Khái quát luyện kim của thép carbon khi hàn

Khái quát luyện kim của thép carbon

Con đường tốt nhất để hiểu sự luyện kim của thép carbon là nghiên cứu ‘Biểu đồ sắt carbon’. Biểu đồ được thể hiện dưới đây được dựa trên cơ sở sự chuyển hóa xảy ra là kết quả của nung nóng chậm. Sự làm nguội chậm sẽ làm giảm các nhiệt độ chuyển hóa; ví dụ: điểm A1 sẽ giảm từ 723°C tới 690 °C. Tuy nhiên các tốc độ nung nóng và làm nguội nhanh xảy ra trong hàn sẽ có sự ảnh hưởng đáng kể tới các nhiệt độ này, để dự đoán trước chính xác của luyện kim mối hàn sử dụng biểu đồ này là khó khăn.

Austenit   Phase này chỉ tồ tại trong thép carbon tại nhiệt độ cao. Nó có cấu trúc mạng nguyên tử lập phương diện tâm (F.C.C) có thể hòa tan tới 2,06% carbon. 

Ferrit  Phase này có cấu trúc mạng nguyên tử là lập phương thể tâm (B.C.C) nó có thể giữ rất ít carbon; thông thường 0.0001% tại nhiệt độ phòng. Nó có thể tồn tại hoặc là ferrit alpha hoặc ferrit delta. 

Carbon  là nguyên tử  xen kẽ rất nhỏ bên trong đám của các nguyên tử sắt. Nó làm tăng độ bền của thép và tạo ra khả năng làm cứng bằng xử lý nhiệt. Nó cũng là nguyên nhân chủ yếu về các vấn đề đối với hàn, đặc biệt là nếu nó vượt quá 0.25% khi đó nó tạo ra cấu trúc micro cứng nhạy cảm với nứt hydro. Carbon tạo thành các hợp chất với các nguyên tố khác được gọi là các carbid. Carbid sắt, carbid crom vv…

Cementit  Không giống ferrit và austenit, cementit là hợp chất đa kim rất cứng gồm có 6.7% carbon và số còn lại là sắt, ký hiệu hóa học của nó là Fe₃C.  Cementit là rất cứng, nhưng khi được pha trộn với các lớp ferrit mềm kết quả là giá trị trung bình độ cứng của nó được giảm đáng kể. Làm nguội chậm tạo ra chiều hường tạo perlit; dễ dàng mềm về cơ tính nhưng độ dẻo dai kém. Làm nguội nhanh hơn tạo ra các lớp rất mịn của ferrit và cementit; cứng hơn và dẻo dai hơn.

Pearlit  là sự pha trộn của các dải xen kẽ luân phiên của ferrit và cementit trong hạt đơn lẻ. Khoảng cách giữa các tấm và chiều dày của chúng phụ thuộc vào tốc độ nguội của vật liệu.  Làm nguội nhanh tạo ra các tấm mỏng tiếp xúc gần nhau và làm nguội chậm tạo ra một cấu trúc thô có độ dẻo dai ít hơn. Tên cho cấu trúc này có nguồn gốc từ hạt nhỏ xuất hiện dưới kính hiển vi. Một cấu trúc hoàn toàn perlit xảy ra ở 0,8% Carbon. Tăng hơn nữa hàm lượng carbon sẽ tạo ra cementit tại các biên giới hạt, mà sẽ bắt đầu làm suy yếu thép.

Ferrit = Các khu vực màu sáng

Cementit = Các khu vực màu tối

Làm nguội của thép dưới 0,8% carbon : Khi thép đông đặc nó hình thành austenite. Khi nhiệt độ giảm xuống dưới điểm A3, các hạt của ferrit bắt đầu hình thành. Khi nhiều hạt ferrit bắt đầu hình thành vẫn còn austenit trở thành giàu carbon. Tại khoảng 723 °C austenit còn lại, khi đó có chứa 0,8% carbon, biến đổi thành perlit. Cấu trúc kết quả là một hỗn hợp gòm có các hạt màu trắng của ferrit được pha trộn với các hạt màu tối của perlit. Nung nóng về cơ bản là ngược lại.

