Nghiên cứu sự biến đổi tổ chức và tính chất trong quá trình hàn thép không gỉ với thép cacbon

i 
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 
ii 
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 
iii 
MỤC LỤC 
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i 
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................ ii 
MỤC LỤC ............................................................................................................................ iii 
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .......................................................... vii 
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................... ix 
DANH MỤC CÁC HÌNH ..................................................................................................... x 
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN .................................................................................................. 3 
1.1. Đặc điểm mối hàn hai vật liệu khác loại ..................................................................... 3 
1.1.1. Khái niệm chung .................................................................................................. 3 
1.1.2. Các dạng khuyết tật khi hàn hai vật liệu khác loại ............................................... 6 
1.2. Ứng dụng và điều kiện làm việc của mối hàn giữa thép không gỉ austenit và thép 
cacbon ................................................................................................................................ 8 
1.3. Tình hình nghiên cứu về mối hàn hai vật liệu khác loại ........................................... 12 
1.3.1. Những nghiên cứu ngoài nƣớc ........................................................................... 12 
 ...................................................................................................................................... 16 
1.3.2. Những nghiên cứu trong nƣớc ........................................................................... 17 
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 
iv 
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 
và thép cacbon ................................................................................................................. 40 
2.7. Cơ sở lý thuyết và mô hình khuếch tán của cacbon trong austenit ........................... 43 
2.7.1. Khái niệm chung ................................................................................................ 43 
2.7.2. Cơ sở lý thuyết về sự khuếch tán của cacbon trong vùng pha austenit giữa mối 
hàn hai vật liệu khác loại .............................................................................................. 44 
2.7.2. Mô hình bài toán ................................................................................................ 47 
2.8. Tóm tắt chƣơng 2 ...................................................................................................... 48 
CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM ........................................................................................... 50 
3.1. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................. 50 
3.2. Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm ................................................................................. 51 
3.2.1. Chuẩn bị mẫu và quy trình hàn .......................................................................... 52 
3.2.2. Quy trình cắt mẫu ............................................................................................... 53 
3.3. Quy trình đo nhiệt độ trong quá trình hàn ................................................................ 54 
3.4. Quá trình thí nghiệm ở nhiệt độ nâng cao ................................................................. 55 
3.5. Phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................................................... 55 
3.5.1. Tính toán nhiệt động học, xây dựng giản đồ TTT và giản đồ CCT ................... 55 
3.5.2. Nghiên cứu tổ chức tế vi .................................................................................... 56 
3.5.3. Xác định thành phần hóa học mẫu ..................................................................... 57 
3.5.4. Phân tích cấu trúc Rơnghen................................................................................ 58 
3.5.5. Xác định độ cứng tế vi ....................................................................................... 58 
3.5.6. Thử kéo mẫu ....................................................................................................... 59 
