Gia nhiệt sau: Quy trình xử lý nhiệt quan trọng để đảm bảo tính toàn vẹn của mối hàn thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Gia nhiệt sau là việc áp dụng nhiệt có kiểm soát vào một thành phần kim loại sau khi hàn, đúc hoặc các quy trình nhiệt khác để đạt được các tính chất luyện kim cụ thể. Xử lý nhiệt này được thực hiện ở nhiệt độ dưới phạm vi chuyển đổi quan trọng của vật liệu để giải phóng ứng suất dư, kiểm soát tốc độ làm mát và ngăn ngừa nứt trong vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ).

Quá trình gia nhiệt sau đóng vai trò là biện pháp kiểm soát chất lượng quan trọng trong chế tạo thép, đặc biệt đối với thép hợp kim và thép có độ bền cao dễ bị nứt do hydro hoặc bị tôi quá mức. Quá trình này cho phép hydro khuếch tán ra khỏi kim loại hàn và vùng HAZ trong khi tôi luyện bất kỳ cấu trúc vi mô giòn nào có thể hình thành trong quá trình làm nguội nhanh.

Trong lĩnh vực luyện kim rộng hơn, gia nhiệt sau là một khía cạnh thiết yếu của quản lý nhiệt trong quá trình chế biến thép. Nó thu hẹp khoảng cách giữa các kỹ thuật chế tạo chính và các đặc tính vật liệu cuối cùng, đảm bảo các thành phần duy trì các đặc tính cơ học được thiết kế và tuổi thọ sử dụng bất chấp các chu kỳ nhiệt mà chúng trải qua trong quá trình sản xuất.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, quá trình gia nhiệt sau tạo điều kiện cho các quá trình khuếch tán nguyên tử cho phép thép đạt đến trạng thái ổn định hơn. Nhiệt độ cao làm tăng tính di động của nguyên tử, cho phép các nguyên tử cacbon di chuyển khỏi các vùng quá bão hòa và cho phép các vị trí sai lệch sắp xếp lại thành các cấu hình năng lượng thấp hơn.

Các nguyên tử hydro, có thể bị kẹt trong mạng lưới trong quá trình hàn, thu được đủ năng lượng trong quá trình gia nhiệt sau để vượt qua các rào cản khuếch tán và thoát ra khỏi vật liệu. Cơ chế này đặc biệt quan trọng để ngăn ngừa nứt hydro chậm trong thép cường độ cao.

Quá trình này cũng thúc đẩy sự kết tủa và làm thô các cacbua trong cấu trúc vi mô, có thể làm mềm martensit hình thành trong quá trình làm nguội nhanh và cải thiện độ dẻo dai trong khi vẫn duy trì mức độ cường độ thích hợp. Những thay đổi về cấu trúc vi mô này xảy ra mà không kích hoạt các biến đổi pha có thể làm thay đổi cơ bản cấu trúc của vật liệu.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết chính mô tả hiệu ứng sau khi gia nhiệt dựa trên động học khuếch tán được điều chỉnh bởi định luật Fick, kết hợp với lý thuyết kết tủa và phục hồi. Các mô hình này dự đoán cách các thông số nhiệt độ và thời gian ảnh hưởng đến chuyển động của các nguyên tử và sự tiến hóa của cấu trúc vi mô.

Theo truyền thống, hiểu biết về quá trình gia nhiệt sau đã phát triển theo kinh nghiệm thông qua thử nghiệm và sai sót trước giữa thế kỷ 20. Phương pháp tiếp cận khoa học có hệ thống xuất hiện cùng với những tiến bộ trong luyện kim vật lý trong những năm 1950 và 1960, khi các nhà nghiên cứu bắt đầu liên hệ những thay đổi về cấu trúc vi mô với các đặc tính cơ học.

