SỰ THAY ĐỔI TỔ CHỨC VÀ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI SAU HÀN60 4. Sự hòa trộn và phân chia vùng của mối hàn giữa thép không gỉ 304 và thép cacbon. Tổ chức ban đầu của vật liệu hàn. Các vùng hình thành sau khi hàn.
Sự hình thành δ-ferit trong vùng kim loại mối hàn. Đặc điểm hình thái và hàm lƣợng δ-ferit. Độ cứng vùng kim loại mối hàn. Chuyển pha, sự thay đổi tổ chức và tính chất trong vùng chuyển tiếp phía thép cacbon.
Bề rộng vùng chuyển tiếp. Sự thay đổi thành phần trong vùng chuyển tiếp. Tổ chức vùng chuyển tiếp và thảo luận. Độ cứng vùng chuyển tiếp.
Chuyển pha, sự thay đổi tổ chức và tính chất trong vùng HAZ thép cacbon. Tốc độ nguội và nhiệt độ lớn nhất tại vùng HAZ thép cacbon. Tổ chức vùng HAZ thép cacbon và thảo luận. Sự thay đổi tổ chức trong vùng HAZ thép không gỉ.
Tốc độ nguội và đƣờng cong nhiệt độ lớn. Tổ chức tế vi, sự hình thành cacbit và thảo luận. Độ cứng tế vi. Kết quả thử kéo.
Tóm tắt chƣơng 4. SỰ THAY ĐỔI TỔ CHỨC TẾ VI VÀ CƠ TÍNH CỦA MỐI HÀN Ở NHIỆT ĐỘ NÂNG CAO. Phân tích điều kiện làm việc của mối hàn và lựa chọn thí nghiệm. Điều kiện làm việc của mối hàn thực tế và lựa chọn điều kiện thí nghiệm.
Đánh giá sự thay đổi tổ chức tế vi và độ cứng tế vi. Ứng xử của vùng kim loại mối hàn ở nhiệt độ nâng cao. Ảnh hƣởng của quá trình khuếch tán cacbon tới tổ chức và tính chất mối hàn. Sự chuyển pha và đặc điểm tổ chức trong vùng HAZ thép cacbon.
Sự chuyển pha và đặc điểm tổ chức trong vùng HAZ thép không gỉ. Đánh giá khuyết tật hình thành. Khuyết tật tại vùng chuyển tiếp phía thép cacbon. Khuyết tật tại vùng HAZ thép không gỉ.
Đánh giá xu hƣớng hình thành khuyết tật và đề xuất giải pháp. Tóm tắt chƣơng 5. 117 PHẦN IV KẾT LUẬN CHUNG. 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO.
119 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN. ii vi CHƢƠNG 4. SỰ THAY ĐỔI TỔ CHỨC VÀ TÍNH CHẤT CỦA KIM LOẠI SAU HÀN 4. Sự hòa trộn và phân chia vùng của mối hàn giữa thép không gỉ 304 và thép cacbon 4.
Tổ chức ban đầu của vật liệu hàn Trƣớc khi nghiên cứu tổ chức của mối hàn giữa thép không gỉ austenit 304 và thép cacbon, những phân tích về tổ chức ban đầu của hai loại thép này đƣợc mô tả dƣới đây. Thép không gỉ austenit 304 là loại thép đƣợc dùng rộng rãi trong thực tế với thành phần cơ bản gồm 18,3 % Cr và 7,56 % Ni (theo kết quả đo đạc trực tiếp, bảng 3. Tổ chức tế vi của thép là γ nhƣ trên hình 4. Thép cacbon đƣợc sử dụng có hàm lƣợng cacbon thấp vào khoảng 0,18 %.
Tổ chức tế vi của thép trên hình 4.2 gồm các cụm peclit (vùng màu đen) và ferit (vùng màu trắng) với hàm lƣợng peclit vào khoảng 22,5 % (tính theo giản đồ trạng thái Fe-C). Từ bảng giá trị cơ tính của thép không gỉ austenit và thép cacbon thấp theo tiêu chuẩn ASTM cho trong bảng 4.1, thép không gỉ austenit có giới hạn bền, giới hạn chảy và độ dãn dài tƣơng đối cao hơn so với thép cacbon. Giới hạn bền thép austenit tăng là do hàm lƣợng niken khoảng 8 % không chỉ có tác dụng ổn định austenit ở nhiệt độ thƣờng mà còn nâng cao độ bền, tính dẻo và dai. Tổ chức tế vi của thép không gỉ (x200) P α Hình 4.
