6. Bố cục của luận án
3.1.1. Cơ tính của thép P11 chịu tải trọng
Bảng 3.1 là kết quả kiểm tra cơ tính của thép P11 chịu tải trọng khác nhau ở nhiệt độ phòng sau thời gian 2160 và 4320 giờ.
Bảng 3.1 Cơ tính của thép P11 chịu tải trọng không đổi ở nhiệt độ phòng
Điều kiện thí nghiệm Cơ tính
Tải trọng (N) Thời gian (giờ) Rm (MPa) Rp (MPa) A (%)
Mẫu ban đầu 481 325 32
60 2160 488 378 31
95 2160 553 380 33
125 2160 605 402 33
95 4320 456 335 33
125 4320 446 340 33
3.3.1.1. Ảnh hưởng của thời gian chịu ứng suất kéo
Kết quả sự thay đổi cơ tính của thép P11 theo thời gian chịu tải trọng ở nhiệt độ phòng được cho trong hình 3.1 và 3.2. Có thể thấy rằng, cơ tính của thép thay đổi khi tăng tải trọng tác động lên thép hoặc kéo dài thời gian khi thép chịu tải trọng không đổi. Khi tăng thời gian giữ tải trọng, ban đầu giới hạn bền và giới hạn chảy của thép tăng lên, trong khi độ giãn dài gần như không thay đổi.
Cụ thể, khi tải trọng được giữ trong 2160 giờ thì giới hạn bền tăng từ 481 lên 553 MPa, giới hạn chảy tăng từ 325 lên 380 MPa đối với mức tải trọng là 95 N (hình 3.1). Thời gian chịu tải trọng tăng lên thì giới hạn bền và giới hạn chảy giảm. Cụ thể, khi tăng thời gian chịu tải trọng lên 4320 giờ, giới hạn bền giảm từ 553 xuống còn 456 MPa; tương ứng với hai giai đoạn hóa bền và thải bền.
Ở mức tải trọng lớn hơn (125 N), quy luật thay đổi của giới hạn bền và giới hạn chảy cũng tương tự (hình 3.2). Tuy nhiên, kết quả cho thấy mức độ tăng bền và thải bền của các mẫu thép có xu hướng rõ rệt hơn khi đặt tải trọng cao hơn. Với tải trọng là 125 N, mức độ tăng giới hạn bền là 123 MPa (lớn hơn so với 72 MPa khi
50
Hình 3.1 Ảnh hưởng của thời gian đến cơ tính của thép P11 chịu tải trọng không
đổi 95 N ở nhiệt độ phòng
Hình 3.2 Ảnh hưởng của thời gian đến cơ tính của thép P11 chịu tải trọng không
51
Sự hóa bền và thải bền một mẫu thép khi chịu tải (ở nhiệt độ phòng) trong thời gian dài là tuân theo đúng quy luật và được giải thích về lý thuyết như sau [52]: biến dạng dẻo trong thép (vật liệu đa tinh thể) đầu tiên được xem xét biến dạng trong một hạt (coi là đơn tinh thể) nói chung gồm ba giai đoạn với các đặc điểm hóa bền khác nhau. Trong giai đoạn đầu tiên, khi ứng suất vượt qua giá trị tới hạn, các lệch chuyển động trên khắp mặt trượt sơ cấp cho đến khi gặp các cản trở (chẳng hạn tương tác giữa các lệch, pha thứ 2), cần bổ sung thêm ứng suất (hoặc tiếp tục duy trì ứng suất) để lệch tiếp tục trượt được, đó là hóa bền biến dạng. Do mức độ hóa bền nhỏ và trượt chủ yếu trên mặt sơ cấp nên giai đoạn này gọi là trượt đơn giản. Giai đoạn tiếp theo, gọi là trượt phức tạp, khi ứng suất đủ lớn, các hệ trượt thứ cấp có thể hoạt động được. Tương tác giữa các lệch thuộc hệ sơ cấp và thứ cấp sẽ tạo ra vô số cản trở chuyển động của lệch, tới mức hầu như lệch bị dừng lại bên chướng ngại và các nguồn lệch có nguy cơ ngừng phát, vì thế cần tiếp tục tăng (hay duy trì) ứng suất để nguồn hoạt động tạo biến dạng, làm cho hóa bền biến dạng tăng hàng chục lần so với giai đoạn đầu, tạo ra cấu trúc lệch kiểu ô lưới và tường ngăn là những búi lệch với mật độ rất cao. Ở giai đoạn cuối, hóa bền biến dạng vẫn tiếp tục nhưng tốc độ giảm, bắt đầu xảy ra thải bền khi các lệch trái dấu gặp nhau và hủy lẫn nhau, hoặc khi lệch vượt qua các cản trở (chủ yếu nhờ trượt ngang) làm cho chướng ngại trở thành đoạn lưới vuông góc với mặt trượt. Trong khi đó các lệch cùng dấu bắt