Sự biến dạng trong thép: Biến dạng phụ thuộc thời gian ở nhiệt độ cao

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Biến dạng là sự biến dạng vĩnh viễn, phụ thuộc vào thời gian của vật liệu dưới ứng suất cơ học không đổi, thường xảy ra ở nhiệt độ cao so với điểm nóng chảy của vật liệu. Hiện tượng này biểu hiện dưới dạng biến dạng dẻo dần dần, tiếp tục mặc dù ứng suất tác dụng vẫn thấp hơn giới hạn chảy của vật liệu.

Trong khoa học và kỹ thuật vật liệu, độ biến dạng là một cân nhắc quan trọng đối với các thành phần hoạt động ở nhiệt độ cao trong thời gian dài. Tính chất này về cơ bản hạn chế tuổi thọ của các thành phần trong các ứng dụng nhiệt độ cao, khiến nó trở nên cần thiết để dự đoán tính toàn vẹn của cấu trúc lâu dài.

Trong ngành luyện kim, độ rão biểu thị một tập hợp con chuyên biệt của hành vi cơ học kết nối các lý thuyết biến dạng đàn hồi-dẻo với các hiện tượng phụ thuộc thời gian. Không giống như các phản ứng biến dạng tức thời, độ rão liên quan đến các quá trình tiến hóa vi cấu trúc phức tạp xảy ra trong khung thời gian kéo dài, khiến nó đặc biệt liên quan đến các ngành công nghiệp phát điện, hàng không vũ trụ và hóa dầu.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, sự biến dạng xảy ra thông qua chuyển động được kích hoạt bởi nhiệt của các vị trí sai lệch và sự khuếch tán của các nguyên tử trong mạng tinh thể. Các chuyển động này cho phép vật liệu biến dạng dần dần dưới các ứng suất không đủ để gây ra biến dạng dẻo ở nhiệt độ thấp hơn.

Trong thép, hiện tượng rão thường liên quan đến một số cơ chế đồng thời: trượt và leo trật khớp, trượt ranh giới hạt và dòng khuếch tán của các nguyên tử. Cơ chế chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ, mức ứng suất và cấu trúc vi mô, với các quá trình kiểm soát khuếch tán ngày càng trở nên quan trọng ở nhiệt độ cao hơn.

Sự khuếch tán chỗ trống đóng vai trò quan trọng, đặc biệt là ở ranh giới hạt nơi các nguyên tử có thể dễ dàng di chuyển hơn. Sự khuếch tán này tạo ra và loại bỏ chỗ trống, cho phép các hạt kéo dài theo hướng ứng suất được áp dụng trong khi vẫn duy trì sự kết dính tại ranh giới của chúng.

Mô hình lý thuyết

Khung lý thuyết chính cho hiện tượng rão là mô hình rão theo luật lũy thừa, được thể hiện dưới dạng phương trình Norton-Bailey, liên hệ tốc độ biến dạng với ứng suất và nhiệt độ được áp dụng. Mô hình này xuất hiện từ các quan sát thực nghiệm vào đầu thế kỷ 20, với những đóng góp đáng kể từ các nhà nghiên cứu như Norton, Bailey và Andrade.

Hiểu biết lịch sử phát triển từ các mối quan hệ kinh nghiệm đơn giản thành các mô hình dựa trên cơ chế. Các công trình ban đầu của Nabarro và Herring vào những năm 1950 đã thiết lập nền tảng cho lý thuyết biến dạng khuếch tán, trong khi những đóng góp sau này của Coble đã tinh chỉnh hiểu biết về các hiệu ứng ranh giới hạt.

Các phương pháp tiếp cận thay thế bao gồm mối quan hệ Monkman-Grant kết nối tốc độ biến dạng với thời gian đứt gãy và phương pháp tham số Larson-Miller để ngoại suy nhiệt độ-thời gian. Các mô hình gần đây hơn kết hợp sự tiến hóa vi cấu trúc chi tiết, bao gồm sự thô hóa kết tủa và chuyển đổi pha trong quá trình tiếp xúc lâu dài.

