Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu với đề tài "Nghiên cứu ăn mòn ứng lực thép không gỉ mác 304 và 316 trong môi trường khí quyển nhiệt đới Việt Nam" do nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Thanh Nga thực hiện tại Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (chuyên ngành Kim loại học, mã số 9.29), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Lê Thị Hồng Liên và GS. Tadashi Shinohara.
Hiện tượng ăn mòn ứng lực (Stress Corrosion Cracking - SCC) là quá trình phá hủy vật liệu dưới tác động đồng thời của ứng suất kéo và môi trường xâm thực. Dạng hư hỏng này diễn ra âm ỉ trong cấu trúc kim loại, khó phát hiện qua kiểm tra định kỳ, nhưng có thể dẫn đến gãy cơ học đột ngột, gây ra sự cố nghiêm trọng trong các ngành công nghiệp hóa chất, dầu khí, phân bón và điện hạt nhân. Trước đây, các công trình nghiên cứu về SCC trên thép không gỉ austenit (chủ yếu là SUS 304 và SUS 316) thường tập trung khảo sát trong dung dịch chứa ion clorua ở nhiệt độ cao (từ 50°C đến hơn 100°C). Tuy nhiên, thực tế vận hành cho thấy nhiều kết cấu kim loại bị nứt gãy do ăn mòn ứng lực ngay tại nhiệt độ môi trường không khí xung quanh, đặc biệt là trong môi trường khí quyển ven biển (Atmospheric Induced Stress Corrosion Cracking - AISCC) do sự tích tụ và cô đặc ion clorua tại các vị trí tập trung ứng suất. Tại Việt Nam, các cơ sở công nghiệp ven biển sử dụng khối lượng lớn thép không gỉ 304 và 316, song các công trình nghiên cứu hệ thống về cơ chế, động học và điều kiện tới hạn gây nứt AISCC trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm hầu như chưa được thực hiện.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể gồm:
- Làm rõ cơ chế SCC và quy luật ảnh hưởng của các yếu tố chính (điều kiện môi trường, điều kiện xử lý mẫu, ứng suất) đến độ nhạy và sự phát triển vết nứt do ăn mòn ứng lực của thép không gỉ 304 và 316 trong môi trường khí quyển.
- Xác định quy luật ảnh hưởng của một số điều kiện môi trường có vai trò quyết định đến sự xuất hiện và phát triển SCC của thép không gỉ 304 và 316 trong môi trường khí quyển Việt Nam.
- Góp phần dự báo và ngăn ngừa các nguy cơ xảy ra SCC trong môi trường công nghiệp ven biển.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Vật liệu nghiên cứu: Thép không gỉ austenit mác SUS 304 và SUS 316.
- Trạng thái xử lý vật liệu: Thép cán nguội thương mại (GCN - As-received), thép nhạy hóa (NH - Sensitized, xử lý ở 700°C trong 2 giờ) và thép xử lý nhiệt tạo dung dịch rắn đồng nhất (XLN - Solution heat treatment, xử lý ở 1040°C trong 1 giờ).
- Trạng thái chịu tải: Mẫu uốn chữ U (ứng suất kéo lớn vượt giới hạn chảy), mẫu uốn chữ C (biến dạng dẻo xác định) và mẫu phẳng (mẫu P, không chịu ngoại lực kéo).
