Luận án tiến sĩ: Biến đổi tổ chức và tính chất khi hàn thép không gỉ với thép cacbon - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

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 khí – Bộ môn Công nghệ và Vật liệu đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong thời gian làm nghiên cứu sinh.

Cuối cùng, tôi muốn cảm ơn gia đình tôi, luôn bên cạnh động viên tinh thần giúp tôi vƣợt qua mọi khó khăn để hoàn thiện luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Nghiên cứu sinh Lê Thị Nhung ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.

vii DANH MỤC CÁC BẢNG. ix DANH MỤC CÁC HÌNH. Đặc điểm mối hàn hai vật liệu khác loại. Khái niệm chung.

Các dạng khuyết tật khi hàn hai vật liệu khác loại. Ứng dụng và điều kiện làm việc của mối hàn giữa thép không gỉ austenit và thép cacbon. Tình hình nghiên cứu về mối hàn hai vật liệu khác loại. Những nghiên cứu ngoài nƣớc.

Những nghiên cứu trong nƣớc. Tóm tắt chƣơng 1. Các hƣớng nghiên cứu chính về mối hàn hai vật liệu khác loại. Nhận xét về tình hình nghiên cứu trong nƣớc.

Xu hƣớng nghiên cứu về công nghệ hàn. 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. Vật liệu hàn. Nguồn nhiệt hàn.

Các yếu tố khác. Giản đồ pha của vật liệu cần hàn. Giản đồ pha thép cacbon. Giản đồ pha thép không gỉ.

Sự kết tinh và chuyển pha trong vùng nóng chảy mối hàn. Mô hình kết tinh. Ảnh hƣởng của pha δ-ferit tới cơ tính của mối hàn. Cơ chế hình thành ferit trong mối hàn.

Dự đoán hàm lƣợng δ-ferit trong mối hàn thép không gỉ austenit. Chuyển biến pha tại vùng HAZ của thép cacbon. Chuyển biến pha trong vùng HAZ thép không gỉ. Sự lớn lên của hạt.

Sự hình thành ferit. Sự tiết pha. Sự nung nóng biên giới hạt. Sự thay đổi tổ chức trong vùng chuyển tiếp của mối hàn giữa thép không gỉ austenit và thép cacbon.

Cơ sở lý thuyết và mô hình khuếch tán của cacbon trong austenit. Khái niệm chung. Cơ sở lý thuyết về sự khuếch tán của cacbon trong vùng pha austenit giữa mối hàn hai vật liệu khác loại. Mô hình bài toán.

Tóm tắt chƣơng 2. Nội dung nghiên cứu. Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm. Chuẩn bị mẫu và quy trình hàn.

Quy trình cắt mẫu. Quy trình đo nhiệt độ trong quá trình hàn. Quá trình thí nghiệm ở nhiệt độ nâng cao. Phƣơng pháp nghiên cứu.

Tính toán nhiệt động học, xây dựng giản đồ TTT và giản đồ CCT. Nghiên cứu tổ chức tế vi. Xác định thành phần hóa học mẫu. Phân tích cấu trúc Rơnghen.