3.5.7. Thử va đập .......................................................................................................... 59 
vii 
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 
ac
αθ
: Hoạt tính của cacbon tại mặt phân pha α/θ 
ac
θα
: 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
*
, Ci
0
: 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 
viii 
v: Tốc độ hàn 
vng: Tốc độ nguội 
x: Nồng độ của cacbon 
x
α
: Nồng độ của cacbon trong α 
x
β
: Nồng độ của cacbon trong θ 
x
α0
: Nồng độ cacbon ban đầu trong α 
x
θ0
: Nồng độ cacbon ban đầu trong θ 
x
αθ
: Nồng độ cacbon trong α khi nó ở điều kiện cân bằng với θ tại mặt phân cách 
x
θα
: 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 800
0C 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 
ix 
DANH MỤC CÁC BẢNG 
Tên bảng Trang 
Bảng 1.1. Nhiệt độ làm việc tối đa cho phép của các loại vật liệu. 11 
Bảng 1.2. Ảnh hƣởng của đặc tính lý tính tới mối hàn thép không gỉ austenit so 
sánh với thép cacbon 
11 
Bảng 2.1. Sự tiết pha trong thép không gỉ austenit 32 
Bảng 2.2. Các dạng kết tinh, phƣơng trình phản ứng và tổ chức tế vi 33 
Bảng 3.1. Thành phần hóa học của kim loại cơ bản và điện cực 52 
Bảng 3.2. Thành phần hóa học thực tế 53 
Bảng 3.3. Chế độ hàn 53 
Bảng 3.4. Vị trí đo nhiệt độ (x: Khoảng cách tính từ tâm mối hàn ra kim loại cơ 
bản) 
55 
Bảng 3.5. Dung dịch tẩm thực 56 
Bảng 4.1. Cơ tính của thép không gỉ và thép cacbon 61 
Bảng 4.2. Hàm lƣợng δ-ferit theo giản đồ Schaeffler 65 
Bảng 4.3. Hàm lƣợng δ-ferit theo giản đồ WRC-1992 65 
Bảng 4.4. Hàm lƣợng δ-ferit 67 
Bảng 4.5. Giá trị độ cứng tại vùng chuyển tiếp phía thép cacbon 79 
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 
Bảng 2.PL1: Tham số hàn và năng lƣợng đƣờng 
ii 
Bảng 3.PL1. Chiều rộng và chiều cao của mối hàn 
iv 
Bảng 4.PL1. Kích thƣớc mẫu trƣớc và sau khi kéo vi 
Bảng 5.PL1. Giá trị cơ tính 
vii 
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.PL2. Năng lƣợng đƣờng và chiều dày danh nghĩa viii 
Bảng 1.PL3. Số δ - ferit tính theo Schaeffler 
x 
Bảng 1.PL4. Hệ số khuếch tán của cacbon xii 
Bảng 2.PL4. Bảng tính các tham số theo phƣơng pháp Wagner xiii 
Bảng 3.PL4. Bảng tính các tham số theo phƣơng pháp Uhrenius xiii 
Bảng 4.PL4. Bảng tính các tham số theo phƣơng pháp Wada xiii 
Bảng 5.PL ... iệm trong chƣơng 1 và chƣơng 2 đƣa ra 
bức tranh tổng quan về mối hàn giữa hai hai vật liệu cùng loại và khác loại. Hƣớng nghiên 
cứu của đề tài nằm trong nhóm nghiên cứu về tổ chức tính chất mối hàn lấy đối tƣợng là 
thép không gỉ austenit 304 và thép cacbon sử dụng điện cực E309L-16 áp dụng phƣơng 
pháp hàn hồ quang tay. Với mục tiêu xác định sự thay đổi tổ chức tính chất vật liệu sau hàn 
 49 
và ứng xử của vật liệu trong điều kiện làm việc ở nhiệt độ cao, đề tài cần thực hiện các 
nhiệm vụ sau: 
- Thực hiện quy trình hàn, chế tạo mẫu hàn 
- Xác định tổ chức và tính chất vật liệu sau hàn dựa trên kết quả phân tích tổ chức quang 
học, SEM, TEM, X-ray, EDS. 
- Đánh giá ứng xử của vật liệu trong điều kiện làm việc ở nhiệt độ nâng cao nhƣ sự thay 
đổi tổ chức, tính chất và sự hình thành khuyết tật. 
- Tính toán sự khuếch tán của cacbon theo mô hình Darken. 
 50 
CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM 
3.1. Nội dung nghiên cứu 
Luận án tập trung nghiên cứu sự thay đổi tổ chức và tính chất của mối hàn giữa thép 
không gỉ austenit 304 và thép cacbon bao gồm: 
1. Trong điều kiện hàn, nghiên cứu sự thay đổi tổ chức và tính chất của mối hàn giữa 
thép không gỉ austenit 304 và thép cacbon. Đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hƣởng của 
nhiệt độ lớn nhất và tốc độ nguội tới sự thay đổi tổ chức vùng nóng chảy và vùng HAZ 
mối hàn. Nhƣ phân tích ở chƣơng 2, tổ chức tại vùng nóng chảy và vùng HAZ thay đổi 
đáng kể do hình thành các pha mới dƣới ảnh hƣởng của nhiệt độ và tốc độ nguội. Pha δ-
ferit hình thành tại vùng nóng chảy mối hàn trong quá trình kết tinh từ thể lỏng sang thể 
rắn. Tuy nhiên, do sự khác nhau về quá trình hòa trộn và sự phân bố các nguyên tố hóa học 
dẫn tới sự thay đổi mô hình kết tinh cũng nhƣ hình thái của pha δ-ferit, đặc biệt ở sát biên 
giới phía thép cacbon. Tại vùng HAZ thép cacbon, nhiệt độ lớn nhất và tốc độ nguội tại các 
điểm khác nhau là khác nhau dẫn tới tổ chức vùng sát biên giới nóng chảy khác so với 
vùng phía xa biên giới nóng chảy. Cụ thể, vùng hoàn toàn mactenxit hình thành tại biên 
giới nóng do tốc độ nguội lớn. Các vùng có nhiệt độ lớn hơn Ac3, austenit chuyển biến 
thành mactenxit hoặc bainit hoặc peclit. 