Cơ sở khoa học vật liệu

Hành vi biến dạng có mối tương quan mạnh mẽ với cấu trúc tinh thể, với thép lập phương tâm khối (BCC) thường cho thấy khả năng chống biến dạng tốt hơn so với cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) ở nhiệt độ vừa phải. Ranh giới hạt ảnh hưởng đáng kể đến biến dạng, thường đóng vai trò vừa là nguồn vừa là nơi chứa các chỗ trống.

Độ ổn định của cấu trúc vi mô ở nhiệt độ cao ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chống biến dạng. Sự phân tán mịn của các chất kết tủa ổn định có thể ghim hiệu quả các vị trí sai lệch và ranh giới hạt, làm giảm tốc độ biến dạng. Ngược lại, các chất kết tủa thô hoặc không ổn định có thể đẩy nhanh quá trình biến dạng thông qua các cơ chế biến dạng cục bộ.

Về cơ bản, sự biến dạng biểu thị sự cạnh tranh giữa các cơ chế làm cứng và các quá trình phục hồi. Sự cân bằng này tuân theo các nguyên lý nhiệt động lực học chi phối quá trình giảm thiểu năng lượng trong các vật liệu tinh thể chịu ứng suất, với nhiệt độ cung cấp năng lượng hoạt hóa cần thiết cho tính di động của nguyên tử.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Tốc độ biến dạng ở trạng thái ổn định (biến dạng thứ cấp) thường được biểu thị bằng định luật lũy thừa Norton:

$$\dot{\varepsilon} = A\sigma^ne^{-Q/RT}$$

Trong đó $\dot{\varepsilon}$ là tốc độ biến dạng do biến dạng, $\sigma$ là ứng suất được áp dụng, $A$ là hằng số vật liệu, $n$ là số mũ ứng suất, $Q$ là năng lượng hoạt hóa cho biến dạng, $R$ là hằng số khí phổ biến và $T$ là nhiệt độ tuyệt đối.

Công thức tính toán liên quan

Mối quan hệ Monkman-Grant liên quan đến tốc độ biến dạng tối thiểu với thời gian đứt gãy:

$$\dot{\varepsilon}_{phút} \cdot t_r = C$$

Trong đó $\dot{\varepsilon}_{min}$ là tốc độ biến dạng tối thiểu, $t_r$ là thời gian vỡ và $C$ là hằng số Monkman-Grant.

Tham số Larson-Miller (LMP) cho phép ngoại suy thời gian-nhiệt độ:

$$LMP = T(C + \log t_r) \lần 10^{-3}$$

Trong đó $T$ là nhiệt độ tính bằng Kelvin, $t_r$ là thời gian đứt gãy tính bằng giờ và $C$ là hằng số vật liệu (thường là 20 đối với thép). Công thức này cho phép các kỹ sư dự đoán hành vi dài hạn từ các thử nghiệm có thời gian ngắn hơn ở nhiệt độ cao hơn.

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các mô hình này thường có giá trị khi nhiệt độ vượt quá khoảng 0,3-0,4 nhiệt độ nóng chảy tuyệt đối của vật liệu. Dưới ngưỡng này, các mô hình dẻo thông thường thường cung cấp dự đoán chính xác hơn.

Luật lũy thừa bị phá vỡ ở ứng suất rất cao (vùng phá vỡ luật lũy thừa), trong đó số mũ ứng suất tăng đáng kể. Tương tự như vậy, ở ứng suất rất thấp, cơ chế lan truyền khuếch tán chiếm ưu thế, làm thay đổi sự phụ thuộc vào ứng suất.

Các công thức này giả định các điều kiện trạng thái ổn định và các cấu trúc vi mô đồng nhất. Chúng không tính đến sự tiến hóa của cấu trúc vi mô trong quá trình sử dụng, chẳng hạn như sự thô hóa kết tủa hoặc chuyển đổi pha, có thể làm thay đổi đáng kể hành vi biến dạng trong thời gian dài.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

ASTM E139: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để tiến hành thử nghiệm độ rão, độ rão-đứt và độ đứt ứng suất của vật liệu kim loại. Tiêu chuẩn toàn diện này bao gồm các quy trình để xác định các đặc tính độ rão và độ rão-đứt.

