh thể khác nhau
trong tổ chức tế vi của vật liệu hàn trong vùng nóng chảy và vùng ảnh hƣởng nhiệt dƣới
các tham số của quá trình hàn GMAW (hình 1.19, hình 1.20).

13