1.Cấu trúc mạng tinh thể của thép không gỉ
1.1. Khái niệm
1.1.2 Khái niệm mạng tinh thể và vận dụng
Sử dụng kính hiển vi để quan sát, đánh giá và phân tích cấu trúc tổ chức tế vi của kim loại và hợp kim được gọi là phương pháp phân tích soi kim tương (Metallography). Một số các thông tin của tổ chức dưới kính hiển vi chúng ta có thể quan sát, lưu giữ và phân tích bao gồm: kích cỡ, hình dáng và sự phân bố của hạt, các khuyết tật nếu có…Từ đó, có thể đánh giá được cơ tính của cấu trúc, các thông số công nghệ, kiểm tra khuyết tật và phát triển công nghệ mới.
Chính vì vậy mà để xác định chính xác nguyên nhân của các sự cố phát sinh trong quá trình sản xuất như khi cán thép cuộn bị đứt đôi, hay phát sinh khuyết tật, phát sinh lỗi… Chính vì vậy mà khi lấy mẫu để nghiên cứu thì cần phải lấy mẫu tại vị trí phát sinh lỗi chính xác nhất. Đối với sản phẩm cán nguội để đạt được kích thước hạt yêu cầu thì chỉ cần lấy mẫu theo mặt cắt dọc hoặc mặt cắt ngang. Còn đối với sản phẩm cán nóng thi sau khi cán bề mặt bị khử Cacbon hoặc bị oxy hóa. Hay trong quá trình xử lý nhiệt thì cấu trúc mạng tinh thể có thể bị biến đổi cho nên khi lấy mẫu phải lựa chọn vị trí chính xác nhất để tránh sai sót trong quá trình phân tích.
Khi quan sát cấu trúc tế vi của mạng tinh thể kim loại và hợp kim, tùy theo phương pháp quan sát mà có thể chia ra theo các cấp độ như microstructure, microstructure và ultra- microstructure. Cấu trúc vi mô do được quyết định theo các bước xử lý và thành phần hóa học cho nên người phân tích cần phải áp dụng phương pháp quan sát và tầm thực phù hợp cho từng chủng loại. chuẩn bị đúng vật liệu và xác định trước như cấu trúc nào, ở mức độ nào, thành phần, kích thước khoảng cách và trạng thái phân bổ
Sử dụng chỉ riêng ở phân tích cấu trúc vi mô, còn nắm bắt đặc tính nguyên liệu và kiểm tra chủng loại của hợp kim thì người thực hiện cần có kỹ năng thành thạo do đó khuyến khích sử dụng D-base cấu trúc thông dụng tốt hơn.
Phương pháp quan sát cấu trúc mạng tinh thể, chuẩn bị mẫu, dung dịch tẩm thực, kính hiển vi (quang học, điện tử)
Sử dụng kính để quan sát kim tương của nguyên liệu. Thao tác chuẩn bị cần thực hiện các bước như sau: chuẩn bị mẫu gồm ép mẫu, mài mẫu và đánh bóng…, thao tác sau cùng là tầm thực rồi quan sát và phân tích tổ chức tế vi của mẫu. Phương pháp phân tích kim tương là phương pháp cung cấp thông tin cấu trúc chính xác và dễ thực hiện nhất. Mỗi thao tác chuẩn bị mang một ý nghĩa nhất định cho nên cần phải thực hiện đầy đủ và theo tuần tự chính xác. Cho dù nguyên liệu có sự khác nhau về độ cứng độ dẻo nhưng các thao tác thực hiện của phương pháp này đều phải giống nhau. Trong tài liệu này có chỉ ra phương pháp chuẩn bị mẫu và quan sát kim tương sao cho nhanh hiệu quả và chính xác. Ngoài ra có thể tham khảo tiêu chuẩn ASTM E3 (Standard Methods of Preparation ở Metallographic Specimens) để biết thông tin chi tiết hơn.