ISO 204: Vật liệu kim loại — Thử nghiệm biến dạng rão đơn trục khi chịu kéo — Phương pháp thử. Tiêu chuẩn này chỉ định các phương pháp xác định biến dạng rão trong điều kiện tải không đổi và nhiệt độ không đổi.

ASTM E1457: Phương pháp thử tiêu chuẩn để đo thời gian phát triển vết nứt biến dạng trong kim loại. Tiêu chuẩn này đề cập đến thử nghiệm phát triển vết nứt biến dạng để đánh giá cơ học gãy.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Kiểm tra độ biến dạng thường sử dụng máy đòn bẩy duy trì tải trọng không đổi thông qua hệ thống trọng tải chết. Các máy này có máy đo độ giãn dài chính xác có khả năng đo biến dạng nhỏ tới 1 micron trong thời gian dài.

Các hệ thống hiện đại thường kết hợp các buồng môi trường để kiểm soát nhiệt độ trong phạm vi ±2°C và các hệ thống thu thập dữ liệu bằng máy tính để theo dõi biến dạng liên tục. Nguyên tắc cơ bản bao gồm áp dụng tải không đổi trong khi đo chính xác độ giãn dài theo thời gian.

Đặc tính nâng cao có thể sử dụng thử nghiệm biến dạng ấn tượng cho các mẫu nhỏ hoặc mẫu vật thu nhỏ và thiết bị chuyên dụng để thử nghiệm biến dạng đa trục trong các trạng thái ứng suất phức tạp.

Yêu cầu mẫu

Mẫu vật chuẩn về độ biến dạng thường có hình trụ với các đầu ren, có chiều dài đo là 25-50mm và đường kính là 6-10mm. Tỷ lệ chiều dài đo trên đường kính được chuẩn hóa để đảm bảo phân phối ứng suất đồng đều.

Chuẩn bị bề mặt đòi hỏi phải đánh bóng mịn để loại bỏ các vết gia công và các khuyết tật bề mặt có thể gây ra hỏng hóc sớm. Dung sai kích thước thường được giữ ở mức ±0,01mm để đảm bảo tính toán ứng suất chính xác.

Mẫu vật phải không có ứng suất dư có thể ảnh hưởng đến khả năng biến dạng, thường cần phải xử lý nhiệt để giảm ứng suất trước khi thử nghiệm.

Thông số thử nghiệm

Nhiệt độ thử nghiệm thường dao động từ 400°C đến 650°C đối với thép hợp kim thấp và lên đến 1100°C đối với thép không gỉ và siêu hợp kim chịu nhiệt độ cao. Độ ổn định nhiệt độ phải được duy trì trong phạm vi ±3°C trong suốt thời gian thử nghiệm.

Ứng suất áp dụng thường nằm trong khoảng từ 10-300 MPa, được lựa chọn để tạo ra sự cố trong khung thời gian thực tế trong khi vẫn phù hợp với điều kiện dịch vụ. Các thử nghiệm có thể kéo dài từ vài trăm giờ đến hơn 100.000 giờ đối với dữ liệu dài hạn.

Phải kiểm soát các điều kiện môi trường, đặc biệt là khi thử nghiệm trong môi trường oxy hóa hoặc ăn mòn có thể đẩy nhanh cơ chế phân hủy.

Xử lý dữ liệu

Thu thập dữ liệu chính bao gồm các phép đo biến dạng theo thời gian, thường được ghi lại theo các khoảng logarit để nắm bắt tốc độ biến dạng thay đổi. Các phép đo dịch chuyển được chuyển đổi thành biến dạng kỹ thuật bằng cách chia cho chiều dài đo ban đầu.