đầu sắp xếp lại trật tự, làm cho các phần tinh thể kề nhau bị quay hoặc nghiêng với nhau. Các quá trình này làm cho cấu trục ô lệch hoàn thiện hơn (tường ngăn ô có thể giảm mật độ lệch và trật tự hơn, bên trong các ô nghèo lệch). Sự thải bền này được gọi là hồi phục động học. Trong đa tinh thể, các hạt (coi là các đơn tinh thể với biến dạng khi có lực tác dụng như đã nêu trên) có định hướng khác nhau và biên giới giữa chúng là các cản trở của chuyển động của lệch. Để lệch có thể trượt trong toàn bộ đa tinh tinh thể, cần nhiều hệ trượt hoạt động, do vậy, ngay từ đầu trượt phức tạp đã xảy ra trong đa tinh thể với ứng suất cao hơn nhiều so với trượt đơn gian trong đơn tinh thể cùng kiểu mạng. Biên hạt chính là nơi mà các lệch trượt bị dừng lại, tạo thành một tập hơn với số lượng đáng kể tạo ra một trường ứng suất bổ sung cùng với ngoại lực, đủ để kích thích tạo lệch trong các hạt lân cận hoạt động. Cứ như vậy, quá trình biến dạng dẻo được thực hiện từ hạt này qua hạt khác. Quá trình này sẽ trở nên khó khăn nếu kích thước hạt càng nhỏ.
Như vậy, với các mẫu chịu tải trọng khác nhau, mức độ hóa bền khác nhau. Mức độ hóa bền càng mạnh khi ứng suất tác dụng càng lớn và kéo dài, tạo điều kiện cho việc phát sinh và tăng cường hoạt động của lệch, tương ứng với sự tăng cơ tính
52
của các mẫu thép. Đồng thời sự hủy lẫn nhau của các lệch trái dấu, sự sắp xếp lại chúng trong các ô lệch trong giai đoạn tiếp theo đã tạo nên sự thải bền làm giảm cơ tính của các mẫu thử.
3.1.1.2. Ảnh hưởng của tải trọng
Hình 3.3 mô tả sự thay đổi cơ tính của các mẫu thép khi chịu ứng suất khác nhau trong thời gian là 2160 giờ ở nhiệt độ phòng. Kết quả cho thấy, khi tăng tải trọng dẫn đến giới hạn bền và giới hạn chảy đều tăng. Cụ thể, khi tải trọng tăng từ 60 lên 125 N thì giới hạn bền tăng từ 488 lên 605 MPa với cùng khoảng thời gian 2160 giờ. Như vậy, theo cơ chế hóa bền (đã nói trong mục 3.1.1.1), hóa bền biến dạng tăng lên khi mức độ biến dạng tăng (do tải trọng tác dụng vào mẫu tăng), thể hiện rõ trên các mẫu chịu tải trọng khác nhau trong khoảng thời gian đủ dài để bộc lộ hết hiệu ứng hóa bền do vai trò trượt của các lệch. Trong khi đó, giới hạn chảy tăng từ 378 lên 402 MPa. Độ giãn dài của các mẫu thép gần như không thay đổi với giá trị khoảng 22 %.
Hình 3.3 Cơ tính của thép P11 thay đổi theo tải trọng trong thời gian
2160 giờ ở nhiệt độ phòng
Quá trình tăng lên của giới hạn bền và giới hạn chảy có thể được giải thích theo cơ chế hóa bền biến cứng do tải trọng tác dụng lên mẫu; ở trạng thái ban đầu, ứng suất tạo ra nội năng trong thép và tác dụng cải thiện cơ tính. Thông thường, quá trình hồi phục xảy ra rất chậm ở nhiệt độ phòng nhưng nhanh hơn ở nhiệt độ làm
53
việc. Dobrzanski và cộng sựnghiên cứu về thép ống sau hóa già với thời gian 3000
và 10000 giờ cho thấy độ cứng giảm và cơ tính không thay đổi đáng kể ở nhiệt độ 550 °C, nhưng có sự giảm rõ hơn ở nhiệt độ 600 °C [53]. Đồng thời, tốc độ biến dạng được cho là tăng khi tăng ứng suất ở nhiệt độ không đổi, và tăng theo nhiệt độ ở một mức tải trọng không đổi; sự chuyển động của lệch là yếu tố quyết định ở nhiệt độ cao đối với thép 2,25Cr-1Mo [54]. Các nhận xét nêu trên phù hợp với kết quả đạt được của thí nghiệm này, sự giảm độ bền rão của các mẫu xảy ra chậm ở nhiệt độ phòng trong thời gian lên đến 2160 giờ; cho thấy rằng sự giảm độ bền rão ở nhiệt độ phòng là do thời gian chịu tải trọng quyết định.