Nghiên cứu ăn mòn ứng lực của một số loại thép không gỉ trong môi trường khí quyển chúa ion clorua

Luận văn Thạc sỹ KTHH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ kỹ thuật “Nghiên cứu ăn mòn ứng lực số loại thép không gỉ môi trường khí chứa ion clorua” công trình thực hướng dẫn khoa học PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng Các số liệu kết trình bày luận văn hoàn toàn xác, trung thực chưa công bố công trình khoa học khác Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Học viên Phạm Văn Nghĩa HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH Luận văn Thạc sỹ KTHH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng LỜI CẢM ƠN Đầu tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng – người thầy hướng dẫn bảo tận tình mặt khoa học, kỹ thực hành tạo điều kiện tốt giúp đỡ suốt thời gian tham gia nghiên cứu đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn Thạc sỹ Nguyễn Thị Thanh Nga đồng nghiệp trung tâm Đánh giá hư hỏng vật liệu, thầy cô giáo công tác Viện Kỹ thuật Hóa học, thầy cô giáo môn Công nghệ Điện hóa bảo vệ kim loại, đồng chí Trung tâm Đo lường - Viện Công nghệ - Tổng cục CNQP tạo điều kiện cho suốt thời gian thực luận văn Sau cùng, xin tỏ lòng biết ơn tới gia đình bạn bè, người bên động viên, giúp đỡ suốt thời gian học tập nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2016 Học viên thực Phạm Văn Nghĩa HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH Luận văn Thạc sỹ KTHH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT LỜI MỞ ĐẦU 10 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĂN MÒN ỨNG LỰC 12 1.1 Giới thiệu ăn mòn ứng lực 12 1.2 Điều kiện xảy ăn mòn ứng lực 13 1.3 Cơ chế ăn mòn ứng lực 15 1.4 SCC thép không gỉ môi trƣờng khí chứa ion Cl- (AISCC) 17 1.4.1 Đặc điểm AISCC 17 1.4.2 Qúa trình hình thành AISCC môi trường khí biển 18 1.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới AISCC 18 1.4.4 Một số nghiên cứu AISCC 22 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27 2.1 Vật liệu nghiên cứu 27 2.2 Phƣơng pháp thử nghiệm 28 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀO THẢO LUẬN 30 3.1 Thử nghiệm gia tốc phòng thí nghiệm 30 3.1.1 Thép 304 30 HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH Luận văn Thạc sỹ KTHH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng 3.1.2 Thép 316 31 3.2 Ảnh hƣởng nhiệt luyện hàm lƣợng ion Cl- sa lắng tới SCC 33 3.2.1 Thép 304 33 3.2.1.1 Mẫu không xử lý nhiệt .33 3.2.1.2 Mẫu có xử lý nhiệt .36 3.2.2 Thép 316 41 3.2.2.1 Mẫu không xử lý nhiệt .41 3.2.2.2 Mẫu có xử lý nhiệt .42 3.3 Ảnh hƣởng độ ẩm tới tốc độ phát triển vết nứt 45 3.3.1 Thép 304 46 3.3.1.1 Mẫu gia tốc dung dịch MgCl2 bão hòa .46 3.3.1.2 Mẫu gia tốc dung dịch NaCl bão hòa 52 3.3.2 Thép 316 56 3.4 Cơ chế lan truyền vết nứt 57 KẾT LUẬN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH Luận văn Thạc sỹ KTHH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Một số hệ vật liệu/môi trường nhạy SCC 14 Bảng 1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm đến SCC thép 304 23 Bảng 1.3 Ảnh hưởng nồng độ ion Cl- độ ẩm đến SCC thép 304 24 Bảng 1.4 Ảnh hưởng nồng độ ion Cl- nhiệt độ đến SCC thép 304 .25 Bảng 2.1 Thành phần thép không gỉ 304 316, % khối lượng 27 Bảng 2.2 Kích thước mẫu U-Bend theo tiêu chuẩn G30-97[15] .27 Bảng 3.1 Thông số khí hậu môi trường Đồ Sơn 33 Bảng 3.2 Tổng lượng ion Cl- sa lắng tỷ lệ thời gian