Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian làm việc đến tổ chức và tính chất của thép bền nhiệt ASTM A335 2009 03 P91 dùng làm các chi tiết trong bộ hơi quá nhiệt của nhà máy nhiệt điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------------

PHẠM HỒNG THÁI

ẢNH HƯ NG C A NHI T ĐỘ VÀ THỜI GIAN ÀM VI C
Đ NT

CH C VÀ T NH CH T C A TH P B N NHI T

ASTM A335:2009-03 P91 D NG ÀM CÁC CHI TI T TRONG
BỘ H I QUÁ NHI T C A NHÀ MÁ NHI T ĐI N

UẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT I U KIM OẠI

HÀ NỘI – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
----------------------------------

PHẠM HỒNG THÁI

ẢNH HƯ NG C A NHI T ĐỘ VÀ THỜI GIAN ÀM VI C
Đ NT

CH C VÀ T NH CH T C A TH P B N NHI T

ASTM A335:2009-03 P91 D NG ÀM CÁC CHI TI T TRONG
BỘ H I QUÁ NHI T C A NHÀ MÁ NHI T ĐI N

Chuyên ngành : Khoa học và kỹ thuật vật liệu kim loại

UẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT I U KIM OẠI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN TH VÂN THANH

HÀ NỘI - 2017


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân, được hình thành và phát
triển từ những quan điểm của cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Thị Vân
Thanh và có tham khảo thêm các tài liệu đáng tin cậy, có nguồn gốc rõ ràng. Các số liệu, kết
quả trong luận văn là hồn tồn chính xác và trung thực.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn này.

Tác giả luận văn

PHẠM HỒNG THÁI

Phạm Hồng Thái- KH-KT Vật liệu Kim loại -14BVLKL

1

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Thị Vân Thanh, Bộ môn Vật liệu học, xử lý
Nhiệt và Bề mặt – Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu – Trường đại học Bách Khoa Hà Nội
đã trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện và hồn thành đề tài.
Tơi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Vật liệu học,
xử lý Nhiệt và Bề mặt, các thầy, cơ giáo ở Phịng thí nghiệm kim loại học, Phịng thí nghiệm
Kim tương - Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, sự hỗ trợ từ Phịng thí nghiệm Hiển vi
điện tử và Vi phân tích (BKEMMA), Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST), cho
các phép đo trên hệ SEM – Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, Trung tâm thử nghiệm kiểm định công nghiệp - Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ - Vinacomin, Phịng thí nghiệm
Posco – Hàn Quốc đã tạo điều kiện giúp tơi hồn thành đề tài này.
Tác giả luận văn

PHẠM HỒNG THÁI

Phạm Hồng Thái- KH-KT Vật liệu Kim loại -14BVLKL

2


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................. 1
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................... 2
MỤC LỤC ......................................................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................ 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ...................................................................... 6
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................... 9

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ............................................................................................ 11
1.1 Tổng quan về thép bền nhiệt sử dụng trong nhà máy nhiệt điện.................... 11
1.1.1 Thép ferit/mactenxit 9-12% Cr trong ngành nhiệt điện .............................. 11
1.1.2 Tổ chức tế vi và cơ chế bền dão của thép ferit/mactenxit 9-12% Cr .......... 15
1.2 Tổng quan về thép ASTM A335-03 P91........................................................ 17
1.2.1 Tính chất và ứng dụng ................................................................................. 17
1.2.2 Chế độ xử lý nhiệt ....................................................................................... 19
1.2.3 Tổ chức tế vi và cơ chế bền dão .................................................................. 19
1.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian làm việc đến thép P91 ......................... 21
1.3 Tình hình hoạt động của các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam ..................... 27
1.3.1 Thép trong nhà máy nhiệt điện .................................................................... 27
1.3.2 Các sai hỏng thường gặp của các đường ống thép P91 trong nhà máy nhiệt điện
29
1.4 Mục đích và nội dung nghiên cứu .................................................................. 30
1.4.1 Mục đích nghiên cứu ................................................................................... 30
1.4.2 Nội dung của nghiên cứu............................................................................. 30
CHƯƠNG II. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM ............... 31
2.1 Quy trình thực nghiệm.................................................................................... 31
Phạm Hồng Thái- KH-KT Vật liệu Kim loại -14BVLKL

3


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
2.2 Phương pháp thực nghiệm .............................................................................. 32
2.2.1 Mẫu thí nghiệm............................................................................................ 32
2.2.2 Thiết bị thực nghiệm ................................................................................... 34
2.2.3 Quy trình xử lý nhiệt ................................................................................... 34
2.2.4 Các phương pháp và thiết bị phân tích ........................................................ 35
2.2.4.1 Phân tích tổ chức tế vi .............................................................................. 35

2.2.4.2 Phân tích pha định tính ............................................................................ 37
2.2.4.3 Phương pháp xác định cơ tính ................................................................. 38
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................................. 42
3.1 Tổ chức tế vi và tính chất của thép bền nhiệt ASTM A335-03 P91 ở trạng thái
ban đầu chưa sử dụng ...................................................................................................... 42
3.1.1 Thành phần hoá học..................................................................................... 42
3.1.2 Tổ chức tế vi của thép P91 ở trạng thái ban đầu ......................................... 42
3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến tổ chức của thép P91 ............................... 45
3.3 Ảnh hưởng của thời gian nung và thời gian làm việc đến tổ chức tế vi của thép
P91 48
3.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến cơ tính của thép P91 ................................ 57
3.5 Ảnh hưởng của thời gian nung và thời gian làm việc đến cơ tính của thép P91
60
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ............................................................................................ 63
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 63
ĐỀ XUẤT ............................................................................................................. 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 65

Phạm Hồng Thái- KH-KT Vật liệu Kim loại -14BVLKL

4


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Thành phần của mác thép mactenxit 9% Cr [2] .............................................. 12
Bảng 1.2. Thành phần của mác thép mactenxit 12% Cr [2] ............................................ 13
Bảng 1.3. Thành phần hoá học ........................................................................................ 18
Bảng 1.4. Cơ tính ............................................................................................................. 18