Có nhiều cách tiếp cận lý thuyết khác nhau để mô hình hóa các khía cạnh cụ thể của quá trình gia nhiệt sau. Phương trình Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) mô tả động học kết tủa, trong khi các mô hình khuếch tán hydro tuân theo các mối quan hệ kiểu Arrhenius. Giảm ứng suất thường được mô hình hóa bằng các phương trình cấu thành nhớt đàn hồi hoặc nhớt dẻo có tính đến biến dạng phụ thuộc thời gian.

Cơ sở khoa học vật liệu

Quá trình gia nhiệt sau ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định của cấu trúc tinh thể bằng cách cho phép các nguyên tử di chuyển về vị trí cân bằng. Trong các cấu trúc sắt lập phương tâm khối (BCC) đặc trưng của thép ferritic và martensitic, quá trình này giúp làm giảm sự biến dạng mạng tinh thể do các nguyên tử carbon xen kẽ gây ra.

Quá trình xử lý ảnh hưởng đáng kể đến ranh giới hạt, đóng vai trò là cả bẫy hydro và đường dẫn khuếch tán. Nhiệt độ gia nhiệt sau vừa phải thúc đẩy quá trình phục hồi tại các ranh giới này mà không gây ra sự kết tinh lại hoặc sự phát triển hạt quá mức có thể làm giảm các đặc tính cơ học.

Nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản làm nền tảng cho quá trình gia nhiệt sau là mối quan hệ giữa quá trình xử lý, cấu trúc và tính chất. Bằng cách kiểm soát lịch sử nhiệt sau quá trình xử lý sơ cấp, các kỹ sư có thể thao tác các đặc điểm cấu trúc vi mô như mật độ sai lệch, kích thước và phân bố kết tủa, và trạng thái ứng suất dư để đạt được hành vi cơ học mong muốn.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Sự khuếch tán hydro trong quá trình gia nhiệt sau tuân theo định luật thứ hai của Fick:

$$\frac{\partial C}{\partial t} = D \frac{\partial^2 C}{\partial x^2}$$

Trong đó $C$ là nồng độ hydro, $t$ là thời gian, $x$ là khoảng cách và $D$ là hệ số khuếch tán.

Công thức tính toán liên quan

Hệ số khuếch tán $D$ tuân theo mối quan hệ Arrhenius:

$$D = D_0 \exp\left(-\frac{Q}{RT}\right)$$

Trong đó $D_0$ là hệ số tiền mũ, $Q$ là năng lượng hoạt hóa cho quá trình khuếch tán, $R$ là hằng số khí và $T$ là nhiệt độ tuyệt đối.

Sự giải tỏa ứng suất trong quá trình gia nhiệt sau có thể được ước tính bằng cách sử dụng:

$$\sigma(t) = \sigma_0 \exp\left(-\frac{t}{\tau}\right)$$

Trong đó $\sigma(t)$ là ứng suất dư tại thời điểm $t$, $\sigma_0$ là ứng suất dư ban đầu và $\tau$ là hằng số thời gian phụ thuộc vào nhiệt độ theo:

$$\tau = A \exp\left(\frac{B}{T}\right)$$

Trong đó $A$ và $B$ là hằng số đặc trưng của vật liệu.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này có giá trị đối với nhiệt độ dưới nhiệt độ chuyển đổi tới hạn thấp hơn (A1) của thép, thường nằm trong khoảng từ 150°C đến 750°C tùy thuộc vào thành phần hợp kim.

Các mô hình khuếch tán giả định các đặc tính vật liệu đồng nhất và hành vi đẳng hướng, có thể không biểu thị chính xác các vùng bị biến dạng nặng hoặc các khu vực có sự thay đổi thành phần đáng kể.

Các mô hình toán học này thường giả định rằng không có chuyển đổi pha nào xảy ra trong quá trình gia nhiệt sau, hạn chế khả năng áp dụng của chúng trong các trường hợp nhiệt độ vẫn dưới ngưỡng chuyển đổi.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

ASTM E1077: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để ước tính độ sâu thoát cacbon của mẫu thép.

