5. Phương pháp nghiên cứu
3.2. Tính chất cơ lý & hóa học của thép P91
Khi hàn thép P91, có một tính chất đặc trưng là: Mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt thường có cơ tính cao sau khi hàn, tuy nhiên tính dẻo của kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) có thể được cải thiện đáng kể khi làm việc ở nhiệt độ cao thông qua xử lý nhiệt sau khi hàn (PWHT). Bởi vậy, khi kiểm tra độ bền kéo của kim loại mối hàn thường vượt so với kim loại cơ bản, và mối hàn khi kéo thường bị đứt ở phía kim loại cơ bản gần vùng ảnh hưởng nhiệt.
Khi làm việc ở nhiệt độ thấp, ảnh hưởng của nhiệt độ ram đến độ cứng của kim loại cơ bản, kim loại mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt được thể hiện như trong
hình 3.0.2. Nhìn từ hình vẽ ta có thể thấy, độ cứng ở kim loại mối hàn cao hơn so với vùng ảnh hưởng nhiệt.
Hình 3.0.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ ram đến độ cứng của VAHN, KLCB và KLMH
Khi làm việc ở nhiệt độ cao (500 – 600 oC), các tính chất của thép P91 và mối hàn cần được quan tâm đặc biệt. Tuy độ bền kéo ở nhiệt độ cao không phản ảnh điều kiện làm việc của kim loại mối hàn cho thép P91 vì nó chỉ phản ảnh trong thời gian ngắn khi thử nghiệm, nhưng nó cung cấp thông tin để so sánh giữa độ bền của kim loại cơ bản và kim loại mối hàn trong khi kiểm tra cơ tính. Trong hình số 3.0.3 thể hiện giới hạn chảy của KLMH so sánh với yêu cầu của KLCB khi làm việc ở dải nhiệt độ cao từ 500 – 650 oC. Ví dụ: Xét ở 550 oC, nếu yêu cầu độ bền của KLCB là 270 MPa thì giới hạn chảy 0,2% luôn thỏa mãn.
Hình 3.0.3: Giới hạn chảy của KLCB và KLMH khi làm việc ở nhiệt độ cao [7]
Xét về độ bền nhão (creep properties) của thép P91 khi làm việc ở nhiệt độ cao, Người ta sử dụng phép thử kiểm tra ứng suất phá hủy (stress rupture test) cho kim loại mối hàn. Các phép thử và nghiên cứu chỉ ra rằng, trong kim loại mối hàn có chứa hàm lượng C+Nb+N quá thấp hoặc Mn+Ni quá cao (>2%) thì sẽ dẫn đến ứng suất phá hủy thấp. Trong hình số 3.0.4 chỉ ra kết quả thử nghiệm ứng suất phá hủy cho KLMH ở 550-660 oC cho một số loại quá trình hàn, phép thử diễn ra trong suốt 20.000 giờ. Qua rất nhiệt phép thử và tổng kết của các nhà nghiên cứu, thì phá hủy nhão của liên kết hàn khi hàn thép P91 thì thường xảy ra ở kim loại cơ bản [7].
Hình 3.0.4: Kết quả thử ứng suất phá hủy trong khoảng 550 – 660 oC, và 20.000 giờ [7]
Hình 3.0.5: Các đặc điểm về ứng suất phá hủy trong liên kết hàn [7]
Người ta nhận thấy rằng, phá hủy của kết cấu hàn sẽ được kiểm soát triệt để bởi ứng xử của VAHN, nhưng hiện chưa có một sự thống nhất nào về phướng án lựa chọn tối ưu của thành phần kim loại mối hàn và độ bền để trì hoãn sự hỏng hóc từ đó
kéo dài được tuổi thọ của kết cấu. Qua nhiều thí nghiệm, đã chứng tỏ việc bổ sung thêm các nguyên tố Nb, V, Si và N vào trong kim loại mối hàn sẽ giúp cải thiện độ bền nhão của thép ở nhiệt độ cao. Thành phần hóa học cân bằng sẽ cản trở việc hình thành pha Delta Ferit để tạo thành tổ chức hoàn toàn Mactenxit góp phần tạo ra được cả độ dẻo và độ bền nhão tối ưu nhất. Tuy nhiên, nhiệt độ nung của tổ chức pha Mactenxit ảnh hưởng lớn tới độ dai va đập của thép. Vì vậy, việc lựa chọn chế độ nung (nhiệt độ nung và thời gian nung) sẽ rất quan trọng, và ảnh hưởng trực tiếp đến cơ tính và khả năng làm việc của kết cấu.
Theo các tiêu chuẩn về vật liệu của AWS có khuyến cáo, PWHT cho thép P91 trong dải từ 745 – 770 oC trong 2 giờ. Theo các tiêu chuẩn của BS EN ISO thì khuyến cáo nên PWHT trong dải 750 – 770 oC trong từ 2-3 giờ. Mộ điều rất quan trọng đó là không cần phải nung mối hàn tới nhiệt độ quá cao, vì sẽ dẫn đến chuyển biến pha Austenit, hình thành nên tổ chức pha martensit không hoàn toàn ảnh hưởng đến độ bền, độ dẻo dai mong muốn.
Việc lựa chọn loại quá trình hàn cũng có ảnh hưởng đáng kể đến độ dai va đập của kim loại mối hàn vì tác động của thuốc hàn và khí bảo vệ. Với phương pháp hàn TIG, bảo vệ bởi argon sẽ cho mối hàn có độ dai va đập lớn nhất vì hàm lượng oxy có trong kim loại mối hàn (khoảng 100-200 ppm) chỉ bằng ¼ so hàm lượng oxy sinh ra trong thuốc hàn của các phương pháp hàn SMAW, FCAW và SAW (khoảng 400-800 ppm). Đối với phương pháp hàn MIG thì khá phức tạp, hình 3.6 thể hiện sự ảnh hưởng của hàm lượng oxy trong kim loại mối hàn đến độ dai va đập. Từ đây, có thể sơ bộ lựa chọn được hàm lượng oxy cho phép trong mối hàn để có được độ dai va đập yêu cầu.
Hình 3.0.6: ảnh hưởng của hàm lượng oxy trong mối hàn đến độ dai va đập [7]
Thành phần hóa học của thép P91 được thể hiện như trong bảng 3.0.1. Yếu tố cơ bản quyết định lựa chọn vật liệu hàn chính là thành phần hóa học của vật liệu cơ bản và điều kiện làm việc của kết cấu. Thông thường, vật liệu hàn được lựa chọn phải tạo ra lớp kim loại đắp có thành phần hóa học và cơ tính tối thiểu bằng hoặc hơn với vật liệu cơ bản và phải thỏa mãn được khả năng chống gỉ hoặc oxi-hóa nếu kết cấu yêu cầu.
So với các loại thép khác như P22/ P21, P5, P7, P9…Ngoài thành phần chính là Cr-Mo, Thép P91 được bổ sung thêm hàm lượng nhỏ của một số các nguyên tố như Vanadi, Niobi và Ni-tơ với mục đích cải thiện cơ tính và khả năng chịu mài mòn khi làm việc ở nhiệt độ cao, nhưng tính hàn vẫn giống với các nhóm thép hợp kim Cr-Mo trước đó.
Bảng 3.0.2: Các mác thép và các dạng phôi cùng thuộc nhóm với thép P91 [7]