– Chọn mẫu
Theo mục đích công việc kiểm tra bước đầu của khâu chuẩn bị lấy mẫu là phải cắt lấy phần phù hợp với nguyên liệu. Mẫu được cắt là phải đại diện cho toàn bộ nguyên liệu. Phương pháp cắt nguyên liệu mẫu có nhiều phương pháp cắt như cắt bằng máy, gia công phóng điện, cắt bằng điện hóa học…
– Ép dính mẫu-Mounting
Là công việc giữ cố định để mài và đánh bóng bề mặt mẫu đã được cắt đúng kích thước nhằm kiểm tra cấu trúc vật liệu. Mounting là ép khối chứa mẫu vào mẫu để cố định mẫu và được thực hiện theo tiêu chuẩn, an toàn mang tính khoa học kỹ thuật để mài đánh bóng mẫu. Vật liệu dùng để ép là loại nhựa nhiệt rắn thông dụng. Sử dụng vật liệu nhiệt rắn thì có thể mạnh là rút ngắn thời gian tạo hình và đạt được độ bền thích hợp, Đồng thời do yêu cầu là phải đáp ứng được thông số ép như áp suất 30Mpa, nhiệt độ tiêu chuẩn 180°C nên dễ phát sinh sự biến đổi trạng thái cấu trúc, không thể sử dụng nguyên liệu yếu dễ gây. Đặc biệt là vùng vật liệu liên kết với mẫu sau khi ép dính dễ bị rạn nứt vì vậy nếu thời gian làm mát và thời gian tạo hình càng ngắn thì sẽ hình thành nhiều hiện tượng lạ bên trong khuôn. Trường hợp nếu áp suất không phù hợp thì bề mặt sẽ bị phồng lên hoặc dễ dàng hình thành vết nứt cho nên cần phải lưu ý. Theo đó vật liệu thí nghiệm nhạy cảm ở nhiệt độ thì khuyến khích nên áp dụng cold mounts – ép nguội sử dụng nhựa epoxy để phân loại vật liệu rắn và nhựa.
– Mài/Đánh bóng
Nhằm đạt được bề mặt mẫu như mong muốn để quan sát sau khi mẫu đã được ép vào khối mẫu, bước qua giai đoạn 2 là công đoạn mài sử dụng vật liệu mài mịn. Phương pháp này là phương pháp cơ tính thông dụng nhất loại bỏ một phần của nguyên liệu, có nhiều thiết bị màu đánh bóng đa dạng tái lập lại trạng thái bề mặt mức độ theo mong muốn. Bề mặt của vật liệu mẫu được tạo khối ở giai đoạn, thông qua quá trình mài để có thể đạt được bề mặt phẳng và bề mặt bóng mài theo phương thức mài nước sử dụng giấy mài được chế tạo bằng những hạt Silicon carbide nhiệt độ cao dẫn dẫn mài theo giai đoạn bắt đầu từ giấy nhám loại #280 cho đến loại #2000. Sau đó dùng đĩa mài hạt kim cương mịn đánh bóng loại bỏ những vết xước nhỏ li ti còn sót trên bề mặt. Khuyến cáo kích thước hạt mài kim cương lúc bắt đầu là 9urn và mài sau cùng ở kích thước lụm.
– Tầm thực
Sau khi mẫu đạt độ bóng yêu cầu thì có thể quan sát ngay bằng kính hiển vi các tổ chức cabit hoặc các tạp chất, tuy nhiên để quan sát được các yếu tố trọng điểm của cấu trúc tế vị của vật liệu mẫu thì phải sử dụng chất tẩm thực ăn mòn điện hóa hoặc hóa chất khác. Điểm cần lưu ý ở đây là cho ăn mòn trong thời gian thích hợp tránh trường hợp bề mặt bị ăn mòn, sau khi ăn mòn sau đó dùng Aceton, cồn hoặc nước cất làm sạch dung dịch tẩm thực tiếp đó sử dụng kính hiển vi quan sát cấu trúc vi mô kim loại.
– Quan sát kính hiển vi
Kỹ thuật sử dụng mang tính thông dụng nhất trong quan sát cấu trúc vi mô ở việc phân tích kim loại, thông qua Bright Feld Illumination sử dụng mức độ phản xạ ánh sáng ở bề mặt vật liệu mẫu thí nghiệm của trạng thái đánh bóng được sử dụng quan sát ở giữa hợp chất và kim loại, graphite, non-metal inclusion, Nitrides, Carbonitride, Boride.. Độ phản xạ ở trường hợp của hợp kim cứng và mềm là khác nhau.