Phân tích thống kê thường sử dụng các kỹ thuật hồi quy để xác định các tham số trong phương trình biến dạng. Nhiều thử nghiệm ở các mức ứng suất và nhiệt độ khác nhau tạo ra dữ liệu để xây dựng bản đồ biến dạng biến dạng và đứt gãy.

Các thông số biến dạng cuối cùng được tính toán bằng cách khớp dữ liệu thực nghiệm với các phương trình cấu thành, với tốc độ biến dạng tối thiểu thường được xác định từ độ dốc của vùng biến dạng thứ cấp.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình (Tốc độ biến dạng tối thiểu)	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Thép Cacbon (A106)	10^-8 đến 10^-6 /giờ	450-500°C, 100-150MPa	Tiêu chuẩn ASTM E139
Thép hợp kim thấp (2,25Cr-1Mo)	10^-9 đến 10^-7 /giờ	500-550°C, 100-150MPa	Tiêu chuẩn ASTM E139
Thép Martensitic 9-12% Cr	10^-10 đến 10^-8 /giờ	550-600°C, 100-150MPa	Tiêu chuẩn ISO204
Thép không gỉ Austenitic (316H)	10^-9 đến 10^-7 /giờ	600-650°C, 100-150MPa	Tiêu chuẩn ASTM E139

Sự khác biệt trong mỗi phân loại phần lớn bắt nguồn từ sự khác biệt trong xử lý nhiệt, kích thước hạt và các nguyên tố hợp kim nhỏ. Ví dụ, thép 2.25Cr-1Mo được chuẩn hóa và ram thường cho thấy tốc độ biến dạng cao hơn so với các biến thể được tôi và ram.

Khi diễn giải các giá trị này, các kỹ sư phải cân nhắc rằng dữ liệu phòng thí nghiệm thường biểu thị các điều kiện lý tưởng. Môi trường dịch vụ thường đưa ra các yếu tố bổ sung như chu kỳ nhiệt và ăn mòn có thể đẩy nhanh tốc độ biến dạng theo cấp số nhân.

Có một xu hướng rõ ràng tồn tại giữa các loại thép, với hàm lượng crom cao hơn và cấu trúc kết tủa ổn định hơn thường tương ứng với tốc độ biến dạng thấp hơn ở nhiệt độ tương đương.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư kết hợp các đặc tính biến dạng vào thiết kế thông qua ứng suất cho phép theo thời gian, giảm dần khi tuổi thọ thiết kế tăng lên. Các quy định như ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section III cung cấp hướng dẫn cụ thể cho các ứng dụng nhiệt độ cao.

Các hệ số an toàn cho các thiết kế giới hạn biến dạng thường nằm trong khoảng từ 1,5 đến 3 về ứng suất hoặc 10 về tuổi thọ, với các giá trị cao hơn được áp dụng khi dữ liệu phân tán đáng kể hoặc điều kiện dịch vụ không được xác định rõ ràng. Các biên độ này tính đến sự thay đổi vật liệu và sự không chắc chắn trong điều kiện vận hành.

Quyết định lựa chọn vật liệu cân bằng khả năng chống biến dạng so với các đặc tính khác như khả năng chế tạo và chi phí. Ví dụ, trong khi thép không gỉ austenit có khả năng chống biến dạng vượt trội so với thép ferritic, hệ số giãn nở nhiệt cao hơn của chúng có thể gây ra các vấn đề về mỏi nhiệt.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Phát điện là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng, với các thành phần lò hơi và tua bin hoạt động liên tục ở nhiệt độ mà độ biến dạng là yếu tố thiết kế hạn chế. Các ống góp hơi, ống siêu nhiệt và rôto tua bin phải duy trì độ ổn định về kích thước dưới ứng suất nhiệt và cơ học kết hợp trong nhiều thập kỷ.

Thiết bị xử lý hóa dầu, đặc biệt là ống cải cách và bình phản ứng, hoạt động ở nhiệt độ vượt quá 800°C trong điều kiện áp suất. Các thành phần này phải chống lại cả biến dạng do biến dạng và sự tấn công của môi trường từ khí quy trình.