AWS D1.1: Quy định hàn kết cấu - Thép, bao gồm các yêu cầu về quy trình gia nhiệt sau và xác minh.

ISO 17663: Hàn - Yêu cầu chất lượng về xử lý nhiệt liên quan đến hàn và các quy trình liên quan.

NACE MR0175/ISO 15156: Vật liệu sử dụng trong môi trường chứa H2S trong sản xuất dầu khí, bao gồm các yêu cầu về gia nhiệt sau để phục vụ cho dịch vụ chua.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Các cặp nhiệt điện và hệ thống nhiệt ảnh hồng ngoại thường được sử dụng để theo dõi và ghi lại hồ sơ nhiệt độ trong quá trình gia nhiệt sau. Các thiết bị này xác minh rằng các phạm vi nhiệt độ được chỉ định được duy trì trong suốt chu kỳ xử lý.

Thiết bị kiểm tra độ cứng (Rockwell, Vickers hoặc Brinell) đo lường hiệu quả của quá trình gia nhiệt sau khi tôi luyện các cấu trúc vi mô đã được tôi luyện. Nguyên lý bao gồm việc áp dụng một lực chuẩn để tạo vết lõm trên bề mặt vật liệu, với kích thước vết lõm tỷ lệ nghịch với độ cứng.

Đặc tính nâng cao có thể sử dụng nhiễu xạ tia X (XRD) để đo mức ứng suất dư trước và sau khi gia nhiệt. Kỹ thuật này phát hiện biến dạng mạng bằng cách đo độ dịch chuyển trong các mẫu nhiễu xạ theo định luật Bragg.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu thử tiêu chuẩn thường yêu cầu bề mặt phẳng có kích thước tối thiểu là 10mm × 10mm để kiểm tra cấu trúc vi mô và thử độ cứng.

Chuẩn bị bề mặt bao gồm mài và đánh bóng để loại bỏ lớp oxit và các điểm không bằng phẳng trên bề mặt có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo.

Mẫu vật phải đại diện cho lịch sử nhiệt thực tế của thành phần, bao gồm bất kỳ quá trình hàn hoặc xử lý nhiệt nào trước đó có thể ảnh hưởng đến phản ứng sau khi gia nhiệt.

Thông số thử nghiệm

Nhiệt độ gia nhiệt sau tiêu chuẩn nằm trong khoảng từ 200°C đến 650°C tùy thuộc vào loại thép, với độ đồng đều nhiệt độ thường được duy trì trong phạm vi ±14°C trên toàn bộ phôi.

Thời gian giữ thay đổi từ 1 đến 8 giờ tùy thuộc vào độ dày và thành phần vật liệu, với các phần dày hơn cần thời gian dài hơn để đảm bảo xử lý hoàn toàn.

Tốc độ làm nóng và làm mát thường được kiểm soát ở mức dưới 200°C/giờ để ngăn ngừa sốc nhiệt và sự phát triển của ứng suất dư mới.

Xử lý dữ liệu

Dữ liệu nhiệt độ được thu thập tại nhiều vị trí trên phôi theo các khoảng thời gian đều đặn trong suốt chu kỳ sau khi gia nhiệt để tạo ra hồ sơ nhiệt độ theo thời gian.

Phân tích thống kê thường bao gồm việc tính toán giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của các đặc tính cơ học (độ cứng, độ bền kéo) trước và sau khi xử lý để định lượng hiệu quả.