– Đọc hiểu cấu trúc tế vi của mạng tinh thể
Thép không gì căn cứ vào sự khác biệt cấu trúc và chuỗi thành phần hợp kim mà được chia ra thành 5 nhóm như chuỗi thép Austenite, Ferrite, Precipitation Hardening, Duplex. Cấu trúc từng nhóm khác nhau và được phân loại một cách rõ ràng, chủng loại nhóm đông nhất sẽ thấy cấu trúc vi mô rất giống nhau. Ngoài ra, chủng loại của chất kết tủa được quan sát ở cấu trúc vì mộ thép không gỉ đa dạng theo quá trình gia nhiệt và quá trình hàn, và có nhiều hợp chất giữa kim loại như Laves (n), Chi (), Sigma (g) và chất Cacbit hóa của M,C, MC, MC, MC
Thép Austenite có thể được gọi là thép hợp kim gồm 3 nguyên tố cơ bản Fe – C – Ni, chứa hàm lượng Cr 16% — 25% và Ni 7% – 20% Có cấu trúc mạng tinh thể 100% là cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) cho dù tồn tại ở nhiệt độ thường hay sau khi xử lý nhiệt lại. Là chủng loại thép có cấu trúc ổn định nhờ nguyên tố Niken, cho dù thép Austenite sau khi qua xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao thì cấu trúc của thép Austenite vẫn được duy trì và là thép có tính năng chống ăn mòn cao, định hình, tính gia công hàn tốt và là thép được sử dụng rộng rãi nhất. Chủng loại thép đại diện là loại STS304 có hàm lượng Cr 18% và Niken là 8%. Trường hợp được yêu cầu tính chống ăn mòn cao hơn thì bổ sung thêm thành phần Molybdenum (Ví dụ: STS316), Crôm và Niken với hàm lượng thích hợp để giữ cấu trúc Austennitic ổn định, nhưng thực tế thì ở nhiệt độ thường thép Austenitic có tồn tại lần vào một ít cấu trúc 6-Ferritic dư. Sự hình thành Cacbit trong thép không gì diễn ra nhanh chóng, phụ thuộc vào tốc độ giảm nhiệt. Nhiệt độ sau khi hàn khoảng 400 – 850°C dễ sinh ra Cacbit crôm tại khu vực mối hàn, làm giảm đi khả năng chống ăn mòn của thép. Để ngăn chặn hiện tượng này thì nên sử dụng loại thép có hàm lượng Cacbon thấp (loại L). Trong trường hợp này, hàm lượng nguyên tố Cacbon là nguyên tố tạo Austenitic mạnh rất ít nên khả năng tồn tại cấu trúc Ferritic trong loại này là rất lớn.
Các loại thép không gỉ Austenitic khác (tiêu biểu STS310) có chứa hàm lượng các nguyên tố có cấu trúc Austenitic vừa đủ, nếu như bị biến dạng dẻo quá mức hay làm nguội ở nhiệt độ quá thấp, sẽ tồn tại ở trạng thái Austenitic bán ổn định, thì có thể bị chuyển biến sang pha Martensitic một phần.