2. Nghiên cứu sự thay đổi tổ chức của mối hàn trong điều kiện làm việc ở nhiệt độ nâng 
cao. Thí nghiệm dựa theo nhiệt độ làm việc của mối hàn trong kết cấu nhà máy nhiệt điện, 
cụ thể tại 400 0C, 600 0C, 900 0C trong 10 giờ. Bên cạnh việc đánh giá sự thay đổi tổ chức 
và tính chất mối hàn, cần dự đoán các khuyết tật có thể xảy ra và ảnh hƣởng của nó tới khả 
năng làm việc của chi tiết. 
3. Nghiên cứu ảnh hƣởng quá trình khuếch tán của cacbon tới chất lƣợng mối hàn. Nhƣ 
phân tích ở chƣơng 2, tại biên giới nóng chảy phía thép cacbon, do sự chênh lệch nồng độ 
nguyên tố hợp kim dẫn tới hình thành gradient thế năng hóa học, thúc đẩy sự khuếch tán 
của cacbon từ phía thép cacbon sang kim loại mối hàn. Sự khuếch tán của cacbon dẫn tới 
hình thành vùng có độ cứng cao (vùng giàu cacbon) và vùng có độ cứng thấp (vùng nghèo 
cacbon). Ngoài ra, sự tăng hàm lƣợng cacbon tại vùng này tạo điều kiện cho sự hình thành 
cacbit, ví dụ nhƣ cacbit crom, làm ảnh hƣởng tới tính chất của mối hàn. 
4. Tiến hành tính toán quá trình khuếch tán của cacbon dựa trên cơ sở lý thuyết của 
Darken. Nồng độ của cacbon tại các vị trí và thời gian xác định cũng nhƣ bề rộng vùng có 
độ cứng cao và vùng có độ cứng thấp là cơ sở dự đoán đƣợc ứng xử của vật liệu mối hàn 
trong điều kiện làm việc lâu dài. 
 51 
3.2. Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm 
 Hình 3.1. Sơ đồ thực nghiệm 
Chuẩn bị - Vật liệu cơ bản: thép 
cacbon, thép không gỉ 
- Lựa chọn điện cực 
E309L-16 
Phƣơng pháp hàn: hàn 
SMAW 
Chế tạo mẫu 
hàn 
Đo nhiệt độ các điểm 
vùng HAZ 
Đo thành phần hóa học 
của mẫu 
Cắt mẫu 
Thí nghiệm ở 
nhiệt độ nâng 
cao 
Xác định tổ 
chức, tính chất 
- Chụp ảnh tổ chức tế vi 
- Xray 
- SEM 
- EDS 
- TEM 
- Đo độ cứng tế vi 
- Thử kéo 
- Thử va đập 
Xây dựng 
đƣờng phân bố 
nồng độ cacbon 
Đánh giá, kết 
luận 
Nhiệt độ Thời gian 
EDS line 
Mô hình Darken 
 52 
3.2.1. Chuẩn bị mẫu và quy trình hàn 
3.2.1.1. Chuẩn bị mẫu 
Vật liệu: Thép không gỉ và thép cacbon đƣợc cắt trên máy cắt dây để tạo các tấm có 
kích thƣớc 275x85x3 mm. Để chuẩn bị cho quá trình hàn, các mẫu đƣợc mài sạch để loại 
bỏ tạp chất có trên bề mặt, nhằm tránh các khuyết tật có thể xảy ra. Do các mẫu mỏng nên 
không cần thực hiện vát mép. Sau đó, các tấm đƣợc hàn đính và cố định hai đầu nhƣ trên 
hình 3.2a. 
