حالت‌های شکست و روش‌های تقویت فولاد مقاوم به حرارت

روش های اصلی شکست فولاد مقاوم به حرارت

1. اکسیداسیون و شکست خوردگی در دمای بالا

• مکانیزم:
  در دمای بالا، اتم های فلزی با عناصر فعال مانند اکسیژن واکنش نشان می دهند تا فیلم های اکسید (به عنوان مثال، FeO، Fe2O3) را تشکیل دهند.نمی تونه از نفوذ مداوم رسانه جلوگیری کنه، که منجر به مصرف مداوم مواد و شکست نهایی به دلیل کاهش ضخامت دیوار یا کاهش قدرت می شود.
  اگر عناصر مانند S و Cl در محیط وجود داشته باشد (مانند گاز دود حاوی گوگرد و مواد کلرید)خوردگی در دمای بالاسولفیدهای تولید شده (FeS) یا کلریدها (FeCl3) دارای نقطه ذوب پایین هستند و ناپایدار هستند و روند خوردگی را تسریع می کنند.
• یک مورد معمولی: هنگامی که لوله های فوق العاده گرم کننده دیگ بخار در گاز دود حاوی گوگرد استفاده می شوند، یک لایه مخلوط گسسته از FeS و FeO در سطح تشکیل می شود. پس از پاک شدن، دیواره لوله به سرعت نازک می شود و در نهایت شکسته می شود.

2. شکسته شدن

• مکانیزم:
  در دمای بالا، توانایی پخش اتم ها افزایش می یابد و خلع در داخل ماده به آرامی حرکت می کند، مرزهای دانه ها لغز می شوند، یا حفره ها رشد می کنند،که منجر به تغییر شکل میکروسکوپی (مانند طول کشیدن و بیرون کشیدن) می شود.هنگامی که تغییر شکل از مقدار بحرانی (معمولاً 1٪ - 5٪) فراتر رود، ترک ها آغاز می شوند و به شکستگی گسترش می یابند.
  ویژگی شکست خزیدن این است که سطح شکستگی نشان می دهدشکستگی بین دانه ای(حدود دانه ها حلقه های ضعیف هستند، مستعد تشکیل حفره هستند) و تغییر شکل برگشت ناپذیر است.
• یک مورد معمولی: بولت های توربین بخار در دمای بالا و فشار بالا برای مدت طولانی کار می کنند، که منجر به کشش بیش از حد به دلیل خزیدن می شود، که نمی تواند مهر و موم و حتی شکستگی را تضمین کند.

3. شکست خستگی حرارتی

• مکانیزم:
  در طول تغییرات دمایی، عدم تطابق ضریب گسترش حرارتی بین مواد داخلی یا اجزای مجاور (مانند پوسته ها و لوله ها) منجر به استرس حرارتی دوره ای متناوب می شود.هنگامی که استرس از حد خستگی مواد فراتر رود، میکرو ترک ها در سطح یا نقایص ایجاد می شود و به تدریج به ترک های نفوذ کننده گسترش می یابد.
  شکاف های خستگی حرارتی عمدتاشبكه دار یا شعاعيو در امتداد یا از طریق دانه ها گسترش می یابد (با توجه به سختی مواد).
• یک مورد معمولی: انبوه گازی یک موتور احتراق داخلی باعث ایجاد تعداد زیادی از ترک های خستگی حرارتی در سطح به دلیل شروع و توقف مکرر و نوسانات شدید دمای می شود.و درنهایت شکسته میشه.

4شکست تخریب میکروسروکتور

• موارد معمول:
  • فولاد مقاوم به گرما (به عنوان مثال، 12Cr1MoV): سیمانیت (Fe3C) در pearlite sferoidizes، aggregates، و حتی به گرافیت تحت دمای بلند مدت تبدیل می شود،که منجر به کاهش قابل توجهی در قدرت می شود.
  • فولاد مقاوم به گرما آستنیتی: فاز تقویت کننده (مانند فاز γ' Ni3Al) در دمای بلند مدت خشن می شود یا حل می شود.از دست دادن اثر تقویت کننده و کاهش مقاومت خزیدن.

روش های تقویت فولاد مقاوم در برابر حرارت

1. تقویت آلیاژ (روش هسته ای)

