गर्मी प्रतिरोधी स्टील के विफलता मोड और सुदृढ़ीकरण विधियाँ
गर्मी प्रतिरोधी स्टील एक प्रकार का स्टील है जो उच्च तापमान वाले वातावरण (आमतौर पर ≥ 500℃) में लंबे समय तक कार्य करता है और इसे एक साथ उच्च तापमान शक्ति (रेंगने और फ्रैक्चर का प्रतिरोध) और उच्च तापमान स्थिरता (ऑक्सीकरण प्रतिरोध और माध्यमों के लिए संक्षारण प्रतिरोध) की आवश्यकताओं को पूरा करने की आवश्यकता है। इसका व्यापक रूप से बिजली संयंत्र बॉयलर, गैस टर्बाइन और रासायनिक रिएक्टर जैसे उपकरणों में उपयोग किया जाता है। इसके विफलता मोड उच्च तापमान वाले वातावरण में भौतिक, रासायनिक और यांत्रिक व्यवहार से निकटता से संबंधित हैं, और सुदृढ़ीकरण विधियों को विशेष रूप से इन विफलता तंत्रों को संबोधित करने की आवश्यकता है।
गर्मी प्रतिरोधी स्टील की विफलता उच्च तापमान वाले वातावरण (तापमान, तनाव, माध्यम) और सामग्री के अपने गुणों की संयुक्त क्रिया का परिणाम है। मुख्य विफलता मोड इस प्रकार हैं:
उच्च तापमान पर, गर्मी प्रतिरोधी स्टील वातावरण में गैसों या माध्यमों (जैसे सल्फाइड, क्लोराइड) के साथ रासायनिक रूप से प्रतिक्रिया करता है जैसे O₂, CO₂, और H₂O, जिसके परिणामस्वरूप सतह सामग्री का नुकसान होता है, जो सबसे आम विफलता मोड में से एक है।
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तंत्र:
उच्च तापमान पर, धातु के परमाणु ऑक्सीजन जैसे सक्रिय तत्वों के साथ प्रतिक्रिया करके ऑक्साइड फिल्में बनाते हैं (जैसे, FeO, Fe₂O₃)। यदि ऑक्साइड फिल्म ढीली है और छीलने में आसान है, तो यह माध्यम के निरंतर आक्रमण को रोक नहीं सकती है, जिससे सामग्री का निरंतर उपभोग होता है और अंततः दीवार की मोटाई में कमी या ताकत में कमी के कारण विफलता होती है।
यदि वातावरण में S और Cl जैसे तत्व हैं (जैसे सल्फर युक्त फ्लू गैस और क्लोराइड माध्यम), तो उच्च तापमान संक्षारण (जैसे सल्फाइड संक्षारण और क्लोरीनीकरण संक्षारण) होगा। उत्पन्न सल्फाइड (FeS) या क्लोराइड (FeCl₃) में कम गलनांक होते हैं और वे वाष्पशील होते हैं, जिससे संक्षारण प्रक्रिया तेज होती है।
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विशिष्ट मामला: जब बॉयलर सुपरहीटर ट्यूब सल्फर युक्त फ्लू गैस में कार्य करते हैं, तो सतह पर FeS और FeO की एक ढीली मिश्रित परत बनती है। छीलने के बाद, ट्यूब की दीवार तेजी से पतली हो जाती है और अंततः फट जाती है।
उच्च तापमान पर (आमतौर पर 0.5Tm से अधिक, जहां Tm पूर्ण गलनांक तापमान है), सामग्री लंबे समय तक निरंतर तनाव के तहत धीमी प्लास्टिक विरूपण से गुजरती है, और अंततः अत्यधिक विरूपण या फ्रैक्चर के कारण विफल हो जाती है। यह भार के तहत गर्मी प्रतिरोधी स्टील का मुख्य विफलता मोड है।
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तंत्र:
उच्च तापमान पर, परमाणुओं की प्रसार क्षमता बढ़ जाती है, और सामग्री के अंदर विस्थापन धीरे-धीरे चलते हैं, अनाज की सीमाएं फिसलती हैं, या गुहाएं बढ़ती हैं, जिसके परिणामस्वरूप मैक्रोस्कोपिक विरूपण होता है (जैसे कि बढ़ाव और उभार)। जब विरूपण महत्वपूर्ण मान (आमतौर पर 1%-5%) से अधिक हो जाता है, तो दरारें शुरू हो जाएंगी और फ्रैक्चर तक फैल जाएंगी।
रेंगने की विफलता की विशेषता यह है कि फ्रैक्चर सतह अंतर-दानेदार फ्रैक्चर (अनाज की सीमाएं कमजोर कड़ी हैं, गुहा निर्माण की संभावना है) दिखाती है, और विरूपण अपरिवर्तनीय है।