khô/ướt Đồ Sơn 33 Bảng 3.3 Ảnh hưởng nồng độ ion Cl- sa lắng nhiệt luyện tới SCC mẫu thép 304 .40 Bảng 3.4 Ảnh hưởng nồng độ ion Cl- sa lắng nhiệt luyện tới SCC mẫu thép 316 .45 Bảng 3.5 Khoảng thời gian không khí có độ ẩm  40%, 40÷50%, 50÷60%, 60% nhiệt độ trung bình tương ứng 46 Bảng 3.6 Chiều dài tốc độ phát triển vết nứt mẫu thép 304 nhỏ dd MgCl2 BH sau tuần thử nghiệm .47 Bảng 3.7 Chiều dài tốc độ phát triển vết nứt mẫu thép 304 nhỏ dd NaCl bão hòa sau tuần thử nghiệm 52 Bảng 3.8 Sự phụ SCC vào nhiệt độ độ ẩm độ ẩm không khí mẫu thép 304 316 nhỏ muối MgCl2 NaCl BH .57 Bảng 3.9 Thành phần SPAM mặt gẫy vị trí biên hạt, % khối lượng 60 HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH Luận văn Thạc sỹ KTHH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Biểu đồ so sánh dạng ăn mòn .12 Hình 1.2 Điều kiện xảy SCC 13 Hình 1.3 Quá trình hình thành vết nứt .15 Hình 1.4 Vết nứt hình thành từ bậc trượt 16 Hình 1.5 Qúa trình hình thành vết nứt môi trường khí biển 18 Hình 1.6 Qúa trình hình thành giọt muối bão hòa 20 Hình 1.7 Sự phát triển bay hỗn hợp hạt muối 17,5°C 21 Hình 1.8 Sơ đồ giữ ẩm hạt bề mặt vật liệu 22 Hình 1.9 Mẫu thép 304 sau 400 thử nghiệm 80 °C, độ ẩm 40 %, lượng ion Cl- sa lắng bề mặt mẫu 400 µg/cm2, vết nứt SCC phát triển theo biên hạt 24 Hình 1.10 Vết nứt SCC thép SUS 304 35 oC sau tháng TN: mẫu xử lý nhiệt (a), (b) mẫu không xử lý nhiệt (c), (d), (e) mẫu hàn sau tháng TN .26 Hình 2.1 Tiêu chuẩn chế tạo mẫu U-Bend mẫu thử nghiệm .27 Hình 2.2 Kính hiển vi 3D Stemi DV4/Carl Zeis .28 Hình 2.3 Kính hiển vi quang học Axiovert 40MAT- Carl Zeis 28 Hình 2.4 Kính hiển vi điện tử quét JEOL-JSM 6490 .29 Hình 3.1 Bề mặt mẫu thép 304 sau 10 ngày thử nghiệm gia tốc, 50x .30 Hình 3.2 Bề mặt mẫu thép 304 nhỏ dd MgCl2 BH sau 20 ngày thử nghiệm 30 Hình 3.3 Bề mặt mẫu thép 304 nhỏ dd NaCl BH sau 20 ngày thử nghiệm .31 Hình 3.4 Bề mặt mẫu thép 316 sau 10 ngày thử nghiệm, 50x 31 Hình 3.5 Bề mặt mẫu thép 316 nhỏ dd MgCl2 BH sau 20 ngày thử nghiệm 32 Hình 3.6 Mẫu thép 316 nhỏ NaCl BH sau 20 ngày thử nghiệm 32 Hình 3.7 Bề mặt mẫu thép 304 không xử lý nhiệt 34 Hình 3.8 Bề mặt mẫu thép 304 không xử lý nhiệt không nhỏ muối sau tháng TN34 HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH Luận văn Thạc sỹ KTHH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng Hình 3.9 Bề mặt mẫu thép 304 không xử lý nhiệt nhỏ dung dịch NaCl BH sau tháng thử nghiệm .35 Hình 3.10 Bề mặt mẫu thép 304 không xử lý nhiệt nhỏ dung dịch MgCl2 BH sau tháng thử nghiệm .35 Hình 3.11 Bề mặt mẫu thép 304 không nhỏ muối sau tháng TN 36 Hình 3.12 Điểm gỉ lan truyền vết nứt bề mặt mẫu thép 304 không nhỏ muối sau tháng TN 36 Hình 3.13 Bề mặt mẫu thép 304 không nhỏ muối sau tháng TN, 200x 37 Hình 3.14 Bề mặt mẫu thép 304 nhỏ dd NaCl BH sau tháng TN 37 Hình 3.15 Bề mặt mẫu thép 304 nhỏ muối MgCl2 sau tháng TN 38 Hình 3.16 Ảnh hiển vi kim tương bề mặt mẫu thép 304 sau tháng TN, 200x .38 Hình 3.17 Bề mặt mẫu thép 304 nhỏ dd NaCl BH sau tháng TN, 200x 39 Hình 3.18 Bề mặt mẫu thép 304 nhỏ dd MgCl2 BH sau tháng TN, 200x .39 Hình 3.19 Bề mặt mẫu thép 316 không xử lý sau 1, tháng TN 41 Hình 3.20 Mẫu thép 316 không xử lý nhiệt, không nhỏ muối sau tháng TN, 10x.41 Hình 3.21 Bề mặt thép 316 không xử lý nhiệt, nhỏ dd NaCl BH sau tháng TN 42 Hình 3.22 Bề mặt thép 316 không xử lý nhiệt, nhỏ dd MgCl2 BH sau tháng TN 42 Hình 3.23 Bề mặt mẫu thép 316 xử lý nhiệt sau tháng TN 43 Hình 3.24 