Các yếu tố hạn chế nhiệt độ hoạt động
Các ứng dụng điển hình yêu cầu vật liệu song công phải tiếp xúc với điều kiện nhiệt độ cao là bình áp lực, cánh quạt/cánh quạt hoặc máy lọc khí thải.Yêu cầu về đặc tính vật liệu có thể dao động từ độ bền cơ học cao đến khả năng chống ăn mòn. Thành phần hóa học của các loại được thảo luận trong bài viết này được liệt kê trong Bảng 1.
Phân hủy spinodal
Phân hủy spinodal (còn được gọi là khử trộn hoặc trong lịch sử là sự giòn ở 475 °C) là một kiểu tách pha trong pha ferit, xảy ra ở nhiệt độ khoảng 475 °C.Hiệu ứng rõ rệt nhất là sự thay đổi cấu trúc vi mô, gây ra sự hình thành pha α', dẫn đến sự giòn của vật liệu.Điều này, đến lượt nó, hạn chế hiệu suất của sản phẩm cuối cùng.
Hình 1 thể hiện sơ đồ chuyển đổi thời gian theo nhiệt độ (TTT) của các vật liệu song công được nghiên cứu, với sự phân hủy spinodal được biểu thị ở vùng 475 °C.Cần lưu ý rằng biểu đồ TTT này thể hiện mức độ giảm độ bền 50% được đo bằng thử nghiệm độ bền va đập trên mẫu Charpy-V, thường được chấp nhận là biểu thị độ giòn.Trong một số ứng dụng, độ bền giảm nhiều hơn có thể được chấp nhận, điều này làm thay đổi hình dạng của sơ đồ TTT.Do đó, quyết định thiết lập một OT tối đa cụ thể phụ thuộc vào mức độ được coi là mức độ giòn có thể chấp nhận được, tức là mức giảm độ dẻo dai cho sản phẩm cuối cùng.Cần đề cập rằng trong lịch sử, đồ thị TTT cũng được tạo ra bằng cách sử dụng ngưỡng đã đặt, chẳng hạn như 27J.
Lớp hợp kim cao hơn
Hình 1 cho thấy rằng sự gia tăng các nguyên tố hợp kim từ cấp LDX 2101 lên cấp SDX 2507 dẫn đến tốc độ phân hủy nhanh hơn, trong khi song công tinh gọn cho thấy thời gian bắt đầu phân hủy chậm hơn.Tác động của các nguyên tố hợp kim như crom (Cr) và niken (Ni) lên sự phân hủy và độ giòn của spinodal đã được thể hiện trong các nghiên cứu trước đây.5–8 Hiệu ứng này được minh họa rõ hơn trong Hình 2. Nó cho thấy rằng sự phân hủy spinodal tăng lên khi nhiệt độ được tăng từ 300 lên 350 °C và nhanh hơn đối với SDX 2507 loại hợp kim cao hơn so với DX 2205 ít hợp kim hơn.
Sự hiểu biết này có thể rất quan trọng trong việc giúp khách hàng quyết định OT tối đa phù hợp với cấp độ và ứng dụng đã chọn của họ.
Xác định nhiệt độ tối đa
Như đã đề cập trước đó, OT tối đa cho vật liệu song công có thể được đặt theo mức giảm độ bền va đập có thể chấp nhận được.Thông thường, OT tương ứng với giá trị giảm độ bền 50% được thông qua.
OT phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian
Độ dốc ở phần đuôi của các đường cong trong sơ đồ TTT trong Hình 1 chứng tỏ rằng sự phân hủy spinodal không chỉ xảy ra ở một nhiệt độ ngưỡng và dừng lại dưới mức đó.Đúng hơn, đó là một quá trình liên tục khi vật liệu song công tiếp xúc với nhiệt độ vận hành dưới 475°C.Tuy nhiên, cũng rõ ràng rằng, do tốc độ khuếch tán thấp hơn, nhiệt độ thấp hơn có nghĩa là quá trình phân hủy sẽ bắt đầu muộn hơn và diễn ra chậm hơn nhiều.Do đó, sử dụng vật liệu song công ở nhiệt độ thấp hơn có thể không gây ra vấn đề gì trong nhiều năm hoặc thậm chí nhiều thập kỷ.Tuy nhiên, hiện nay có xu hướng đặt OT tối đa mà không cân nhắc đến thời gian phơi sáng.Do đó, câu hỏi quan trọng là nên sử dụng sự kết hợp nhiệt độ-thời gian nào để quyết định xem việc sử dụng vật liệu có an toàn hay không?Herzman và cộng sự10 đã tóm tắt vấn đề nan giải này một cách hay: “…Sau đó, việc sử dụng sẽ bị hạn chế ở nhiệt độ nơi động học của quá trình khử trộn thấp đến mức nó sẽ không xảy ra trong suốt vòng đời kỹ thuật được thiết kế của sản phẩm…”.