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विशिष्ट मामला: भाप टरबाइन बोल्ट लंबे समय तक उच्च तापमान और दबाव में कार्य करते हैं, जिससे रेंगने के कारण अत्यधिक बढ़ाव होता है, जो सीलिंग सुनिश्चित करने में विफल रहता है और यहां तक कि टूट भी जाता है।
यह एक विफलता मोड है जिसमें सामग्री आवधिक तापमान परिवर्तनों (जैसे हीटिंग-कूलिंग चक्र) के दौरान थर्मल विस्तार और संकुचन के कारण सीमित तनाव (थर्मल तनाव) की बार-बार क्रिया के बाद दरारें उत्पन्न करती है।
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तंत्र:
तापमान परिवर्तन के दौरान, आंतरिक सामग्री या आसन्न घटकों (जैसे गोले और पाइप) के बीच थर्मल विस्तार गुणांक का बेमेल आवधिक वैकल्पिक थर्मल तनाव की ओर जाता है। जब तनाव सामग्री की थकान सीमा से अधिक हो जाता है, तो सतह पर या दोषों पर माइक्रोक्रैक उत्पन्न होंगे, और धीरे-धीरे भेदी दरारों तक फैल जाएंगे।
थर्मल थकान दरारें ज्यादातर जालदार या रेडियल होती हैं और अनाज के साथ या उनके माध्यम से फैलती हैं (सामग्री की क्रूरता पर निर्भर करता है)।
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विशिष्ट मामला: एक आंतरिक दहन इंजन का निकास मैनिफोल्ड बार-बार शुरू-बंद होने और गंभीर तापमान में उतार-चढ़ाव के कारण सतह पर बड़ी संख्या में थर्मल थकान दरारें उत्पन्न करता है, और अंततः टूट जाता है।
उच्च तापमान पर लंबी अवधि की सेवा गर्मी प्रतिरोधी स्टील की सूक्ष्म संरचना में अपरिवर्तनीय परिवर्तन का कारण बनती है (जैसे चरण वर्षा, अनाज का मोटा होना, और संरचनात्मक परिवर्तन), जिसके परिणामस्वरूप यांत्रिक गुणों (शक्ति, क्रूरता) में गिरावट आती है।
- विशिष्ट मामले:
- पर्लाइटिक गर्मी प्रतिरोधी स्टील (जैसे, 12Cr1MoV): पर्लाइट में सीमेंटाइट (Fe₃C) लंबे समय तक उच्च तापमान के तहत गोलाकार, एकत्रित और यहां तक कि ग्रेफाइट में बदल जाता है, जिससे ताकत में काफी कमी आती है।
- ऑस्टेनिटिक गर्मी प्रतिरोधी स्टील: मजबूत करने वाला चरण (जैसे γ' चरण Ni₃Al) लंबे समय तक उच्च तापमान के तहत मोटा हो जाता है या घुल जाता है, जिससे मजबूत करने वाला प्रभाव खो जाता है और रेंगने का प्रतिरोध कम हो जाता है।
सुदृढ़ीकरण विधियों को उपरोक्त विफलता तंत्रों को संबोधित करने और ऑक्सीकरण प्रतिरोध, उच्च तापमान शक्ति, रेंगने के प्रतिरोध और थर्मल थकान क्रूरता में सुधार करके लक्ष्य प्राप्त करने की आवश्यकता है, जिसमें मुख्य रूप से मिश्र धातु बनाना, गर्मी उपचार, सतह संशोधन और सूक्ष्म संरचना नियंत्रण शामिल हैं।
सामग्री के उच्च तापमान प्रदर्शन में सुधार करने के लिए मिश्र धातु तत्वों को जोड़कर संरचना का अनुकूलन करना सबसे बुनियादी सुदृढ़ीकरण विधि है।
- ऑक्सीकरण प्रतिरोध में सुधार:
सतह पर घने ऑक्साइड फिल्म (जैसे Cr₂O₃, Al₂O₃, SiO₂) बनाने के लिए Cr (12%-30%), Al (2%-5%), और Si (1%-3%) जैसे तत्वों को जोड़ना, माध्यम के आक्रमण को अवरुद्ध करना। उदाहरण के लिए, जब Cr सामग्री ≥ 12% होती है, तो स्टील की सतह पर एक निरंतर Cr₂O₃ फिल्म बन सकती है, जिससे ऑक्सीकरण प्रतिरोध में काफी सुधार होता है।
- उच्च तापमान शक्ति (रेंगने का प्रतिरोध) में सुधार:
- ठोस समाधान सुदृढ़ीकरण: मैट्रिक्स परमाणुओं के बीच बंधन बल में सुधार करने और विस्थापन आंदोलन को बाधित करने के लिए W और Mo (बड़े परमाणु त्रिज्या के साथ, Fe के साथ मजबूत बंधन बनाना) जोड़ना (उदाहरण के लिए, Mo लोहे के मैट्रिक्स की रेंगने की सक्रियण ऊर्जा को 30% से अधिक बढ़ा सकता है)।
