Luận án nghiên cứu ăn mòn ứng lực thép không gỉ mác 304 và 316 trong môi trường

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- NGUYỄN THỊ THANH NGA NGHIÊN CỨU ĂN MÒN ỨNG LỰC THÉP KHÔNG GỈ MÁC 304 VÀ 316 TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ QUYỂN NHIỆT ĐỚI VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2022 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- NGUYỄN THỊ THANH NGA NGHIÊN CỨU ĂN MÒN ỨNG LỰC THÉP KHÔNG GỈ MÁC 304 VÀ 316 TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ QUYỂN NHIỆT ĐỚI VIỆT NAM Chuyên ngành: Kim loại học Mã số: 9.29 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. Lê Thị Hồng Liên Hà Nội – 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, không trùng lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực, chưa từng được công bố trên bất kỳ tạp chí nào khác đến thời điểm này ngoài những công trình của tác giả. Hà Nội, ngày ….

Tác giả luận án Nguyễn Thị Thanh Nga ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS. Lê Thị Hồng Liên và GS. Tadashi Shinohara đã tận tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành bản luận án này. Tôi xin cảm ơn chương trình hợp tác đào tạo NCS giữa Viện Khoa học vật liệu và Viện Khoa học vật liệu quốc gia Nhật Bản (NIMS) đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi thực hiện các nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Corrosion Group của GS.

Tadashi Shinohara tại NIMS. Tập đoàn thép Nhật Bản (JFE) đã cung cấp thép không gỉ 304 và 316 để tôi tiến hành thử nghiệm. Tôi xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ quý giá này Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các đồng nghiệp trong Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu (COMFA), Viện khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ tôi thực hiện các nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn các đồng nghiệp tại nhóm nghiên cứu Corrosion Group của GS.

Tadashi Shinohara tại NIMS đã hỗ trợ tôi thực hiện các nghiên cứu trên các thiết bị tiên tiến của nhóm và của Viện NIMS. Tôi cũng xin cảm ơn Viện Khoa học vật liệu, Học viện Khoa học và Công nghệ đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành tốt công việc của mình. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các đồng nghiệp, bạn bè và người thân trong gia đình đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tác giả Nguyễn Thị Thanh Nga iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU.

Định nghĩa về ăn mòn ứng lực và điều kiện để ăn mòn ứng lực xảy ra. Cơ chế ăn mòn ứng lực. Các yếu tố ảnh hưởng tới ăn mòn ứng lực. Ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng độ ion clorua đối với ăn mòn ứng lực.

Ảnh hưởng của ứng suất kéo tới ăn mòn ứng lực thép không gỉ. Ăn mòn ứng lực trong điều kiện khí quyển. Cơ chế và quá trình ăn mòn ứng lực trong môi trường khí quyển. Các yếu tố ảnh hưởng đến ăn mòn ứng lực trong khí quyển.

Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm. Ảnh hưởng của lượng ion clorua sa lắng trên bề mặt. Ảnh hưởng của điều kiện gia công. Các phương pháp nghiên cứu ăn mòn ứng lực.

Tình hình nghiên cứu ăn mòn ứng lực và ăn mòn ứng lực trong khí quyển tự nhiên ở Việt Nam. 28 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Vật liệu và mẫu nghiên cứu. Vật liệu nghiên cứu.

Phương pháp chuẩn bị. Chuẩn bị mẫu nghiên cứu. Thử nghiệm gia tốc. Thử nghiệm tự nhiên.

Thử nghiệm bán gia tốc trong khí quyển tự nhiên Hà Nội. Thử nghiệm trong môi trường khí quyển tự nhiên tại Hà Nội, Đồ Sơn và Đồng Hới. Đánh giá hiện trạng ăn mòn ứng lực. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.

Kết quả thử nghiệm gia tốc - Ảnh hưởng của các điều kiện môi trường đến độ nhạy ăn mòn ứng lực của thép. Trong môi trường NaCl:. Trong môi trường MgCl2:. Trong môi trường NaCl:.