Mẫu thép 316 xử lý nhiệt không nhỏ muối sau tháng TN, 50x 43 Hình 3.25 Bề mặt mẫu thép 316 xử lý nhiệt nhỏ dd NaCl BH 44 Hình 3.26 Bề mặt mẫu thép 316 xử lý nhiệt nhỏ dd MgCl2 BH .44 Hình 3.27 Tốc độ phát triển vết nứt mẫu thép 304 nhỏ dung dịch MgCl2 BH sau tuần thử nghiệm 47 Hình 3.28 Biến thiên tốc độ phát triển vết nứt thời gian không khí có độ ẩm khác nhau; mẫu thép 304 nhỏ dd MgCl2 BH 47 Hình 3.29 Bề mặt thép 304 nhỏ MgCl2 BH bị SCC tuần 3, 50x 48 Hình 3.30 Bề mặt thép 304 nhỏ dd MgCl2 BH bị SCC tuần 4, 50x 48 HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH Luận văn Thạc sỹ KTHH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng Hình 3.31 Bề mặt thép 304 nhỏ dd MgCl2 BH bị SCC tuần 6, 50x 49 Hình 3.32 Bề mặt thép 304 nhỏ dd MgCl2 BH bị SCC tuần 8, 50x 49 Hình 3.33 Bề mặt thép 304 nhỏ dd MgCl2 BH bị SCC tuần 10, 50x .50 Hình 3.34 Hình ảnh mặt gẫy mẫu thép 304 nhỏ dd MgCl2 BH sau 15 tuần TN 51 Hình 3.35 Tốc độ phát triển vết nứt mẫu thép 304 nhỏ dd NaCl BH sau tuần TN 52 Hình 3.36 Biến thiên tốc độ phát triển vết nứt thời gian không khí có RH khác mẫu thép 304 nhỏ NaCl BH 53 Hình 3.37 Bề mặt thép 304 nhỏ dung dịch NaCl BH bị SCC tuần 3, 50x 53 Hình 3.38 Bề mặt thép 304 nhỏ dd NaCl BH bị SCC tuần 4, 50x 54 Hình 3.39 Bề mặt thép 304 nhỏ dd NaCl BH bị SCC tuần 6, 50x 54 Hình 3.40 Bề mặt thép 304 nhỏ dung dịch NaCl BH bị SCC tuần 7, 50x .55 Hình 3.41 Bề mặt thép 316 nhỏ MgCl2 BH bị SCC sau 16 tuần thử nghiệm 56 Hình 3.42 Sự hình thành phát triển vết nứt mẫu thép 304 58 Hình 3.43 Hình ảnh bề mặt vết nứt thép 304 nhỏ dd MgCl2 BH kính hiển vi quang học 58 Hình 3.44 Hình ảnh bề mặt vết nứt thép 304 nhỏ dd NaCl BH kính hiển vi quang học 58 Hình 3.45 Mặt gẫy mẫu thép 304 nhỏ dd NaCl MgCl2 BH 59 Hình 3.46 Hình ảnh bề mặt mẫu 304 nhỏ dd MgCl2 BH bị SCC chụp SEM 59 Hình 3.47 Hình ảnh vị trí phân tích SPAM đường phổ tán xạ tia X 60 HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH Luận văn Thạc sỹ KTHH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT SCC - Stress Corrosion Cracking - ăn mòn ứng lực AISCC, ASCC - Atmospheric Induced Stress Corrosion Cracking - ăn mòn ứng lực khí RH - Relative Humidity - Độ ẩm tương đối RHsat, RHcrit, DRH - Deliquescence Relative Humidity - Độ ẩm chảy rữa ERH - Efflorescence Relative Humidity - Độ ẩm phấn hóa (trương nở) SEM - Scanning Electron Microscope - Hiển vi điện tử quét EDS - Energy Dispersive X-ray Spectroscopy - Nhiễu xạ tia X dd - dung dịch BH - Bão hòa TN - Thử nghiệm X - Lần HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH Luận văn Thạc sỹ KTHH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng LỜI MỞ ĐẦU Trên giới có nhiều công trình nghiên cứu gẫy ăn mòn ứng lực loại vật liệu/môi trường khác Gần ăn mòn ứng lực thép không gỉ 304 316 môi trường khí biển bắt đầu nghiên cứu phần lớn nhằm tập trung giải hư hỏng bồn chứa nhiên liệu thải nhà máy điện hạt nhân hư hỏng trần tòa nhà bể bơi Trước đây, phần lớn nghiên cứu ăn mòn ứng lực thép không gỉ tập trung môi trường dung dịch chứa ion Cl- với nhiệt độ >50-60oC Tuy nhiên, nhiều cố tai nạn xảy ăn mòn ứng lực thiết bị vận hành điều kiện nhiệt độ không cao nhiệt độ môi trường không khí xung quanh, đặc biệt điều kiện khí biển/ven biển, tích tụ ion Cl- bề mặt vật liệu vị trí tập trung ứng suất (mối hàn, khuyết tật trình gia công nguội, góc nhọn sắc…) đạt đến nồng độ tới hạn, gây xuất vết nứt, sau lan truyền dần dẫn đến gẫy chi