1. Mục Tiêu

Sau khi hoàn thành chương này, người học có thể:

• Trình bày được các tính chất cơ học (cơ tính) quan trọng của kim loại, đặc biệt là ở điều kiện nhiệt độ cao (như từ biến, mỏi nhiệt).

• Phân biệt được các nhóm kim loại chính (Thép, Gang, Hợp kim màu) và nêu được ưu điểm, nhược điểm của chúng khi ứng dụng trong các hệ thống nhiệt.

• Áp dụng các khái niệm cơ bản để hiểu được nguyên tắc tính toán sức bền của thiết bị chịu áp suất và nhiệt độ cao.

2. Nội Dung Chương

2.1. Cơ tính của Kim loại

Cơ tính (Mechanical Properties) là các tính chất thể hiện khả năng chống lại sự biến dạng và phá hủy dưới tác dụng của tải trọng. Ở nhiệt độ cao, các tính chất này có sự thay đổi đáng kể:

2.1.1. Các Tính chất Cơ bản

• Độ Bền (Strength): Khả năng chịu tải trọng mà không bị phá hủy. Ở nhiệt độ cao, độ bền thường giảm đáng kể.

  • Giới hạn Bền ($R_m$): Ứng suất lớn nhất mà vật liệu chịu được trước khi bị phá hủy.

  • Giới hạn Chảy ($\sigma_s$): Ứng suất tại đó vật liệu bắt đầu biến dạng dẻo không phục hồi.

• Độ Dẻo (Ductility): Khả năng biến dạng mà không bị nứt gãy (ví dụ: kéo dài, uốn). Thể hiện qua độ giãn dài tương đối ($\delta$) và độ thắt tỉ đối ($\psi$).

• Độ Cứng (Hardness): Khả năng chống lại sự biến dạng dẻo cục bộ (như sự xuyên sâu, cào xước).

2.1.2. Hiện tượng Đặc trưng ở Nhiệt độ Cao

• Từ biến (Creep): Là hiện tượng vật liệu biến dạng dẻo dưới tải trọng không đổi theo thời gian khi nhiệt độ vượt quá giới hạn nhất định (thường $\text{T} > 0.4 \text{T}_{nc}$ – $40\%$ nhiệt độ nóng chảy). Đây là yếu tố quyết định tuổi thọ của thiết bị làm việc lâu dài dưới nhiệt độ và áp suất cao (ví dụ: đường ống lò hơi).

• Mỏi nhiệt (Thermal Fatigue): Sự phá hủy vật liệu do ứng suất gây ra bởi sự thay đổi nhiệt độ chu kỳ (ví dụ: chu kỳ khởi động và dừng lò hơi).

• Giảm độ Bền: Nhiệt độ cao làm giảm lực liên kết giữa các nguyên tử, dẫn đến giảm độ bền, độ cứng và giới hạn chảy của kim loại.

2.2. Các Kim loại Thường sử dụng trong lĩnh vực Nhiệt

Việc lựa chọn kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc, áp suất, và môi trường (ăn mòn).

2.2.1. Thép (Steel)

Thép là hợp kim Sắt - Carbon (với C $< 2.14\%$) và các nguyên tố hợp kim khác.

• Thép Carbon (Thép đen):

  • Ưu điểm: Giá thành rẻ, dễ gia công.

  • Nhược điểm: Giới hạn sử dụng nhiệt độ thấp (thường $< 400^\circ\text{C}$), dễ bị ăn mòn.

  • Ứng dụng: Kết cấu thông thường, đường ống dẫn hơi áp suất thấp.

• Thép Hợp kim thấp (Low Alloy Steel): Thêm $\text{Cr}$, $\text{Mo}$, $\text{V}$ (vd: Thép $\text{12Cr1MoV}$).

  • Ưu điểm: Tăng giới hạn sử dụng nhiệt độ (thường đến $\text{500-600}^\circ\text{C}$), tăng độ bền từ biến, và chống ăn mòn nhẹ.

  • Ứng dụng: Đường ống lò hơi, bộ quá nhiệt, bình chứa cao áp.

• Thép Không gỉ (Stainless Steel - Inox): Thêm $\text{Cr}$ ($> 10.5\%$), $\text{Ni}$.

  • Ưu điểm: Chống ăn mòn tuyệt vời, độ bền cao ở nhiệt độ cao.

  • Ứng dụng: Trao đổi nhiệt trong môi trường ăn mòn, van, turbine khí.

2.2.2. Gang (Cast Iron)

Gang là hợp kim Sắt - Carbon (với $\text{C} > 2.14\%$).

• Ưu điểm: Rẻ, dễ đúc, độ bền nén cao, chịu mài mòn tốt.

• Nhược điểm: Độ dẻo và độ bền kéo thấp, giòn, kém ổn định ở nhiệt độ và áp suất cao.

• Ứng dụng: Thân van, vỏ máy bơm, bộ phận đúc của lò hơi (làm việc dưới $300^\circ\text{C}$ và áp suất thấp).

2.2.3. Hợp kim Màu (Non-ferrous Alloys)

• Hợp kim Đồng (Đồng, Đồng thau, Đồng thiếc):

  • Ưu điểm: Dẫn nhiệt tốt, chống ăn mòn.

  • Nhược điểm: Độ bền thấp ở nhiệt độ cao.

  • Ứng dụng: Trao đổi nhiệt (dàn lạnh, dàn ngưng), van nhỏ.

• Hợp kim Niken (Nickel Alloys): (Ví dụ: Inconel, Hastelloy).

  • Ưu điểm: Khả năng chịu nhiệt, chịu ăn mòn và chống từ biến rất cao.

  • Ứng dụng: Các bộ phận làm việc trong môi trường khắc nghiệt như turbine khí, đầu đốt lò cao.

2.3. Tính Toán Sức Bền Thiết Bị

Tính toán sức bền nhằm xác định kích thước (chiều dày, đường kính) của thiết bị để đảm bảo chúng không bị phá hủy hoặc biến dạng quá mức dưới tác dụng của áp suất và nhiệt độ làm việc.

2.3.1. Nguyên tắc Tính toán

Nguyên tắc cơ bản là đảm bảo ứng suất làm việc thực tế ($\sigma_{lv}$) phải nhỏ hơn ứng suất cho phép ($[\sigma]$) của vật liệu ở nhiệt độ làm việc:

• Ứng suất làm việc ($\sigma_{lv}$): Ứng suất gây ra bởi áp suất bên trong, tải trọng ngoài (tĩnh, động).

• Ứng suất cho phép ($[\sigma]$): Được xác định dựa trên giới hạn bền, giới hạn chảy, và giới hạn từ biến của vật liệu ở nhiệt độ làm việc, chia cho hệ số an toàn ($S$):

(Trong đó $\sigma_{tc}$ là giới hạn từ biến).

2.3.2. Tính toán Chiều dày Ống/Vỏ

Ví dụ tính chiều dày tối thiểu của vỏ hình trụ chịu áp suất bên trong:

Trong đó:

• $\delta_{min}$: Chiều dày tối thiểu của thành ống/vỏ.

• $P$: Áp suất thiết kế.

• $D$: Đường kính trong.

• $\varphi$: Hệ số bền mối hàn.

• $C$: Lượng dư cho ăn mòn.