Xác minh cuối cùng thường bao gồm việc so sánh các giá trị tài sản đã đo được với các tiêu chí chấp nhận được quy định trong các tiêu chuẩn hoặc quy định hiện hành.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi nhiệt độ gia nhiệt sau điển hình	Thời gian giữ	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép Cacbon (C < 0,30%)	150-250°C	1 giờ cho độ dày 25mm	AWS D1.1
Thép hợp kim thấp (Cr-Mo)	250-350°C	Tối thiểu 2 giờ	ASME BPVC Phần IX
Thép cường độ cao (>690 MPa)	300-400°C	3-4 giờ	Tiêu chuẩn ISO17663
Thép không gỉ Martensitic	550-650°C	1-2 giờ	Tiêu chuẩn ASTM A1058

Sự khác biệt trong mỗi phân loại thường là kết quả của các nguyên tố hợp kim cụ thể, đặc biệt là hàm lượng carbon, crom và molypden, ảnh hưởng đến khả năng làm cứng và tốc độ khuếch tán hydro.

Các giá trị này đóng vai trò là điểm khởi đầu để phát triển các quy trình cụ thể, trong đó các thông số thực tế thường cần điều chỉnh dựa trên độ dày của mặt cắt, điều kiện hạn chế và yêu cầu dịch vụ.

Thép hợp kim cao cấp thường yêu cầu nhiệt độ gia nhiệt sau cao hơn và thời gian giữ lâu hơn để đạt được khả năng giải phóng ứng suất và loại bỏ hydro thích hợp do cấu trúc vi mô phức tạp hơn của chúng.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư phải tính đến những thay đổi tiềm ẩn về kích thước trong quá trình gia nhiệt sau, thường cho phép độ giãn nở tuyến tính 0,1-0,3% trong quá trình này và có thể vẫn còn một phần sau khi làm nguội.

Hệ số an toàn cho các thành phần được gia nhiệt sau thường nằm trong khoảng từ 1,5 đến 2,5 tùy thuộc vào mức độ quan trọng của ứng dụng, với hệ số cao hơn được áp dụng cho các thành phần chịu tải trọng động hoặc môi trường hoạt động khắc nghiệt.

Quyết định lựa chọn vật liệu phải xem xét đến khả năng tương thích sau khi gia nhiệt, đặc biệt đối với các mối nối kim loại không giống nhau, nơi sự giãn nở nhiệt khác biệt có thể tạo ra ứng suất bổ sung trong quá trình xử lý.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Chế tạo bình chịu áp suất là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của quá trình gia nhiệt sau, đặc biệt đối với các bộ phận có thành dày làm từ thép hợp kim, nơi có nguy cơ nứt do hydro cao và việc giảm ứng suất là cần thiết để đảm bảo tính toàn vẹn lâu dài.

Các bộ phận máy móc hạng nặng chịu tải trọng mỏi sẽ được hưởng lợi đáng kể từ quá trình gia nhiệt sau, vì quá trình xử lý này làm giảm nồng độ ứng suất dư có thể là điểm bắt đầu nứt trong quá trình tải trọng tuần hoàn.

Kết cấu đường ống, đặc biệt là đối với các đường ống truyền tải áp suất cao và các ứng dụng dịch vụ chua, phụ thuộc vào quá trình gia nhiệt sau để đảm bảo tính toàn vẹn của mối hàn và khả năng chống lại cơ chế nứt của môi trường.

Đánh đổi hiệu suất

Việc gia nhiệt sau thường tạo ra sự đánh đổi với độ bền kéo tối đa, vì phương pháp xử lý giúp tăng độ dẻo dai và giảm khả năng nứt cũng có thể làm giảm độ bền tối đa đạt được trong quá trình xử lý nhiệt ban đầu.

Độ cứng giảm trong quá trình gia nhiệt sau phải được cân bằng với các yêu cầu về khả năng chống mài mòn, đặc biệt là ở các bộ phận chịu điều kiện mài mòn, khi độ mềm quá mức có thể dẫn đến hỏng hóc sớm do mài mòn.

Các kỹ sư phải cân bằng giữa lợi ích giảm ứng suất với khả năng tôi quá mức, đặc biệt là trong các hợp kim được tôi bằng kết tủa, khi thời gian kéo dài ở nhiệt độ cao có thể gây ra hiện tượng lão hóa quá mức và mất khả năng gia cường kết tủa.