tiết Vì vậy, nghiên cứu SCC thép không gỉ môi trường khí ven biển giới quan tâm nhằm giảm thiểu tai nạn, ngăn chặn rò rỉ phóng xạ, đảm bảo an toàn nhà máy điện hạt nhân Tại Việt Nam, nay, công trình nghiên cứu ăn mòn ứng lực thép 304 316 hạn chế có vài công bố ăn mòn ứng lực thép không gỉ SUS 304 316 dung dịch chứa ion Cl- PGS.TS Lê Thị Hồng Liên, ThS Nguyễn Thị Thanh Nga Kỹ sư Phạm Văn Nghĩa đăng tải tạp chí Khoa học Công nghệ, chưa có công trình nghiên cứu đầy đủ gẫy ăn mòn ứng lực thép không gỉ môi trường khí chứa ion Cl- Do đó, học viên lựa chọn đề tài nghiên cứu tốt nghiệp Thạc sỹ với tiêu đề: “Nghiên cứu ăn mòn ứng lực số loại thép không gỉ môi trường khí chứa ion clorua” HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH 10 Luận văn Thạc sỹ KTHH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng Trong tuần 4, khoảng thời gian không khí có độ ẩm ≤ 60% tăng mạnh (90,3 giờ), gần 1,5 lần số có ẩm ≤ 60% tuần (bảng 3.5) tạo điều kiện cho vết nứt phát triển nhanh Chiều dài vết nứt đo sau tuần 1,83 mm (hình 3.30), tốc độ phát triển vết nứt tuần cao đạt 1,05 mm/tuần Trong tuần tuần tốc độ phát triển vết nứt đạt 0,34 mm/tuần 0,44 mm/tuần (bảng 3.6) a) tuần b) tuần Hình 3.31 Bề mặt thép 304 nhỏ dd MgCl2 BH bị SCC tuần 6, 50x Trong tuần tuần 6, SCC tiếp tục phát triển chậm so với tuần 4, tốc độ phát triển vết nứt khoảng 0,6mm/tuần (hình 3.31), khoảng thời gian không khí có độ ẩm ≤ 60 % ngắn, đạt tương ứng 51,3 40,1 a) tuần b) tuần Hình 3.32 Bề mặt thép 304 nhỏ dd MgCl2 BH bị SCC tuần 8, 50x HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH 49 Luận văn Thạc sỹ KTHH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng Trong tuần 7, có mưa nhiều, khoảng thời gian không khí có độ ẩm ≤ 60 % ngắn, đạt 30,8 giờ, nhiệt độ không khí vết nứt không phát triển (hình 3.32.a) Trong tuần 8, khoảng thời gian không khí có độ ẩm ≤ 60 % tăng so với tuần 7, đạt 40,6 giờ, đồng thời, nhiệt độ không khí trung bình tương ứng khoảng thời gian có ẩm ≤ 60 % cao hơn, đạt 38,6 °C, nên vết nứt tiếp tục phát triển (0,24 mm/tuần) Sau tuần 8, vết nứt theo dõi nối với vết nứt khác, việc theo dõi tốc độ phát triển vết nứt tiếp tục Hình 3.33 Bề mặt thép 304 nhỏ dd MgCl2 BH bị SCC tuần 10, 50x Trong tuần 10, khoảng thời gian không khí có độ ẩm ≤ 60% tương ứng tăng lên, đạt 57,9 64,0 giờ, tạo điều kiện cho SCC tiếp tục phát triển vết nứt khác chiều rộng chiều sâu Sau 10 tuần, vết nứt phát triển chiều sâu tới giá trị định kết hợp với ứng suất kéo đủ lớn, mẫu bị gẫy phần Vị trí gẫy chỗ liên kết yếu nhất, thường gặp hai bên mép mẫu thử nghiệm (hình 3.33) Trong tuần 11, SCC tiếp tục phát triển, nhiên tốc độ phát triển vết nứt chưa đủ lớn dẫn đến gẫy hoàn toàn Trong tuần 12 thời gian không khí có độ ẩm ≤ 60 % tăng cao (44,9 giờ), tuần mẫu tiếp tục gẫy Tiếp tục vậy, điều kiện nhiệt độ-độ ẩm môi trường không khí kết hợp với ứng suất kéo, sau 15 tuần mẫu gẫy hoàn toàn (hình 3.34) HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH 50 Luận văn Thạc sỹ KTHH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng a) 10x b) 16x Hình 3.34 Hình ảnh mặt gẫy mẫu thép 304 nhỏ dd MgCl2 BH sau 15 tuần TN Có thể coi tốc độ phát triển vết nứt hàm đa biến khoảng thời gian không khí có độ ẩm nêu trên: y (μm/tuần) = a* RH≤40 + b*RH40÷50 + c*RH50÷60 + d Trong đó: y – tốc độ phát triển vết nứt, μm/tuần RH≤40 - Thời gian không khí có độ ẩm ≤ 40% RH40÷50 - Thời gian không khí có độ ẩm