Chống oxy hóa ở nhiệt độ cao
Khả năng chống oxy hóa ở nhiệt độ cao của kim loại dùng để chỉ khả năng chống oxy hóa của thép ở nhiệt độ cao. Quá trình oxy hóa là một sự ăn mòn hóa học điển hình. Phản ứng hóa học giữa kim loại và oxy là ăn mòn oxy hóa. Sản phẩm ăn mòn (màng oxit) bám vào bề mặt kim loại trong môi trường oxy hóa như không khí nhiệt độ cao và khí đốt. Với sự phát triển của quá trình oxy hóa, độ dày của màng oxit tiếp tục tăng lên. Quá trình oxy hóa kim loại có tiếp tục oxy hóa sau khi đạt đến một mức nhất định hay không phụ thuộc trực tiếp vào hiệu suất của màng oxit trên bề mặt kim loại. Nếu màng oxit dày đặc và ổn định được hình thành, màng oxit có lực liên kết cao và độ bền cao với kim loại cơ bản, nó có thể ngăn các nguyên tử oxy khuếch tán vào kim loại và làm giảm tốc độ oxy hóa. Nếu không, quá trình oxy hóa sẽ được đẩy nhanh, khiến bề mặt kim loại bị bong tróc, dẫn đến các bộ phận sớm bị hỏng.
Thành phần lớp oxit trên bề mặt thép có liên quan đến nhiệt độ. Lớp oxit bao gồm Fe2O3+Fe3O4 dày đặc, có thể ngăn chặn hiệu quả sự khuếch tán oxy dưới 570 độ. Khi đun nóng đến trên 570 độ, màng oxit bao gồm FeO+Fe2O3+Fe3O4 từ trong ra ngoài. FeO lỏng lẻo và xốp, chiếm khoảng 90% toàn bộ độ dày màng oxit. Nguyên tử kim loại và nguyên tử oxy dễ dàng khuếch tán trong lớp FeO và đẩy nhanh quá trình oxy hóa. Nhiệt độ cao FeO làm giảm đáng kể khả năng chống oxy hóa của thép. Nhiệt độ càng cao, các nguyên tử khuếch tán càng nhanh và tốc độ oxy hóa càng nhanh.
Phương pháp chính để cải thiện khả năng chống oxy hóa của thép là thêm các nguyên tố hợp kim như crom, silicon và nhôm. Do đó, khi thép tiếp xúc với oxy ở nhiệt độ cao sẽ tạo thành màng oxy hóa Cr2O3, silica và alumina có điểm nóng chảy cao dày đặc, bao phủ bề mặt thép rất chặt, ngăn không cho thép bị oxy hóa thêm.
Độ bền nhiệt độ cao
Độ bền nhiệt độ cao của kim loại đề cập đến khả năng vật liệu kim loại chống lại tải trọng cơ học ở nhiệt độ cao, nghĩa là khả năng vật liệu kim loại chống biến dạng dẻo và hư hỏng ở nhiệt độ cao. Tính chất cơ học của kim loại ở nhiệt độ cao rất khác so với ở nhiệt độ phòng. Khi nhiệt độ làm việc lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại, kim loại sẽ bị biến dạng dẻo và cứng lại. Ngoài việc bị tác động bởi ngoại lực, quá trình kết tinh lại và làm mềm cũng sẽ xảy ra.
Tính chất cơ học của kim loại ở nhiệt độ cao có liên quan đến nhiệt độ, thời gian và cấu trúc. Creep thường xảy ra ở nhiệt độ cao, nghĩa là khi nhiệt độ làm việc lớn hơn nhiệt độ kết tinh lại, ứng suất làm việc vượt quá giới hạn đàn hồi ở nhiệt độ đó và kim loại dần biến dạng theo thời gian. Khả năng chống rão của kim loại càng cao thì độ bền nhiệt độ cao của nó càng cao.
Độ bền nhiệt độ cao của kim loại thường được biểu thị bằng giới hạn rão và độ bền. Giới hạn rão là giá trị ứng suất khi biến dạng dư của kim loại đạt đến một giá trị nhất định sau một khoảng thời gian ở nhiệt độ nhất định. Độ bền bền đề cập đến giá trị ứng suất của vật liệu kim loại trong một khoảng thời gian nhất định trong điều kiện nhiệt độ không đổi. Ở nhiệt độ cao, độ bền ranh giới hạt của vật liệu kim loại thấp hơn so với hạt bên trong, do đó việc thêm các nguyên tố hợp kim làm tăng nhiệt độ kết tinh lại và tạo thành các cacbua đặc biệt ổn định. Sử dụng vật liệu hạt thô để giảm ranh giới hạt có thể cải thiện hiệu quả độ bền nhiệt độ cao của thép.
Mo là nguyên tố hợp kim quan trọng trong thép ferritic chống rão, có nhiệt độ hoạt động lên tới 530 độ. Molypden dung dịch rắn có thể làm giảm tốc độ rão của thép một cách hiệu quả. Molypden có thể làm chậm quá trình kết tụ và làm thô cacbua ở nhiệt độ cao. Vanadi, titan và niobi là những nguyên tố tạo thành cacbua mạnh có thể tạo thành cacbua phân tán mịn để cải thiện độ bền nhiệt độ cao của thép. Các hợp chất titan, niobi và carbon cũng có thể ngăn ngừa sự ăn mòn giữa các hạt của thép austenit ở nhiệt độ cao hoặc sau khi hàn.