Các ứng dụng hàng không vũ trụ đặt ra những thách thức độc đáo, với các thành phần động cơ phản lực phải tiếp xúc liên tục với nhiệt độ khắc nghiệt. Các cánh và đĩa tua-bin phải chống lại biến dạng do biến dạng khi chịu lực ly tâm và chu kỳ nhiệt nhanh.

Sự đánh đổi về hiệu suất

Khả năng chống biến dạng thường xung đột với các yêu cầu về độ dẻo dai. Các đặc điểm vi cấu trúc làm tăng khả năng chống biến dạng, chẳng hạn như kết tủa mịn và nồng độ chất tan cao, thường làm giảm độ dẻo dai khi gãy và tăng nhiệt độ chuyển tiếp từ dẻo sang giòn.

Độ bền kéo dài cao hơn thường tương quan với khả năng hàn giảm. Các nguyên tố hợp kim cung cấp khả năng gia cường dung dịch rắn và kết tủa ổn định cũng làm tăng khả năng tôi và khả năng nứt nguội trong quá trình hàn.

Các kỹ sư cân bằng các yêu cầu cạnh tranh này thông qua việc lựa chọn và xử lý hợp kim cẩn thận. Ví dụ, thép 9Cr-1Mo đã sửa đổi (Cấp 91) cung cấp sự cân bằng tối ưu về khả năng chống biến dạng, khả năng chế tạo và độ bền cho nhiều ứng dụng phát điện.

Phân tích lỗi

Sự đứt gãy do biến dạng là một chế độ hỏng hóc phổ biến, đặc trưng bởi sự đứt gãy giữa các hạt với sự thắt nút cục bộ đáng kể. Sự hỏng hóc này thường tiến triển thông qua sự hình thành lỗ rỗng nhỏ tại ranh giới hạt, sau đó là sự liên kết thành các vết nứt vĩ mô.

Cơ chế bắt đầu bằng sự hình thành hạt rỗng tại các điểm ba ranh giới hạt và các tạp chất, sau đó là sự phát triển thông qua sự khuếch tán chỗ trống. Khi các lỗ rỗng mở rộng và hợp nhất, diện tích chịu tải hiệu dụng giảm xuống, đẩy nhanh quá trình đứt gãy cuối cùng.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm giảm nhiệt độ dịch vụ, giảm ứng suất áp dụng thông qua các sửa đổi thiết kế và lựa chọn vật liệu có cấu trúc vi mô ổn định. Kiểm tra thường xuyên bằng các kỹ thuật như kim loại học sao chép có thể phát hiện các dấu hiệu hư hỏng sớm trước khi xảy ra hỏng hóc thảm khốc.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Molypden và vonfram cung cấp khả năng gia cường dung dịch rắn và tạo thành cacbua ổn định, tăng cường đáng kể khả năng chống biến dạng. Các nguyên tố này làm chậm quá trình khuếch tán và ổn định cấu trúc vi mô ở nhiệt độ cao.

Các nguyên tố vi lượng như boron (30-60 ppm) cải thiện đáng kể tính chất rão bằng cách phân tách thành ranh giới hạt, giảm tốc độ khuếch tán ranh giới và ức chế sự hình thành khoang. Ngược lại, các nguyên tố như lưu huỳnh và phốt pho đẩy nhanh quá trình rão bằng cách làm yếu ranh giới hạt.

Tối ưu hóa thành phần thường bao gồm việc cân bằng nhiều yếu tố để tạo ra sự phân bố kết tủa ổn định. Thép chống biến dạng hiện đại thường chứa các chất bổ sung được kiểm soát cẩn thận của V, Nb và N để tạo thành các carbonitride MX mịn, vẫn ổn định trong quá trình tiếp xúc lâu dài.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt mịn hơn thường làm giảm khả năng chống biến dạng trong chế độ biến dạng khuếch tán bằng cách cung cấp các đường khuếch tán ngắn hơn dọc theo ranh giới hạt. Tuy nhiên, trong biến dạng lũy ​​thừa, các hạt mịn hơn có thể cải thiện khả năng chống biến dạng bằng cách cản trở chuyển động trật khớp.