Phân tích lỗi

Nứt do hydro gây ra là một chế độ hỏng hóc phổ biến mà quá trình gia nhiệt sau thích hợp ngăn ngừa. Các vết nứt này thường bắt đầu từ bên dưới bề mặt ở các vùng có độ cứng cao và lan truyền theo cách giòn, thường xuất hiện nhiều giờ hoặc nhiều ngày sau khi hàn nếu hydro không được loại bỏ.

Cơ chế phá hủy liên quan đến các nguyên tử hydro khuếch tán đến các vùng có ứng suất ba trục cao và kết hợp để tạo thành hydro phân tử tại các khuyết tật cấu trúc vi mô, tạo ra áp suất bên trong khởi đầu và lan truyền các vết nứt.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm phát triển các quy trình gia nhiệt sau với nhiệt độ và thời gian đủ để cho phép hydro khuếch tán ra khỏi vật liệu, kết hợp với tốc độ làm mát được kiểm soát để ngăn chặn sự tái hấp thụ hydro từ môi trường.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng cacbon ảnh hưởng mạnh đến yêu cầu gia nhiệt sau khi tôi, trong đó thép cacbon cao hơn (>0,30%) đòi hỏi phải gia nhiệt sau khi tôi nghiêm ngặt hơn để tôi martensit và ngăn ngừa nứt.

Các nguyên tố vi lượng như lưu huỳnh và phốt pho có thể phân tách thành ranh giới hạt trong quá trình gia nhiệt sau, có khả năng làm giảm độ dẻo dai nếu nhiệt độ quá cao hoặc tốc độ làm nguội không phù hợp.

Tối ưu hóa thành phần thường bao gồm việc cân bằng các nguyên tố như crom và molypden, giúp cải thiện khả năng làm cứng nhưng có thể yêu cầu nhiệt độ nung nóng cao hơn, với các nguyên tố như niken giúp cải thiện độ dẻo dai mà không làm tăng đáng kể khả năng làm cứng.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt mịn hơn thường phản ứng hiệu quả hơn với quá trình gia nhiệt sau do diện tích ranh giới hạt tăng lên, tạo điều kiện cho quá trình khuếch tán hydro và chuyển động sai lệch.

Sự phân bố pha ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng sau khi nung nóng, với các cấu trúc martensitic đòi hỏi phải kiểm soát nhiệt độ cẩn thận hơn để đạt được quá trình tôi mà không bị mềm quá mức.

Các tạp chất và khuyết tật có thể hoạt động như bẫy hydro, đòi hỏi thời gian gia nhiệt lâu hơn để đảm bảo loại bỏ hoàn toàn hydro khỏi các đặc điểm cấu trúc vi mô này.

Xử lý ảnh hưởng

Lịch sử xử lý nhiệt trước đó ảnh hưởng đáng kể đến các yêu cầu về gia nhiệt sau khi tôi, trong đó các kết cấu được chuẩn hóa thường yêu cầu gia nhiệt sau khi tôi ít nghiêm ngặt hơn so với các kết cấu đã tôi.

Các quy trình gia công cơ học như tạo hình nguội có thể tạo ra thêm năng lượng biến dạng có thể được giải tỏa một phần trong quá trình gia nhiệt sau, có khả năng gây ra những thay đổi về kích thước cần phải được tính đến.

Tốc độ làm mát sau khi gia nhiệt phải được kiểm soát để ngăn ngừa sự tái xuất hiện của ứng suất dư, thường giới hạn tốc độ làm mát ở mức dưới 150°C mỗi giờ cho đến khi đạt nhiệt độ dưới 300°C.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ môi trường trong quá trình hàn và thời gian trước khi gia nhiệt sau ảnh hưởng đáng kể đến quá trình hấp thụ và khuếch tán hydro, trong khi điều kiện lạnh hơn làm tăng nguy cơ giữ hydro.