- Phạm vi môi trường: Thử nghiệm gia tốc trong tủ nhiệt ẩm mô phỏng phòng thí nghiệm (nhiệt độ từ 30°C đến 80°C, các mức độ ẩm tương đối khác nhau, môi trường muối NaCl và MgCl2); thử nghiệm bán gia tốc ngoài trời tại Hà Nội (nhỏ giọt muối bão hòa); thử nghiệm tự nhiên không nhỏ muối tại 3 trạm khí quyển đại diện: Trạm Hà Nội (khí quyển đô thị xa biển), Trạm Đồ Sơn (khí quyển biển miền Bắc) và Trạm Đồng Hới (khí quyển biển miền Trung) qua các đợt thử nghiệm năm 2020 (các thời kỳ bắt đầu từ tháng 5, 6, 7 và 8).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Luận án đã tổng thuật chi tiết các công trình nghiên cứu về hiện tượng SCC và AISCC trên thế giới và trong nước:
- Các sự cố công nghiệp tiêu biểu: Sự cố sập Cầu Bạc (Mỹ, 1967) sau 39 năm sử dụng làm 46 người chết [1]; sự cố vỡ cánh tuốc bin hơi nhà máy điện hạt nhân Hinkley Point (Anh, 1969) [2-3]; nổ lò phản ứng hóa chất Flixborough (Anh, 1974) làm 28 người thiệt mạng [4-5]; sự cố sập mái vòm bể bơi Uster (Thụy Sĩ, 1985) làm 12 người chết do gãy các thanh treo thép không gỉ 304 chịu tải ở 28°C trong môi trường tích tụ tới 42.000 ppm ion clorua với pH từ 3,5 đến 4 [40-47]; sự cố nứt bu lông thép 304 và 316 trên các giá phơi mẫu ven biển cách bờ 250 m do Kain khảo sát năm 1993 [48].
- Các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng AISCC quốc tế: Shoji và cộng sự [53-55] khảo sát thép 304 và 316L trong môi trường các muối clorua khác nhau (NaCl, MgCl2, CaCl2, ZnCl2, LiCl và nước biển nhân tạo); Yajima và Arii (1980) [56] nghiên cứu thép 304 với muối NaCl ở độ ẩm 70-80%; Tokiwai (1985) [57] nghiên cứu thép 304 nhạy hóa trong môi trường mô phỏng lò phản ứng; Tomas Prosek và cộng sự [70] tại Viện Nghiên cứu Ăn mòn Pháp xác định độ ẩm tới hạn gây SCC ở 30-40°C trên mẫu uốn chữ U; Anthony Cook và cộng sự (2011) [51] khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ (40-80°C), độ ẩm (40-70%) và mật độ Cl- sa lắng (50-400 µg/cm²) đến thép 304; Xihua Wang và cộng sự (2014, 2016) [71, 88] nghiên cứu ảnh hưởng của mật độ muối (0,1 đến 10 g/m²) và nhiệt độ (35-52°C, 45-80°C) lên thép cán nguội và thép nhạy hóa; Arioka và cộng sự (2008) [76] cùng Tice và cộng sự [75] chỉ ra ngưỡng biến dạng cán nguội trên 10% làm gia tăng tốc độ nứt biên hạt; Giuseppe (2016) [84] chứng minh thép 304 nhạy SCC ngay ở mức ứng suất kéo nhỏ bằng 0-5% giới hạn đàn hồi.
- Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam: Trước năm 2000, các nghiên cứu SCC chưa được quan tâm do ít yêu cầu thực tế. Từ năm 2012, Trung tâm Đánh giá hư hỏng vật liệu (COMFA) thuộc Viện Khoa học vật liệu đã tiến hành các khảo sát hư hỏng thực tế và nghiên cứu thử nghiệm SCC của thép 304 và 316 nhưng chỉ giới hạn trong môi trường dung dịch chứa ion Cl- [106-107].
Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết:
Các nghiên cứu quốc tế về AISCC chủ yếu thực hiện trong phòng thí nghiệm hoặc phơi mẫu ở vùng khí hậu ôn đới/hàn đới. Cơ sở dữ liệu và quy luật về sự hình thành, phát triển vết nứt AISCC trong điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, có sự kết hợp giữa nhiệt độ cao, độ ẩm biến thiên mạnh, thời gian lưu ẩm kéo dài và mật độ sa lắng muối biển tự nhiên cao như tại Việt Nam chưa được công bố. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách kết hợp thực nghiệm gia tốc có kiểm soát với phơi mẫu tự nhiên tại nhiều vùng vi khí hậu Việt Nam.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án dựa trên lý thuyết ăn mòn điện hóa kim loại và cơ học phá hủy vật liệu. Quá trình ăn mòn ứng lực xảy ra khi hội tụ ba yếu tố: kim loại nhạy cảm, môi trường xâm thực chứa tác nhân ăn mòn cục bộ (ion Cl-) và ứng suất kéo (ứng suất ngoài hoặc ứng suất dư).