Bảng 1.5. Các dự đốn thống kê về công suất điện từ các nguồn khác nhau vào năm 2020 và
năm 2030 ......................................................................................................................... 28
Bảng 2.1. Thành phần hóa học mẫu P91 ở trạng thái chưa sử dụng ............................... 32
Bảng 3.1. Thành phần hóa học của mẫu ban đầu chưa sử dụng ...................................... 42
Bảng 3.2. Kết quả phân tích phổ EDS mẫu ban đầu tại điểm 1-1 ................................... 44
Bảng 3.3. Các giá trị các chỉ tiêu cơ tính của mẫu ở thời điểm ban đầu. ........................ 45
Bảng 3.4. Kết quả kiểm tra thử kéo của thép P91 theo quy trình xử lý nhiệt. ................ 57
Bảng 3.5. Kết quả kiểm tra độ cứng của thép P91 theo thang đo HB trong khoảng thời gian
khác nhau. ........................................................................................................................ 59
Bảng 3.6. Kết quả thử kéo của mẫu nung tại nhà máy. ................................................... 61
Bảng 3.7. Kết quả kiểm tra độ cứng (HB) của thép P91 theo thời gian khác nhau......... 62

Phạm Hồng Thái- KH-KT Vật liệu Kim loại -14BVLKL

5


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1. Quá trình phát triển của thép 9-12% Cr [1]. .................................................... 12
Hình 1.2. Độ bền dão 100.000 giờ theo nhiệt độ của một vài mác thép 9-12% Cr điển hình
(thành phần mác thép như trong bảng 1.1 và 1.2, thép X3CrNiMoN17-13 theo tiêu chuẩn
DIN chứa 16-18% Cr) [1] ................................................................................................ 14
Hình 1.3. Tổ chức tế vi tiêu biểu của thép ferit/mactenxit crơm cao (a) chỉ có mactenxit [3],
(b) mactenxit và δ-ferit [4] .............................................................................................. 15
Hình 1.4. Kích thước pha thứ 2 và trình tự tiết pha trong 10Cr-1W-1Mo-VNb [1] ....... 16
Hình 1.5. Vật liệu cho ống dẫn hơi nước chính trong nhà máy điện (DIN: 11CrMo9-10,
X8CrNiMoNb16-13, X3CrNiMoN17-13, X6CrNi18-11; ASTM: P91, P92, P911; EN:
X20CrMoNiV11-1[6] ...................................................................................................... 19

Hình 1.6. Minh hoạ cấu trúc mactenxit tấm sau ram của thép 9-12% Cr ....................... 20
Hình 1.7. Tổ chức tế vi của thép 9Cr-1Mo sau tôi và ram (a) ảnh hiển vi quang học, (b) ảnh
SEM [7] ........................................................................................................................... 21
Hình 1.8. Sự phát triển của các pha thứ 2 và siêu hạt trong quá trình thử dão và nung [1]22
Hình 1.9. Hình ảnh SEM của thép 9Cr-1Mo sau nung ở nhiệt độ và thời gian khác nhau: (a)
773K (500 oC) trong 500h, (b trên) 873K (600 oC) trong 500h, (c) 773K (500 oC) trong
10000h, (d) 873K (600 oC) trong 10000h [8] .................................................................. 23
Hình 1.10. Sự thay đổi thành phần của nển trong quá trình nung và thử dão trong điều kiện,
nhiệt độ nung, ứng suất và thời gian nung khác nhau [1] ............................................... 23
Hình 1.11. Sự phát triển của cacbit dưới tác dụng của nhiệt độ và thời gian của thép 9Cr1Mo [8] ............................................................................................................................ 24
Hình 1.12. Sự thay đổi thành phần của M23C6 dưới tác dụng của nhiệt độ và thời gian [8]25
Hình 1.13. Sự thay đổi của độ cứng dọc theo hướng kéo của mẫu sau thử dão được khảo sát
(hình trịn đỏ) so với một mẫu thép ban đầu lấy từ cùng một đường ống (hình vng đen)
[10]................................................................................................................................... 26
Hình 1.14. Sơ đồ của nhà máy nhiệt điện đốt than .......................................................... 27
Phạm Hồng Thái- KH-KT Vật liệu Kim loại -14BVLKL

6


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Hình 1.15. Hình ảnh một số hư hỏng của ống tại nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả (a) ống bị nứt
do chiều dày giảm quá mức cho phép (b) ống bị tách lớp một phần bên ngồi .............. 29
Hình 1.16. Dàn ống bị hư hỏng do chiều dày bị giảm..................................................... 29
Hình 2.1. Sơ đồ nghiên cứu thực nghiệm ........................................................................ 31
Hình 2.2. Thiết bị phân tích thành phần kim loại và hợp kim75/80J MVU .................... 33
Hình 2.3. Các mẫu thử kéo .............................................................................................. 33
Hình 2.4. Các mẫu kim tương ......................................................................................... 33
Hình 2.5. Lị nung có khí bảo vệ HTC 08/16 .................................................................. 34
Hình 2.6. Quy trình nung mẫu ......................................................................................... 35

Hình 2.7. Kính hiển vi quang học Axiovert 25 CA ......................................................... 36
Hình 2.8. Kính hiển vi điện tử qt JEOL JSM-7600F ................................................... 37
Hình 2.9. Máy thử kéo, thử uốn WEB-1000B................................................................. 39
Hình 2.10. Tiêu chuẩn thiết kế của mẫu thử kéo. ............................................................ 40
Hình 2.11. Máy đo độ cứng thơ đại 751N-Wilson Wolpert ............................................ 41
Hình 3.1. Tổ chức tế vi của thép P91 ở trạng thái ban đầu (a) ảnh hiển vi quang học (x1000),
(b) ảnh hiển vi điện tử quét SEM (x5000) ....................................................................... 43
Hình 3.2. Phổ nguyên tố EDS của mẫu ban đầu tại vị trí hạt pha tiết. ............................ 43
Hình 3.3. Kết quả phân tích EPMA mẫu ban đầu ........................................................... 44
Hình 3.4. Tổ chức tế vi của mẫu khi nung trong thời gian 6 ngày tại (a) 500 oC, (b) 600 oC,
(c) 700 oC ......................................................................................................................... 46
Hình 3.5. Ảnh hiển vi điện tử quét của mẫu thép P91 ở (a,b) trạng thái ban đầu, (c,d) sau
nung 700 oC trong 6 ngày ................................................................................................ 46
Hình 3.6. Kết quả phân tích EPMA mẫu thép P91 sau nung ở 700 oC trong 6 ngày ...... 47
Hình 3.7. Tổ chức tế vi của thép P91 sau nung ở 700 oC trong thời gian khác nhau (a) 2 ngày,
(b) 4 ngày, (c) 6 ngày....................................................................................................... 49