Tác dụng của hàn
Hầu hết các ứng dụng sử dụng hàn để nối các thành phần.Người ta biết rằng cấu trúc vi mô của mối hàn và thành phần hóa học của nó khác với vật liệu cơ bản 3 .Tùy thuộc vào vật liệu độn, kỹ thuật hàn và các thông số hàn, cấu trúc vi mô của mối hàn hầu như khác với vật liệu khối.Cấu trúc vi mô thường thô hơn và điều này cũng bao gồm vùng ảnh hưởng nhiệt độ cao (HTHAZ), tác động đến sự phân hủy spinodal trong các mối hàn.Sự biến đổi của cấu trúc vi mô giữa khối và mối hàn là một chủ đề được xem xét ở đây.
Tổng hợp các yếu tố hạn chế
Các phần trước dẫn đến các kết luận sau:
- Tất cả các vật liệu song công đều phải tuân theo
phân hủy spinodal ở nhiệt độ khoảng 475°C. - Tùy thuộc vào hàm lượng hợp kim mà tốc độ phân hủy nhanh hay chậm dự kiến.Hàm lượng Cr và Ni cao hơn thúc đẩy quá trình khử trộn nhanh hơn.
- Để đặt nhiệt độ hoạt động tối đa:
– Phải xem xét sự kết hợp giữa thời gian vận hành và nhiệt độ.
– Mức độ giảm độ dẻo dai có thể chấp nhận được, nghĩa là phải đặt ra mức độ dẻo dai cuối cùng mong muốn - Khi các thành phần cấu trúc vi mô bổ sung, chẳng hạn như các mối hàn, được đưa vào, OT tối đa được xác định bởi phần yếu nhất.
Tiêu chuẩn toàn cầu
Một số tiêu chuẩn châu Âu và Mỹ đã được xem xét cho dự án này.Họ tập trung vào các ứng dụng trong bình chịu áp lực và các bộ phận đường ống.Nói chung, sự khác biệt về OT tối đa được đề xuất giữa các tiêu chuẩn được xem xét có thể được chia thành quan điểm của Châu Âu và Châu Mỹ.
Các tiêu chuẩn đặc tính vật liệu của Châu Âu dành cho thép không gỉ (ví dụ EN 10028-7, EN 10217-7) ngụ ý nhiệt độ OT tối đa là 250 °C bởi thực tế là các đặc tính vật liệu chỉ được cung cấp ở nhiệt độ này.Hơn nữa, các tiêu chuẩn thiết kế của Châu Âu đối với bình chịu áp lực và đường ống (tương ứng là EN 13445 và EN 13480) không cung cấp thêm bất kỳ thông tin nào về OT tối đa so với những gì được đưa ra trong tiêu chuẩn vật liệu của họ.
Ngược lại, thông số kỹ thuật vật liệu của Mỹ (ví dụ ASME SA-240 của ASME phần II-A) hoàn toàn không đưa ra bất kỳ dữ liệu nhiệt độ cao nào.Thay vào đó, dữ liệu này được cung cấp trong phần II-D ASME, 'Thuộc tính', hỗ trợ các quy tắc xây dựng chung cho bình chịu áp lực, phần ASME VIII-1 và VIII-2 (phần sau cung cấp lộ trình thiết kế tiên tiến hơn).Trong ASME II-D, OT tối đa được nêu rõ ràng là 316 °C đối với hầu hết các hợp kim song công.
