Khả Năng Chống Chảy Nhão của Thép Không Gỉ: Giới Hạn Vật Liệu cho Ứng Dụng Kết Cấu ở Nhiệt Độ Cao Dài Hạn

Khả Năng Chống Chảy Nhão của Thép Không Gỉ: Giới Hạn Vật Liệu cho Ứng Dụng Kết Cấu ở Nhiệt Độ Cao Dài Hạn

Trong những môi trường khắc nghiệt của ngành sản xuất điện, xử lý hóa chất và hàng không vũ trụ, các bộ phận thường xuyên phải chịu nhiệt độ cao và căng thẳng liên tục. Dưới những điều kiện này, vật liệu có thể biến dạng chậm và liên tục, một cơ chế hư hỏng phụ thuộc theo thời gian được gọi là bò . Đối với các kỹ sư lựa chọn vật liệu cho nồi hơi, tua-bin, thiết bị trao đổi nhiệt và các bộ phận lò nung, việc hiểu rõ khả năng chống rão (creep resistance) của thép không gỉ là yếu tố quan trọng để đảm bảo độ bền kết cấu trong suốt hàng thập kỷ vận hành.

Bài viết này cung cấp một hướng dẫn thực tế về khả năng chống rão của thép không gỉ, nêu rõ các giới hạn và yếu tố cần cân nhắc cho các ứng dụng ở nhiệt độ cao trong thời gian dài.

Rão là gì và tại sao nó quan trọng?

Rão là hiện tượng biến dạng dần dần và không đàn hồi của vật liệu dưới tác dụng của ứng suất cơ học liên tục ở mức thấp hơn giới hạn chảy của nó, xảy ra ở nhiệt độ cao. Tốc độ biến dạng tăng lên khi nhiệt độ hoặc ứng suất tăng.

Sự phá hủy do rão xảy ra theo ba giai đoạn cổ điển:

1. Giai đoạn rão sơ cấp: Giai đoạn đầu tiên với tốc độ rão giảm dần khi vật liệu trải qua hiện tượng hóa bền do biến dạng.

2. Giai đoạn rão thứ cấp (ổn định): Giai đoạn với tốc độ rão tương đối ổn định và thấp nhất. Đây là giai đoạn dài nhất và là cơ sở cho hầu hết các dữ liệu thiết kế. Độ dốc của đường biểu diễn này chính là tỷ lệ lướt .

3. Giai đoạn rão thứ cấp: Tăng nhanh tốc độ biến dạng dẻo dẫn đến hiện tượng thắt cổ chai và cuối cùng là gãy vỡ.

Đối với các ứng dụng kết cấu, mục tiêu thiết kế chính là một trong hai điều sau:

• Đảm bảo biến dạng dẻo tích lũy trong suốt thời gian thiết kế của bộ phận vẫn ở mức chấp nhận được.

• Đảm bảo giới hạn bền đứt do biến dạng dẻo (stress rupture strength) (ứng suất gây ra sự phá hủy trong một khoảng thời gian xác định, ví dụ: 100.000 giờ) không được vượt quá.

Kim loại học của khả năng chống biến dạng dẻo

Khả năng chống biến dạng dẻo của vật liệu không được xác định bởi một tính chất đơn lẻ mà bởi độ ổn định vi cấu trúc của nó ở nhiệt độ cao. Các cơ chế tăng cường độ chính bao gồm:

• Tăng cường độ bằng dung dịch rắn: Các nguyên tố hợp kim như Molybden (Mo) và Tungsten (W) hòa tan vào ma trận sắt và cản trở chuyển động của lệch, làm chậm biến dạng dẻo.

• Kết tủa Carbide: Các nguyên tố như Crôm (Cr) , Niobium (Nb) , và Ti tan (Ti) tạo thành các carbide ổn định (ví dụ: NbC, TiC, M₂₃C₆) giúp neo giữ các biên giới hạt và ngăn chặn trượt hạt, một cơ chế rão chính.

• Ổn định vi cấu trúc: Hợp kim phải chống lại sự phát triển của các pha kết tủa này và sự hình thành các pha có hại (như pha sigma) theo thời gian, điều này có thể làm cạn kiệt các nguyên tố tăng cường độ và gây giòn vật liệu.

Hiệu năng của các nhóm thép không gỉ chính

Không phải tất cả các loại thép không gỉ đều phù hợp như nhau cho dịch vụ ở nhiệt độ cao. Tính phù hợp của chúng được phân loại dựa trên cấu trúc tinh thể.

• Giới hạn nhiệt độ dành cho khả năng chống oxy hóa nói chung trong không khí. Giới hạn độ bền rão thường thấp hơn nhiều.