Khung lý thuyết và các mô hình giải thích cơ chế lan truyền vết nứt:
- Quá trình ăn mòn ứng lực phân định theo phản ứng điện hóa: phản ứng anốt hòa tan kim loại tại đầu mũi vết nứt và phản ứng catốt thoát hydro gây giòn hydro.
- Mô hình vỡ màng thụ động (Film Rupture Model) của Logan, Hoar và cộng sự [22-29]: Ứng suất kéo gây biến dạng dẻo cục bộ làm nứt vỡ màng thụ động oxit crom tại đầu mũi vết nứt, làm lộ nền kim loại trần bị hòa tan anốt rất nhanh trước khi màng kịp tái thụ động.
- Mô hình đường hầm ăn mòn (Corrosion Tunnel Model) [21, 30]: Quá trình ăn mòn cục bộ tạo thành các rãnh hầm li ti tại các mặt trượt, làm suy giảm tiết diện chịu lực cho đến khi phần kim loại còn lại bị gãy cơ học dẻo.
- Hiện tượng nhạy hóa: Thép austenit khi gia nhiệt trong dải nhiệt độ 425-870°C sẽ dẫn đến sự khuếch tán cacbon ra biên hạt, phản ứng với crom tạo kết tủa cacbit crom (Cr,Fe)23C6. Quá trình này làm nồng độ crom tại vùng lân cận biên hạt giảm xuống dưới ngưỡng bảo vệ 11%, khiến biên hạt bị ăn mòn rỗ và nứt ưu tiên.
- Khái niệm độ ẩm chảy rữa (Deliquescence Relative Humidity - DRH): Độ ẩm tương đối của không khí mà tại đó muối khô hút ẩm chuyển thành giọt dung dịch điện ly. DRH của NaCl xấp xỉ 75% (ít phụ thuộc nhiệt độ), trong khi DRH của MgCl2 biến thiên từ 35% ở 40°C xuống 25% ở 100°C.
Vật liệu và quy trình chuẩn bị thực nghiệm:
Thành phần hóa học của hai mác thép nghiên cứu do Tập đoàn thép JFE (Nhật Bản) cung cấp được phân tích định lượng chính xác (% khối lượng):
| Mác thép |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Cr |
Mo |
Ni |
Al |
Co |
Cu |
Ti |
V |
W |
Fe |
| SUS 304 |
0,069 |
0,315 |
1,253 |
0,025 |
0,013 |
18,143 |
0,167 |
8,226 |
<0,002 |
0,192 |
0,319 |
0,013 |
0,113 |
0,053 |
Còn lại |
| SUS 316 |
0,031 |
0,580 |
1,096 |
0,020 |
0,017 |
18,243 |
2,197 |
11,345 |
0,003 |
0,161 |
0,489 |
0,014 |
0,091 |
0,083 |
Còn lại |
Phương pháp tạo hình và gia tải mẫu:
- Mẫu uốn chữ U (U-bend) chế tạo theo tiêu chuẩn ASTM G30, tạo vùng tập trung ứng suất uốn dẻo lớn ở đỉnh chữ U.
- Mẫu uốn chữ C (C-ring) chế tạo theo ASTM G38, kiểm soát độ biến dạng dẻo bề mặt thông qua siết bu lông.
- Mẫu phẳng (mẫu P) kích thước tiêu chuẩn, không chịu ứng suất ngoài để đối chứng ăn mòn cục bộ.