Thép không gi Ferrite là thép hợp kim Fe – Cr chứa hàm lượng C khoảng 12% – 30%, loại thép được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực xây dựng thông dụng. Các nguyên tố tạo Austenitic mạnh như Cacbon hay Nitơ rất ít, thép đại diện là loại STS430 với hàm lượng Cr là 18%. Mặc dù dòng Ferritic không chứa nguyên tố Niken nhưng khả năng chống ăn mòn tương đương với thép Austenite nên được thiết kế sử dụng nhiều, tuy nhiên so với thép không gỉ Austenite thì độ bền và dai, khả năng hàn thấp hơn nên phạm vi ứng dụng hạn chế hơn. Có cấu trúc tinh thể 100% là mạng lập phương thể tâm (BCC) ở nhiệt độ thường tồn tại các Cacbit đặc trưng M,C, kích thước nhỏ mịn nhất. Các loại thép trong dòng này có hàm lượng Cr và Al khác nhau tuy nhiên nếu xử lý nhiệt trên khoảng 900°C thì một phần Ferritic sẽ chuyển pha sang, tiếp theo sau khi làm một thì lại chuyển sang pha Martensite. Thép không gỉ Ferritic có tốc độ khuếch tán của Cacbon và Nitơ ở nhiệt độ cao rất nhanh so với thép Austenitic, nên làm giảm tính ăn mòn của thép, sau khi hàn tạo thành Crôm Cabit nhanh ở nhiệt độ 600C – 800C. Để hạn chế sự thoát Gồm thêm vào các nguyên tố ổn định như Nb, T. phản ứng Cacbit sẽ ưu tiên tạo ra các Cacbit TIC (N), BIC IN trước. Phương pháp này được áp dụng trong yêu cầu đảm bảo tính chống ăn mòn cao
Thép không gỉ Martensite là hợp kim Fe – Cr được hạn chế tối đa khả năng hình thành pha 8-Ferrite, sử dụng rộng rãi ở các ứng dụng dùng làm thiết bị kết cấu yêu cầu có độ bền độ cứng cao, thiết bị chống mài mòn, thiết bị truyền động.. Có khoảng 12% – 17% hàm lượng Cr và hàm lượng Cacbon cao Thép Martensitic được hình thành qua quá trình ủ Austenitic hóa, tôi và ram. Dòng thép này tuy có hàm lượng Cacbon ở trên các hạt tinh thể đằng trục Ferrite khác nhau nhưng khi quan sát thì có thể thấy sự phân bố của các hạt Cabit mịn đồng đều. Hoặc là sau khi tôi ủ pha Austenitic rồi làm lạnh thì thấy có tồn tại các hạt Cacbit kết tủa trong pha Martensitic. Khi xử lý nhiệt thép Austenitic nếu nhiệt độ quá cao thì sẽ có sự chuyển pha 8-Ferrite, còn nếu nhiệt độ quá thấp thì sẽ không tạo thành Austenite hoàn toàn tồn tại nhiều pha a-Ferrite không đạt được cấu trúc như mong muốn
Thép không gỉ Precipitation Hardening được phân chia làm 3 loại như loại Austenite, loại sem Austenite, loại Martensite. Loại thép Semi-Austenite được hình thành chứa 20% pha 6-Ferrite trong nền Austenite để cải thiện khả năng gia công. Sau khi xử lý nhiệt Cacbit được kết tủa ở đường biên giữa pha Austenite và pha Ferrite, tiếp tục làm nguội đến nhiệt độ âm để thu được một phần hoặc toàn bộ là Martensite. Loại Martensite là loại thép có độ bền tốt nhất được ứng dụng làm vật liệu gia công áp lực, lõi thép, thép dây, thép bản… có chứa 100% cấu trúc là Martensitic hoặc chứa một lượng nhỏ Ferritic trong cấu trúc Martesitic, có độ cứng siêu việt. Loại Austenitic rất khó hóa bên nên ít được sử dụng.
Thép Duplex là loại thép sở hữu pha Austensite và Ferrite mỗi pha chiếm 50%, là thép hợp kim gồm 3 nguyên tố Fe – Cr – Niken cùng tồn tại, nó là loại thép có hàm lượng Cr 19% – 27%, 19% – 7% NI, 0% – 46 Mo và 0.15% – 0.35% N, có cấu trúc mạng lập phương tâm mặt FCC Austenitic ở bên trong các hạt tinh thể lập phương tâm khối BCC Ferrite có hình dạng giống như hòn đảo được phân bố một cách đồng nhất, bằng sự phân chia mang tính hiệu quả của từng nguyên tố từng pha thì so với thép không gỉ Austenite có được đặc tính chống ăn mòn và độ bền tốt hơn. Thép không gì Duplex nếu để trong một thời gian dài ở khu vực nhiệt độ từ 300K – 1000 được hình thành kết tủa đa dạng như pha Sigma (a), Chi Q, R, I và T.. cho nên cơ tính và sự chống ăn mòn của thép giảm vì vậy khuyến nghị cấm sử dụng nhiệt độ trên 300°C.