Dữ liệu Thiết kế Quan trọng: Hiểu về Ứng suất Cho phép

Thiết kế chống rão dựa trên dữ liệu thử nghiệm dài hạn. Các thông số chính được tìm thấy trong các tiêu chuẩn quốc tế (ví dụ: Tiêu chuẩn ASME Boiler and Pressure Vessel Code Phần II, Phụ lục D, tiêu chuẩn châu Âu EN) bao gồm:

• Cường độ Chống Trượt: Ứng suất sẽ tạo ra một biến dạng trượt được chỉ định (ví dụ: 1%) trong một khoảng thời gian xác định (ví dụ: 100.000 giờ) ở một nhiệt độ cụ thể.

• Cường độ Đứt Gãy Do Ứng Suất (σ_R): Ứng suất gây ra sự phá hủy trong một khoảng thời gian xác định (ví dụ: 100.000 giờ hoặc khoảng 11,4 năm) ở một nhiệt độ cụ thể. Đây là giới hạn thiết kế cơ bản.

Ví dụ: So sánh Cường độ Đứt gãy sau 100.000 giờ (giá trị xấp xỉ)

Dữ liệu này cho thấy đối với tuổi thọ thiết kế là 100.000 giờ ở nhiệt độ 700°C, một bộ phận làm bằng 347H có thể chịu được khoảng 28% ứng suất cao hơn so với bộ phận làm bằng 304H mà không bị đứt gãy.

Các cân nhắc thực tế cho ứng dụng

1. Oxy hóa và Độ dão kéo (Creep): Phân biệt giữa yêu cầu về khả năng chống oxy hóa (được xử lý bởi hàm lượng Cr cao) và độ dão kéo (được xử lý bởi Mo, Nb, Ti và cấu trúc vi mô ổn định). Một mác thép như 446 có khả năng chống oxy hóa cao nhưng độ dão kéo kém.

2. Ký hiệu "H": Các mác như 304 H và 316 H có hàm lượng carbon cao hơn được kiểm soát (0,04-0,10%). Điều này rất quan trọng để phát triển độ bền chống rão cần thiết thông qua sự hình thành carbide. Việc sử dụng mác carbon thấp (ví dụ: 304L) trong các ứng dụng kết cấu ở nhiệt độ cao có thể dẫn đến hư hỏng sớm.

3. Sự suy giảm vi cấu trúc: Ngay cả những mác được lựa chọn kỹ càng cũng có thể bị hư hỏng theo thời gian. Cần lưu ý:

   • Giòn hóa pha Sigma: Có thể xảy ra ở các mác ferit và austenit trong khoảng nhiệt độ ~600-980°C, làm giảm đáng kể độ dẻo dai.

   • Sự kết tụ carbide: Sau hàng nghìn giờ, các carbide có kích thước nhỏ giúp tăng cường độ bền có thể kết tụ lại và trở nên kém hiệu quả hơn trong việc cố định các lệch mạng.

4. Gia Công và Hàn: Hàn có thể tạo ra các vùng dễ bị hư hỏng do rão (ví dụ: nứt loại IV trong các vùng ảnh hưởng bởi nhiệt). Xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) thường đóng vai trò quan trọng để khôi phục lại cấu trúc vi mô đồng nhất và ổn định.

Kết luận: Lựa chọn cấp độ phù hợp

Việc chọn thép không gỉ cho ứng dụng chịu rão ở nhiệt độ cao là sự cân bằng giữa nhiệt độ, ứng suất, tuổi thọ thiết kế và môi trường.

• Cho mục đích chung đến khoảng ~650°C: 304H là lựa chọn phổ biến.

• Đối với ứng suất cao hơn hoặc nhiệt độ lên đến ~750°C: 316H (chống ăn mòn) hoặc 321H/347H (độ bền rão tối ưu) là lựa chọn tốt hơn.

• Đối với môi trường oxy hóa khắc nghiệt lên đến 1150°C: 310 hoặc các hợp kim đặc chủng như 253MA® được lựa chọn, thường cho các ứng dụng ứng suất thấp.

• Đối với các ứng dụng chịu ứng suất cao ở nhiệt độ gần 700°C và cao hơn: Hợp kim siêu bền gốc niken (ví dụ: Inconel 617, Haynes 230) thường vượt trội hơn thép không gỉ về khả năng chịu nhiệt.

Cuối cùng, thiết kế thành công phụ thuộc vào việc sử dụng dữ liệu giãn dài và độ bền kéo đứt trong thời gian dài đã được xác minh từ các tiêu chuẩn quốc tế áp dụng, đảm bảo rằng cấp độ thép không gỉ được chọn sẽ hoạt động đáng tin cậy và an toàn trong suốt thời gian sử dụng dự kiến.