Phân bố pha ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất, với các chất kết tủa ổn định phân tán mang lại lợi ích lớn nhất. Trong thép ferritic-martensitic tiên tiến, sự phân bố của các cacbua M23C6 và cácbonitrit MX tại ranh giới thanh và bên trong ma trận tạo ra các chướng ngại vật hiệu quả đối với chuyển động trật khớp.

Các tạp chất phi kim loại đóng vai trò là chất tập trung ứng suất và là vị trí ưa thích cho quá trình hình thành lỗ rỗng, đẩy nhanh quá trình hư hỏng do biến dạng. Các kỹ thuật luyện thép hiện đại tập trung vào việc giảm hàm lượng tạp chất và thay đổi hình thái tạp chất để giảm thiểu tác động có hại của chúng.

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý nhiệt ảnh hưởng sâu sắc đến tính chất biến dạng bằng cách kiểm soát kích thước và sự phân bố kết tủa. Đối với thép Cr 9-12%, quá trình chuẩn hóa tiếp theo là ram tạo ra cấu trúc martensite ram với sự phân bố kết tủa được tối ưu hóa để có khả năng chống biến dạng tối đa.

Các quy trình làm việc cơ học như rèn có thể cải thiện đặc tính biến dạng bằng cách tinh chỉnh cấu trúc hạt và phá vỡ các thanh giằng tạp chất. Tuy nhiên, làm việc quá lạnh có thể gây ra sự sai lệch làm tăng tốc quá trình phục hồi trong quá trình sử dụng ở nhiệt độ cao.

Tốc độ làm nguội trong quá trình xử lý nhiệt ảnh hưởng đáng kể đến quá trình hình thành và phát triển của kết tủa. Làm nguội nhanh từ nhiệt độ bình thường thúc đẩy sự hình thành kết tủa mịn trong thép martensitic, trong khi làm nguội chậm có thể tạo ra kết tủa thô không mong muốn.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ làm tăng tốc độ biến dạng theo cấp số nhân, với mức tăng 10-20°C thường làm tăng gấp đôi tốc độ biến dạng trong thép. Độ nhạy cực cao này đòi hỏi phải kiểm soát nhiệt độ chính xác trong các ứng dụng quan trọng.

Môi trường oxy hóa có thể làm cạn kiệt crom từ các lớp bề mặt của thép không gỉ, tạo ra các vùng có khả năng chống biến dạng giảm. Đồng thời, sự hình thành cặn oxit có thể tạo ra ứng suất bề mặt làm tăng tốc độ hư hỏng biến dạng.

Các tác động tiếp xúc lâu dài bao gồm sự thô hóa kết tủa, chuyển đổi pha và hình thành pha sigma trong thép austenit. Những thay đổi về cấu trúc vi mô này làm giảm dần các đặc tính biến dạng, với các tác động đáng kể trở nên rõ ràng sau hàng nghìn giờ.

Phương pháp cải tiến

Tăng cường kết tủa thông qua việc bổ sung Nb, V và N được kiểm soát cẩn thận tạo ra các hạt nano ổn định có hiệu quả ghim các vị trí sai lệch và ranh giới hạt phụ. Các kết tủa này phải chống lại sự thô hóa ở nhiệt độ sử dụng để duy trì khả năng chống biến dạng lâu dài.

Xử lý nhiệt cơ học có thể tối ưu hóa các cấu trúc phụ của sự sai lệch và phân phối kết tủa. Biến dạng có kiểm soát tiếp theo là xử lý nhiệt cụ thể tạo ra các mạng lưới sai lệch có lợi giúp tăng cường khả năng chống biến dạng.

