chương I đã tìm hiểu được các vấn đề như sau: - Các thông số cơ bản và nguyên lý hoạt động của NMĐHN loại VVER-1000. - Cấu trúc tổng quan và các thông số cơ bản của bình sinh hơi trong NMĐHN loại lò VVER-1000. - Phân tích và tìm hiểu môi trường làm việc của các thiết bị cụ thể của bình sinh hơi. - Tìm hiểu về thép không gỉ và các ứng dụng của thép không gỉ trong NMĐHN.
9 CHƯƠNG II: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CƠ HỌC VẬT LIỆU Cơ học vật liệu là một phân ngành của cơ học nghiên cứu về ứng xử của vật liệu rắn chịu lực. Mục tiêu chính trong lĩnh vực này là mô hình hóa sự biến dạng của một vật liệu cụ thể dưới tác dụng của nhiều loại tải khác nhau. Chương này sẽ cung cấp kiến thức tổng quan về những phần liên quan đến chương sau về cơ học hành vi vật liệu và sự phát triển của vết nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất (SCC), cũng như giới thiệu các khái niệm về các loại liên kết, các loại khuyết tật, ứng suất, sự biến dạng, định luật Hooke, hệ số cường độ ứng suất của vật liệu. Vật liệu quan tâm ở đây là thép không gỉ.
Liên kết Các loại liên kết giữa hai nguyên tử gồm: liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết kim loại. Các loại liên kết này được xem là các liên kết mạnh hay còn gọi là các liên kết sơ cấp. Trong đó, bản chất của liên kết ion là lực hút tĩnh điện giữa hai ion mang điện tích trái dấu. Liên kết cộng hóa trị là liên kết được hình thành giữa các nguyên tử bằng một hay nhiều cặp điện tử góp chung và liên kết kim loại là liên kết bên trong các kim loại, là sự chia sẻ các điện tử tự do giữa các nguyên tử kim loại trong mạng lưới tinh thể.
Ngoài các lực liên kết sơ cấp được kể ở trên, trong liên kết giữa hai nguyên tử còn có loại liên kết yếu hay liên kết thứ cấp Van der Waals là liên kết do hiệu ứng hút nhau giữa các nguyên tử bị phân cực. Thế năng Lennard-Jones (L-J) mô tả những liên kết này của nguyên tử hình cầu (khí trơ). Do các liên kết sơ cấp này có hành vi tương tự về mặt mô tả toán học của thế năng trong một số hình thức, thế năng L-J cũng được dùng để mô tả liên kết của kim loại, mặc dù nó không hoàn toàn chính xác cho liên kết kim loại [6]. Một phiên bản khái quát cho thế năng L-J được cho bởi: A B V r (5) rn rm Với loại thế năng L-J với n=6, m=12, A=2 và B=1 có thể xem hình 6, như đã nhắc ở trên, thế năng L-J cho thế năng của hai nguyên tử tương tác với nhau.
Trong đó r là khoảng cách giữa nguyên tử A và B. Lực tác dụng lên nguyên tử dV r F r . Do đó, dr 10 A B F r n n 1 m m 1 (6) r r Các nguyên tử ở trạng thái cân bằng khi lực tác dụng lên chúng giảm xuống F r 0 tại khoảng cách r. Phương trình trên sẽ bằng 0 khi khoảng cách là: 0 0 1 A B mB m n F r0 n n 1 m m1 0 r0 (7) r0 r0 nA Để sử dụng cho các phần tiếp theo, chú ý phương trình (8): dF0 r nA n 2 m n (8) dr r r r0 0 Trong đó F0 r F r là ngoại lực cần thiết để giữ các nguyên tử ở khoảng cách r.
Thế năng L-J[8] Để ý, thế năng cực tiểu mô tả khoảng cách mà các nguyên tử đang ở trạng thái nghỉ. Khuyết tật 11 Một trong những kiểu khuyết tật phổ biến ở mạng tinh thể là khuyết tật Schottky [8]. Khuyết tật Schottky được tạo thành khi một nguyên tử rời khỏi mạng lưới tinh thể ra ngoài và xuất hiện một lỗ trong hình 7b. Để quá trình xảy ra cần phải cấp năng lượng Es cho nguyên tử bức ra.
Theo các định luật nhiệt động lực học thì luôn có sự chuyển động hỗn loạn giữa các nguyên tử vì thế xác suất để trong mạng lưới tinh thể có một lỗ trống tỷ lệ với hệ số Boltzmann. Nó phụ thuộc vào năng lượng cần thiết để tạo ra vị trí các lỗ trống và nhiệt độ trong tinh thể ở trạng thái cân bằng nhiệt. Với n là số lượng lỗ trống, N là số lượng nguyên tử trong mạng tinh thể lý tưởng thì phương trình quan hệ giữa số lượng lỗ trống và số lượng nguyên tử trong tinh thể lý tưởng được cho như sau [8]: Hình 7. (a) Kiểu khuyết tật Frenkel, (b) kiểu khuyết tật Schottky [8] =e (9) Trong đó: kB là hằng số Boltzmann n là số lỗ trống trong mạng tinh thể N tổng số nguyên tử trong mạng tinh thể lý tưởng.
Kiểu khuyết tật Frenkel là một kiểu khuyết tật biến thể được thêm vào, được biết đến khi một nguyên tử rời khỏi vị trí để lại một lỗ trống và chuyển sang vị trí xen kẽ trong mạng tinh thể (xem hình 7a). Kiểu khuyết tật Frenkel cũng theo các định luật nhiệt động lực học, do vậy số lượng khuyết kiểu Frenkel tỷ lệ với hệ số Boltzmann [8]. 12 Từ phương trình (9) có thể nhận ra rằng, một tinh thể được hình thành ở nhiệt độ cao hơn sẽ có số lượng các lỗ trống cao hơn. Nếu tinh thể được làm nguội một cách đột ngột hay tốc độ giảm nhiệt độ lớn thì tinh thể sẽ duy trì số lượng lớn các vị trí lỗ trống so với tinh thể ở nhiệt độ ban đầu.
