Modos de falla y métodos de refuerzo del acero resistente al calor
El acero resistente al calor es un tipo de acero que sirve durante mucho tiempo en entornos de alta temperatura (generalmente ≥ 500℃) y necesita cumplir simultáneamente los requisitos de resistencia a alta temperatura (resistencia a la fluencia y a la fractura) y estabilidad a alta temperatura (resistencia a la oxidación y a la corrosión a los medios). Se utiliza ampliamente en equipos como calderas de centrales eléctricas, turbinas de gas y reactores químicos. Sus modos de falla están estrechamente relacionados con los comportamientos físicos, químicos y mecánicos en entornos de alta temperatura, y los métodos de refuerzo deben abordar específicamente estos mecanismos de falla.
La falla del acero resistente al calor es el resultado de la acción combinada del entorno de alta temperatura (temperatura, tensión, medio) y las propiedades propias del material. Los principales modos de falla son los siguientes:
A altas temperaturas, el acero resistente al calor reacciona químicamente con gases o medios (como sulfuros, cloruros) en el entorno como O₂, CO₂ y H₂O, lo que resulta en la pérdida de material superficial, que es uno de los modos de falla más comunes.
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Mecanismo:
A altas temperaturas, los átomos de metal reaccionan con elementos activos como el oxígeno para formar películas de óxido (por ejemplo, FeO, Fe₂O₃). Si la película de óxido es suelta y fácil de desprender, no puede evitar la invasión continua del medio, lo que lleva al consumo continuo del material y a la eventual falla debido a la reducción del espesor de la pared o la disminución de la resistencia.
Si hay elementos como S y Cl en el entorno (como gases de combustión que contienen azufre y medios de cloruro), se producirá corrosión a alta temperatura (como corrosión por sulfuración y corrosión por cloración). Los sulfuros (FeS) o cloruros (FeCl₃) generados tienen bajos puntos de fusión y son volátiles, lo que acelera el proceso de corrosión.
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Caso típico: Cuando los tubos del sobrecalentador de la caldera sirven en gases de combustión que contienen azufre, se forma una capa mixta suelta de FeS y FeO en la superficie. Después de desprenderse, la pared del tubo se adelgaza rápidamente y finalmente estalla.
A altas temperaturas (generalmente superiores a 0,5Tm, donde Tm es la temperatura absoluta de fusión), el material sufre una deformación plástica lenta bajo tensión constante a largo plazo, y finalmente falla debido a una deformación o fractura excesiva. Este es el principal modo de falla del acero resistente al calor bajo carga.
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Mecanismo:
A altas temperaturas, la capacidad de difusión de los átomos aumenta, y las dislocaciones dentro del material se mueven lentamente, los límites de grano se deslizan o las cavidades crecen, lo que resulta en una deformación macroscópica (como elongación y abultamiento). Cuando la deformación excede el valor crítico (generalmente 1%-5%), se iniciarán grietas y se propagarán hasta la fractura.
La característica de la falla por fluencia es que la superficie de fractura muestra fractura intergranular (los límites de grano son enlaces débiles, propensos a la formación de cavidades), y la deformación es irreversible.
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Caso típico: Los pernos de la turbina de vapor sirven bajo alta temperatura y presión durante mucho tiempo, lo que lleva a una elongación excesiva debido a la fluencia, lo que no garantiza el sellado e incluso se rompe.
Es un modo de falla en el que los materiales generan grietas después de la acción repetida de la tensión restringida (tensión térmica) debido a la expansión y contracción térmica durante cambios periódicos de temperatura (como ciclos de calentamiento-enfriamiento).
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Mecanismo:
Durante los cambios de temperatura, la falta de coincidencia de los coeficientes de expansión térmica entre el material interno o los componentes adyacentes (como carcasas y tuberías) conduce a una tensión térmica alterna periódica. Cuando la tensión excede el límite de fatiga del material, se generarán microgrietas en la superficie o en los defectos, y se expandirán gradualmente hasta formar grietas penetrantes.