Trong môi trường MgCl2:. Ảnh hưởng của điều kiện xử lý mẫu. Mẫu thép cán nguội thương mại và nhạy hóa. Mẫu thép cán nguội thương mại và mẫu thép xử lý nhiệt tạo dung dịch rắn đồng nhất.

Ảnh hưởng của ứng suất. Kết quả thử nghiệm tự nhiên: Thử nghiệm bán gia tốc trong môi trường khí quyển Hà Nội - Ảnh hưởng của các điều kiện nhiệt ẩm khí quyển đến độ nhạy và sự phát triển ăn mòn ứng lực của thép 304 và 316. Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm không khí đến độ nhạy ăn mòn ứng lực thép không gỉ. Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm không khí đến tốc độ phát triển vết nứt do ăn mòn ứng lực của thép 304 và thép 316.

Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí đến tốc độ phát triển vết nứt. Kết quả thử nghiệm tự nhiên các mẫu thép không nhỏ muối tại Đồ Sơn, Đồng Hới và Hà Nội. Ảnh hưởng của các diều kiện môi trường tới độ nhạy SCC của thép. Tốc độ phát triển vết nứt do ăn mòn ứng lực của thép không gỉ.

Cơ chế lan truyền vết nứt. 100 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ ĐIỂM MỚI. 102 Ý NGHĨA THỰC TIỄN. 102 DỰ KIẾN NGHIÊN CỨU TIẾP THEO.

102 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 103 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ. 114 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt và ký hiệu Atmospheric Induced Stress Nứt do ăn mòn ứng lực trong AISCC Corrosion Cracking khí quyển GCN Cold work; As-received Cán nguội thương mại Lnứt Chiều dài vết nứt (mm) Mẫu U U-bend sample Mẫu uốn chữ U Mẫu C C-ring sample Mẫu uốn chữ C Mẫu P Plate sample Mẫu phẳng NH Sensitized Nhạy hóa RH Relative Humidity Độ ẩm tương đối SCC Stress Corrosion Cracking Nứt do ăn mòn ứng lực T Temperature Nhiệt độ TOW Time Of Wetness Thời gian lưu ẩm Trạm HN Trạm Hà Nội Trạm ĐS Trạm Đồ Sơn Trạm ĐH Trạm Đồng Hới Thời kỳ phơi mẫu bắt đầu vào Thời kỳ T5 đầu tháng 5/2020 Thời kỳ phơi mẫu bắt đầu vào Thời kỳ T6 đầu tháng 6/2020 Thời kỳ phơi mẫu bắt đầu vào Thời kỳ T7 đầu tháng 7/2020 vii Thời kỳ phơi mẫu bắt đầu vào Thời kỳ T8 đầu tháng 8/2020 Nhiệt độ không khí trung bình TTB (oC) RHTB Độ ẩm tương đối trung bình (%) Thời gian ướt trung bình ngày tư (giờ/ngày) Thời gian khô trung bình ngày tk (giờ/ngày) Tỷ lệ thời gian khô/thời gian k/ư ướt trung bình ngày Tốc độ phát triển vết nứt Vnứt (mm/ngày) Xử lý nhiệt tạo dung dịch rắn XLN Solution heat treatment đồng nhất viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. Điều kiện xảy ra ăn mòn SCC.

Hình ảnh vết nứt do ăn mòn ứng lực theo (a) biên hạt và (b) xuyên hạt của thép không gỉ 304. Các giai đoạn xuất hiện và phát triển ăn mòn ứng lực theo các yếu tố điện hóa và cơ học…………………………………………………………………………. Quá trình SCC của vật liệu. Sự hình thành vết nứt từ các lỗ/khe ăn mòn dẫn đến SCC.