Martensit Nếu thép được làm nguội nhanh chóng từ austenite, cấu trúc FCC nhanh chóng thay đổi thành BCC không đủ thời gian cho các carbon để tạo thành perlit. Điều này dẫn đến một cấu trúc bị biến dạng méo mó có sự xuất hiện của các hình kim nhỏ. Không có phần chuyển biến liên quan đến martensite, nó hoặc là hình thành hoặc là không hình thành. Tuy nhiên, chỉ có các phần của mặt cắt làm nguội đủ nhanh sẽ hình thành mactenxit; trong mặt cắt dày nó sẽ chỉ hình thành ở độ sâu nhất định, và nếu hình dạng phức tạp nó chỉ có thể hình thành các nhóm biệt lập nhỏ. Độ cứng của martensite là chỉ phụ thuộc vào hàm lượng carbon, nó thường rất cao, trừ khi hàm lượng carbon là đặc biệt thấp.

                                    Martensit                 Martensit được tôi            Được tôi nặng

Ủ (Tempering) Cacbon bị mắc kẹt trong chuyển biến mactenxit có thể được giải thoát bằng cách nung nóng thép thấp hơn nhiệt độ chuyển biến A1. Sự giải thoát này của carbon từ các khu vực có nhân cho phép cấu trúc biến dạng dẻo và khôi phục lại một lượng ứng suất bên trong của nó. Điều này làm giảm độ cứng và tăng độ dẻo dai, nhưng nó cũng có xu hướng giảm độ bền kéo. Mức độ ủ là phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian; nhiệt độ có ảnh hưởng lớn nhất.

Ram (Annealing) Thuật ngữ này thường được sử dụng để xác định một quá trình xử lý nhiệt tạo ra một lượng làm mềm cấu trúc. Ram đúng liên quan đến sự nung nóng thép austenit và giữ trong một thời gian để tạo ra một cấu trúc ổn định. Sau đó thép được làm nguội rất chậm đến nhiệt độ phòng. Qui trình này tạo ra một cấu trúc rất mềm, nhưng cũng tạo ra các hạt rất lớn, điều đó là không mong muốn vì độ dai nghèo

Thường hóa (Normalising) Trả cấu trúc trở lại bình thường. Thép được nung nóng cho đến khi nó chỉ bắt đầu hình thành austenite; sau đó nó được làm nguội trong không khí. Sự chuyển biến tốc độ vừa phải này tạo ra các hạt tương đối mịn với perlit đồng nhất.

 

Hàn (Welding) nếu đường cong nhiệt độ cho một mối hàn điển hình được vẽ ngược lại biểu đồ cân bằng carbon, một loạt các trạng thái khác nhau của chuyển biến và sử lý nhiệt sẽ được quan sát.

Lưu ý, biểu đồ cân bằng carbon thể hiện ở trên chỉ mang tính minh họa, trong thực tế nó sẽ bị biến dạng rất nhiều vì nung nóng nhanh và các tốc độ làm nguội liên quan đến các quá trình hàn.

(a)    Hỗn hợp của hạt ferrit và perlit; nhiệt độ bên dưới A1, do đó cấu trúc micro không bị ảnh hưởng đáng kể.

(b)   Perlit được chuyển hóa thành austenit, nhưng không đủ nhiệt độ có thể để vượt qua đường A3, do đó không phải tất cả các hạt ferrit chuyển hóa thành austenit. Làm nguội, chỉ có các hạt được chuyển hóa sẽ được thường hóa. 

(c)    Nhiệt độ được vượt qua đường A3, chuyển hóa hoàn toàn austenit. Khi nguội, tất cả các hạt sẽ được thường hóa.

(d)   Nhiệt độ vượt quá đáng kể đường A3 cho phép các hạt phát triển. Làm nguội, ferrit sẽ hình thành tại các biên giới hạt, và quá trình diễn biến perlit sẽ hình thành bên trong các hạt. Quá trình diễn biến cấu trúc hạt dễ dàng bị cứng hơn so với hạt mịn, do đó nếu tốc độ làm nguội từ 800 °C đến 500 °C là rất nhanh, một cấu trúc micro cứng sẽ được hình thành. Đây là lý do tại sao phá hủy giòn rất có thể lan truyền trong khu vực này. 