Phương pháp thử nghiệm và thu thập dữ liệu:
- Thử nghiệm gia tốc phòng thí nghiệm: Thực hiện trong tủ vi khí hậu kiểm soát nhiệt ẩm ESPEC SH-222 (Nhật Bản) trong thời gian 720 giờ. Mẫu được nhỏ dung dịch muối NaCl và MgCl2 với lượng Cl- xác định trên bề mặt (từ các nồng độ pha loãng đến bão hòa), thử nghiệm ở dải nhiệt độ 30-80°C và độ ẩm 30-70% RH.
- Thử nghiệm bán gia tốc ngoài trời: Mẫu uốn chữ U nhỏ giọt muối bão hòa NaCl và MgCl2 được phơi tại giá thử nghiệm trạm Hà Nội trong các chu kỳ thử nghiệm (T5, T6).
- Thử nghiệm phơi mẫu tự nhiên không nhỏ muối: Phơi mẫu trên giá chuyên dụng nghiêng 45° quay về hướng Nam tại trạm Hà Nội (đô thị), Đồ Sơn (cách mép biển khoảng 20 m) và Đồng Hới (cách mép biển khoảng 150 m). Các thông số khí tượng gồm nhiệt độ trung bình (TTB), độ ẩm trung bình (RHTB), thời gian ướt trung bình ngày (tư), thời gian khô trung bình ngày (tk), tỷ lệ khô/ướt (k/ư) và mật độ sa lắng ion Cl- tự nhiên được quan trắc liên tục bằng cảm biến nhiệt ẩm tự động và phương pháp màng vải đọng muối.
- Đánh giá hiện trạng ăn mòn: Quan sát sự hình thành lỗ ăn mòn và đo chiều dài vết nứt theo thời gian (Lnứt, tốc độ phát triển vết nứt Vnứt) bằng kính hiển vi soi nổi và kính hiển vi kim tương quang học; cấu trúc vi mô vết nứt, hình thái bề mặt gãy và thành phần hóa học sản phẩm ăn mòn được phân tích qua kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường JEOL-JSM 6490 tích hợp đầu thu tán sắc năng lượng tia X (EDS).
Nội dung chính theo từng chương
Mở đầu
Phần Mở đầu trình bày cơ sở pháp lý và khoa học của luận án, nêu rõ tính cấp thiết của việc bảo vệ chống ăn mòn kết cấu thép không gỉ tại các công trình ven biển Việt Nam. Tác giả xác định 3 mục tiêu nghiên cứu, 3 nội dung chính, đối tượng, phương pháp và phạm vi khảo sát, đồng thời tóm tắt 2 điểm mới khoa học và ý nghĩa thực tiễn của công trình.
Chương 1: Tổng quan
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về hiện tượng SCC và AISCC trên thép không gỉ austenit:
- Trình bày chi tiết các hệ SCC thường gặp trong kỹ thuật (Bảng 1.1), phân loại kiểu gãy xuyên hạt (T), biên hạt (I) hoặc hỗn hợp (M) theo từng cặp vật liệu - môi trường.
- Tổng hợp các điều kiện gây nứt thép 304 và 316 trong dung dịch chứa ion clorua ở nhiệt độ cao (Bảng 1.2), đồng thời phân tích ngưỡng nhiệt độ tới hạn gây SCC (Bảng 1.3) với thép 304 là ≥ 50°C và thép 316 là ≥ 80°C trong môi trường ngâm dung dịch.
- Phân tích cơ chế ăn mòn điện hóa, mô hình vỡ màng thụ động do trượt biến dạng và mô hình đường hầm ăn mòn; nêu bật vai trò khởi tạo vết nứt từ các hố rỗ ăn mòn (pitting) khi chiều sâu rỗ đạt tới kích thước tới hạn (~40 µm).
- Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng trong môi trường khí quyển: Độ ẩm tương đối ảnh hưởng thông qua độ ẩm chảy rữa của muối sa lắng (Bảng 1.4); nhiệt độ và mật độ Cl- sa lắng (Bảng 1.5, Bảng 1.6); mức độ biến dạng do cán nguội (Bảng 1.7) làm phát sinh ứng suất dư và làm biến dạng mạng tinh thể; sự suy giảm hàm lượng crom tự do do kết tủa cacbit crom ở biên hạt khi bị nhạy hóa ở 500-870°C.
- Tổng kết các phương pháp thực nghiệm chuẩn theo hệ thống tiêu chuẩn ASTM và điểm lại các công trình nghiên cứu trong nước, khẳng định sự thiếu hụt nghiên cứu về ăn mòn ứng lực khí quyển tại Việt Nam.
Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu
Chương 2 mô tả toàn bộ quy trình thực nghiệm được chuẩn hóa:
- Cung cấp bảng thành phần hóa học chính xác của mác thép SUS 304 và SUS 316 (Bảng 2.1).
- Mô tả quy trình chế tạo 3 trạng thái cấu trúc: thép nguyên trạng cán nguội thương mại (GCN); thép nhạy hóa (NH) nung tại 700°C trong 2 giờ rồi làm nguội trong không khí để tạo tổ chức tế vi tiết pha (Cr,Fe)23C6; thép xử lý nhiệt hòa tan (XLN) nung tại 1040°C trong 1 giờ để hòa tan pha cacbit và triệt tiêu ứng suất dư.
- Quy cách gia công mẫu thử nghiệm uốn chữ U (chịu ứng suất lớn), uốn chữ C (Bảng 2.2 thể hiện biến dạng dẻo được kiểm soát) và mẫu phẳng P.
- Thiết lập chế độ thực nghiệm gia tốc trong tủ SH-222 (Bảng 2.3 và 2.4): 720 giờ thử nghiệm ở các mức nhiệt độ 30, 40, 50, 60, 70, 80°C và độ ẩm tương đối 30, 40, 50, 60, 70% RH với hai muối NaCl và MgCl2.
- Quy trình thử nghiệm bán gia tốc ngoài trời tại Hà Nội (nhỏ giọt muối bão hòa) và phơi mẫu tự nhiên không nhỏ muối tại 3 trạm Hà Nội, Đồ Sơn, Đồng Hới; bố trí các cảm biến đo thông số T, RH, TOW tự động.
- Phương pháp phân loại mức độ ăn mòn theo 5 cấp độ hình thái: Không ăn mòn (a), Ăn mòn lỗ (b), SCC xuất hiện (c), SCC lan truyền (d), Gãy mẫu (e); quy chuẩn đo đạc chiều dài Lnứt và tính toán tốc độ nứt Vnứt.
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và thảo luận chuyên sâu:
-
Kết quả thử nghiệm gia tốc (720 giờ):
- Môi trường muối MgCl2 thể hiện tính xâm thực gây nứt SCC cao hơn rõ rệt so với NaCl ở cùng dải nhiệt độ và độ ẩm, do MgCl2 có độ ẩm chảy rữa thấp (25-35%), dễ hình thành màng mỏng dung dịch điện ly cô đặc trên bề mặt kim loại.
- Thép 304 có độ nhạy SCC cao hơn thép 316 trong mọi chế độ thử nghiệm. Thép 316 chỉ bị nứt ở nhiệt độ cao hơn hoặc thời gian ủ bệnh kéo dài hơn nhờ có thêm nguyên tố molipden (2,197% Mo) và hàm lượng niken cao hơn (11,345% Ni) giúp ổn định màng thụ động.
- Ảnh hưởng của xử lý nhiệt: Mẫu thép nhạy hóa (NH) có độ nhạy SCC cao nhất; mẫu cán nguội thương mại (GCN) có độ nhạy trung bình do tồn tại ứng suất dư gia công; mẫu xử lý nhiệt hòa tan đồng nhất (XLN) hoàn toàn không xuất hiện nứt SCC trong điều kiện khảo sát tương đương nhờ khử triệt để ứng suất dư và không có pha nghèo crom.