Hình 3.2. a) Hàn đính b) Chuẩn bị mép hàn 
Hình 3.3. a) Điện cực hàn, b) Tủ sấy que hàn 
Điện cực hàn: Thép không gỉ austenit 304 và thép cacbon đƣợc hàn với nhau sử dụng 
điện cực E309L-16 (hình 3.3a), có đƣờng kính 3,2 mm, dài 350 mm. Trƣớc khi hàn, que 
hàn phải đƣợc sấy khô trong tủ sấy (hình 3.3b) ở nhiệt độ (100÷150) 0C để loại bỏ hơi 
nƣớc có trong que hàn. 
Thiết bị hàn: Trong thí nghiệm này, máy hàn Inventer đƣợc sử dụng để hàn thép không 
gỉ với thép cacbon. 
Bảng 3.1. Thành phần hóa học của kim loại cơ bản và kim loại điệc cực (theo nhà sản xuất) 
Nguyên tố 
C 
[%] 
Mn 
[%] 
Si 
[%] 
S 
[%] 
P 
[%] 
Cr 
[%] 
Ni 
[%] 
Mo 
[%] 
V 
[%] 
Thép không gỉ 
austenit 304 
0,09 1,54 0,49 0,005 0,005 18,3 7,56 0,13 0,11 
Thép cacbon 0,18 0,62 0,02 0,04 0,05 0,02 0,08 0,005 0,01 
Điện cực E309L - 
16 
0,03 1,34 0,71 0,005 0,003 23,7 12,6 - - 
Bảng 3.1 đƣa ra thành phần hóa học của kim loại cơ bản và kim loại điện cực. Sau hàn, 
các mẫu đƣợc đo lại thành phần tại ba vị trí: vùng HAZ thép cacbon, vùng HAZ thép 
không gỉ và kim loại mối hàn. Kết quả đo đƣợc trong bảng 3.2. Với kết quả đo đƣợc, ngoài 
1.5 
3
3
Thép không gỉ Thép cacbon 
 53 
các nguyên tố chỉ ra trong bảng, còn xuất hiện các nguyên tố khác có thành phần nhỏ nhƣ 
Al, Co, Cu, Nb, Ti, W. 
Bảng 3.2. Thành phần hóa học thực tế đo sau hàn 
Nguyên tố 
C 
[%] 
Mn 
[%] 
Si 
[%] 
S 
[%] 
P 
[%] 
Cr 
[%] 
Ni 
[%] 
Mo 
[%] 
V 
[%] 
Thép không gỉ 
austenit 304 
0,09
6 
1,54 0,49 
<0,00
5 
0,005
8 
18,3 7,56 0,131 
0,11
4 
Thép cacbon 
0,18
4 
0,32
9 
0,05
45 
0,021 
0,033
5 
0,33
0 
0,08
4 
0,011
4 
0,00
7 
Kim loại mối 
hàn 
0,05
5 
0,64
3 
1,21 
<0,00
5 
0,01 22,0 13,4 0.137 
0.08
7 
3.2.1.2. Quy trình hàn 
Các mẫu thép đƣợc hàn với nhau bằng phƣơng pháp hàn hồ quang tay (SMAW). Chế độ 
hàn đƣợc đƣa ra trong bảng 3.3. Các tham số hàn đƣợc lựa chọn dựa theo chế độ chuẩn của 
nhà máy nhiệt điện Thái Bình. 
Bảng 3.3. Chế độ hàn 
Tham số hàn I (A) U (V) V (mm/ph) Nhiệt độ môi trƣờng (0C) 
Giá trị 80 25 100 30 
3.2.2. Quy trình cắt mẫu 
Các mẫu sau khi hàn xong đƣợc cắt trên máy cắt dây lấy mẫu chụp ảnh tổ chức và mẫu 
thử kéo, thử va đập. Hình 3.4 là sơ đồ cắt mẫu trên các tấm hàn. 