Las grietas por fatiga térmica son en su mayoría reticulares o radiales y se expanden a lo largo o a través de los granos (dependiendo de la tenacidad del material).
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Caso típico: El colector de escape de un motor de combustión interna genera una gran cantidad de grietas por fatiga térmica en la superficie debido a las repetidas paradas y arranques y a las severas fluctuaciones de temperatura, y finalmente se rompe.
El servicio a largo plazo a altas temperaturas causa cambios irreversibles en la microestructura del acero resistente al calor (como la precipitación de fase, el engrosamiento del grano y la transformación estructural), lo que resulta en la disminución de las propiedades mecánicas (resistencia, tenacidad).
- Casos típicos:
- Acero resistente al calor perlítico (por ejemplo, 12Cr1MoV): La cementita (Fe₃C) en la perlita se esferoidiza, se agrega e incluso se transforma en grafito a altas temperaturas a largo plazo, lo que lleva a una disminución significativa de la resistencia.
- Acero resistente al calor austenítico: La fase de endurecimiento (como la fase γ' Ni₃Al) se engrosa o se disuelve a altas temperaturas a largo plazo, perdiendo el efecto de endurecimiento y reduciendo la resistencia a la fluencia.
Los métodos de refuerzo deben abordar los mecanismos de falla anteriores y lograr el objetivo mediante la mejora de la resistencia a la oxidación, la resistencia a alta temperatura, la resistencia a la fluencia y la tenacidad a la fatiga térmica, incluyendo principalmente la aleación, el tratamiento térmico, la modificación de la superficie y el control de la microestructura.
Optimizar la composición agregando elementos de aleación para mejorar el rendimiento a alta temperatura de los materiales es el método de refuerzo más básico.
- Mejora de la resistencia a la oxidación:
Agregar elementos como Cr (12%-30%), Al (2%-5%) y Si (1%-3%) para formar una película de óxido densa (como Cr₂O₃, Al₂O₃, SiO₂) en la superficie para bloquear la invasión de los medios. Por ejemplo, cuando el contenido de Cr es ≥ 12%, se puede formar una película continua de Cr₂O₃ en la superficie del acero, lo que mejora significativamente la resistencia a la oxidación.
- Mejora de la resistencia a alta temperatura (resistencia a la fluencia):
- Endurecimiento por solución sólida: Agregar W y Mo (con grandes radios atómicos, formando una fuerte unión con Fe) para mejorar la fuerza de unión entre los átomos de la matriz e inhibir el movimiento de las dislocaciones (por ejemplo, Mo puede aumentar la energía de activación de la fluencia de la matriz de hierro en más del 30%).
- Endurecimiento por precipitación: Agregar V, Nb, Ti, Ta, etc., para formar carburos/nitruros estables a alta temperatura (como VC, NbC) con C/N, fijando las dislocaciones y los límites de grano, e impidiendo la deformación por fluencia (por ejemplo, V en 12Cr1MoV forma VC, mejorando significativamente la resistencia a la fluencia).
- Estabilización de fase: Agregar Ni (8%-20%) para formar una matriz austenítica (más estable que la ferrita con bajo coeficiente de difusión), como el acero austenítico 310S (25%Cr-20%Ni) puede servir durante mucho tiempo por encima de 1000℃.
- Mejora del rendimiento de la fatiga térmica:
Agregar Mn y Ni para reducir el coeficiente de expansión térmica (por ejemplo, Incoloy 800H tiene un coeficiente de expansión térmica un 20% menor que el acero ferrítico debido a que contiene un 30% de Ni), o agregar Cu y Nb para mejorar la tenacidad del material (inhibiendo la propagación de grietas).
Regular la microestructura mediante tratamiento térmico para optimizar la cantidad, el tamaño y la distribución de las fases precipitadas y mejorar el rendimiento a alta temperatura.