Tổ chức tế vi của thép cacbon (x200) 60 Bảng 4. Cơ tính của thép không gỉ 304 và thép cacbon thấp Loại Độ bền (MPa) Giới hạn chảy Độ dãn dài tƣơng (MPa) đối (%) Thép không gỉ 304 ≥515 ≥205 ≥40 Thép cacbon ≥415 240 30 Khi hàn thép không gỉ austenit 304 với thép cacbon, tổ chức tế vi của kim loại mối hàn thay đổi. Nhƣ đã phân tích trong mục 2.1, các yếu tố chính ảnh hƣởng tới sự thay đổi tổ chức tế vi gồm: thành phần hóa học của vật liệu, nhiệt độ và tốc độ nguội. Các vùng hình thành sau khi hàn Mối hàn đƣợc chia thành các vùng nhƣ sau: vùng nóng chảy (hay còn gọi là vùng kim loại mối hàn sau khi kết tinh), vùng chuyển tiếp tại biên giới thép cacbon, vùng ảnh hƣởng nhiệt phía thép cacbon, vùng chuyển tiếp bên phía thép không gỉ, vùng ảnh hƣởng nhiệt phía thép không gỉ và vùng kim loại cơ bản ban đầu.3 chỉ ra sơ đồ tổng quan về sự phân chia các vùng trong mối hàn hai vật liệu khác loại.
Thép HAZ thép Vùng kim loại Vùng HAZ thép Thép không gỉ không gỉ chuyển mối hàn chuyển cacbon cacbon tiếp thép tiếp thép không gỉ cacbon Hình 4. Sơ đồ tổng quan về tổ chức của mối hàn giữa thép không gỉ và thép cacbon. Vùng kim loại mối hàn (hay còn gọi là vùng nóng chảy, vùng vũng hàn) là vùng gồm kim loại điện cực, kim loại cơ bản ở trạng thái lỏng hoàn toàn, sau khi kết tinh tạo thành mối hàn. Tổ chức trong vùng này là δ-ferit trên nền austenit.
Vùng chuyển tiếp là vùng nhỏ đƣợc giới hạn bởi biên giới nóng chảy và vùng mối hàn. Tại đây, có sự hòa trộn của kim loại điện cực và kim loại cơ bản bị nung nóng chảy. Nếu thành phần hóa học của điện cực và kim loại cơ bản tƣơng đƣơng nhau (ví dụ bên phía thép không gỉ), rất khó để xác định kích thƣớc vùng này. Còn nếu sự chênh lệch nồng độ là đáng kể, có thể xác định bằng EDS-line.
61 Vùng ảnh hƣởng nhiệt (HAZ) đƣợc tính từ biên giới nóng chảy tới vùng có nhiệt độ 500 0 C. Khác so với bên phía thép không gỉ, bên phía thép cacbon, tổ chức thay đổi nhiều so với tổ chức của kim loại cơ bản ban đầu. Sự thay đổi tổ chức tế vi trong mỗi vùng sẽ đƣợc phân tích cụ thể trong các mục dƣới đây. Sự hình thành δ-ferit trong vùng kim loại mối hàn 4.
Đặc điểm hình thái và hàm lượng δ-ferit 4. Đặc điểm hình thái Tổ chức vùng kim loại mối hàn đƣợc hình thành từ sự kết tinh của kim loại lỏng. Phần kim loại vùng này là sự hòa trộn của ba loại vật liệu: kim loại điện cực E309L-16 chiếm phần lớn và tập trung ở phần giữa mối hàn, thép không gỉ austenit 304 và thép cacbon thƣờng bị hòa trộn ở vùng biên giới nóng chảy và chân mối hàn. Theo giản đồ pha hình 2.10, tổ chức tế vi vùng kim loại mối hàn gồm hai pha là δ-ferit và austenit.6 lả tổ chức tế vi tại vùng giữa mối hàn, vùng biên giới thép không gỉ và vùng biên giới thép cacbon.
