Modalità di Rottura e Metodi di Rinforzo dell'Acciaio Resistente al Calore

I. Principali Modi di Guasto dell'Acciaio Resistente al Calore

1. Ossidazione e Guasto da Corrosione ad Alta Temperatura

• Meccanismo:
  Ad alte temperature, gli atomi metallici reagiscono con elementi attivi come l'ossigeno per formare film di ossido (ad esempio, FeO, Fe₂O₃). Se il film di ossido è allentato e facile da staccare, non può impedire la continua invasione del mezzo, portando al continuo consumo del materiale e all'eventuale guasto dovuto alla riduzione dello spessore della parete o alla diminuzione della resistenza.
  Se nell'ambiente sono presenti elementi come S e Cl (come gas di scarico contenenti zolfo e mezzi clorurati), si verificherà corrosione ad alta temperatura (come corrosione da solfuro e corrosione da clorurazione). I solfuri (FeS) o i cloruri (FeCl₃) generati hanno bassi punti di fusione e sono volatili, accelerando il processo di corrosione.
• Caso Tipico: Quando i tubi del surriscaldatore della caldaia servono in gas di scarico contenenti zolfo, sulla superficie si forma uno strato misto allentato di FeS e FeO. Dopo la desquamazione, la parete del tubo si assottiglia rapidamente e alla fine scoppia.

2. Guasto da Creep

• Meccanismo:
  Ad alte temperature, la capacità di diffusione degli atomi aumenta e le dislocazioni all'interno del materiale si muovono lentamente, i bordi dei grani scivolano o le cavità crescono, con conseguente deformazione macroscopica (come allungamento e rigonfiamento). Quando la deformazione supera il valore critico (di solito 1%-5%), si avvieranno delle cricche e si propagheranno fino alla frattura.
  La caratteristica del guasto da creep è che la superficie di frattura mostra frattura intergranulare (i bordi dei grani sono punti deboli, soggetti alla formazione di cavità) e la deformazione è irreversibile.
• Caso Tipico: I bulloni delle turbine a vapore servono ad alta temperatura e pressione per lungo tempo, portando a un allungamento eccessivo dovuto al creep, che non riesce a garantire la tenuta e si rompe anche.

3. Guasto da Fatica Termica

• Meccanismo:
  Durante le variazioni di temperatura, la mancata corrispondenza dei coefficienti di espansione termica tra il materiale interno o i componenti adiacenti (come gusci e tubi) porta a stress termici alternati periodici. Quando lo stress supera il limite di fatica del materiale, si genereranno microcricche sulla superficie o in corrispondenza dei difetti e si espanderanno gradualmente fino a cricche penetranti.
  Le cricche da fatica termica sono per lo più reticolari o radiali e si espandono lungo o attraverso i grani (a seconda della tenacità del materiale).
• Caso Tipico: Il collettore di scarico di un motore a combustione interna genera un gran numero di cricche da fatica termica sulla superficie a causa di ripetuti avviamenti-arresti e severe fluttuazioni di temperatura e alla fine si rompe.

4. Guasto da Degradazione Microstrutturale

• Casi Tipici:
  • Acciaio resistente al calore perlitico (ad esempio, 12Cr1MoV): La cementite (Fe₃C) nella perlite si sferoidizza, si aggrega e si trasforma anche in grafite a temperature elevate a lungo termine, portando a una significativa diminuzione della resistenza.
  • Acciaio resistente al calore austenitico: La fase di rinforzo (come la fase γ' Ni₃Al) si ingrossa o si dissolve ad alte temperature a lungo termine, perdendo l'effetto di rinforzo e riducendo la resistenza al creep.