- Tratamiento de solución + tratamiento de envejecimiento:
Adecuado para acero resistente al calor austenítico (por ejemplo, GH4169): El tratamiento de solución (1000-1100℃) hace que los elementos de aleación (Nb, Ti) se disuelvan uniformemente, y el tratamiento de envejecimiento (700-800℃) precipita la fase γ'' (Ni₃Nb) y la fase γ' (Ni₃Al), mejorando significativamente la resistencia a la fluencia mediante el endurecimiento por precipitación.
- Normalizado + Templado:
Adecuado para acero resistente al calor perlítico (por ejemplo, 12Cr1MoV): El normalizado (950-1050℃) obtiene una estructura de perlita fina, y el templado (750-800℃) elimina la tensión y estabiliza los carburos, evitando la esferoidización de la perlita a altas temperaturas a largo plazo (la esferoidización conducirá a una disminución de la resistencia de más del 50%).
- Tratamiento de recocido:
Se utiliza para eliminar la tensión de procesamiento (como la zona afectada por el calor después de la soldadura), refinar los granos y evitar el inicio de grietas por fatiga térmica.
Formar una capa protectora mediante la modificación de la superficie para aislar los medios de alta temperatura o mejorar el rendimiento de la superficie, compensando la deficiencia del rendimiento de la matriz.
- Aleación de superficie:
Aluminizado y cromado (como el tratamiento de aluminizado): Formar una capa enriquecida con Al₂O₃ o Cr₂O₃ (de 50 a 200μ;m de espesor) en la superficie del acero, lo que aumenta la temperatura de resistencia a la oxidación en 200-300℃ en comparación con la matriz (por ejemplo, el acero 20G aluminizado puede servir por encima de 800℃).
- Tecnología de recubrimiento:
Usando recubrimientos cerámicos de alta temperatura (como Al₂O₃, ZrO₂) o recubrimientos de compuestos intermetálicos (como NiAl), preparados por deposición física de vapor (PVD) o pulverización por plasma, que son tanto aislantes del calor como resistentes a la corrosión (la conductividad térmica del recubrimiento es solo 1/10-1/20 de la del acero).
- Fusión superficial por láser:
Calentar y enfriar rápidamente la superficie con un láser para formar una capa de grano fino o amorfa, mejorando la dureza y la resistencia al desgaste de la superficie, y reduciendo el desprendimiento de la cascarilla de óxido.
Optimizar el rendimiento a alta temperatura controlando microestructuras como el tamaño del grano y la composición de la fase.
- Optimización del tamaño del grano:
Los granos gruesos (con un área de límite de grano pequeña) pueden reducir el deslizamiento del límite de grano y mejorar la resistencia a la fluencia (por ejemplo, las palas de turbina que utilizan acero austenítico de grano grueso tienen un aumento del 30% en la vida útil por fluencia); los granos finos pueden mejorar la tenacidad y el rendimiento de la fatiga térmica (los límites de grano impiden la propagación de grietas, por ejemplo, los tubos del intercambiador de calor que utilizan acero ferrítico de grano fino tienen una extensión del 50% en la vida útil por fatiga térmica).
- Diseño de estructura dúplex:
Como el acero dúplex ferrita-austenita (por ejemplo, 2205), la ferrita proporciona una buena resistencia a la oxidación, la austenita proporciona alta resistencia, y tiene tanto resistencia a la corrosión como resistencia a la fluencia (el rango de temperatura aplicable es 100-150℃ más amplio que el del acero monofásico).
La falla del acero resistente al calor se debe principalmente a la corrosión por oxidación, la deformación por fluencia, las grietas por fatiga térmica y la degradación microestructural en entornos de alta temperatura. Su refuerzo requiere la cooperación de aleación (mejora del rendimiento esencial), tratamiento térmico (optimización de la estructura), refuerzo de la superficie (protección de aislamiento) y control de la microestructura (adaptación a los requisitos de servicio). Por ejemplo, los tubos de la caldera deben centrarse en el refuerzo de la resistencia a la oxidación y la resistencia a la fluencia (agregar Cr, Mo + aluminizado), mientras que los colectores de escape deben priorizar la mejora del rendimiento de la fatiga térmica (refinamiento del grano + aleación con bajo coeficiente de expansión).
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