Xác định độ cứng tế vi. Thử kéo mẫu. Thử va đập. 59 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT A: Mô hình kết tinh A của thép không gỉ austenit AF: Mô hình kết tinh AF của thép không gỉ austenit A1, A2: Hằng số 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 mi: Độ dốc của đƣờng lỏng theo giản đồ pha Nitđ: Niken tƣơng đƣơng R: Hằng số khí r: Khoảng cách từ vị trí đang xét tới nguồn nhiệt hàn SMAW (Shielded Metal Arc Welding): Hàn hồ quang tay T: Nhiệt độ T0: Nhiệt độ ban đầu của vật hàn Ti: Nhiệt độ tại thời điểm bất kỳ Tp: Nhiệt độ lớn nhất tại vị trí bất kỳ trên vật hàn TLB: Nhiệt độ nóng chảy của vật hàn TLW: Nhiệt độ nóng chảy của điện cực Tm: Nhiệt độ nóng chảy TIG (Tungsten Inert Gas): Hàn điện cực không nóng chảy TTT: Đƣờng cong động học chuyển biến khi làm nguội đẳng nhiệt t: Thời gian U: Hiệu điện thế vii v: Tốc độ hàn vng: Tốc độ nguội x: Nồng độ của cacbon xα: Nồng độ của cacbon trong α xβ: Nồng độ của cacbon trong θ xα0: Nồng độ cacbon ban đầu trong α xθ0: Nồng độ cacbon ban đầu trong θ xαθ: Nồng độ cacbon trong α khi nó ở điều kiện cân bằng với θ tại mặt phân cách xθα: Nồng độ cacbon trong θ khi nó ở điều kiện cân bằng với α tại mặt phân cách y: tỉ số mol ym: Tỉ số mol của sắt hoặc nguyên tử thay thế 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 µ 0: Hóa năng ở trạng thái tiêu chuẩn µ αθ: Hóa năng của cacbon tại mặt phân cách α/θ µ θα: 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 1.

Nhiệt độ làm việc tối đa cho phép của các loại vật liệu. Ảnh hƣởng của đặc tính lý tính tới mối hàn thép không gỉ austenit so 11 sánh với thép cacbon Bảng 2. Sự tiết pha trong thép không gỉ austenit 32 Bảng 2. Các dạng kết tinh, phƣơng trình phản ứng và tổ chức tế vi 33 Bảng 3.

Thành phần hóa học của kim loại cơ bản và điện cực 52 Bảng 3. Thành phần hóa học thực tế 53 Bảng 3. Chế độ hàn 53 Bảng 3. Vị trí đo nhiệt độ (x: Khoảng cách tính từ tâm mối hàn ra kim loại cơ 55 bản) Bảng 3.

Dung dịch tẩm thực 56 Bảng 4. Cơ tính của thép không gỉ và thép cacbon 61 Bảng 4. Hàm lƣợng δ-ferit theo giản đồ Schaeffler 65 Bảng 4. Hàm lƣợng δ-ferit theo giản đồ WRC-1992 65 Bảng 4.

Hàm lƣợng δ-ferit 67 Bảng 4. Giá trị độ cứng tại vùng chuyển tiếp phía thép cacbon 79 Bảng 4. Tốc độ nguội vùng HAZ thép cacbon 81 Bảng 4. Giá trị độ cứng vùng HAZ thép cacbon 85 Bảng 4.

Tốc độ nguội vùng HAZ thép không gỉ 86 Bảng 4. Giá trị độ cứng vùng HAZ thép không gỉ 89 Bảng 5. Tỉ phần các pha ở trạng thái cân bằng 95 Bảng 5. Khoảng cách khuếch tán của cacbon giữa lý thuyết và thực tế 107 Bảng 5.

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 iv Bảng 3. Chiều rộng và chiều cao của mối hàn Bảng 4. Kích thƣớc mẫu trƣớc và sau khi kéo vi vii Bảng 5. Giá trị cơ tính Bảng 6.PL1 Kết quả thử độ dai va đập vùng HAZ thép cacbon vii Bảng 1.PL2 Các đặc tính của vật liệu hàn viii Bảng 2.

Năng lƣợng đƣờng và chiều dày danh nghĩa viii x Bảng 1. Số δ - ferit tính theo Schaeffler Bảng 1. Hệ số khuếch tán của cacbon xii Bảng 2. Bảng tính các tham số theo phƣơng pháp Wagner xiii Bảng 3.

Bảng tính các tham số theo phƣơng pháp Uhrenius xiii Bảng 4. Bảng tính các tham số theo phƣơng pháp Wada xiii Bảng 5. Bảng tính các hệ số A1, A2, B1, B2 xiv Bảng 6. Bảng tính các hệ số A1, A2, B1, B2 xiv ix DANH MỤC CÁC HÌNH Tên hình Trang Hình 1.