- Ảnh hưởng của ứng suất: Mẫu chữ U (ứng suất kéo lớn nhất) bị nứt và đứt gãy nhanh nhất; mẫu chữ C có tỷ lệ nứt thấp hơn; mẫu phẳng P hoàn toàn không bị nứt SCC mà chỉ xuất hiện ăn mòn rỗ hoặc ăn mòn đều.
-
Kết quả thử nghiệm bán gia tốc trong khí quyển Hà Nội (nhỏ muối bão hòa):
- Thời gian xuất hiện vết nứt ban đầu phụ thuộc chặt chẽ vào tỷ lệ thời gian khô trên thời gian ướt (k/ư). Khi tỷ lệ k/ư nằm trong khoảng tối ưu cho quá trình cô đặc muối mà vẫn duy trì màng mỏng ẩm, thời gian ủ bệnh xuất hiện vết nứt bị rút ngắn đáng kể.
- Tốc độ phát triển vết nứt (Vnứt, mm/ngày) tỷ lệ thuận với nhiệt độ không khí trung bình (TTB) và thời gian ướt trung bình ngày (tư).
- Tác giả đã xử lý số liệu thực nghiệm và xây dựng các phương trình toán học mô tả quan hệ giữa thời gian xuất hiện vết nứt và tốc độ lan truyền vết nứt của thép 304 và 316 (dạng NH và GCN) theo các đại lượng k/ư và TTB.
-
Kết quả thử nghiệm phơi mẫu tự nhiên không nhỏ muối tại Hà Nội, Đồ Sơn và Đồng Hới:
- Tại các trạm khí quyển ven biển (Đồ Sơn và Đồng Hới), nơi có mật độ sa lắng ion Cl- tự nhiên cao, các mẫu thép 304-NH và 316-NH xuất hiện vết nứt SCC sớm hơn và có tốc độ phát triển vết nứt lớn hơn nhiều so với trạm nội địa Hà Nội (lượng Cl- sa lắng rất thấp).
- Tác giả thiết lập các phương trình thực nghiệm biểu diễn quan hệ giữa tốc độ phát triển vết nứt Vnứt của thép 304-NH và 316-NH tại các mốc thời gian 15, 30 và 60 ngày theo mật độ sa lắng ion Cl- và thời gian lưu ẩm trung bình ngày (tư).
-
Cơ chế lan truyền vết nứt:
- Quan sát kim tương và SEM khẳng định vết nứt AISCC trên thép không gỉ luôn bắt đầu từ các lỗ ăn mòn rỗ bề mặt (pitting). Khi rỗ đạt kích thước tới hạn và có ứng suất kéo tập trung, vết nứt hình thành tại đáy rỗ.
- Trên mẫu nhạy hóa (NH), vết nứt lan truyền chủ yếu theo cơ chế liên hạt (biên hạt - Intergranular SCC) do sự suy giảm cục bộ nồng độ crom dọc theo biên hạt bởi kết tủa (Cr,Fe)23C6. Trên mẫu cán nguội (GCN), vết nứt phát triển kết hợp cả biên hạt và xuyên hạt (Transgranular SCC) do sự định hướng của các dải trượt biến dạng.
- Phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) sản phẩm ăn mòn tại mặt gãy khẳng định sự làm giàu của ion clo (Cl) cùng các nguyên tố Fe, Cr, Ni, O trong các rãnh nứt.
Kết quả và những đóng góp mới
Luận án tự tổng kết các đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn:
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của luận án (dựa trên phạm vi và đối tượng nghiên cứu được công bố):
- Thời gian phơi mẫu tự nhiên ngoài hiện trường được thực hiện trong năm 2020 theo các chu kỳ ngắn hạn (thời kỳ bắt đầu từ tháng 5 đến tháng 8), chưa theo dõi liên tục nhiều năm để ghi nhận đầy đủ biến động theo mùa trong năm.