Phạm Hồng Thái- KH-KT Vật liệu Kim loại -14BVLKL

7


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Hình 3.8. Tổ chức tế vi của thép P91 sau nung ở 500 oC trong thời gian khác nhau (a) 2 ngày,
(b) 4 ngày, (c) 6 ngày và tổ chức tế vi của thép P91 (d) 10 ngày, (e) 20 ngày, (f) 30 ngày đặt
trong đường ống với nhiệt độ 530 oC và 16,7MPa. ......................................................... 50
Hình 3.9. Ảnh hiển vi điện tử quét của mẫu (a,b) sau nung 2 ngày ở 500 oC và (c,d) đặt trong
đường ống ở 530 oC và 16,7MPa sau 30 ngày. ............................................................... 51
Hình 3.10. Kết quả phân tích EPMA mẫu thép P91 sau nung ở 500 oC trong 2 ngày .... 52
Hình 3.11. Kết quả phân tích EPMA mẫu thép P91 đặt ở đường ống có nhiệt độ 530 oC, áp

suất 16,7MPa trong thời gian 30 ngày ............................................................................. 53
Hình 3.12. Tổ chức tế vi của thép P91 sau nung ở 600 oC trong thời gian khác nhau (a) 2
ngày, (b) 4 ngày, (c) 6 ngày và (d) tổ chức tế vi của thép ống góp hơi quá nhiệt cuối làm
bằng thép P91 với nhiệt độ làm việc 600-630 oC, áp suất 16,7MPa sau thời gian làm việc 10
năm .................................................................................................................................. 54
Hình 3.13. Ảnh hiển vi điện tử SEM của thép ống góp hơi quá nhiệt cuối làm bằng thép P91
với nhiệt độ làm việc 600-630 oC, áp suất 16,7MPa sau thời gian làm việc 10 năm ...... 55
Hình 3.14. Kết quả phân tích EPMA mẫu ống thép P91 làm ống góp hơi quá nhiệt cuối với
nhiệt độ làm việc 600-630 oC, áp suất 16,7MPa, sau thời gian làm việc khoảng 10 năm56
Hình 3.15. Đồ thị giản đồ kéo của mẫu P91 trong thời gian 48h ở nhiệt độ khác nhau . 57
Hình 3.16. Đồ thị giản đồ kéo của mẫu P91 trong thời gian 96h ở nhiệt độ khác nhau . 58
Hình 3.17. Đồ thị giản đồ kéo của mẫu P91 trong thời gian 144h ở nhiệt độ khác nhau 58
Hình 3.18. Giản đồ đo độ cứng theo thời gian và nhiệt độ của thép P91 ........................ 59
Hình 3.19. Đồ thị giản đồ kéo của mẫu P91 ở 700 oC trong thời gian khác nhau .......... 60
Hình 3.20. Đồ thị giản đồ kéo của mẫu P91 ở nhà máy trong thời gian khác nhau ........ 61

Phạm Hồng Thái- KH-KT Vật liệu Kim loại -14BVLKL

8


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

LỜI NÓI ĐẦU

Các đường ống dẫn hơi nước quá nhiệt trong nhà máy nhiệt điện thường làm việc
trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, thậm chí bộ phận sinh hơi q nhiệt cịn phải chịu
áp suất đến 20 MPa và nhiệt độ khoảng 600 oC. Các ống dẫn hơi quá nhiệt làm việc trong
điều kiện nhiệt độ và áp suất cao nên thường xảy ra hiện tượng phá hỏng đường ống và làm
gián đoạn hoạt động của nhà máy. Hiện nay, các nhà máy nhiệt điện không những phải tăng

tuổi thọ của các đường ống mà còn phải tăng nhiệt độ và áp suất của hơi nước nhằm đạt
được mục đích tăng hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của sản xuất điện. Các chi tiết trong bộ hơi
quá nhiệt (đường ống sinh hơi chính, sinh hơi hâm nóng lại, nồi hơi...) trong nhà máy nhiệt
điện thường xuyên làm việc ở nhiệt độ cao, áp suất lớn, thời gian dài được chế tạo từ một số
loại thép bền nhiệt. Chúng bị phá hủy sau một thời gian dài làm việc. Nghiên cứu sự biến
đổi tổ chức và tính chất của thép ở điều kiện nhiệt độ cao, trong hơi quá nhiệt theo thời gian
để biết trước thời gian dừng làm việc, bảo dưỡng hay thay thế là việc làm rất quan trọng
nhằm đảm bảo các thông số kỹ thuật của thiết bị, bảo đảm an toàn cho thiết bị và người làm
việc. Các nghiên cứu cũng nhằm mục tiêu nâng cao chất lượng phục vụ và tuổi thọ của thép
bền nhiệt dùng trong bộ hơi quá nhiệt của nhà máy nhiệt điện.
Phần lớn các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam đang sử dụng thép ASTM A335-P22
cho các đường ống dẫn hơi có nhiệt độ lớn hơn 500 oC. Thép P22 là dòng thép chịu nhiệt
thuộc họ 2,5Cr-1Mo thế hệ cũ. Do đó, sai hỏng thường xảy ra tại các nhà máy nhiệt điện với
các đường ống làm từ loại thép này. Việc thay thế, sửa chữa buộc phải dừng hoạt động của
toàn bộ nhà máy, gây tổn thất về kinh tế. Do đó, nhu cầu cần sử dụng loại thép chất lượng
cao, có tuổi thọ dài hơn P22 là cần thiết.