(a) 
Mẫu thử kéo 
Mẫu quang học 
Mẫu thử va đập 
 54 
 (b) (c) 
Hình 3.4. a. Sơ đồ cắt mẫu, b. kích thước mẫu thử kéo, c. kích thước mẫu thử va đập 
Các mẫu chụp hiển vi quang học: Các mẫu quang học có kích thƣớc 20x10x3 mm 
đƣợc cắt vuông góc với mối hàn sao cho khoảng cách từ tâm mối hàn tính ra hai phía là 
10mm. 
Các mẫu thử kéo: Kích thƣớc các mẫu thử kéo đƣợc chỉ ra trong hình 3.4ba đƣợc xác 
định theo tiêu chuẩn TCVN 8311: 2010. Với kích thƣớc tấm hàn 275x170x3 mm, mỗi tấm 
cắt 4 mẫu thử kéo. Vị trí cắt mẫu thử kéo vuông góc với đƣờng hàn nhƣ trên hình 3.4a. 
Các mẫu thử độ dai va đập: Kích thƣớc của các mẫu thử độ dai va đập đƣợc xác định 
theo tiêu chuẩn TCVN 312-1:2007 Trên các tấm hàn, các mẫu đƣợc cắt song song với 
đƣờng hàn nhằm xác định ảnh hƣởng của tổ chức tới cơ tính trong vùng HAZ. 
3.3. Quy trình đo nhiệt độ trong quá trình hàn 
Mục đích của việc đo nhiệt độ tại tâm mối hàn và các điểm trong vùng ảnh hƣởng nhiệt 
nhằm xây dựng đƣờng cong chu trình nhiệt trong suốt quá trình hàn. Qua đó, xác định 
nhiệt độ lớn nhất tại các vị trí khác nhau trong vùng HAZ và tốc độ nguội tại các điểm đó. 
Để chuẩn bị, đã tiến hành khoan các lỗ nhỏ có kích thƣớc 1,5 mm tại các vị trí khác 
nhau trên tấm hàn. Vị trí các điểm cần đo đƣợc xem trên bảng 3.4 và hình 3.5. Sau đó hàn 
đính đầu can nhiệt K vào các vị trí đó. Can nhiệt K đƣợc nối với đồng hồ chỉ nhiệt độ và 
đồng hồ chỉ thời gian. 
Hình 3.5. Sơ đồ bố trí vị trí can nhiệt 
 55 
Bảng 3.4. Vị trí đo nhiệt độ (x: Khoảng cách tính từ tâm mối hàn ra kim loại cơ bản) 
Vị trí đo Vùng HAZ thép không gỉ Vùng nóng 
chảy (X0) 
Vùng HAZ thép cacbon 
X’4 X’3 X’2 X’1 X1 X2 X3 X4 
Giá trị (mm) 20 15 10 5 0 5 10 15 20 
3.4. Quá trình thí nghiệm ở nhiệt độ nâng cao 
Các tấm sau khi hàn đƣợc làm sạch lớp xỉ và dầu mỡ bám bên ngoài trƣớc khi cho vào 
trong lò nhiệt luyện. Đánh số thứ tự các mẫu lần lƣợt là M400, M600, M900. Các mẫu 
đƣợc nung và giữ nhiệt ở các giá trị quy định, sau đó làm nguội cùng lò đến nhiệt độ 
thƣờng. Quy trình thí nghiệm ở nhiệt độ nâng cao đƣợc trình bày trong hình 3.6. 
Hình 3.6. Quy trình thí nghiệm ở nhiệt độ nâng cao 
Quy trình 1: Mẫu đƣợc nung tới nhiệt độ 400 0C, sau đó đƣợc giữ nhiệt trong 10 giờ rồi 
làm nguội cùng lò tới nhiệt độ thƣờng. 
Quy trình 2: Mẫu đƣợc nung tới nhiệt độ 600 0C, sau đó đƣợc giữ nhiệt trong 10 giờ rồi 
làm nguội cùng lò tới nhiệt độ thƣờng. 
Quy trình 3: Mẫu đƣợc nung tới nhiệt độ 900 0C, mẫu M900 giữ nhiệt trong 10 giờ rồi 
làm nguội cùng lò tới nhiệt độ thƣờng. 
