Ảnh hưởng của hydro đến thép không gỉ

Một phần của tài liệu Khóa luận đánh giá tuổi thọ của thép austenit 08x18h10t trong bình sinh hơi nhà máy điện hạt nhân loại VVER – 1000 (Trang 29 - 33)

Như đã đề cập ở trên, khi tăng nồng độ hydro sẽ dẫn đến sự giảm tính cơ học và phá hủy thép không gỉ. Hydro có mặt trong thép tác động cục bộ đến độ bền của thép và tạo ra sự giòn hóa hydro cục bộ. Giòn hóa hydro của thép austenit ảnh hưởng mạnh tới ngành công nghiệp hạt nhân và các lĩnh vực công nghệ khác. Mặc dù các điều kiện tạo ra sự giòn hóa hydro trên thép được nghiên cứu và phát triển nhưng hiện nay người ta vẫn chưa hoàn toàn loại bỏ được sựảnh hưởng của hydro đến thép austenit.

Hydro hoạt tính xuyên thấu qua hầu hết các loại vật liệu. Hydro được hấp thụ bởi thép pearlit có thể chia thành ba bước như sau:

1. Trạng thái ion hóa (proton) 2. Trạng thái phân tử

3. Tạo thành Hydrua của các hợp kim.

Trong các trường hợp đơn giản, sựtương tác của hydro với thép pearlit có thể được biểu diễn bằng một loạt các phản ứng sau:

1. Sự phân ly của ion hydoni (H3O+). 2. Sự bổ sung electron cho ion hydro.

3. Sự hút bám của các nguyên tử hydro trên bề mặt vật liệu. 4. Một số nguyên tử hydro bị hấp thụ bởi vật liệu.

Sự tích tụ hydro chủ yếu xảy ra ở các vùng dẻo của thép pearlit (đỉnh vết nứt). Điều kiện bên trong bình sinh hơi khi đang hoạt động tạo ra môi trường ăn mòn điện hóa đối với các vật liệu kết cấu. Các ion hydro không thể tự tồn tại trong dung dịch nước một cách độc lập, mà nó ở dạng ở ion hydroni (H3O+), tức là ion hydro thứ ba gắn với một phân tử nước (hình 3.4). Trong quá trình ăn mòn điện hóa tại đỉnh vết nứt các ion hydro sẽ nhận electron từ kim loại của đỉnh vết nứt (hình 3.5). Phản ứng 3.4 – 3.6 tạo ra ion hydro và các sản phẩm phụ. Phần lớn các ion hydro (H+) sẽ bám vào bề mặt của thép sau đó hình thành các phân tử khí hydro (H2) và thoát ra ngoài để lại các lỗ nhỏ trên bền mặt thép không gỉ, phần nhỏ các nguyên tử hydro bị hút bám sẽ bị vật liệu hấp thụ vào trong nó.

21

Hình 3.4. Phân tnước và phân t hydroni [11].

Hình 3.5. Các quá trình lý hóa din ra tại đỉnh vết nt [11].

Tại anot: Me → Men+ + ne- (3.3) Tại catot: H3O+ → H2O + H+ (3.4) H3O+ → 2H+ + OH- (3.5) H3O → 3H+ + O2- (3.6) nH+ + ne-→ nHhb (3.7) nHhb → κHhb + (1-κ)H2↑ (3.8)

22

Hình 3.6. Mô t trng thái hydro trong thép không g [11].

Trong vật liệu, ảnh hưởng chủ yếu của hydro là quá trình làm tăng độ giòn và dễ bị bẻ gãy của vật liệu. Trong quá trình này, một số ion hydro bám vào bề mặt của vật liệu một số khác sẽ khuếch tán vào bên trong vật liệu. Độ hòa tan của ion hydro vào trong vật liệu tăng lên khi nhiệt độ tăng, vậy nên việc tăng nhiệt độ sẽ làm tăng sự khuếch tán của ion hydro, nhất là trong trường hợp nồng ion hydro ở môi trường bên ngoài vật liêu lớn hơn nhiều so với nồng độ ion hydro trong vật liệu thì sự khuếch tán ion hydro có thể xảy ra ngay cả ở nhiệt độ thấp. Các ion hydro sau khi khuếch tán vào vật liệu sẽ nhận electron của vật liệu để thành các nguyên tử hydro. Đối với các nguyên tử hydro đơn lẻ này, chúng dần dần tái kết hợp lại với nhau bên trong vật liệu để tạo thành phân tử hydro, tạo nên áp lực ngay bên trong vật liệu. Áp lực này có thể tăng tới mức vật liệu sẽ bị giảm độ bền, độ mềm dẻo, và sức căng, tới điểm giới hạn và hình thành các vết nứt [12].