Phạm Hồng Thái- KH-KT Vật liệu Kim loại -14BVLKL

9


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Thép bền nhiệt ASTM A335-03 P91 (theo tiêu chuẩn ASTM - Mỹ) thuộc họ thép
ferit-mactenxit có hàm lượng hợp kim Cr cao (8-9,5%), loại thép này thường sử dụng để chế
tạo các ống dẫn hơi có nhiệt độ làm việc cao hơn 620 oC. Việc sử dụng loại thép này không
những đạt được hiệu quả cao mà cịn giảm phát thải khí CO2 và các loại khí độc khác (khoảng
20%) nhờ tăng được thơng số hơi nước từ 16MPa/530-540 oC lên 30MPa/600 oC. Với ưu
điểm của thép bền nhiệt này, tôi đã chọn đề tài “Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian làm
việc đến tổ chức và tính chất của thép bền nhiệt ASTM A335-03 P91 dùng làm các chi tiết

trong bộ hơi quá nhiệt của nhà máy nhiệt điện”. Việc tiến hành các nghiên cứu ảnh hưởng
của nhiệt độ và thời gian làm việc là vô cùng quan trọng và cấp thiết, do mác thép P91 chủ
yếu sử dụng tại các hạng mục áp suất và nhiệt độ rất cao. Dựa vào các nghiên cứu này, có
thể dự đốn được thời gian làm việc của các chi tiết trên và có kế hoạch sửa chữa, thay thế
kịp thời, tránh để tình trạng xảy ra sự cố gây nguy hiểm đến tính mạng con người và gây ra
các hư hỏng của thiết bị liên quan. Hơn nữa, qua nghiên cứu, có thể ứng dụng P91 thay thế
cho P22 tại một số vị trí quan trọng trong hệ thống ống dẫn hơi trong nhà máy nhiệt điện tại
Việt Nam.

Phạm Hồng Thái- KH-KT Vật liệu Kim loại -14BVLKL

10


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về thép bền nhiệt sử dụng trong nhà máy nhiệt điện
1.1.1 Thép ferit/mactenxit 9-12% Cr trong ngành nhiệt điện
Giảm lượng khí thải CO2 là một mục tiêu hàng đầu của ngành điện, đặc biệt ngành
nhiệt điện đốt than. Các nhà máy nhiệt điện đang có xu hướng sử dụng các quá trình ở nhiệt
độ cao và áp suất lớn nhằm cải thiện hiệu suất nhiệt và giảm lượng khí thải CO2. Các q
trình ở nhiệt độ cao địi hỏi phải sử dụng vật liệu bền nhiệt và có độ bền dão cao hơn.
Để phù hợp với quá trình làm việc theo chu kỳ của nhà máy nhiệt điện đốt than, các
loại vật liệu có tổ chức Ferit/Mactenxit đang được ưu tiên sử dụng bởi chúng có những đặc
tính quan trọng như hệ số dẫn nhiệt tốt, hệ số giãn nở nhiệt nhỏ hơn nữa lại có tính chịu sốc
nhiệt cao. Đó là những ưu điểm của nhóm thép này hơn hẳn nhóm thép khơng gỉ Austenit.
Vì những lý do này, nhu cầu sử dụng loại thép ferit Cr chịu nhiệt và độ bền cao ngày càng
tăng do đó có rất nhiều những nghiên cứu ứng dụng và phát triển của các loại thép có chứa

9-12% Cr, nhằm cải thiện độ bền dão của thép không gỉ ferit/mactenxit (đây là nhược điểm
của loại thép này so với thép không gỉ austenit).
Những hướng phát triển của các nước như Mỹ, các nước Châu Âu và Nhật Bản là rất
đa dạng (hình 1.1, bảng 1.1, bảng 1.2). Từ những năm 1975, loại thép 9-12% Cr đã được
nghiên cứu phát triển ở Mỹ, Nhật Bản, châu Âu và được tiêu chuẩn hóa vào những năm đầu
của thập niên 1980. Sự cải tiến về thành phần cho thép 9-12% Cr để chế tạo các chi tiết trong
nồi hơi, trong hệ thống tc-bin có thể làm việc đến với nhiệt độ hơi nước lên đến 620 – 650
°C và áp suất đến 30-34 MPa [1].
Việc điều chỉnh thành phần theo hướng tăng độ bền dão bằng việc điều chỉnh thành
phần của nguyên tố chính và nguyên tố vi lượng nhằm: (a) tối ưu hóa các pha và dung dịch
rắn ferit bằng việc thêm các nguyên tố làm tăng tính ổn định của austenit như Cu và Co, (b)
hóa bền dung dịch rắn bằng thêm các nguyên tố W, Mo và N, (c) ổn định mactenxit và cacbit
Phạm Hồng Thái- KH-KT Vật liệu Kim loại -14BVLKL

11


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
dạng M23C6 bằng thêm B, (d) hóa bền tiết pha bằng tạo ra pha tiết nhỏ mịn phân tán V và
Nb(CN) – những pha ổn định và khơng bị thơ hóa. Hình 1.2 cho biết giới hạn bền dão 100
000 giờ theo nhiệt độ của một vài mác thép điển hình.
Độ bền dão ở 600 oC trong 100.000 h
(Giá trị mong muốn)

Tối ưu hố

Hình 1.1. Quá trình phát triển của thép 9-12% Cr [1].
Bảng 1.1. Thành phần của mác thép mactenxit 9% Cr [2]
Loại thép
9Cr-1Mo

9Cr-2Mo

Quốc
gia

C

Si

Mn

Cr

Ni

Mo

9Cr-1Mo

UK

0.10

Nhật

≤0.15

EM10

Pháp

0.10

0.50
0.30.6
0.50

9.50
8.010.0
9.00

0.20

T9

0.70
0.251.0
0.30

1.00
0.91.1
1.00

HCM9M

Nhật

0.07

0.30

0.45

9.00

NSCR9

Nhật
Bỉ/
Pháp
Nhật

0.08
0.080.12
0.05
0.040.08
0.080.12

0.25

0.50
0.91.2
0.58
0.40.8
0.30.6

9.00
9.010.0
9.60

8.09.5
8.09.5

EM12

9CrMoVNb

JFMS
Tempalo
y F-9
T91

9CrMoVNbW

Thành phần (%)

Tên gọi

COST
'B'
E911
TF1
TB9
(NF616)
(T92)

Nhật
Mỹ

0.3-0.5

0.67
0.251.0
0.2-0.5

0.20

V

Nb

W

N

B

1.60
1.92.1
2.30
0.91.1
0.851.05

0.15
0.250.35
0.12
0.150.45
0.180.25

0.05
0.350.45

0.06
0.20.6
0.060.10

0.03

0.003

0.030.07
0.01

2.00
0.10

0.94

≤0.4

≤0.005

Europe

0.17

0.10

0.10

9.50

0.10

1.50

0.25

0.05

Europe

0.10

0.20

0.40

9.00

0.20

1.00

0.20

0.08

1.00

0.07

Nhật

0.12

0.20

0.50

9.00

0.80

0.60

0.26

0.06

1.60

0.05

0.003

Nhật

0.070.13

≤0.05

0.30.6

8.59.5

≤0.4

0.30.6

0.150.25

0.040.09

1.52.0

0.050.07

0.0010.006

Phạm Hồng Thái- KH-KT Vật liệu Kim loại -14BVLKL

12

0.010


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Bảng 1.2. Thành phần của mác thép mactenxit 12% Cr [2]
Loại thép