- Khảo sát thực nghiệm tự nhiên mới tập trung tại 3 trạm thử nghiệm (Hà Nội, Đồ Sơn, Đồng Hới), chưa bao quát hết các dạng vi khí hậu biển đặc thù khác của Việt Nam (như khu vực ven biển miền Nam hoặc các đảo xa bờ).
- Thử nghiệm gia tốc phòng thí nghiệm mới khảo sát các dung dịch muối đơn lẻ (NaCl, MgCl2) mà chưa đánh giá tác động đồng thời của các hợp phần muối phức tạp trong nước biển tự nhiên kết hợp với các tác nhân ô nhiễm công nghiệp dạng khí (SO2, NOx).
Hướng nghiên cứu tiếp theo (trích lục từ mục "Dự kiến nghiên cứu tiếp theo"):
- Tiếp tục theo dõi và mở rộng thử nghiệm phơi mẫu tự nhiên dài hạn tại các trạm khí quyển ven biển để thu thập số liệu tích lũy qua nhiều năm.
- Mở rộng nghiên cứu AISCC trên các mối hàn thực tế của thép không gỉ 304 và 316, đánh giá ảnh hưởng của cấu trúc kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ).
- Nghiên cứu sâu hơn về các biện pháp công nghệ nhằm ức chế, phủ bảo vệ hoặc biến tính bề mặt để ngăn chặn sự xâm nhập của ion clorua và ngăn ngừa nứt AISCC cho các chi tiết công nghiệp làm việc ngoài trời.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên thuộc các chuyên ngành Khoa học vật liệu, Kim loại học, Kỹ thuật cơ khí, Kỹ thuật hóa học và Ăn mòn - Bảo vệ vật liệu: Bản luận án cung cấp tài liệu chi tiết về phương pháp uốn mẫu chữ U, uốn chữ C kiểm soát biến dạng dẻo, phương pháp phơi mẫu khí quyển kết hợp nhỏ muối và cách vận dụng lý thuyết vỡ màng thụ động giải thích phá hủy tế vi.
- Kỹ sư thiết kế, giám sát thi công và chuyên viên bảo dưỡng kết cấu kim loại trong các ngành dầu khí, hóa chất, lọc hóa dầu, đóng tàu và công trình biển: Có thể tra cứu trực tiếp bảng thành phần hóa học, chế độ nhiệt luyện ủ đồng nhất khử ứng suất dư (1040°C, 1 giờ) và dải nhiệt ẩm nguy hiểm gây nứt để lựa chọn mác thép và quy trình gia công phù hợp.
- Cán bộ kỹ thuật làm công tác phân tích hư hỏng (Failure Analysis): Phần hình thái học tế vi vết nứt kim tương và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) mặt gãy ở Chương 3 là cơ sở đối chứng thực tế để xác định nguyên nhân sự cố gãy chi tiết do ăn mòn ứng lực clorua trong khí quyển.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao muối MgCl2 lại gây nứt do ăn mòn ứng lực (AISCC) trên thép 304 và 316 nghiêm trọng hơn muối NaCl ở cùng nhiệt độ thử nghiệm?
Muối MgCl2 có độ ẩm gây chảy rữa (DRH) thấp hơn nhiều so với NaCl (ở 40°C DRH của MgCl2 là khoảng 35% và giảm xuống 25% ở 100°C, trong khi NaCl có DRH cố định khoảng 75%). Do đó, ở dải độ ẩm trung bình và thấp trong không khí, muối MgCl2 dễ dàng hút ẩm hình thành dung dịch điện ly cô đặc có nồng độ ion Cl- rất cao bám trên bề mặt thép, kích hoạt quá trình hòa tan anốt và phá vỡ màng thụ động sớm hơn.