Các mối hàn (Welds) sự luyện kim của mối hàn là rất khác so với vật liệu cơ bản. Kim loại hàn điền đầy được lựa chọn để tạo ra các mối hàn bền và dẻo dai, chúng có chứa các hạt nguyên tử oxit mịn cho phép hình thành mầm của hạt mịn. Khi mối hàn đông đặc, các hạt của nó phát triển từ diễn biến cấu trúc hạt HAZ, ngoài ra sự tinh luyện (refinement) diễn ra trong các hạt diễn biến này tạo ra sự hình thành ferrit hình kim điển hình thể hiện đối ngược lại.

Tác dụng của các nguyên tố hợp kim

Mangan - Làm tăng lên độ bền và độ cứng; tạo thành carbid; làm tăng khả năng tôi cứng; làm thấp phạm vi nhiệt độ chuyển hóa. Khi có số lượng đủ ở thép austenit; luôn luôn có mặt trong thép với mức độ nào đó với lý do nó được sử dụng như là nguyên tố khử oxit.

Silic - Làm tăng cường ferrit và làm tăng nhiệt độ chuyển hóa; có khuynh hướng graphit hóa mạnh. Luôn luôn có mặt trong thép với mức độ nào đó, bởi vì nó được sử dụng với mangan như là nhân tố khử oxit.

Crom - Làm tăng lên độ bền và độ cứng; hình thành các carbid cứng và ổn định. Nó làm tăng lên đáng kể nhiệt độ chuyển hóa khi hàm lượng của nó vượt quá 12%. Làm tăng khả năng tôi cứng; Khi hàm lượng vượt quá 12%, tạo thành thép không gỉ.  Độ bền trườn dão tốt tại nhiệt độ cao.

Nickel - Tăng cường độ bền thép; làm giảm phạm vi nhiệt độ chuyển hóa; làm tăng khả năng tôi cứng, và cải thiện khả năng chịu mỏi. khuynh hướng hình thành graphit mạnh; ổn định austenit khi số lượng đủ. Tạo thành các hạt mịn và đem lại độ dẻo dai tốt.

Nickel và Crom - Được sử dụng đồng thời cho thép không gỉ austenit; mỗi một nguyên tố làm mất tác dụng bất lợi của nhau.

Wolfram - Hình thành các carbid cứng và ổn định; tăng lên phạm vi nhiệt độ chuyển hóa, và các nhiệt độ tôi và ram. Các thép wolfram được tôi cứng chịu được tôi ram tới 600°C.

Molybden - Nguyên tố tạo thành mạnh carbid, và cũng cải thiện khả năng chống trườn rão nhiệt độ cao; làm giảm tính dòn tôi trong các thép Ni-Cr. Cải thiện khả năng chống ăn mòn và tính dòn tôi.

Vanadi - Nguyên tố tạo thành mạnh carbid; các tác dụng lọc sạch tạp chất ở kim loại nóng chảy và làm sạch các sản phẩm, kể cả không phải là thép. Có thể gây ra nứt nung nóng lại khi các thép được bổ xung crom.

Titan - Nguyên tố tạo thành mạnh carbid. Không được sử dụng tự mình, nhưng được thêm để ổn định carbid đối với các thép không gỉ austenit.

Phosphor - Làm tăng độ bền và khả năng tôi cứng, làm giảm tính dẻo và độ dẻo dai.  Làm tăng khả năng gia công và chống ăn mòn.

Lưu huỳnh - Làm giảm độ dẻo dai và độ bền cũng như khả năng hàn. Các bọc tạp chất lưu huỳnh thông thường có mặt trong thép, sẽ bị phân hủy gần nhiệt độ nóng chảy của mối hàn. Khi nguội các sulphid và lưu huỳnh vẫn tồn tại kết tủa và hình thành các lớp màng mỏng lỏng tại các biên giới hạt, do đó làm suy yếu đáng kể liên kết biên giới hạt.  Thép như vây được cho là bị cháy.  Mangan phá vỡ các màng mỏng này hình thành các giọt magan sulphid.  

(Dipl.Eng.IWE/EWE-Nguyễn Duy Ninh)