12Cr

12CrMoV

Tên gọi

Quốc
gia

AISI 403

C

Si

Mn

Cr

US/U
K

≤0.15

0.20.35

0.460.53

11.513.0

AISI 410

US/U
K

≤0.15

≤1.0

≤1.0

FI

UK

0.10

0.18

0.41

0.49

FV607

UK

0.13

0.40

0.77

11.513.0
12.013.0
11.16

CRM12

UK

0.19

0.45

0.54

X20CrMoV12 1
(W.Nr.1.4922)

Đức

0.170.23

≤0.50

0.180.24

X22CrMoV12 1
(W.Nr.1.4923)
HT91 (SS2317)

12CrMoVW

Mo

V

0.62

0.89

0.27

11.80

0.40

0.96

0.30

≤1.0

10.012.5

0.300.80

0.801.20

0.250.35

0.100.50

0.300.80

11.012.5

0.300.80

0.801.20

0.250.35

Nb

W

Thuỵ
Điển

0.30

0.25

1.00

12.00

0.30

2.75

0.25

AISI 422

Mỹ

0.23

0.40

0.60

12.50

0.70

1.00

0.25

1.00

AL 419

0.25

0.30

1.00

11.50

0.50

0.50

0.40

2.50

0.20

0.38

0.60

11.95

0.60

1.00

0.30

0.52

H46

Mỹ
Thuỵ
Điển
UK

0.15

0.40

0.60

12.00

0.50

0.50

0.30

0.25

TAF

Nhật

0.18

0.30

0.50

10.50

1.50

0.20

0.15

FV448

UK

W.Nr.1.4914

Đức

0.10
0.110.19

0.46
0.150.65

0.86
0.201.25

10.70
10.012.0

0.60

0.401.0

0.14
0.10.7

0.26
0.10.6

MANET I

Europ
e

0.13

0.37

0.82

10.60

0.80

0.77

0.22

0.16

MANET II

Europ
e

0.10

0.17

0.81

9.97

0.66

0.61

0.24

X19CrMoVNbN
11 1
(W.Nr.1.4913)

Đức

0.160.22

0.100.50

0.300.80

10.011.5

0.300.80

0.501.0

Mỹ

0.19

0.30

0.65

10.50

0.60

Nhật

0.14

0.05

0.50

10.20

Nga

0.100.15

0.50

0.80

0.11

0.03

0.52

EP450

TOS 101

Europ
e
Nhật

TOS-301

Nhật

COST 'F'

N

B

Khác
0.015
Cu
0.05Al

Đức

Mỹ

GE
TR1100
(TMK1)

12CrMoVNbW

Ni

LAPELLOY

HT9

12CrMoVNb

Thành phần (%)

0.18
0.14

0.65
0.501.2

0.10

0.05
0.0
30
0.05
0.030.09
0.02

0.0
085

0.015
Cu
0.05Al
0.053 Zr

0.15

0.024

0.0
1

≤0.02 Al
0.017Zr

0.10.3

0.150.5

0.050.19

≤0.
01

1.00

0.20

0.085

0.06

0.60

1.50

0.20

0.06

0.04

11.013.5

0.050.30

1.21.8

0.100.30

0.300.6

10.20

0.60

1.40

0.18

0.05

0.056

11.00

0.40

1.00

0.20

0.07

0.05

10.00

11.013.0

0.50

1.00
0.801.2

0.20
0.20.3

0.10

HCM12

Nhật

≤0.14

≤0.50

0.400.70

TB12

Nhật

0.08

0.05

0.5

12.00

0.10

0.50

TR1150
(TMK2)
TR1200

Nhật

0.13

0.05

0.5

10.70

0.70

Nhật

0.12

0.05

0.5

11.00

TF2

Nhật

0.18

0.05

0.5

11.00

0.05

≤0.20

0.81.2

0.20

0.05

1.80

0.05

0.40

0.17

0.06

1.80

0.045

0.80

0.15

0.20

0.08

2.50

0.06

0.10

0.20

0.20

0.08

2.40

0.025

Phạm Hồng Thái- KH-KT Vật liệu Kim loại -14BVLKL

0.0
04
0.0
01

0.0
03

0.0
15

13


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Nhật

0.18

0.05

0.5

10.50

0.10

0.20

0.20

0.08

2.40

0.025

PNC-FMS

Nhật

0.12

0.05

0.6

11.00

0.40

0.50

0.20

0.05

2.00

0.050

GE (Mod)

0.14

0.03

0.6

10.00

0.70

1.00

0.18

0.045

1.00

0.040

0.12

0.10

0.45

10.40

0.75

1.10

0.18

0.045

0.80

0.052

TOS 107

Mỹ
Europ
e
Nhật

10.00

0.70

1.00

0.20

0.05

1.00

0.050

TOS 202

Nhật

0.16

11.00

0.70

1.00

0.20

0.20

1.10

0.050

TOS 302

Nhật

0.12

10.00

1.00

1.10

0.20

0.10

0.80

0.050

HCM12A
(P122)

Nhật

0.070.14

≤0.50

≤0.70

10.012.5

≤0.5

0.250.60

0.150.30

0.040.1

1.52.5

0.040.10

≤0.
005

0.31.7Cu
≤0.04 Al

Tempaloy F12M

Nhật

0.15

0.2

0.1

12.00

0.30

0.70

0.25

0.10

1.00

0.075

0.0
06

1.0 Cu

HR1200

Nhật

0.11

0.05

0.6

11.00

0.50

0.15

0.20

0.08

2.60

0.025

0.0
15

3.0 Co

FV535

UK

0.060.11

0.100.7

0.601.15

9.811.2

0.20.8

0.51.0

0.10.35

0.200.45

≤0.7

0.010.035

TOS 110

Nhật

0.11

10.00

0.20

0.70

0.20

0.05

1.80

0.020

TOS 203

Nhật

0.11

10.50

0.60

0.10

0.20

0.10

2.50

0.030

TOS 303

Nhật

0.12

10.00

0.20

0.70

0.20

0.05

1.80

0.020

NF12

Nhật

0.08

0.2

0.5

11.00

0.20

0.20

0.07

2.60

0.050

SAVE12

Nhật

0.10

0.3

0.2

11.00

0.20

0.07

3.00

0.040

M152

Mỹ

0.10

0.25

0.65

11.70

COST 'E'