II. Metodi di Rinforzo dell'Acciaio Resistente al Calore

1. Rinforzo per Legatura (Metodo Principale)

• Migliorare la Resistenza all'Ossidazione:
  Aggiungere elementi come Cr (12%-30%), Al (2%-5%) e Si (1%-3%) per formare un film di ossido denso (come Cr₂O₃, Al₂O₃, SiO₂) sulla superficie per bloccare l'invasione dei mezzi. Ad esempio, quando il contenuto di Cr è ≥ 12%, sulla superficie dell'acciaio può formarsi un film continuo di Cr₂O₃, migliorando significativamente la resistenza all'ossidazione.
• Migliorare la Resistenza alle Alte Temperature (Resistenza al Creep):
  • Rinforzo per Soluzione Solida: Aggiungere W e Mo (con grandi raggi atomici, formando forti legami con Fe) per migliorare la forza di legame tra gli atomi della matrice e inibire il movimento delle dislocazioni (ad esempio, Mo può aumentare l'energia di attivazione del creep della matrice di ferro di oltre il 30%).
  • Rinforzo per Precipitazione: Aggiungere V, Nb, Ti, Ta, ecc., per formare carburi/nitruri stabili ad alta temperatura (come VC, NbC) con C/N, bloccando le dislocazioni e i bordi dei grani e ostacolando la deformazione da creep (ad esempio, V in 12Cr1MoV forma VC, migliorando significativamente la resistenza al creep).
  • Stabilizzazione di Fase: Aggiungere Ni (8%-20%) per formare una matrice austenitica (più stabile della ferrite con basso coefficiente di diffusione), come l'acciaio austenitico 310S (25%Cr-20%Ni) può servire a lungo termine sopra i 1000℃.
• Migliorare le Prestazioni alla Fatica Termica:
  Aggiungere Mn e Ni per ridurre il coefficiente di espansione termica (ad esempio, Incoloy 800H ha un coefficiente di espansione termica inferiore del 20% rispetto all'acciaio ferritico a causa del contenuto del 30% di Ni), oppure aggiungere Cu e Nb per migliorare la tenacità del materiale (inibendo la propagazione delle cricche).

2. Rinforzo per Trattamento Termico

• Trattamento di Soluzione + Trattamento di Invecchiamento:
  Adatto per acciaio resistente al calore austenitico (ad esempio, GH4169): Il trattamento di soluzione (1000-1100℃) fa sì che gli elementi di lega (Nb, Ti) si dissolvano uniformemente e il trattamento di invecchiamento (700-800℃) precipita la fase γ'' (Ni₃Nb) e la fase γ' (Ni₃Al), migliorando significativamente la resistenza al creep attraverso il rinforzo per precipitazione.
• Normalizzazione + Rinvenimento:
  Adatto per acciaio resistente al calore perlitico (ad esempio, 12Cr1MoV): La normalizzazione (950-1050℃) ottiene una struttura perlitica fine e il rinvenimento (750-800℃) elimina lo stress e stabilizza i carburi, impedendo la sferoidizzazione della perlite ad alte temperature a lungo termine (la sferoidizzazione porterà a una diminuzione della resistenza di oltre il 50%).
• Trattamento di Ricottura:
  Viene utilizzato per eliminare lo stress di lavorazione (come la zona interessata dal calore dopo la saldatura), affinare i grani ed evitare l'inizio di cricche da fatica termica.

3. Rinforzo della Superficie

• Legatura della Superficie:
  Alluminizzazione e cromatura (come il trattamento di alluminizzazione): Formare uno strato arricchito di Al₂O₃ o Cr₂O₃ (spessore 50-200μm) sulla superficie dell'acciaio, che aumenta la temperatura di resistenza all'ossidazione di 200-300℃ rispetto alla matrice (ad esempio, l'acciaio 20G alluminizzato può servire sopra gli 800℃).
• Tecnologia di Rivestimento:
  Utilizzo di rivestimenti ceramici ad alta temperatura (come Al₂O₃, ZrO₂) o rivestimenti di composti intermetallici (come NiAl), preparati mediante deposizione fisica da vapore (PVD) o spruzzatura al plasma, che sono sia isolanti termici che resistenti alla corrosione (la conducibilità termica del rivestimento è solo 1/10-1/20 di quella dell'acciaio).
• Fusione Superficiale Laser:
  Riscaldamento e raffreddamento rapido della superficie con un laser per formare uno strato a grana fine o amorfo, migliorando la durezza superficiale e la resistenza all'usura e riducendo la desquamazione della scaglia di ossido.

4. Controllo della Microstruttura

• Ottimizzazione delle Dimensioni dei Grani:
  I grani grossi (con una piccola area di bordo dei grani) possono ridurre lo scorrimento dei bordi dei grani e migliorare la resistenza al creep (ad esempio, le pale delle turbine che utilizzano acciaio austenitico a grana grossa hanno un aumento del 30% della durata al creep); i grani fini possono migliorare la tenacità e le prestazioni alla fatica termica (i bordi dei grani ostacolano la propagazione delle cricche, ad esempio, i tubi dello scambiatore di calore che utilizzano acciaio ferritico a grana fine hanno un'estensione del 50% della durata alla fatica termica).
• Progettazione a Struttura Duplex:
  Come l'acciaio duplex ferrite-austenite (ad esempio, 2205), la ferrite fornisce una buona resistenza all'ossidazione, l'austenite fornisce un'elevata resistenza e ha sia resistenza alla corrosione che resistenza al creep (l'intervallo di temperatura applicabile è di 100-150℃ più ampio rispetto a quello dell'acciaio monofase).

Riepilogo