Hình thái, kích thƣớc của pha δ-ferit từ biên giới vào tâm mối hàn có sự thay đổi đáng kể. Cụ thể: - Vùng giữa mối hàn: quan sát thấy rõ sự biến đổi của pha δ-ferit từ ngoài vào trong (hình 4. Vùng phía ngoài sát biên giới nóng chảy, δ-ferit có dạng nhánh cây phát triển theo hƣớng vuông góc với đƣờng bao nóng chảy mối hàn. Tại trung tâm vùng nóng chảy, δ-ferit phân bố đồng đều và có dạng đều trục.
- Biên giới nóng chảy thép không gỉ: là nơi kim loại lỏng bắt đầu thực hiện quá trình kết tinh từ nền kim loại cơ bản là thép không gỉ. Nếu coi kim loại cơ bản ở trạng thái rắn hoàn toàn và vũng hàn tồn tại ở trạng thái lỏng hoàn toàn, khi đó vùng giữa hai vùng này gọi là vùng chuyển tiếp. Đây là vùng tồn tại các chất rắn không bị nung nóng chảy, nằm trong vùng kim loại lỏng. Quan sát trên hình 4.5, vùng giáp với kim loại nền xuất hiện các dải màu đen nằm song song theo một hƣớng nhất định.
Đây là các pha δ-ferit kết tinh từ pha lỏng trong vùng chảy lỏng không hoàn toàn. Dọc theo biên giới nóng chảy xuất hiện các cụm tấm δ-ferit có dạng sợi mảnh phát triển theo hƣớng bất kì. Bên cạnh đó, trên ảnh tổ chức quan sát thấy các pha có hình thái giống với tổ chức của vitmantet austenit với kích thƣớc lớn đâm xuyên vào các pha δ-ferit theo các hƣớng ngẫu nhiên. Sự thay đổi này diễn ra trong phạm vi rất hẹp khoảng (60÷120) μm.
- Biên giới nóng chảy thép cacbon: là nơi kim loại lỏng bắt đầu thực hiện quá trình kết tinh từ nền kim loại cơ bản là thép cacbon. Tổ chức tế vi đƣợc chỉ ra trong hình 4. So sánh với bên phía thép không gỉ, không thấy xuất hiện các sợi mảnh δ-ferit hay các tấm vitmantet austenit, thay vào đó là một dải đen chạy dọc biên giới đƣợc 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. Tổ chức tế vi vùng giữa kim loại mối hàn (a) sự thay đổi hình thái pha δ-ferit tại vùng kim loại mối hàn (x100). (b) ferit dạng đều trục (x500), (c) ferit dạng nhánh cây (x500) Kim loại mối δ -ferit dạng nhánh hàn cây δ-ferit dạng sợi mảnh Vidmantet austenit Thép không gỉ δ-ferit vùng bán lỏng Hình 4. Hình thái của δ-ferit tại biên giới nóng chảy thép không gỉ Kim loại δ-ferit dạng đều mối hàn trục δ-ferit dạng δ-ferit tinh thể hình nhánh cây trụ Thép cacbon Biên giới nóng chảy Hình 4.
Hình thái của δ-ferit tại biên giới thép cacbon 63 Để quan sát rõ hơn, hình thái của các pha δ-ferit đƣợc phân tích sâu hơn bằng ảnh SEM.7c là hình ảnh của δ-ferit dạng xƣơng cá nằm trên nền austenit, với bề rộng trục chính pha δ-ferit vào khoảng (0,1÷0,2) μm.7e, phía trên các tấm δ-ferit là các sợi ferit rất nhỏ mảnh. Các pha này đƣợc hình thành ở giai đoạn cuối của quá trình kết tinh, lúc này gradient nhiệt độ đồng đều mọi hƣớng nên các sợi này tạo hình đều trục. Vị trí A Vị trí B Vị trí C Vị trí D a) Vùng kim loại mối hàn nằm trong vùng nhánh cây phía thép không gỉ b) Vị trí A c) Vị trí B d) Vị trí C e) Vị trí D Hình 4. Ảnh SEM mô tả hình thái của δ-ferit dạng nhánh cây và đều trục trong kim loại mối hàn 64 4.
Hàm lượng δ-ferit Hàm lƣợng δ-ferit trong mối hàn giữa thép không gỉ austenit 304 và thép cacbon sử dụng điện cực E309L-16 đƣợc dự đoán dựa vào đồ thị Schaeffler và đồ thị WRC-1992 mở rộng.