Môi trường ẩm ướt làm tăng hàm lượng hydro tiềm ẩn trong mối hàn, đòi hỏi các thông số gia nhiệt sau khi hàn nghiêm ngặt hơn để đảm bảo loại bỏ hoàn toàn hydro.

Tiếp xúc lâu dài với nhiệt độ làm việc cao có thể gây ra những thay đổi vi cấu trúc bổ sung có thể bổ sung hoặc chống lại tác động của quá trình gia nhiệt ban đầu.

Phương pháp cải tiến

Các chu trình gia nhiệt sau theo từng bước, bao gồm nhiều mức nhiệt độ ổn định, có thể tối ưu hóa cả việc loại bỏ hydro và giảm ứng suất đồng thời giảm thiểu nguy cơ tôi quá mức trong các hệ thống hợp kim phức tạp.

Kỹ thuật gia nhiệt cục bộ sử dụng bộ phận gia nhiệt cảm ứng hoặc bộ phận gia nhiệt điện trở cho phép kiểm soát chính xác nhiệt độ ở những vùng quan trọng mà không cần phải đưa toàn bộ linh kiện vào chu kỳ nhiệt.

Các sửa đổi thiết kế giúp giảm sự hạn chế trong quá trình hàn có thể làm giảm sự hình thành ứng suất dư, cho phép áp dụng các thông số gia nhiệt sau ít chuyên sâu hơn trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của linh kiện.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Ủ giảm ứng suất là quá trình xử lý nhiệt tương tự như quá trình gia nhiệt sau nhưng thường được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn (550-650°C) với mục tiêu chính là giảm ứng suất dư thay vì loại bỏ hydro.

Khử khí bằng hydro là một loại gia nhiệt sau cụ thể tập trung hoàn toàn vào việc loại bỏ hydro khuếch tán khỏi vật liệu để ngăn ngừa nứt chậm.

Quá trình ram có liên quan chặt chẽ đến quá trình gia nhiệt sau khi tôi nhưng thường đề cập đến quá trình gia nhiệt lại có kiểm soát đối với thép đã tôi để đạt được các tính chất cơ học cụ thể thay vì giải quyết các vấn đề liên quan đến hàn.

Tiêu chuẩn chính

Tiêu chuẩn ASME về nồi hơi và bình chịu áp suất, Mục IX, đưa ra các yêu cầu toàn diện về quá trình gia nhiệt sau trong các ứng dụng chịu áp suất, bao gồm các thông số nhiệt độ-thời gian cụ thể dựa trên phân loại vật liệu.

Tiêu chuẩn EN ISO 13916 thiết lập hướng dẫn đo nhiệt độ nung trước, nhiệt độ giữa các đường hàn và các thông số nung sau trong các ứng dụng hàn ở Châu Âu.

API 5L và các tiêu chuẩn liên quan quản lý các yêu cầu sau khi gia nhiệt đối với thép đường ống, đặc biệt chú trọng đến việc kiểm soát hydro cho các ứng dụng dịch vụ chua.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc phát triển các mô hình tính toán có thể dự đoán sự khuếch tán hydro và sự phát triển ứng suất dư trong quá trình gia nhiệt sau, cho phép tối ưu hóa các thông số xử lý dựa trên các yếu tố cụ thể của từng thành phần.

Các công nghệ mới nổi bao gồm hệ thống giám sát tiên tiến cung cấp phản hồi thời gian thực về tính đồng nhất của nhiệt độ và hàm lượng hydro trong quá trình gia nhiệt sau, cho phép kiểm soát thích ứng quá trình.

Những phát triển trong tương lai có thể bao gồm nhiều phương pháp tích hợp hơn kết hợp quá trình gia nhiệt sau với các quy trình khác như phun bi hoặc xử lý bề mặt để nâng cao toàn diện hiệu suất và độ bền của linh kiện.