Số lượng lỗ trống tồn tại trong tinh thể lớn hơn mức bình thường sẽ bị tiêu hủy bằng tính chất khuếch tán theo thời gian. Phương trình khuếch tán sẽ được trình bày ở phần 2. Một tinh thể thường có lẫn tạp chất. Các tạp chất là các nguyên tử khác hoàn toàn và hiện diện trong tinh thể chính hoặc một nguyên tử xếp nhầm vào tinh thể chính làm phá vỡ tính tuần hoàn cục bộ.
Các tạp chất chiếm những vị trí mạng bên trong tinh thể. Những tính chất quan trọng của tạp chất trong tinh thể là tăng cường độ cứng của vật liệu, ví dụ các nguyên tử carbon được thêm vào như một nguyên tố hợp kim, nguyên tử carbon sẽ cản trở chuyển động sự rối loạn của các nguyên tử tinh thể làm giảm độ yếu và tăng độ bền kéo của hợp kim. Các tạp chất cũng có khả năng khuếch tán bên trong vật liệu [8]. Khuếch tán Lý thuyết khuếch tán dựa trên định luật Fick, ban đầu định luật này được sử dụng trong khuếch tán hóa học.
Nếu nồng độ của một chất tan trong một vùng của dung dịch lớn hơn một vùng khác, thì chất tan khuếch tán từ vùng có nồng độ cao hơn sang vùng có nồng độ thấp hơn. Hơn nữa, tốc độ của dòng chất tan tỷ lệ với gradient của nồng độ chất tan. Đây là phát biểu gốc của định luật Fick [8]. Với nồng độ gradient của khuyết tật hiện diện bên trong vật liệu, những điểm khuyết tật này bắt đầu khuyết tán là kết quả của định luật 2 nhiệt động lực học dưới sự ràng buộc của kiểu khuếch tán cần có đủ năng lượng để vượt quá rào cản thế năng phát sinh từ môi trường xung quanh.
Do vậy sự khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ vật liệu và năng lượng cần thiết (gọi là năng lượng kích hoạt để tạo ra một sự chuyển đổi của hạt từ một vị trí bên trong tinh thể sang một vị trí khác). Dòng hạt J N d của hạt được cho bởi định luật Fick [8]. J N d DN d (10) Trong đó: D là hệ số khuếch tán; Nd là nồng độ hạt. Hệ số khuếch tán có biểu thức như sau: 13 Ed kBT D D0 e (11) Trong đó Ed là năng lượng kích hoạt và D0 là một hằng số.
Biến vị Khi mô tả (lý thuyết) lực cần thiết tác động làm biết dạng vật liệu vĩnh viễn và các giá trị lực này thường được dự đoán thông qua đo đạt thực nghiệm. Trong thực tế thì độ bền của các tinh thể yếu hơn lý thuyết. Sự biến dạng của vật liệu chủ yếu xảy ra bởi biên độ trượt của các bề mặt kề nhau và các giá trị lực thấp hơn được giải thích là do sự không hoàn hảo bên trong các tinh thể hình thành các biến vị. Một biến vị góc có thể được giải thích bằng cách chèn thêm một nửa mặt phẳng bên trong tinh thể, được thể hiện ở hình 8a.
Nếu biến vị góc hiện diện trong tinh thể, ứng suất cần thiết để tạo sự trượt xảy ra sẽ thấp hơn, điều này xảy ra do sự di chuyển của các biến vị góc. Sự di chuyển của biến vị được thể hiện qua hình 8b. Như đã quan sát, chỉ có những phần của mặt phẳng liền kề thay đổi các vị trí ràng buộc. Cuối cùng, sau vài bước tương tự, kết quả cuối cùng sẽ giống nhau nếu toàn bộ mặt liền kề bị trượt trong một bước.
(a) Biến vị, (b) Sự di chuyển của biến vị [7] 14 Hình 8a mô tả một mặt phẳng biến mất hình thành nên một biến vị và hình 8b mô tả sự di chuyển của biến vị. Ứng suất, biến dạng Xét một thanh đơn trục làm bằng vật liệu bất kỳ đang chịu tải với cường độ lực P kéo ở hai đầu về hai hướng khác nhau (xem hình 9). Trong thanh sẽ sinh ra một nội lực với cường độ P tại bất kỳ tiết A’ trong thanh đơn trục. Lực trên một đơn vị diện tích được gọi là ứng suất, ký hiệu là , dùng để mô tả nội lực bên trong tại mỗi điểm.
Nếu nội lực được phân bố đều trên tiết diện, thì ứng suất ở mỗi điểm có thể được mô tả bằng ứng suất trung bình đối với tiết diện này [9]. Vì vậy: P (12) A' Theo quy ước dấu “-“ thể hiện cho việc áp dụng lực nén trên thanh. Lực P được áp lên thanh nằm ngang với tiết diện A’ [7] Hình 10. Lực P được áp lên thanh nằm ngang gây biến dạng chiều dài [7] Ứng suất gây ra sự biến dạng của vật liệu.
Khi áp dụng lực (và đó cũng là ứng suất) dọc theo trục của thanh, thanh sẽ bị kéo (nén) dài ra (co lại) như hình 10. Khoảng kéo dài phụ thuộc vào chiều dài ban đầu L0 của thanh [9].