- वर्षा सुदृढ़ीकरण: C/N के साथ उच्च तापमान स्थिर कार्बाइड/नाइट्राइड (जैसे VC, NbC) बनाने के लिए V, Nb, Ti, Ta, आदि जोड़ना, विस्थापनों और अनाज की सीमाओं को पिन करना, और रेंगने के विरूपण को रोकना (उदाहरण के लिए, 12Cr1MoV में V VC बनाता है, जिससे रेंगने की ताकत में काफी सुधार होता है)।
- चरण स्थिरीकरण: ऑस्टेनिटिक मैट्रिक्स (कम प्रसार गुणांक के साथ फेराइट की तुलना में अधिक स्थिर) बनाने के लिए Ni (8%-20%) जोड़ना, जैसे 310S ऑस्टेनिटिक स्टील (25%Cr-20%Ni) 1000℃ से ऊपर लंबे समय तक कार्य कर सकता है।
- थर्मल थकान प्रदर्शन में सुधार:
थर्मल विस्तार गुणांक को कम करने के लिए Mn और Ni जोड़ना (उदाहरण के लिए, Incoloy 800H में फेरिटिक स्टील की तुलना में 20% कम थर्मल विस्तार गुणांक होता है क्योंकि इसमें 30% Ni होता है), या सामग्री की क्रूरता में सुधार करने के लिए Cu और Nb जोड़ना (दरार प्रसार को रोकना)।
वर्षा चरणों की मात्रा, आकार और वितरण को अनुकूलित करने और उच्च तापमान प्रदर्शन में सुधार करने के लिए गर्मी उपचार के माध्यम से सूक्ष्म संरचना को विनियमित करना।
- समाधान उपचार + एजिंग उपचार:
ऑस्टेनिटिक गर्मी प्रतिरोधी स्टील (जैसे, GH4169) के लिए उपयुक्त: समाधान उपचार (1000-1100℃) मिश्र धातु तत्वों (Nb, Ti) को समान रूप से घुलने देता है, और एजिंग उपचार (700-800℃) γ'' चरण (Ni₃Nb) और γ' चरण (Ni₃Al) को वर्षा देता है, वर्षा सुदृढ़ीकरण के माध्यम से रेंगने के प्रतिरोध में काफी सुधार करता है।
- सामान्यीकरण + तड़के:
पर्लाइटिक गर्मी प्रतिरोधी स्टील (जैसे, 12Cr1MoV) के लिए उपयुक्त: सामान्यीकरण (950-1050℃) महीन पर्लाइट संरचना प्राप्त करता है, और तड़के (750-800℃) तनाव को समाप्त करता है और कार्बाइड को स्थिर करता है, लंबे समय तक उच्च तापमान के तहत पर्लाइट गोलाकारता को रोकता है (गोलाकारता से ताकत में 50% से अधिक की कमी आएगी)।
- एनीलिंग उपचार:
इसका उपयोग प्रसंस्करण तनाव (जैसे वेल्डिंग के बाद गर्मी से प्रभावित क्षेत्र) को खत्म करने, अनाज को परिष्कृत करने और थर्मल थकान दरारों की शुरुआत से बचने के लिए किया जाता है।
उच्च तापमान माध्यम को अलग करने या सतह के प्रदर्शन में सुधार करने के लिए सतह संशोधन के माध्यम से एक सुरक्षात्मक परत बनाना, मैट्रिक्स प्रदर्शन की कमी को पूरा करना।
- सतह मिश्र धातु बनाना:
एल्यूमिनाइजिंग और क्रोमाइजिंग (जैसे एल्यूमिनाइजिंग उपचार): स्टील की सतह पर Al₂O₃ या Cr₂O₃ समृद्ध परत (50-200μm मोटी) बनाना, जो मैट्रिक्स की तुलना में ऑक्सीकरण प्रतिरोध तापमान को 200-300℃ तक बढ़ाता है (उदाहरण के लिए, एल्यूमिनाइज्ड 20G स्टील 800℃ से ऊपर कार्य कर सकता है)।
- कोटिंग तकनीक:
उच्च तापमान सिरेमिक कोटिंग्स (जैसे Al₂O₃, ZrO₂) या इंटरमेटैलिक कंपाउंड कोटिंग्स (जैसे NiAl) का उपयोग करना, जिसे भौतिक वाष्प जमाव (PVD) या प्लाज्मा छिड़काव द्वारा तैयार किया जाता है, जो गर्मी-इंसुलेटिंग और संक्षारण-प्रतिरोधी दोनों हैं (कोटिंग की तापीय चालकता स्टील की तुलना में केवल 1/10-1/20 है)।
- लेजर सतह पिघलना:
सतह को एक लेजर से तेजी से गर्म करना और ठंडा करना ताकि एक महीन-अनाज या अनाकार परत बन सके, सतह की कठोरता और पहनने के प्रतिरोध में सुधार हो सके, और ऑक्साइड स्केल छीलने को कम किया जा सके।
अनाज के आकार और चरण संरचना जैसी सूक्ष्म संरचनाओं को नियंत्रित करके उच्च तापमान प्रदर्शन का अनुकूलन करना।
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