Đối với các ứng dụng đường ống áp lực, cả quy tắc thiết kế và đặc tính vật liệu đều được nêu trong ASME B31.3.Trong mã này, dữ liệu cơ học được cung cấp cho hợp kim song công lên đến 316 °C mà không có tuyên bố rõ ràng về OT tối đa.Tuy nhiên, bạn có thể diễn giải thông tin để tuân thủ những gì được ghi trong ASME II-D và do đó, nhiệt độ OT tối đa theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ trong hầu hết các trường hợp là 316 °C.
Ngoài thông tin OT tối đa, cả tiêu chuẩn của Mỹ và Châu Âu đều ngụ ý rằng có nguy cơ gặp phải hiện tượng giòn ở nhiệt độ cao (>250 °C) trong thời gian phơi sáng lâu hơn, điều này cần được xem xét trong cả giai đoạn thiết kế và dịch vụ.
Đối với các mối hàn, hầu hết các tiêu chuẩn không đưa ra bất kỳ tuyên bố chắc chắn nào về tác động của sự phân hủy spinodal.Tuy nhiên, một số tiêu chuẩn (ví dụ ASME VIII-1, Bảng UHA 32-4) chỉ ra khả năng thực hiện các phương pháp xử lý nhiệt cụ thể sau hàn.Những điều này không bắt buộc cũng không bị cấm, nhưng khi thực hiện chúng phải được thực hiện theo các thông số đặt trước trong tiêu chuẩn.
Ngành công nghiệp nói gì
Thông tin do một số nhà sản xuất thép không gỉ song công khác cung cấp đã được xem xét để xem họ truyền đạt những gì về phạm vi nhiệt độ cho các loại của họ.2205 bị ATI giới hạn ở 315 °C, nhưng Acerinox đặt OT cho cùng loại chỉ ở 250 °C.Đây là các giới hạn OT trên và dưới cho cấp 2205, trong khi ở giữa chúng là các OT khác được truyền đạt bởi Aperam (300 °C), Sandvik (280 °C) và ArcelorMittal (280 °C).Điều này chứng tỏ sự phổ biến của các OT tối đa được đề xuất chỉ dành cho một loại sẽ có các đặc tính rất giống nhau giữa các nhà sản xuất.
Lý do cơ bản về lý do tại sao nhà sản xuất đặt ra một OT nhất định không phải lúc nào cũng được tiết lộ.Trong hầu hết các trường hợp, điều này dựa trên một tiêu chuẩn cụ thể.Các tiêu chuẩn khác nhau truyền đạt các OT khác nhau, do đó có sự chênh lệch về giá trị.Kết luận hợp lý là các công ty Mỹ đặt giá trị cao hơn do các tuyên bố trong tiêu chuẩn ASME, trong khi các công ty Châu Âu đặt giá trị thấp hơn do tiêu chuẩn EN.
Khách hàng cần gì?
Tùy thuộc vào ứng dụng cuối cùng, tải trọng và độ phơi sáng khác nhau của vật liệu sẽ khác nhau.Trong dự án này, độ giòn do phân hủy spinodal được quan tâm nhiều nhất vì nó rất có thể áp dụng cho các bình chịu áp lực.
Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng khác nhau chỉ cho phép sử dụng loại song công với tải trọng cơ học trung bình, chẳng hạn như máy lọc khí11–15.Một yêu cầu khác liên quan đến cánh quạt và cánh quạt, những bộ phận chịu tải mỏi.Tài liệu cho thấy rằng sự phân hủy spinodal hoạt động khác đi khi áp dụng tải mỏi15.Ở giai đoạn này, rõ ràng là OT tối đa của các ứng dụng này không thể được thiết lập giống như đối với bình chịu áp lực.
Một loại yêu cầu khác chỉ dành cho các ứng dụng liên quan đến ăn mòn, chẳng hạn như máy lọc khí thải hàng hải.Trong những trường hợp này, khả năng chống ăn mòn quan trọng hơn giới hạn OT dưới tải trọng cơ học.Tuy nhiên, cả hai yếu tố đều ảnh hưởng đến hoạt động của sản phẩm cuối cùng, điều này phải được xem xét khi chỉ ra OT tối đa.Một lần nữa, trường hợp này khác với hai trường hợp trước.