từ 40% đến 50% RH50÷60 - Thời gian không khí có độ ẩm từ 50% đến 60% Các số liệu tốc độ phát triển vết nứt khoảng thời gian ẩm xử lý hồi quy chương trình Statgraphic, từ thu mối quan hệ phụ thuộc tốc độ phát triển vết nứt khoảng thời gian ẩm sau: y(μm/tuần) = 8,09*TRH≤40 + 42,40*RH40÷50 - 17,44*RH50÷60 + 8,91 (1) Từ phương trình (1) thấy rằng, thời gian không khí có độ ẩm ≤ 40 % 40% đến 50% dài tốc độ phát triển vết nứt tăng, nhiên thời gian không khí có độ ẩm từ 50% ÷ 60% dài lại làm giảm tốc độ phát triển vết nứt, nói tốc độ phát triển vết nứt tỷ lệ thuận với thời gian không khí có độ ẩm ≤40% 40% ÷ 50% tỷ lệ nghịch với thời gian không khí có độ ẩm từ 50% ÷ 60%, điều giải thích tuần vết nứt không phát triển HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH 51 Luận văn Thạc sỹ KTHH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng thời gian không khí có độ ẩm từ 50% ÷ 60% dài gần gấp đôi thời gian không khí có độ ẩm ≤40% 40% ÷ 50%, làm cản trở trình phát triển vết nứt 3.3.1.2 Mẫu gia tốc dung dịch NaCl bão hòa Các kết nghiên cứu giới cho thấy rằng: thép 304 nhạy ăn mòn ứng lực khoảng nhiệt độ gần 40 °C, với việc gia tốc SCC muối NaCl SCC xảy mãnh liệt độ ẩm ≤ 60%, trong phần thử nghiệm quan tâm tới khoảng thời gian không khí có độ ẩm ≤60% tương ứng với nhiệt độ không khí xung quanh từ 33 °C đến 43 °C Hàng tuần, mẫu thử nghiệm quan sát, chụp ảnh đo chiều dài vết nứt, tính tốc độ phát triển vết nứt, kết trình bày bảng 3.7 hình 3.35 Bảng 3.7 Chiều dài tốc độ phát triển vết nứt mẫu thép 304 nhỏ dd NaCl bão hòa sau tuần thử nghiệm Tuần Chiều dài vết nứt (mm) 0,25 0,88 1,82 2,38 2,72 2,80 Tốc độ vết nứt phát triển, mm/tuần 0,25 0,63 0,94 0,56 0,34 0,08 Hình 3.35 Tốc độ phát triển vết nứt mẫu thép 304 nhỏ dd NaCl BH sau tuần TN HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH 52 Luận văn Thạc sỹ KTHH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng Hình 3.36 Biến thiên tốc độ phát triển vết nứt thời gian không khí có RH khác mẫu thép 304 nhỏ NaCl BH Từ hình 3.36 cho thấy biến thiên tốc độ phát triển vết nứt biến thiên khoảng thời gian không khí có độ ẩm (≤40 %, từ 40 % đến 50 %, từ 50 % đến 60 %), tỷ lệ với Trong tuần đầu khoảng thời gian không khí có độ ẩm ≤ 60% 41,8 giờ, tương ứng với nhiệt độ trung bình khoảng thời gian 35,4 °C, mẫu bị ăn mòn cục bề mặt, khởi đầu cho SCC a) tuần b) tuần Hình 3.37 Bề mặt thép 304 nhỏ dung dịch NaCl BH bị SCC tuần 3, 50x HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH 53 Luận văn Thạc sỹ KTHH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng Trong tuần 2, số điểm ăn mòn xuất vết nứt Trong tuần 3, khoảng thời gian không khí có độ ẩm ≤ 60% tăng lên, đạt 68,3 giờ, kết hợp với nhiệt độ trung bình tương ứng khoảng thời gian cao ( 39,2 °C), bề mặt mẫu có nhiều vết nứt, vết nứt dài đo 0,88 mm (hình 3.37) Hình 3.38 Bề mặt thép 304 nhỏ dd NaCl BH bị SCC tuần 4, 50x Trong tuần khoảng thời gian không khí có độ ẩm ≤ 60% dài (90,3 giờ), trung bình ngày nửa thời gian không khí có độ ẩm ≤60%, kết hợp nhiệt độ trung bình tương ứng khoảng thời gian tương đối cao (38,4 °C), vết nứt phát triển nhanh, chiều dài vết nứt đạt 1,82mm (hình 3.35) tương đương với tốc độ phát triển vết nứt đạt lớn (0,94 mm/tuần) lớn gấp lần tốc độ phát triển vết nứt tuần (0,44 mm/tuần) a) tuần b) tuần Hình 3.39 Bề mặt thép 304 nhỏ dd NaCl BH bị SCC tuần 6, 50x HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH 54 Luận văn Thạc sỹ KTHH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng Trong tuần tuần khoảng thời gian không khí có độ ẩm ≤ 60 % giảm xuống so với tuần 4, 51,3 40,1 kết hợp với nhiệt độ trung bình khoảng thời gian 37,3 °C 36,8 °C, vết nứt bề mặt mẫu tiếp tục phát triển với tốc độ nhỏ hơn, (tương ứng 0,56 mm/tuần 0,34 mm/tuần hình 3.39) Hình 3.40 Bề mặt thép 304 nhỏ dung dịch NaCl BH bị SCC tuần 7, 50x Trong tuần khoảng thời gian không khí có độ ẩm ≤ 60 % ngắn 30,8 giờ, tốc độ phát triển vết nứt giảm 0,08 mm/tuần (hình 3.40), tuần tất vết nứt nối liền với Sau tuần 7, điều kiện không khí có nhiệt độ độ ẩm thuận lợi để vết nứt phát triển chiều sâu, đến tuần 13 vết nứt phát triển tới chiều sâu định, kết hợp ứng suất kéo đủ lớn làm gẫy mẫu Các số liệu tốc độ phát triển vết nứt khoảng thời gian ẩm xử lý hồi quy chương trình Statgraphic, từ thu mối quan hệ phụ thuộc tốc độ phát triển vết nứt khoảng thời gian ẩm sau: y (μm/tuần) = 11,26*RH≤40 + 30,65*RH40÷50 - 7,33*RH50÷60 -79,80 (2) Từ phương trình (2) cho thấy, tốc độ phát triển vết nứt tỷ lệ thuận với thời gian không khí có độ ẩm ≤40% từ 40% đến 50% tỷ lệ nghịch với thời gian không khí có độ ẩm từ 50% đến 60%, thời gian không khí có độ ẩm từ 50% đến 60% dài làm kìm hãm trình phát triển vết nứt HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH 55 Luận văn Thạc sỹ KTHH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng 3.3.2 Thép 316 Các mẫu thép 316 được xử lý nhiệt tăng độ nhạy SCC, uốn U-Ben tạo ứng suất Các mẫu nhỏ dung dịch muối MgCl2 NaCl BH để gia tốc cho SCC Thử nghiệm thời kỳ với mẫu théo 304 Mẫu không nhỏ muối thử nghiệm song song để so sánh Hình 3.41 Bề mặt thép 316 nhỏ MgCl2 BH bị SCC sau 16 tuần thử nghiệm Sau 16 tuần thử nghiệm, mẫu không nhỏ muối không xảy ăn mòn cục bề mặt mẫu Sau 16 tuần thử nghiệm, mẫu nhỏ muối MgCl2 NaCl bão hòa xuất ăn mòn điểm bề mặt, khởi đầu cho SCC (hình 3.41) So sánh kết thử nghiệm khí Đồ Sơn Hà Nội rằng: khí Đồ Sơn có nhiệt độ độ ẩm trung bình 27,5 °C 84,8 %, SCC xảy sau tháng thử nghiệm, điều kiện khí Hà Nội có nhiệt độ độ ẩm trung bình 32 °C 71%, SCC xảy sau tuần thử nghiệm Điều chứng tỏ nhiệt độ không khí tăng, độ ẩm không khí giảm, ăn mòn ứng lực dễ dàng xảy HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH 56 Luận văn Thạc sỹ KTHH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng Tóm tắt ảnh hưởng nhiệt độ-độ ẩm tới trình xuất SCC tốc độ phát triển vết nứt mẫu thép không gỉ 304 316 xử lý nhiệt điều kiện khí Hà Nội, trình bày bảng 3.8 Bảng 3.8 Sự phụ SCC vào nhiệt độ độ ẩm độ ẩm không khí mẫu thép 304 316 nhỏ muối MgCl2 NaCl BH Thời điểm xuất ăn mòn cục Thời điểm xảy nứt Thép 304 Mẫu nhỏ MgCl2 BH Mẫu nhỏ NaCl BH Mẫu nhỏ MgCl2 BH Mẫu nhỏ NaCl BH tuần Tuần Tốc độ vết nứt phát triển trung bình, mm/tuần Mẫu nhỏ MgCl2 BH 0,46 Mẫu nhỏ NaCl BH 0,47 Thời điểm ngừng lan truyền vết nứt Mẫu nhỏ MgCl2 BH Tuần Mẫu nhỏ NaCl BH Tuần Mẫu nhỏ MgCl2 BH Tuần 10 Mẫu nhỏ NaCl BH Tuần 13 Thời điểm xuất gẫy Mẫu không gia tốc nhỏ muối không xảy ăn mòn sau 16 tuần TN Thép 316 Mẫu gia tốc nhỏ muối MgCl NaCl BH Sau 16 tuần TN xuất ăn mòn điểm bề mặt mẫu Mẫu không gia tốc nhỏ muối Không xảy ăn mòn sau 16 tuần TN 3.4 Cơ chế lan truyền vết nứt Để xác định chế lan truyền vết nứt, bề mặt mẫu quan sát kính hiển vi soi nổi, từ lúc bắt đầu xuất ăn mòn điểm đến vết nứt nối liền Các hinh ảnh cho thấy: bề mặt xuất nhiều vết nứt khác nhau, vết nứt phát