2. Thép không gỉ xử lý nhạy hóa (NH) bị suy giảm khả năng kháng ăn mòn ứng lực do nguyên nhân vi cấu trúc nào?
Khi xử lý nhiệt ở 700°C trong 2 giờ, các nguyên tử cacbon khuếch tán ra biên hạt kết hợp với crom tạo thành kết tủa cacbit crom (Cr,Fe)23C6 dọc biên hạt. Hiện tượng này làm tiêu hao lượng crom tự do ở vùng kim loại lân cận biên hạt xuống dưới 11%, khiến biên hạt mất khả năng tự tái tạo màng mỏng oxit crom bảo vệ. Dưới tác động của ứng suất kéo và ion Cl-, vết nứt ăn mòn phát triển nhanh chóng theo các đường biên hạt bị nghèo crom này.
3. Chế độ xử lý nhiệt tạo dung dịch rắn đồng nhất (XLN) thể hiện hiệu quả như thế nào đối với độ bền SCC của thép 304?
Chế độ xử lý nhiệt tại 1040°C và ủ trong 1 giờ giúp hòa tan hoàn toàn các kết tủa cacbit crom trở lại dung dịch rắn đồng nhất austenit, đồng thời triệt tiêu toàn bộ ứng suất dư sinh ra trong quá trình cán nguội trước đó. Kết quả thử nghiệm gia tốc 720 giờ cho thấy các mẫu thép 304-XLN uốn chữ C không xuất hiện bất kỳ vết nứt SCC nào trong môi trường muối clorua.
4. Yếu tố môi trường nào đóng vai trò khống chế đối với sự xuất hiện vết nứt AISCC trong điều kiện khí quyển tự nhiên tại Việt Nam?
Mật độ sa lắng của ion clorua (Cl-) trên bề mặt và thời gian ướt trung bình ngày (tư) là hai yếu tố khống chế chính. Tại các trạm khí quyển ven biển Đồ Sơn và Đồng Hới có lượng sa lắng muối cao, thời gian xuất hiện vết nứt ban đầu ngắn hơn rõ rệt và tốc độ phát triển vết nứt lớn hơn nhiều so với trạm nội địa Hà Nội. Ngoài ra, tỷ lệ thời gian khô/ướt (k/ư) kiểm soát trực tiếp quá trình kết tinh và hòa tan màng điện ly trên bề mặt kim loại.
5. Ứng suất kéo đóng vai trò gì trong sự hình thành và phát triển vết nứt AISCC theo mô hình vỡ màng?
Ứng suất kéo tập trung tại đáy các lỗ ăn mòn rỗ (pitting) gây biến dạng dẻo cục bộ làm nứt vỡ cơ học lớp màng thụ động oxit crom bảo vệ, để lộ bề mặt kim loại trần. Kim loại tươi mới bị hòa tan anốt rất nhanh trước khi tái thụ động. Quá trình nứt vỡ màng lặp đi lặp lại theo chu kỳ dưới tác dụng của ứng suất kéo liên tục làm vết nứt lan truyền sâu vào trong thân vật liệu.
Kết luận
Bản luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thị Thanh Nga là công trình nghiên cứu thực nghiệm chuyên sâu về hiện tượng ăn mòn ứng lực của hai mác thép không gỉ SUS 304 và SUS 316 trong môi trường khí quyển nhiệt đới Việt Nam. Bằng việc kết hợp thử nghiệm gia tốc phòng thí nghiệm và thử nghiệm phơi mẫu hiện trường tại Hà Nội, Đồ Sơn và Đồng Hới, công trình đã làm sáng tỏ vai trò chi phối của độ ẩm chảy rữa của muối, mật độ sa lắng ion clorua, ứng suất dư và tổ chức tế vi nhạy hóa đến động học phát triển vết nứt. Các phương trình thực nghiệm và cơ chế lan truyền vết nứt được xác lập cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn quan trọng phục vụ công tác dự báo, kiểm soát an toàn và phòng ngừa hư hỏng cho các thiết bị thép không gỉ trong công nghiệp ven biển.