• بهبود مقاومت در برابر اکسیداسیون:
  اضافه کردن عناصر مانند Cr (12%-30%) ، Al (2%-5%) ، و Si (1%-3%) برای تشکیل یکفیلم اکسید متراکم(مانند Cr2O3، Al2O3، SiO2) بر روی سطح برای جلوگیری از نفوذ رسانه ها. به عنوان مثال، هنگامی که محتوای Cr ≥ 12٪ است، یک فیلم Cr2O3 پیوسته بر روی سطح فولاد تشکیل می شود.به طور قابل توجهی مقاومت به اکسیداسیون را بهبود می بخشد.
• بهبود مقاومت در دمای بالا (مقاومت به خزیدن):
  • تقویت محلول جامد: اضافه کردن W و Mo (با شعاع های اتمی بزرگ، ایجاد پیوند قوی با Fe) برای بهبود نیروی پیوند بین اتم های ماتریس و جلوگیری از حرکت انحلال (به عنوان مثال,Mo می تواند انرژی فعال سازی خزیدن ماتریس آهن را بیش از 30٪ افزایش دهد).
  • تقویت بارندگی: اضافه کردن V، Nb، Ti، Ta و غیره، برای تشکیلکربیدهای/نیتریدهای با دمای بالا پایدار(مانند VC، NbC) با C/N، پیچاندن انحرافات و مرزهای دانه، و جلوگیری از تغییر شکل خزیدن (به عنوان مثال، V در 12Cr1MoV شکل VC، به طور قابل توجهی بهبود مقاومت خزیدن).
  • ثبات فاز: اضافه کردن نی (8٪ -20٪) برای تشکیل یک ماتریس آستنیت (استقرار بیشتری نسبت به فرایت با ضریب پخش پایین) ،مانند فولاد آستنیتیک 310S (25%Cr-20%Ni) می تواند برای مدت طولانی در بالای 1000 درجه سانتیگراد کار کند..
• بهبود عملکرد خستگی حرارتی:
  افزودن Mn و Ni برای کاهش ضریب گسترش حرارتی (به عنوان مثال، Incoloy 800H دارای ضریب گسترش حرارتی 20٪ کمتر از فولاد فرریت است زیرا حاوی 30٪ Ni است) ،یا اضافه کردن Cu و Nb برای بهبود سختی مواد (منع گسترش ترک).

2درمان گرما تقویت

• درمان محلول + درمان پیری:
  مناسب برای فولاد مقاوم به حرارت austenitic (به عنوان مثال، GH4169): درمان محلول (1000-1100 °C) باعث می شود عناصر آلیاژ (Nb، Ti) به طور یکنواخت حل شوند،و درمان پیری (700-800°C) فاز γ' (Ni3Nb) و فاز γ' (Ni3Al) را کاهش می دهد، به طور قابل توجهی بهبود مقاومت خزیدن از طریق تقویت بارندگی.
• عادی سازی + تنش:
  مناسب برای فولاد مقاوم به حرارت مروارید (به عنوان مثال ، 12Cr1MoV): عادی سازی (950-1050 ° C) ساختار مروارید ظریف را به دست می آورد و تند کردن (750-800 ° C) استرس را از بین می برد و کربیدهای را ثبات می دهد ،جلوگیری از sferoidization pearlite تحت دمای بلند مدت (spheroidization منجر به کاهش قدرت بیش از 50٪ می شود).
• درمان آنالیز:
  از آن برای از بین بردن استرس پردازش (مانند منطقه تحت تأثیر گرما پس از جوش) ، تصفیه دانه ها و جلوگیری از ایجاد ترک های خستگی حرارتی استفاده می شود.

3. تقویت سطح

• آلیاژ سطح:
  آلومینیزاسیون و کرومیزاسیون (مانند درمان آلومینیزاسیون): تشکیل یک لایه غنی شده Al2O3 یا Cr2O3 (50-200μm ضخامت) بر روی سطح فولاد،که دمای مقاومت اکسیداسیون را در مقایسه با ماتریس (به عنوان مثال، فولاد 20G آلومینیزه شده می تواند بالاتر از 800 درجه سانتیگراد کار کند).
• تکنولوژی پوشش:
  با استفاده از پوشش های سرامیکی با دمای بالا (مانند Al2O3، ZrO2) یا پوشش های ترکیبی بین فلزی (مانند NiAl) ، که با رسوب بخار فیزیکی (PVD) یا اسپری پلاسما تهیه شده اند،که هم عایق گرما هستند و هم مقاوم در برابر خوردگی (رسانش حرارتی پوشش تنها 1/10-1/20 از فولاد است).
• ذوب شدن سطح لیزر:
  گرم کردن و خنک کردن سریع سطح با لیزر برای تشکیل یک لایه دانه دار یا بی شکل، بهبود سختی سطح و مقاومت در برابر لباس و کاهش پوست آکسید.

4کنترل میکروساخت

• بهینه سازی اندازه دانه:
  دانه های ضخیم (با ناحیه محدوده دانه کوچک) می توانند لغزش محدوده دانه را کاهش دهند و قدرت خزیدن را بهبود بخشند (به عنوان مثال،تیغه های توربین با استفاده از فولاد آستنیتیک با دانه های ضخیم 30٪ افزایش در طول عمر خزیدن دارند)دانه های نازک می توانند مقاومت و عملکرد خستگی حرارتی را بهبود بخشند (به عنوان مثال، مرزهای دانه ها مانع از گسترش ترک می شوند،لوله های مبادله گرما با استفاده از فولاد فیریتک دانه نازک دارای 50٪ افزایش در عمر خستگی حرارتی هستند).
• طراحی ساختار دوگانه:
  مانند فولاد دوگانه فریت-آستینیت (به عنوان مثال 2205) ، فریت مقاومت اکسیداسیون خوبی را فراهم می کند، آستینیت قدرت بالایی را فراهم می کند،و هم مقاومت در برابر خوردگی و هم مقاومت در برابر خزیدن دارد (مجموعه دمای قابل استفاده 100-150 °C وسیع تر از فولاد تک فاز است).

خلاصه