Sơ đồ tiêu biểu cho mô hình lan truyền vết nứt theo cơ chế vỡ màng. Mô hình “đường hầm ăn mòn”, a) Sự xuất hiện vết nứt do sự hình thành các đường hầm ăn mòn tại các mặt trượt gây biến dạng dẻo và gẫy; b) Cơ chế đường hầm của SCC và sự hình thành các mặt có rãnh khía. Ion Cl- sa lắng tại các vị trí khuyết tật dẫn đến SCC. Quá trình ăn mòn ứng lực thép trong môi trường khí quyển.

Độ ẩm gây chảy rữa các muối NaCl, MgCl2, và CaCl2 ở các nhiệt độ thử nghiệm khác nhau. Mẫu thép 304 sau 400 giờ thử nghiệm tại 80oC, độ ẩm 40%, lượng ion Cl- sa lắng 400µg/cm2 - vết nứt do SCC phát triển theo biên hạt. Vết nứt SCC thép 304 tại 35oC sau 1 và 4 tháng thử nghiệm: (a và b) mẫu nhạy hóa, (c và d) mẫu cán nguội thương mại. Quá trình cán nguội của vật liệu.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với tốc độ phát triển viết nứt của thép 316 cán nguội 10, 15 và 20%. Ảnh hưởng của ứng suất kéo tới khả năng xuất hiện SCC thép 304. Khả năng hòa tan của các bon trong thép không gỉ 18/8 ASS. Sự hình thành của các bít crôm trên biên hạt thép không gỉ.

Vết nứt do ăn mòn ứng lực thép 304 tại 45oC sau 1 tháng thử nghiệm: (a) mẫu thép cán nguội thương mại, (b) mẫu thép nhạy hóa .Tổ chức tế vi của mẫu thép cán nguội thương mại 304 (a) và, 316 (b); nhạy hóa 304 (c) và 316 (d), xử lý nhiệt tạo dung dịch rắn đồng nhất thép 304 (e). Bề mặt mẫu thép trước thử nghiệm. Mẫu uốn chữ U. Mẫu uốn chữ C.

Các mẫu thử nghiệm được nhỏ các giọt dung dịch muối. Tủ nhiệt ẩm SH-222 và hệ mẫu đặt trong tủ thử nghiệm. Kính hiển vi soi nổi. Kính hiển vi kim tương.

Kính hiển vi điện tử quét JEOL-JSM 649. Hiện trạng ăn mòn các mẫu thép 304 nhạy hóa uốn chữ U trong môi trường NaCl (a) và MgCl2 (b), thử nghiệm 720 giờ ở các T, RH khác nhau. Hình ảnh đại diện thể hiện hiện trạng ăn mòn các mẫu thép 304 nhạy hóa uốn chữ U sau thử nghiệm gia tốc 720 giờ: Không ăn mòn (a), Ăn mòn lỗ (b), SCC xuất hiện (c), SCC lan truyền (d), Gãy mẫu (e). Hiện trạng ăn mòn các mẫu thép 316 nhạy hóa uốn chữ U trong môi trường NaCl (a) và MgCl2 (b), thử nghiệm 720 giờ ở các T, RH khác nhau.

Hình ảnh đại diện thể hiện hiện trạng ăn mòn các mẫu thép 316 nhạy hóa uốn chữ U sau thử nghiệm gia tốc 720 giờ: Không ăn mòn (a), Ăn mòn lỗ (b), SCC xuất hiện (c), SCC lan truyền (d), Gãy mẫu (e). Số lượng mẫu 304 và 316 nhạy hóa uốn chữ U nhỏ muối NaCl bị SCC phụ thuộc T, RH. Số lượng mẫu 304 và 316 nhạy hóa uốn chữ U nhỏ muối MgCl2 bị SCC phụ thuộc T, RH. Quá trình SCC xuất phát từ ăn mòn lỗ của thép không gỉ do ion Cl-.

Độ nhạy ăn mòn lỗ phụ thuộc lượng ion Cl- và nhiệt độ (tại pH = 7, đồ thị sẽ dịch chuyển về bên phải khi pH tăng).