3.5. Phƣơng pháp nghiên cứu 
3.5.1. Xây dựng giản đồ TTT và giản đồ CCT 
Giản đồ TTT và CCT của thép không gỉ austenit, thép cacbon đƣợc xây dựng bằng phần 
mềm ThermoCalc, mô đun JMatPro với tham số đầu vào là thành phần hóa học của các 
nguyên tố hợp kim chính Fe-Cr-Ni-C (tham khảo thêm hình 2.5, 2.11). 
Cùng lò 
900 
T, 
0
C 
10h 
Thời gian,giờ 
Cùng lò 
600 
T, 
0
C 
10h 
Thời gian,giờ 
Cùng lò 
400 
T, 
0
C 
10h 
Thời gian,giờ 
 56 
 a. Giản đồ CCT thép không gỉ b. Giản đồ CCT thép cacbon 
 c. Giản đồ TTT thép không gỉ d. Giản đồ TTT thép cacbon 
Hình 3.7. Giản đồ TTT và CCT của thép không gỉ austenit, thép cacbon được xây dựng bằng 
phần mềm ThermoCalc 
3.5.2. Nghiên cứu tổ chức tế vi 
Phương pháp hiển vi quang học và hiển vi điện tử quét: Ảnh tổ chức tế vi đƣợc chụp 
bằng kính hiển vi điện tử quang học Leica 4000/Axiovert 25 A (hình 3.8, 3.9), kính hiển vi 
điện tử quét SEM và FESEM tại phòng thí nghiệm trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Để 
chuẩn bị, các mẫu có kích thƣớc 20x10x3 mm đƣợc cắt trên mặt cắt ngang mối hàn. Quá 
trình chuẩn bị mẫu đƣợc thực hiện lần lƣợt từ mài nhẵn, đánh bóng, và tẩm thực. Dung 
dịch tẩm thực cho trong bảng 3.5. 
Bảng 3.5. Dung dịch tẩm thực 
Vật liệu Thép không gỉ austenit 
304 
Kim loại mối hàn Thép 
cacbon 
Dung dịch tẩm 
thực 
5 g FeCl3 + 15 cm
3
 HCl 
+ 50 cm
3
 H2O 
5 g FeCl3 + 15 cm
3
 HCl 
+ 50 cm
3
 H2O 
3 % HNO3 
Hình 3.8. Kính hiển vi quang học Axiovert 25A 
 57 
Hình 3.9. Kính hiển vi điện tử quét FESEM Jeol 7600 
Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua: Để quan sát tổ chức tế vi của mối hàn ở mức 
nano, sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua TEM tại Phòng thí nghiệm trọng điểm 
Polyme và Compozit – Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh. Để chuẩn bị, tiến hành 
cắt mẫu có đƣờng kính 3 mm, chiều dày khoảng (0,5÷1) mm trên mặt cắt ngang mối hàn. 
Các mẫu đƣợc cắt tại 5 vị trí: Vùng kim loại mối hàn, vùng biên giới thép cacbon, vùng 
biên giới thép không gỉ, vùng kim loại cơ bản thép cacbon, vùng kim loại cơ bản thép 
không gỉ. Sau đó tiến hành mài mỏng mẫu sao cho chiều dày của mẫu đạt dƣới 100 μm. 
Sau khi chuẩn bị mẫu xong, tiến hành đánh bóng điện phân tạo lổ thủng trên mẫu sử dụng 
máy điện phân trƣớc khi tiến hành chụp ảnh. 
Hình 3.10. Thiết bị hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 
3.5.3. Xác định thành phần hóa học mẫu 
Phương pháp quang phổ phát xạ: Mục đích của việc phân tích thành phần hóa học nhằm 
xác định lại thành phần thực tế của kim loại cơ bản và thành phần hóa học tại các vị trí 
khác nhau của mẫu sau khi hàn. Phƣơng pháp phân tích là dùng quang phổ phát xạ trên 
máy ARL-3460 tại Viện kĩ thuật quân sự. Bảng 3.2 đƣa ra thành phần hóa học thực tế của 
kim loại cơ bản và tại vùng tâm mối hàn. Phƣơng pháp này thƣờng đƣợc tiến hành tại các 
 58 
nhà máy. Tuy nhiên, nhƣợc điểm của phƣơng pháp là vết bắn có kích thƣớc khá lớn, do 
vậy chỉ xác định đƣợc thành phần hóa học trung bình tại một vùng nhất định. 