triển theo hướng vuông góc với ứng suất kéo (hình 3.42) Quan sát bề mặt mẫu vị trí vết nứt kính hiển vi quang học cho thấy vết nứt phát triển theo biên hạt (hình 3.43, hình 3.44) HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH 57 Luận văn Thạc sỹ KTHH a) Mẫu nhỏ dd NaCl BH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng b) Mẫu nhỏ dd MgCl2 BH Hình 3.42 Sự hình thành phát triển vết nứt mẫu thép 304 Hình 3.43 Hình ảnh bề mặt vết nứt thép 304 nhỏ dd MgCl2 BH kính hiển vi quang học Hình 3.44 Hình ảnh bề mặt vết nứt thép 304 nhỏ dd NaCl BH kính hiển vi quang học HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH 58 Luận văn Thạc sỹ KTHH a) Mẫu nhỏ muối NaCl BH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng b) Mẫu nhỏ muối MgCl2 BH Hình 3.45 Mặt gẫy mẫu thép 304 nhỏ dd NaCl MgCl2 BH Quan sát mặt cắt ngang mẫu vị trí gẫy kính hiển vi quang học cho ta thấy vết nứt lan truyền theo biên hạt (hình 3.45) Cơ chế lan truyền vết nứt theo biên hạt nhận biết rõ quan sát mặt gẫy mẫu kính hiển vi điện tử quét (hình 3.46a) – hạt bị tách rời biên hạt bị ăn mòn Đồng thời, nhiều sản phẩm ăn mòn tìm thấy mặt gẫy (hình 3.46b) Khi phân tích sản phẩm ăn mòn phổ tán xạ tia X (EDS), tìm thấy nguyên tố Clo sản phẩn ăn mòn Đây tác nhân gây SCC cho mẫu thép 304 (hình 3.47 bảng 3.9) a) b) Hình 3.46 Hình ảnh bề mặt mẫu 304 nhỏ dd MgCl2 BH bị SCC chụp SEM HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH 59 Luận văn Thạc sỹ KTHH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng 1000 003 Ni ONi Fe Fe Mn Cr 900 800 Counts 700 600 500 400 300 200 003 Mn Fe Cr Mn Cr Cl S Al P S Cl Na Si P Cl MnKesc S Fe Ni Ni 100 0.00 20 µm 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV Hình 3.47 Hình ảnh vị trí phân tích SPAM đường phổ tán xạ tia X Bảng 3.9 Thành phần SPAM mặt gẫy vị trí biên hạt, % khối lượng Nguyên tố P O Si Cl Cr Fe Ni Mg Thành phần, % 0,18 7,29 0,38 0.20 20,04 62,08 5,90 1,61 HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH 60 Luận văn Thạc sỹ KTHH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng KẾT LUẬN - Trong điều kiện thử nghiệm, mẫu thép nhạy hóa (xử lý nhiệt) nhạy ăn mòn ứng lực so với mẫu không nhạy hóa Điều có nghĩa thực tế SCC dễ xảy với mối hàn - SCC khí xảy bề mặt thép không gỉ tích tụ đủ lượng ion Cl- (khoảng 778,3 mg/m2 với mẫu không gia nhiệt 274,7 mg/m2 với mẫu gia nhiệt) - Trong điều kiện không khí có nhiệt độ cao (khoảng 40°C), độ ẩm thấp (≤50%), ăn mòn ứng lực dễ xảy với thép không gỉ Vì chi tiết thép không gỉ làm việc môi trường khí ven biển có nguy cao bị phá hủy SCC thời kỳ không khí có nhiệt độ cao, độ ẩm thấp (mùa hè, trưa, khu vực khô, mưa…) - Tốc độ lan truyền vết nứt gia tốc chu kỳ không khí có độ ẩm thấp (≤50%), bị hạn chế chu kỳ không khí có độ ẩm cao (50%÷60%) - Thép 304 nhạy ăn mòn ứng lực thép 316 - Cơ chế lan truyền vết nứt lan truyền theo biên hạt Kiến nghị: Các kết kết ban đầu, mang tính định hướng Để hiểu rõ phòng ngừa SCC điều kiện khí quyển, cần có nghiên cứu sâu ảnh hưởng điều kiện khí riêng biệt, ảnh hưởng tải động/tĩnh đến trình xuất vết nứt, lan truyền vết nứt dẫn đến gẫy chi tiết HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH 61 Luận văn Thạc sỹ KTHH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng TÀI LIỆU THAM KHẢO T.Prosek, A.Iversen, C.Taxén, and D.Thierry (2009), “Low Temperature Stress Corrosion Cracking of Stainless Steels in the Atmosphere in