12CrMoVNbW
Cu

12CrMoVNbW
Co

0.14
0.07

0.5

2.65

1.60

0.0
002

0.0
050.0
12

0.0
1
0.0
1
0.0
06
0.0
04

5.07.0Co
3.0Co
1.0Co
0.2Re
3.0Co
2.5Co
3.0Co
0.07Ta
0.04Nd

0.28

Độ bền dão ở 100.000h (MPa)

12CrMoNiV

0.0
15

TF3

Nhiệt độ (oC)
Hình 1.2. Độ bền dão 100.000 giờ theo nhiệt độ của một vài mác thép 9-12% Cr điển hình
(thành phần mác thép như trong bảng 1.1 và 1.2, thép X3CrNiMoN17-13 theo tiêu chuẩn
DIN chứa 16-18% Cr) [1]
Phạm Hồng Thái- KH-KT Vật liệu Kim loại -14BVLKL

14


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
1.1.2 Tổ chức tế vi và cơ chế bền dão của thép ferit/mactenxit 9-12% Cr
a. Tổ chức tế vi
Quy trình xử lý nhiệt cho thép ferit crom cao sử dụng trong nhà máy nhiệt điện thường
như sau: thép được tôi, nhiệt độ tôi trong khoảng 1040–1100 °C để đảm bảo thép được
austenit hóa, sau đó được ram ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ A1. Trong q trình tơi, tổ chức
mactenxit dạng tấm với mật độ lệch cao được tạo thành. Trong quá trình ram, các siêu hạt
được hình thành trong các tấm mactenxit ram. Hình 1.3 (a) là một tổ chức tế vi tiêu biểu của
thép ferit/mactenxit crôm cao. Trong tổ chức của thép ferit/mactenxit 9-12% Cr có thể có δferit – là dạng pha ferit hình thành trong q trình austenit hóa (hình 1.3b).

(a)

Hình 1.3. Tổ chức tế vi tiêu biểu của thép ferit/mactenxit crơm cao
(a) chỉ có mactenxit [3], (b) mactenxit và δ-ferit [4]
Nhiệt độ ram thường là 650–730 °C cho ứng dụng chế tạo roto của tuôcbin hơi (cần
giới hạn chảy cao), nhiệt độ ram cao trong khoảng 750–780 °C, thường áp dụng cho các loại
đường ống và ống dẫn nhiệt. Nhiệt độ ram sẽ ảnh hưởng đến pha tiết trong quá trình ram.
Ba loại pha tiết sẽ hình thành trong quá trình ram, bao gồm: M23C6 cacbit, MX cacbo-nitrit
và pha Laves Fe2M. Các hạt pha tiết M23C6 trong quá trình ram có thể được tiết ra tại các
biên hạt và biên giới siêu hạt. Trong M23C6, một phần nguyên tử Cr sẽ được thay thế bởi
nguyên tử Fe và các nguyên tố hợp kim khác. Sự tiết pha M23C6 có thể sẽ xảy ra trong quá

trình thử dão ở nhiệt độ thấp (hình 1.4).

Phạm Hồng Thái- KH-KT Vật liệu Kim loại -14BVLKL

15


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Pha Z

Thời gian thử dão ở 600 oC (×103 h)
Hình 1.4. Kích thước pha thứ 2 và trình tự tiết pha trong 10Cr-1W-1Mo-VNb [1]
Pha cacbo-nitrit MX có thể là VN và NbC, trong đó, một phần nguyên tử N trong VN
có thể bị thay thế bởi nguyên tử C và nguyên tử C trong NbC có thể bị thay thế bởi nguyên
tử N. Các dạng pha MX có thể có: pha NbX sơ cấp thơ, chưa hịa tan trong q trình nung
tơi; pha nhỏ mịn VX dạng đĩa và NbX dạng cầu được tiết ra trong quá trình ram; pha VX
được hình thành trên biên pha NbX dạng cầu trong quá trình thử dão (Pha Z). Pha MX được
tiết ta nhỏ mịn (trừ NbX sơ cấp) và phân bố đồng đều trong siêu hạt và trên biên giới siêu
hạt. Sự tiết pha MX vẫn có thể xảy ra trong quá trình thử dão.
Pha Laves Fe2M là pha liên kim như: Fe2W và Fe2Mo trong các thép chứa W và Mo.
Loại pha này khơng hình thành trong quá trình ram mà chỉ được tiết ra trên biên hạt và biên
giới siêu hạt trong quá trình thử dão.
b. Cơ chế bền dão
Sự ổn định về tổ chức tế vi là thông số quyết định đến độ bền dão cho thép Mactenxit.
Mọi sự thay đổi về thành phần hóa học và tổ chức tế vi mà làm giảm quá trình khuếch tán
của nguyên tử trong dung dịch rắn cũng như sự khuếch tán của nguyên tử sắt trong mạng
tinh thể của nền đều làm tăng độ bền dão cho vật liệu. Đây là điều kiện tiên quyết cho sự ổn
định tổ chức của hợp kim trong điều kiện nung và dão.
Có 3 cơ chế tăng bền dão cho thép mactenxit 9-12% Cr, bao gồm:

Phạm Hồng Thái- KH-KT Vật liệu Kim loại -14BVLKL

16


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
- Tạo ra các cản trở chuyển động của lệch: biên giới siêu hạt và tạo thêm nhiều lệch.
- Hóa bền tiết pha: các pha tiết nhỏ mịn phân tán M23C6 và Fe2M trên biên hạt và biên
giới siêu hạt và pha MX trong siêu hạt.
- Hóa bền dung dịch rắn: W và Mo hịa tan vào mạng tinh thể của Fe.
1.2 Tổng quan về thép ASTM A335-03 P91
1.2.1 Tính chất và ứng dụng
Thép bền nhiệt mactenxit 9–12% Cr mang nhiều đặc tính quan trọng cho việc chế tạo
các chi tiết cần làm việc ở nhiệt độ cao và áp suất lớn trong ngành nhiệt điện như tính bền
ơxi hóa, bền ăn mịn và độ bền dão cao. Hơn nữa, so với thép bền nhiệt austenit thì loại thép
này có hệ số giãn nở nhiệt nhỏ hơn và tính chịu mỏi nhiệt cao hơn. Trong nhóm thép
mactenxit chứa 9-12 % Cr thì nhóm thép 9Cr-Mo có độ bền dão ở áp suất thấp là lớn nhất
[5]. Vì loại thép này có nhiệt độ chuyển biến dẻo giịn thấp nhất so với loại thép có % Cr từ
9-12%. Hơn nữa, nó khơng chứa dạng δ-ferit – một pha làm giảm độ dai của thép, tỷ phần
pha này sẽ tăng khi hàm lượng Cr trong thép tăng. Nghiên cứu chỉ ra, hàm lượng Cr tối ưu
cho độ bền dão và độ dai của thép là 9%.
Thép P91 được ra đời trên cơ sở thép 9Cr-1Mo. Thép P91 (tương đương với mác thép
X10CrMoVN9-1 theo tiêu chuẩn châu Âu) được sản xuất đầu tiên tại Mỹ và ngày nay được
sử dụng rộng rãi trong các nhà máy điện trên khắp thế giới cho hệ thống đường ống dẫn hơi
áp suất/nhiệt độ cao (nhiệt độ hơi nước trong khoảng 550–650 °C và áp suất lớn hơn 24
MPa) (hình 1.5).
Mác thép P91 được phát triển bởi trung tâm Thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge vào
cuối những năm 1970, hàm lượng thành phần hoá học của mác thép P91 tương ứng với mã
ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC) A-335. So với các loại thép Cr-Mo thế hệ

cũ (ví dụ như mác thép P11 và P22), ống mác thép P91 có độ bền dão, giới hạn chảy, độ bền
kéo và độ dãn dài cao hơn. Cấu trúc tế vi của P91 là mactenxit so với cấu trúc bainit của
thép hợp kim P11 và P22, và độ bền dão cao của thép cho phép đường ống hoạt động ở nhiệt

Phạm Hồng Thái- KH-KT Vật liệu Kim loại -14BVLKL

17


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
độ cao hơn. Những đặc tính như trên của thép P91 mang lại hiệu suất lâu hơn với phần chiều
dày mỏng hơn.
Thép P91 là thép chứa hàm lượng crom cao. Thành phần của thép chứa 9% Cr và 1%
Mo so với 2,5% Cr có trong P22. Thành phần crôm bổ sung này cải thiện độ bền của thép
P91 và tăng khả năng chống oxy hóa và ăn mòn. Molybden làm tăng độ bền dão. Vanadium
và niobi được thêm vào thép P91 để giúp tạo thành cacbít trong nền, do đó tăng độ cứng và
độ bền của thép. Tỷ lệ nitơ và nhôm trong thép được duy trì ở mức tối ưu 2,5: 1 để tránh phá
hủy giòn. Nhờ các thành phần hợp kim này, P91 mang lại độ dẫn nhiệt cao hơn, chống nứt
ăn mòn tốt hơn, hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn và chống mỏi nhiệt tốt hơn. Các tính chất này
mang lại tính sử dụng rộng rãi trong ngành cơng nghiệp, nhất là trong các nhà máy nhiệt
điện thay thế dần cho thép P11 và P22.
Tiêu chuẩn ASTM A335 là một tiêu chuẩn định dạng cho thép ống đúc hợp kim liền
mạch nhiệt độ cao. Thép ASTM A335-03 P91 được sử dụng trong lò hơi áp suất cao, lò sấy,
lò nung trước khơng khí, lị đốt, thiết bị trao đổi nhiệt và thiết bị nhiệt độ cao khác, ống quá
nhiệt và ống hoàn nhiệt, ống sinh hơi...Theo tiêu chuẩn ASTM A335-03, thép P91 có thành
phần hố học và cơ tính như bảng 1.3 và 1.4.
Bảng 1.3. Thành phần hoá học
Nguyên tố

C

Si

Mn

ASTM A335P91

0.080.12

0.200.50

0.300.60

P

S

(max)

(max)

0.020

0.010

Cr
8.09.5

Mo

V

0.85- 0.181.05 0.25

N
0.030.07

Bảng 1.4. Cơ tính
Cơ tính

Độ bền kéo
(Mpa)

Giới hạn chảy
(MPa)

ASTM
A335- P91

585

415

Độ giãn dài (%)
(nhỏ nhất)
20(1)

13(2)

(1) Đối với độ dãn dài theo chiều dọc

(2) Đối với độ dãn dài theo chiều ngang và độ dày ≤ 8mm

Phạm Hồng Thái- KH-KT Vật liệu Kim loại -14BVLKL

18


Độ bền dão 100.000 h (MPa)

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Nhiệt độ (oC)
Hình 1.5. Vật liệu cho ống dẫn hơi nước chính trong nhà máy điện (DIN: 11CrMo9-10,
X8CrNiMoNb16-13, X3CrNiMoN17-13, X6CrNi18-11; ASTM: P91, P92, P911; EN:
X20CrMoNiV11-1[6]
1.2.2 Chế độ xử lý nhiệt
Chế độ xử lý nhiệt cho thép P91 là tôi sau đó ram. Nhiệt độ tơi trong khoảng nhiệt độ
900 - 1100 °C. Nhiệt độ ram trong khoảng 730–780 °C. Tuy nhiên, theo nghiên cứu, thép
P91 đạt được tính chất tối ưu khi được austentit hóa tại nhiệt độ 1040 °C và ram tại nhiệt độ
760 oC.
1.2.3 Tổ chức tế vi và cơ chế bền dão
So với thép T9, thép P91 có hàm lượng C và Cr nhỏ hơn và thêm vào các nguyên tố
Nb, V và N. Việc thay đổi thành phần này nhằm làm tăng độ bền dão cho thép 9Cr-Mo bằng
việc điều chỉnh loại, số lượng và kích thước các pha tiết.