Sự biến dạng cấu trúc của vật liệu bởi hydro yếu, có thể giải thích bằng một trong những cách này:

Trong hình 3.7 là sơ đồ hình thành các bước trượt - phần kích thích tại anot của các bề mặt kim loại tiếp xúc với dung dịch điện phân: tác động tổng cộng của các ứng suất như: ứng suất cơ học, thủy lực, nhiệt dẻo, ứng suất dư,.. dẫn đến việc thiết lập lại cấu trúc của biến vị, tức là, dẫn tới việc các biến vị thoát ra trên bề mặt giới hạn kim loại với nước và hình thành các bước trượt (Hình 3.7).

23

Hình 3.7. Quá trình hình thành các bước trượt ti các nút mng tinh th kim loi [12].

Hình 3.8. Các dng liên kết kim loi trong mng tinh th kim loi [12]:

1.Trong thể tích kim loại (tồn tại 6 liên kết) 2.Trên bề mặt kim loại (thiếu một liên kết)

3.Của nguyên tử biến vị - cạnh của bước trượt (thiếu 2 liên kết) 4.Của nguyên tử biến vị - cạnh mép của bước trượt (thiếu 3 liên kết)

Sự thiếu vắng của một số liên kết dẫn đến việc giảm năng lượng kích thích của việc hòa tan kim loại của anot E. Ngoài ra, bề mặt của bước trượt là không thụ động (chủ động), vì với tốc độ thoát cao trên bề mặt của lớp thụ động không có thời gian hình thành. Do đó, vùng hòa tan anot là một hỗn hợp. Nó bao gồm bề mặt không thụ động (chủ động, cái được hình thành bởi các bước trượt), bề mặt phân chia kim loại với môi trường, bề mặt thụ động. Mật độ dòng ăn mòn của kim loại được đặt ở trạng thái kích thích ăn mòn lớn hơn 103-104 lần so với trạng thái thụ động. Đây là các bước để xác định tốc độ hòa tan (giải phóng) của các nguyên tử được bố trí lại và lượng e-hóa trị được chuyển sang catot bằng các nguyên tử chất tan. Đổi lại, các e kết hợp với proton và tạo thành các nguyên tử hấp phụ hydro (nguyên tử hydro hút bám):

3𝐻++ 3𝑒− = 3𝐻𝑎𝑑𝑠 (3.9)

3, 4, 5 Các bước trượt với các chiều cao khác nhau.

2. Các nguyên tử biến vị trong các bước trượt.

1. Các phần giới hạn giữa kim loại và môi trường ăn mòn (nước).

24

Theo định nghĩa, nồng độ (của các ion-hydro) được đặc trưng bởi độ pH. Độ pH càng cao (môi trường kiềm), phản ứng khử cực hydro xảy ra càng chậm với cùng một khu vực của các bước trượt. Diện tích của các bước trượt càng lớn, tỷ lệ tạo ra nguyên tử hydro hấp phụ càng cao hơn trên bề mặt kim loại / môi trường ăn mòn trên kim loại. Hầu hết các hydro hấp thụ được kết hợp thành các phân tử khí hydro, và phần còn lại được hấp thụ bởi kim loại. Một phần khác của hydro tạo thành hydrua ổn định và bền vững 𝑀𝑒𝐻𝑛 - trạng thái nghịch đảo và không nghịch đảo, tương ứng.

Điều này được gọi là hiệu ứng cơ hóa - hiện tượng tăng mạnh về mật độ dòng điện ăn mòn trong quá trình chuyển đổi từ biến dạng đàn hồi sang biến dạng dẻo.

Hiệu ứng thứ hai được gọi là hiệu ứng Rebinder, hoặc hiệu ứng cơ điện: sự thay đổi vềđặc tính cơ học của kim loại tại vị trí tiếp xúc với môi trường ăn mòn.

Nguyên tử hydro có hệ số khuếch tán cao, do đó nó nhanh chóng và đồng thời lấp đầy toàn bộ thể tích của kim loại, được đặt trong trạng thái nghịch đảo và không nghịch đảo. Đó là lượng hydro trong trạng thái không nghịch đảo và được xác định bằng bậc của độ hãm hydro [12].

Một phần của tài liệu Khóa luận đánh giá tuổi thọ của thép austenit 08x18h10t trong bình sinh hơi nhà máy điện hạt nhân loại VVER – 1000 (Trang 29 - 33)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(50 trang)