the Presence of Chloride Deposits”, Corrosion -Vol 56, pp 105-117 HSE (2011), Chloride stress corrosion cracking in austenitic stainless steel, Prepared by the Health and Safety Laboratory for the Health and Safety Executive, Harpur Hill Buxton, Derbyshire CERCO (2007), Literature Review of Atmospheric Stress Corrosion Cracking of Stainless Steels Report to Nirex, Serco Assurance, Culham Science Centre, Abingdon, Oxfordshire Anthony Cook et al (2011) “Atmospheric-induced stress corrosion cracking of austenitic stainless steels under limited chloride supply”, 18th International Corrosion Congress Yin Jin Janin (2013), Characterisation Investigation of Residual Stress and of Environmental Effect on Atmospheric-Induced Stress Corrosion Cracking of Austenitic Steel Nuclear Waste Containers, The University of Manchester John Wintle, Yin Jin Janin, and Stuart Lyon (2013),“Investigations on the susceptibility to atmospheric-induce stress corrosion cracking of austenitic stainless steel nuclear structures”, Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology, Division IX OM.Wataru, K.Shirai, J.Tani, H.Takeda, T.Fujii, S.Eto and T.Saegusa (2015), CRIEPI’s Studies on the SCC of the Canister for Spent Nuclear Fuel, Central Research Institute of Electric Power, IAEA, Vienna J.W.Fielder, B.A.Hobson, M.L.Pickett (1990), The stress corrosion cracking behaviour of stainless steel at temperatures below 50 °C, British Steel plc, Albert Embankment London SE1 7SN United Kingdom Trương Ngọc Liên (2002), Ăn Mòn Và Bảo Vệ Kim Loại, Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật, Hà Nội HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH 62 Luận văn Thạc sỹ KTHH GVHD: PGS.TS Lê Thị Hồng Liên PGS.TS Mai Thanh Tùng 10 http://corroisioncost.com, truy nhập cuối ngày 05/03/2016 11 The National Corrosion Service (1982), Stress Corrosion Cracking, National Physical Laboratory, Queens Road 12 http://www.metalimprovement.com/stress_corrosion_cracking.php, truy nhập cuối ngày 05/03/2016 13 Russell H Jones (1992), “Mechanisms of Stress-Corrosion Cracking” Stress corrosion cracking–materials performance and evaluation, CHAPTER 1, pp.1-40 14 Xihua He, Roberto Pabalan…(2014) “Stress Corrosion Cracking of Type 304 Stainless Steel Exposed to atmospheric Ammonium Nitrate and Sodium Chloride Mixtures”, Nace 2014 paper, pp.1-14 15 ASTM G30-97: Standard Practice for making and Using U-Bend StressCorrosion Test Specimens, ASTM International, West Conshohocken 16 Xihua He, Todd S Mintz, Roberto Pabalan, Larry Miller, Greg Oberson (2014) Assesment of stress corrosion cracking Susceptibility for austenitic Stainless Steels exposed to atmospheric chloride and non-chloride salts, Center for Nuclear Waste Regulatory Analyses Southwest Research Institute, 6220 Culebra Road San Antonio HVTH: Phạm Văn Nghĩa - 14BKTHH 63 ...  Nghiên cứu ảnh hưởng hàm lượng ion Cl- sa lắng đến ăn mòn ứng lực thép không gỉ 304 316 môi trường khí chứa ion Cl-  Nghiên cứu ảnh hưởng xử lý nhiệt đến độ nhạy ăn mòn ứng lực thép không gỉ. .. QUAN VỀ ĂN MÒN ỨNG LỰC 12 1.1 Giới thiệu ăn mòn ứng lực 12 1.2 Điều kiện xảy ăn mòn ứng lực 13 1.3 Cơ chế ăn mòn ứng lực 15 1.4 SCC thép không gỉ môi trƣờng khí chứa... Tùng khí chứa ion Cl- kết luận ăn mòn ứng lực xảy với hai loại thép độ ẩm thấp (~ 30%), nhiệt độ ~ 40 °C Tương tự, Tani cộng thử nghiệm mô ăn mòn ứng lực thép không gỉ 304 khí quyển, môi trường