Phạm Hồng Thái- KH-KT Vật liệu Kim loại -14BVLKL

19

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.6. Minh hoạ cấu trúc mactenxit tấm sau ram của thép 9-12% Cr
Sau tôi và ram tổ chức của P91 có nền là mactenxit ram dạng tấm và các pha tiết dạng
cacbit M23C6 (M = Fe, Cr, Mo) giàu Cr và cacbo-nitrit MX (M=V,Nb; X=C, N). Mactenxit
được hình thành từ hạt austenit trước khi chuyển biến có dạng tấm. Một hạt austenit ban đầu
hình thành nhiều khối mactenxit, mỗi khối này gồm nhiều tấm mactenxit. Mỗi tấm gồm
nhiều siêu hạt. Các pha tiết dạng M23C6 được tiết ra ở biên hạt, biên giữa các khối, các tấm
và biên giới siêu hạt, trong khi MX khơng chỉ được tiết ra ở biên giới mà cịn cả trong siêu
hạt (hình 1.6) [5].
Việc giảm hàm lượng C, Cr và thêm vào Nb, V và N, làm cho kích thước pha cacbit
dạng M23C6 nhỏ và ít đi, thay vào đó là sự có mặt của pha cacbo-nitrit MX. So với M23C6,
pha MX được tiết ra nhỏ mịn phân tán, đóng vai trị rất quan trọng trong tăng độ bền dão
thời gian dài cho loại thép này, vì tốc độ phát triển của dạng pha MX nhỏ hơn rất nhiều so
với dạng pha M23C6 trong quá trình biến dạng dão. Các pha MX nhỏ mịn phân tán này không
bị hịa tan trong q trình nung, là những cản trở chuyển động của lệch, giữ cho hạt nhỏ
trong quá trình tơi và làm chậm q trình biến dạng dẻo. Tuy nhiên, sự điều chỉnh thành
phần này có thể dẫn đến sự tiết pha Z và pha Laves (phần 1.1.2) trong quá trình chịu dão của
của thép. Sự tiết pha này sẽ làm giảm khả năng hóa bền của dung dịch rắn trong quá trình
chịu dão.
Hình 1.7 là ảnh tổ chức tế vi của thép P91 sau tôi và ram qua ảnh hiển vi quang học
và hiển vi điện tử quét. Kích thước hạt austenit cỡ 10-15 µm. Khơng có pha δ-ferrit trong tổ

Phạm Hồng Thái- KH-KT Vật liệu Kim loại -14BVLKL

20


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
chức tế vi. Hình 7.1b cho thấy hình ảnh các pha tiết đó là M23C6 và MX. Pha M23C6 tập trung

chủ yếu ở biên hạt/khối/tấm, biên giới siêu hạt. Tại biên hạt kích thước M23C6 cỡ 100-300
nm, trong khi trong hạt có kích cỡ 50-70 nm. Kích thước của pha MX nhỏ hơn rất nhiều so
với M23C6, cỡ 5-20 nm. MX xuất hiện ở cả biên hạt, biên giới siêu hạt và trong siêu hạt.
a

b

Hình 1.7. Tổ chức tế vi của thép 9Cr-1Mo sau tôi và ram (a)
ảnh hiển vi quang học, (b) ảnh SEM [7]
1.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian làm việc đến thép P91
a. Tổ chức tế vi.
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cơ tính của ống thép sinh hơi, dẫn nhiệt là rất rõ rệt tại
các nhà máy nhiệt điện. Trong đó, thép P91 là thép hợp kim cao được dùng tại một số chỗ
tiếp xúc trực tiếp với ống sinh hơi, ống dẫn nhiệt; do ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất hơi
nước nóng khoảng trên 600 ºC làm cho tuổi thọ của ống bị phá hủy sau khoảng 100.000 giờ
làm việc. Nhiệt độ là yếu tố quan trọng dẫn đến sự thay đổi về mặt tổ chức tế vi trong suốt
quá trình làm việc của thép. Dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất, tổ chức tế vi của thép sẽ
có những thay đổi đáng kể, dẫn đến sự phá hủy của mẫu sau một thời gian làm việc nhất
định (hình 1.8).

Phạm Hồng Thái- KH-KT Vật liệu Kim loại -14BVLKL

21


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Ban đầu

Sau nung ở

600 oC, trong
33410h

Sau thử dão ở
600 oC, với
110Mpa,
trong 33410h

Sau nung ở
650 oC,
trong7959h

Sau thử dão ở
650 oC, với
800Mpa,
trong 7959h

Hình 1.8. Sự phát triển của các pha thứ 2 và siêu hạt trong quá trình thử dão và nung [1]
Sự thay đổi về kích thước của siêu hạt, tấm Mactenxit và về mật độ lệch
Dưới tác dụng của nhiệt độ và ứng suất trong thời gian dài, kích thước các tấm
mactenxit sẽ thay đổi, theo hướng tăng kích thước. Thấy rõ sự cấu trúc lại và lớn lên của các
siêu hạt trong ảnh tổ chức dạng graph của tổ chức tế vi của thép G-X12C1MoWVNbN 101-1 (hình 1.8). Rõ ràng, trong hiện tượng này xảy ra mạnh hơn khi mẫu dưới tác dụng của
cả nhiệt độ và ứng suất (điều kiện dão) hơn là chỉ dưới tác dụng của nhiệt độ (điều kiện
nung). Điều này cũng được thấy rõ hơn trong ảnh SEM của thép P91 ở các điều kiện thử dão
khác nhau (hình 1.9). Quá trình này xảy ra càng nhanh khi nhiệt độ và ứng suất tăng. Cùng
với sự cấu trúc lại và lớn lên của siêu hạt, mật độ lệch trong tấm mactenxit cũng giảm dần,
biên giới giữa các tấm mactenxit bị dịch chuyển, kết quả làm tăng kích thước các tấm
mactenxit.

Phạm Hồng Thái- KH-KT Vật liệu Kim loại -14BVLKL

22


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

c

Hình 1.9. Ảnh SEM của thép 9Cr-1Mo sau nung ở nhiệt độ và thời gian khác nhau:
(a) 773K (500 oC) trong 500h, (b trên) 873K (600 oC) trong 500h, (c) 773K (500 oC) trong
10000h, (d) 873K (600 oC) trong 10000h [8]
Sự giảm W trong nền

Sự giảm Mo trong nền

Giá trị lớn nhất
Giá trị nhỏ nhất

Giá trị lớn nhất
Giá trị nhỏ nhất

Giá trị trung bình

Mẫu (Nhiệt độ [o C]/ứng suất [MPa]/thời gian [h])

Giá trị trung bình

Mẫu (Nhiệt độ [o C]/ứng suất [MPa]/thời gian [h])

Hình 1.10. Sự thay đổi thành phần của nển trong quá trình nung và thử dão trong điều

kiện, nhiệt độ nung, ứng suất và thời gian nung khác nhau [1]

Phạm Hồng Thái- KH-KT Vật liệu Kim loại -14BVLKL

23