Nhìn chung, khi tư vấn cho khách hàng về OT tối đa phù hợp cho cấp độ song công của họ, loại ứng dụng có tầm quan trọng sống còn trong việc thiết lập giá trị.Điều này càng chứng tỏ sự phức tạp của việc thiết lập một OT duy nhất cho một cấp độ, vì môi trường trong đó vật liệu được triển khai có tác động đáng kể đến quá trình tạo giòn.
Nhiệt độ hoạt động tối đa cho song công là bao nhiêu?
Như đã đề cập, nhiệt độ vận hành tối đa được thiết lập bởi động học rất thấp của quá trình phân hủy spinodal.Nhưng làm thế nào để chúng ta đo được nhiệt độ này và chính xác thì “động học thấp” là gì?Câu trả lời cho câu hỏi đầu tiên rất dễ dàng.Chúng tôi đã tuyên bố rằng các phép đo độ bền thường được thực hiện để ước tính tốc độ và tiến trình phân hủy.Điều này được đặt ra trong các tiêu chuẩn được hầu hết các nhà sản xuất tuân theo.
Câu hỏi thứ hai, về ý nghĩa của động học thấp và giá trị mà chúng ta đặt ra ranh giới nhiệt độ phức tạp hơn.Điều này một phần là do các điều kiện biên của nhiệt độ tối đa được tổng hợp từ cả nhiệt độ tối đa (T) và thời gian vận hành (t) mà nhiệt độ này được duy trì.Để xác nhận sự kết hợp Tt này, có thể sử dụng nhiều cách giải thích khác nhau về độ bền “thấp nhất”:
• Giới hạn dưới được thiết lập trước đây và có thể áp dụng cho các mối hàn là 27 Joules (J)
• Trong tiêu chuẩn, hầu hết 40J được đặt làm giới hạn.
• Độ bền ban đầu giảm 50% cũng thường được áp dụng để thiết lập giới hạn dưới.
Điều này có nghĩa là tuyên bố về OT tối đa phải dựa trên ít nhất ba giả định đã được thống nhất:
• Tiếp xúc với nhiệt độ theo thời gian của sản phẩm cuối cùng
• Giá trị độ bền tối thiểu chấp nhận được
• Lĩnh vực ứng dụng cuối cùng (chỉ hóa học, tải trọng cơ học có/không, v.v.)
Tổng hợp kiến thức thực nghiệm
Sau một cuộc khảo sát rộng rãi về dữ liệu và tiêu chuẩn thực nghiệm, có thể tổng hợp các khuyến nghị cho bốn loại song công đang được xem xét, xem Bảng 3. Cần phải thừa nhận rằng hầu hết dữ liệu được tạo ra từ các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm được thực hiện với các bước nhiệt độ 25 °C .
Cũng cần lưu ý rằng những khuyến nghị này đề cập đến ít nhất 50% độ bền còn lại ở RT.Khi trong bảng “khoảng thời gian dài hơn” được chỉ ra thì không có sự giảm đáng kể nào ở RT được ghi nhận.Hơn nữa, mối hàn chỉ được thử nghiệm ở -40°C.Cuối cùng, cần lưu ý rằng thời gian phơi sáng dài hơn được dự đoán cho DX 2304 do độ bền cao của nó sau 3.000 giờ thử nghiệm.Tuy nhiên, mức độ phơi nhiễm có thể tăng lên phải được xác minh bằng thử nghiệm thêm.
Có ba điểm quan trọng cần lưu ý:
• Những phát hiện hiện tại chỉ ra rằng nếu có mối hàn thì nhiệt độ OT giảm khoảng 25°C.
• Mức tăng đột biến ngắn hạn (hàng chục giờ ở T=375 °C) có thể chấp nhận được đối với DX 2205. Vì DX 2304 và LDX 2101 là các loại hợp kim thấp hơn nên mức tăng đột biến nhiệt độ ngắn hạn tương đương cũng có thể được chấp nhận.
• Khi vật liệu bị giòn do phân hủy, xử lý nhiệt giảm thiểu ở 550 – 600 °C đối với DX 2205 và 500 °C đối với SDX 2507 trong 1 giờ giúp phục hồi độ dẻo dai 70%.
Thời gian đăng: Feb-04-2023