Các phương pháp thiết kế như giảm độ dày thành phần có thể làm giảm ứng suất nhiệt và độ dốc nhiệt độ, do đó cải thiện tuổi thọ biến dạng. Tương tự như vậy, việc kết hợp tính linh hoạt trong hệ thống đường ống có thể thích ứng với những thay đổi dần dần về kích thước liên quan đến biến dạng biến dạng.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Đứt gãy ứng suất là sự phá hủy theo thời gian của vật liệu dưới tải trọng và nhiệt độ không đổi, biểu thị giai đoạn cuối của quá trình biến dạng. Trong khi biến dạng tập trung vào hành vi biến dạng, đứt gãy ứng suất tập trung cụ thể vào sự kiện đứt gãy cuối cùng.

Tương tác giữa độ rão và độ mỏi mô tả thiệt hại tăng tốc xảy ra khi vật liệu trải qua cả tải trọng tuần hoàn và điều kiện rão. Hiệu ứng hiệp đồng này đặc biệt quan trọng trong các thành phần chịu chu kỳ khởi động/tắt máy khi hoạt động ở nhiệt độ cao.

Lão hóa nhiệt bao gồm những thay đổi về cấu trúc vi mô xảy ra trong quá trình tiếp xúc với nhiệt độ cao kéo dài, bao gồm hiện tượng kết tủa thô, chuyển đổi pha và hiện tượng giòn. Những quá trình này thường làm giảm tính chất biến dạng theo thời gian.

Các thuật ngữ này là những khía cạnh liên quan đến hành vi của vật liệu ở nhiệt độ cao, trong đó biến dạng kéo dài thường xảy ra trước khi đứt gãy do ứng suất và cả hai quá trình đều được đẩy nhanh bởi hiệu ứng lão hóa nhiệt.

Tiêu chuẩn chính

Tiêu chuẩn ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section II cung cấp các giá trị ứng suất cho phép đối với vật liệu ở nhiệt độ cao, kết hợp dữ liệu biến dạng vào các yêu cầu thiết kế. Tiêu chuẩn này là bắt buộc đối với thiết bị áp suất trong ngành sản xuất điện và quy trình tại nhiều khu vực pháp lý.

Tiêu chuẩn Châu Âu EN 13445 cung cấp các phương pháp thay thế cho thiết kế nhiệt độ cao, bao gồm các quy trình chi tiết để đánh giá độ biến dạng dựa trên phương pháp ứng suất tham chiếu. Phương pháp này khác với ASME ở chỗ kết hợp xem xét rõ ràng hơn về trạng thái ứng suất đa trục.

Tiêu chuẩn API 579-1/ASME FFS-1 Fitness-For-Service cung cấp các phương pháp đánh giá thiết bị có hư hỏng do biến dạng đã biết, cho phép đưa ra quyết định hợp lý về việc tiếp tục hoạt động. Tiêu chuẩn này thu hẹp khoảng cách giữa các quy tắc thiết kế và việc kéo dài tuổi thọ sử dụng thực tế.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào các phương pháp tính toán để dự đoán hành vi biến dạng dài hạn từ các thử nghiệm ngắn hạn, bao gồm các phương pháp trí tuệ nhân tạo xác định các mẫu trong dữ liệu biến dạng trên nhiều hệ thống hợp kim. Các phương pháp này hứa hẹn sẽ đẩy nhanh chu kỳ phát triển hợp kim.

Các công nghệ mới nổi bao gồm các kỹ thuật thử nghiệm thu nhỏ như thử nghiệm độ biến dạng nhỏ, cho phép đánh giá các thành phần đang hoạt động với lượng vật liệu khai thác tối thiểu. Các kỹ thuật này cho phép giám sát thường xuyên hơn các thành phần quan trọng mà không ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của cấu trúc.

Các phát triển trong tương lai có thể sẽ tích hợp các mô hình tiến hóa vi cấu trúc với các dự đoán về hành vi cơ học, tạo ra các phương pháp tiếp cận thống nhất để đánh giá tuổi thọ. Sự tích hợp này sẽ cho phép dự đoán chính xác hơn về tuổi thọ còn lại của cơ sở hạ tầng đang lão hóa trong các ngành công nghiệp điện và quy trình.