Phương pháp EDS: Phƣơng pháp này đƣợc dùng để xác định lƣợng nguyên tố hợp kim tại 
một điểm hoặc một đƣờng. Trong luận văn, EDS-line đƣợc sử dụng tại biên giới nóng chảy 
phía thép cacbon và phía thép không gỉ sau khi hàn và sau khi xử lý nhiệt nhằm xác định 
đƣờng phân bố nồng độ của các nguyên tố hợp kim tại vùng này, đặc biệt là đƣờng nồng 
độ của nguyên tố cacbon để xác định khả năng khuếch tán của cacbon từ thép cacbon sang 
kim loại mối hàn. EDS điểm đƣợc thực hiện nhằm xác định thành phần hóa học của các hạt 
cacbit hình thành trong mối hàn. 
3.5.4. Phân tích cấu trúc Rơnghen 
Mục đích sử dụng phƣơng pháp phân tích Rơnghen: 
- Xác định thông số mạng pha nền hợp kim 
- Xác định các thông số mạng của các pha thứ cấp 
Phân tích cấu trúc Rơnghen đƣợc thực hiện tại Trung tâm phân tích phân loại hàng hóa 
xuất nhập khẩu – Tổng cục hải quan và Khoa vật lý – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên 
– Đại học Quốc gia Hà Nội. 
Hình 3.11. Thiết bị phân tích nhiễu xạ Rơnghen D500 
3.5.5. Xác định độ cứng tế vi 
Độ cứng tế vi đƣợc xác định cho các mẫu sau khi hàn và sau khi xử lý nhiệt. Độ cứng tế 
vi đƣợc đo tại các vị trí sau: 
- Tính từ biên giới nóng chảy thép cacbon ra hai bên là vùng HAZ thép cacbon và vùng 
kim loại mối hàn. Khoảng cách giữa các vết đo gần biên giới là (10÷20) μm nhằm xác định 
sự thay đổi độ cứng tế vi do ảnh hƣởng của quá trình khuếch tán của cacbon trong điều 
kiện làm việc ở nhiệt độ nâng cao.q 
- Đo các điểm tại tâm của kim loại mối hàn 
- Tính từ biên giới nóng chảy thép không gỉ ra hai bên là vùng HAZ của thép không gỉ 
và vùng kim loại mối hàn. 
Tất cả các phép đo đƣợc thực hiện trên máy ARK600 tại phòng thí nghiệm trƣờng Đại 
học Bách khoa Hà Nội, đặt tải 100g, thời gian 10 giây. 
 59 
Hình 3.12. Máy đo độ cứng ARK600 
3.5.6. Thử kéo mẫu 
Mẫu thử kéo đƣợc chế tạo theo tiêu chuẩn TCVN 8311: 2010 nhằm xác định độ bền của 
vật liệu, độ giãn dài tƣơng đối, độ thắt tỉ đối sau khi hàn. Thí nghiệm đƣợc thực hiện trên 
máy PLS-200 tại Trung tâm thực hành thí nghiệm – Viện cơ khí – Trƣờng Đại học Hàng 
hải Việt Nam. 
Hình 3.13. Máy thử kéo và thử va đập 
3.5.7. Thử va đập 
Mẫu thử va đập theo tiêu chuẩn TCVN 312-1:2007 “Vật liệu kim loại thử va đập kiểu con 
lắc Charpy – Phần 1 Phƣơng pháp thử”. Trong nghiên cứu này chỉ xác định độ dai va đập 
tại vùng HAZ thép cacbon, HAZ thép không gỉ ở nhiệt độ thƣờng (250C). Mẫu thử tiêu 
chuẩn phải có chiều dài 55mm, tiết diện vuông với các cạnh 10mm. Ở giữa tâm chiều dài 
có rãnh chữ V. Các thí nghiệm đƣợc thực hiện trên máy JBS-300 tại Trung tâm thực hành 
thí nghiệm – Viện cơ khí – Trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam.