Khóa luận tốt nghiệp Kỹ sư kỹ thuật hạt nhân: Tính toán thời gian làm việc còn lại của các thanh trao đổi nhiệt khi trên bề mặt của chúng xuất hiện các vết rỗ do trầm tích đồng gây ra

Khóa luận gồm bốn chương được trình bày như sau: Tổng quan về nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000. Một vài khái niệm cơ bản về cơ học vật liệu. Nứt do môi trường ăn mòn và có ứng suất áp vào. Sự hình thành vết nứt của thành ống trao đổi nhiệt khi xuất hiện trầm tích đồng và tính toán thời gian làm việc còn lại của các ống trao đổi nhiệt.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KĨ THUẬT HẠT NHÂN

VÕ THỊ VIỆT KIỀU – 1410704

TÍNH TOÁN THỜI GIAN LÀM VIỆC CÒN LẠI CỦA CÁC THANH TRAO ĐỔI NHIỆT KHI TRÊN BỀ MẶT CỦA CHÚNG XUẤT HIỆN

CÁC VẾT RỖ DO TRẦM TÍCH ĐỒNG GÂY RA

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KĨ SƯ HẠT NHÂN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

TS NGUYỄN THỊ NGUYỆT HÀ

KHÓA 2014 – 2018

i

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

ii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Cuối cùng em xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến GV.TS Nguyễn Thị Nguyệt

Hà, cám ơn cô đã giúp em hoàn thành khóa luận và tận tình dạy dỗ chỉ dạy em trong suốt thời gian làm khóa luận

Lâm Đồng, tháng 12 năm 2018

Võ Thị Việt Kiều

EPR European Pressurised Reactor Lò phản ứng áp lực châu Âu

IAEA International Atomic Energy

IEC International Electrotechnical

Commission Ủy ban kĩ thuật điện quốc tế

INSAG International Nuclear Safety

PWR Pressurized Water Reactors Lò nước áp lực

SCC Stress Crossion Crack Nứt do môi trường ăn mòn và

có ứng suất áp vào

Energetichesky Reaktor

Kiểu lò phản ứng nước áp lực được thiết kế bởi Nga

v

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các thông số thiết kế cơ bản của lò VVER – 1000 3

Bảng 1.2 Các thông số của bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000 trong điều kiện hoạt động bình thường 7

Bảng 1.3 Thành phần của các loại thép không gỉ 9

Bảng 2.1 Mô đun đàn hồi cho một số vật liệu 16

Bảng 4.1 Kết quả tính toán vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích 42

Bảng 4.2 Kết quả tính toán vận tốc phát triển vết nứt ở giai đoạn 1 44

Bảng 4.3 Kết quả tính toán vận tốc phát triển vết nứt ở giai đoạn 2 45

Bảng 4.4 Kết quả tính toán thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt 47

vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000 2

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo của lò VVER – 1000 2

Hình 1.3 Bình sinh hơi 5

Hình 1.4 Mặt cắt dọc của bình sinh hơi 6

Hình 1.5 Ảnh hưởng của hàm lượng Cr tới tốc độ ăn mòn 10

Hình 2.1 Khuyết tật Schottky (a) và khuyết tật Frenkel (b) 12

Hình 2.2 Biến vị trong mạng tinh thể (a); Sự di chuyển của biến vị (b) 13

Hình 2.3 Ứng suất kĩ thuật 13

Hình 2.4 Ứng suất kéo (a) và ứng suất nén (b) được xác định theo các lực tác dụng lên thanh đồng nhất 14

Hình 2.5 Các vùng và điểm khác nhau trên đường cong ứng suất-biến dạng 16

Hình 2.6 Hành vi dẻo và giòn của vật liệu 17

Hình 2.7 Các dạng nứt cơ bản 18

Hình 3.1 Vết nứt do gãy liên kết giữa các hạt (a) và vết nứt xuất phát từ bên trong hạt (b) 20

Hình 3.2 Các quá trình diễn ra tại đầu vết nứt 21

Hình 3.3 Các giai đoạn của quá trình SCC theo thời gian 23

Hình 3.4 Mối quan hệ giữa tốc độ lan truyền vết nứt và dòng giải phóng từ anode 26

Hình 3.5 Môi trường ảnh hưởng đến sự phân bố của Crom 27

Hình 3.6 Mô hình vỡ lớp màng 28

Hình 3.7 Sơ đồ thể hiện tỉ lệ mật độ điện tích oxy hóa/thời gian đốivới sự biến dạng một đỉnh nứt và các mặt bên không biến dạng của vết nứt 29

Hình 3.8 Mối liên hệ giữa các thông số kiểm soát cơ bản và sự hình thành vết nứt SCC 29

vii

Hình 3.9 Sơ đồ của mô hình vỡ lớp màng cho thấy sự hình thành của lớp màng giòn dọc theo biên giới hạt và sự vỡ của lớp màng giòn do ứng suất dẫn đến sự

khởi tạo và lan truyền vết nứt 30

Hình 3.10 Sơ đồ biểu diễn mô hình hấp phụ 32

Hình 3.11 Sơ đồ vỡ hóa học gây ra rạn nứt liên kết 33

Hình 4.1 Sự hình thành trầm tích đồng của ống trao đổi nhiệt 36

Hình 4.2 Mô hình hình thành vết nứt xuyên qua thành của ống trao đổi nhiệt 37

Hình 4.3 Thành của ống trao đổi nhiệt T 37

Hình 4.4 Vết nứt do trầm tích đồng dọc theo biên giới hạt của thép không gỉ austenitic 38

Hình 4.5 Vết nứt trong thép không gỉ do trầm tích đồng 38

Hình 4.6 Biểu đồ cho thấy sự gia tăng khối lượng đồng trong trầm tích theo thời gian vận hành 40

Hình 4.7 Biểu đồ cho thấy sự thay đổi độ sâu của vết rỗ trong thành ống trao đổi nhiệt khi có đồng trong trầm tích theo thời gian 40

Hình 4.8 Đồ thị biểu diễn vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích 43

Hình 4.9 (a) Đồ thị biểu diễn vận tốc phát triển vết nứt theo độ sâu của vết nứt ở khoảng thời gian τ 1 ; (b) Đồ thị biểu diễn vận tốc phát triển vết nứt theo độ sâu của vết nứt ở khoảng thời gian τ H 46

Hình 4.10 Đồ thị biểu diễn thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt theo độ sâu của vết nứt theo thời gian τ H 48

viii

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN LOẠI LÒ VVER – 1000 2

1.1 Giới thiệu chung 2

1.2 Bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000 5

1.2.1 Cấu tạo bình sinh hơi 5

1.2.2 Vật liệu bình sinh hơi 9

1.2.3 Môi trường làm việc của bình sinh hơi 10

1.3 Kết luận chương 1 11

CHƯƠNG 2- MỘT VÀI KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CƠ HỌC VẬT LIỆU 12

2.1 Khuyết tật 12

2.2 Biến vị 12

2.3 Ứng suất và biến dạng 13

2.3.1 Khái niệm ứng suất, biến dạng 13

2.3.2 Đường cong ứng suất – biến dạng 15

2.3.3 Nứt 18

2.4 Kết luận chương 2 19

CHƯƠNG 3- NỨT DO MÔI TRƯỜNG ĂN MÒN VÀ CÓ ỨNG SUẤT ÁP VÀO 20

3.1 Khái niệm nứt do môi trường ăn mòn và có ứng suất áp vào (SCC) 20

3.2 Các thông số kiểm soát sự lan truyền SCC 21

3.3 Khởi tạo SCC 22

3.4 Các cơ chế lan truyền SCC 24

3.4.1 Cơ chế hòa tan 25

3.4.2 Nứt do gãy liên kết giữa các hạt (intergranular) 26

3.4.3 Mô hình giải hòa tan trượt hoặc mô hình vỡ lớp màng 27

ix

3.4.4 Mô hình gãy cơ học 30

3.5 Kết luận chương 3 34

CHƯƠNG 4- SỰ HÌNH THÀNH VẾT NỨT CỦA THÀNH ỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT KHI XUẤT HIỆN TRẦM TÍCH ĐỒNG VÀ TÍNH TOÁN THỜI GIAN LÀM VIỆC CÒN LẠI CỦA CÁC ỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT 35

4.1 Đồng trong trầm tích của bình sinh hơi 35

4.2 Phương pháp tính toán thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt 37

4.3 Tính toán và nhận xét 42

4.3.1 Tính toán vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích (V Cu) 42

4.3.2 Tính toán vận tốc phát triển vết nứt ở giai đoạn 1(V 1 ) và giai đoạn (V H) (hình 4.2 và hình 4.7) 44

4.3.3 Tính toán thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt τ ocm 46

4.4 Kết luận chương 4 48

KẾT LUẬN 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

x

1

LỜI MỞ ĐẦU

Bình sinh hơi là một bộ phận quan trọng trong nhà máy điện hạt nhân, nó là một thiết bị trao đổi nhiệt biến nước thành hơi nước từ nhiệt sinh ra từ phản ứng phân hạch Chúng được sử dụng trong các loại lò PWR và VVER giữa các vòng làm mát sơ cấp và thứ cấp

Môi trường làm việc của bình sinh hơi cực kì khắt nghiệt: nhiệt độ cao, áp suất cao, môi trường phóng xạ lớn, chịu tác động của các ion và chất oxy hóa nguy hiểm, Vì vậy, thép không gỉ austenitic được chọn để chế tạo bình sinh hơi, đặc biệt là chế tạo các ống trao đổi nhiệt, đây là loại thép có khả năng chịu nhiệt tốt và chống ăn mòn cao Trong khóa luận này sẽ đề cập đến vấn đề trầm tích đồng ảnh hưởng như thế nào đến tuổi thọ của ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi loại lò VVER – 1000

Trong quá trình hoạt động của bình sinh hơi, nước cấp từ bên ngoài mang theo đồng, đồng sau đó tích tụ lên các ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi tạo thành trầm tích, đẩy nhanh quá trình hình thành các khuyết tật và vết nứt trên ống, làm giảm tuổi thọ của chúng Do đó, để đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả của nhà máy điện hạt nhân thì việc hiểu được vết nứt hình thành như thế nào và tính toán thời gian làm việc còn lại của các ống trao đổi nhiệt khi phát hiện trầm tích đồng là cần thiết

Khóa luận gồm bốn chương:

- Chương 1: Tổng quan về nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000

- Chương 2: Một vài khái niệm cơ bản về cơ học vật liệu

- Chương 3: Nứt do môi trường ăn mòn và có ứng suất áp vào

- Chương 4: Sự hình thành vết nứt của thành ống trao đổi nhiệt khi xuất hiện trầm tích đồng và tính toán thời gian làm việc còn lại của các ống trao đổi nhiệt

2

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN LOẠI LÒ

VVER – 1000

1.1 Giới thiệu chung

VVER – 1000 là phiên bản phát triển từ VVER – 640 thuộc lò phản ứng thế

hệ thứ II được thiết kế tại Nga VVER – 1000 của Rosatom thuộc thế hệ III+ tương đương với các lò phương Tây như EPR 1600 của Avera và các lò Mỹ như AP1000 của Westinghouse [2]

Sơ đồ nhà máy điện hạt nhân VVER – 1000 được mô tả ở hình 1.1 và sơ đồ cấu tạo của lò VVER – 1000 được mô tả ở hình 1.2 [2]

Hình 1.1 Sơ đồ nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo của lò VVER – 1000 [2]

3

Nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000 có các điểm mạnh sau [2]:

• Thiết kế đổi mới, an toàn và tiến hóa

• Năng lượng điện của tổ máy lên đến 1100MW

• Tuổi thọ của thiết bị có thể kéo dài ít nhất 60 năm

• Hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao

• Hệ số vận hành được tính trung bình cho toàn bộ thời gian vận hành của nhà máy điện hạt nhân là 92%

• Chu kỳ thay đảo thanh nhiên liệu là 12 đến 24 tháng

• Chất lượng cao của các giải pháp công nghệ và tài liệu dẫn chứng thiết kế được dựa trên kinh nghiệm dày dạn trong thiết kế, áp dụng sự tự quản, quy phạm và các tiêu chuẩn trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân Chất lượng của nhà máy điện hạt nhân với VVER – 1000 cũng dựa trên các khuyến cáo của các tổ chức quốc tế như IAEA, INSAG, ICRP, IEC trong lĩnh vực đảm bảo chất lượng các tiêu chuẩn quốc tế ISO – 9001 – 2000

Bảng 1.1 cho biết một số thông số thiết kế cơ bản của lò VVER – 1000

Bảng 1.1 Các thông số thiết kế cơ bản của lò VVER – 1000 [11]

Đặc tính chung của lò

Độ giàu nhiên liệu cao nhất 3.3 – 4.4%

Chu kỳ đảo nhiên liệu (nhiên liệu ở 3 năm

Áp suất hơi ở đầu ra bình sinh hơi 7.35 MPa

Nhiệt độ nước cấp đầu vào bình sinh hơi 220 0C

Xác suất nóng chảy vùng hoạt lò khi sự cố 10-6 – 10-7 1/năm.lò

4

Đặc tính chung của vùng hoạt

Số bó thanh nhiên liệu có chứa thanh điều

Số thanh nhiên liệu trong 1 bó thanh nhiên

Số thanh hấp thụ trong 1 bó 18 – 24

Bước đặt các thanh nhiên liệu 12.75 mm

Đường kính ngoài của thanh nhiên liệu 9.1 mm

Số kênh đo nhiệt độ 54 (kết hợp với thanh đo

nơtron)

Tỷ số nhiệt tuyến tính cực đại 400 – 448

Tổng độ hấp thụ của các thanh điều khiển 11.5 %

Hệ số độ phản ứng nhiệt độ của nhiên liệu -1.9x10-5 1/0C

Hệ số độ phản ứng nhiệt độ của chất tải

Đặc trưng cơ bản của lò

Hiệu nhiệt độ của chất tải nhiệt giữa đầu ra

5

1.2 Bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000

1.2.1 Cấu tạo bình sinh hơi

Bình sinh hơi nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000 (hình 1.3) là một thiết bị trao đổi nhiệt một chiều với bề mặt trao đổi nhiệt chìm Thùng bình sinh hơi được thiết kế để đặt trong tòa nhà lò (containment building), nó gồm vỏ bình đã qua tôi luyện, đáy đúc hình elip và các vòi được hàn vào Thùng bình sinh hơi được thiết

kế để thuận tiện cho việc kiểm tra bên trong từ vòng sơ cấp [13]

Hình 1.3 Bình sinh hơi

1 Thùng bình (Vessel)

2 Vòi phun khi xảy ra nguy hiểm (Damage nozzle)

3 Vòi phun xuống dưới (Blow down nozzle)

4 Ống trao đổi nhiệt (Heat – exchange tubes)

5 Thành phần phân tách (Separation Units)

6 Thành phần bơm nước cấp chính (Main feedwater spray unit)

7 Vòi phun khử khí (Gas removal nozzle)

8 Thành phần bơm nước cấp trong trường hợp khẩn cấp (Emergency feedwater spray unit)

9 Vòi phun hơi nước (Steam nozzle)

10 Ống phun hơi nước (Steam header)

6

11 Vòi phun nước cấp trong trường hợp khẩn cấp (Emergency feedwater nozzle)

12 Lối vào bình sinh hơi (Access airlock)

Hình 1.4 cho thấy mặt cắt dọc của bình sinh hơi [13]

Hình 1.4 Mặt cắt dọc của bình sinh hơi

1 Ống dẫn hơi chính 7 Ống dẫn chất tải nhiệt chính

2 Lớp bọc nắp đậy vòng thứ cấp 8 Các ống trao đổi nhiệt

4 Nắp đậy vòng sơ cấp 10 Ống cấp nước

5 Nắp đậy thứ cấp 11 Bộ tách hơi

7

Bề mặt trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi bao gồm 10978 ống hình chữ U với đường kính mỗi ống là 16x1.5mm, được bố trí theo chiều ngang Các bó ống được nối với bộ thu (collectors) vòng sơ cấp, mép ống được hàn hồ quang điện argon ở

bề bên trong của bộ thu Vật liệu của ống trao đổi nhiệt là thép không gỉ austenitic [13]

Bộ thu vòng sơ cấp được thiết kế để nước làm mát phân phối đến các ống trao đổi nhiệt, sau đó nước được gom lại và loại bỏ khỏi vòng sơ cấp Bề mặt bên trong của bộ thu phủ lớp chống ăn mòn hai lớp Tấm phân phối hơi nước được lắp ở phần trên cùng của thùng bình sinh hơi Tấm đục lỗ được đặt dưới mực nước của bình sinh hơi để phục vụ cho việc cân bằng lượng hơi nước [13]

Bình sinh hơi dự trữ một lượng nước lớn nhằm cung cấp các đặc tính động năng tốt cho toàn bộ nhà lò trong tai nạn mất nước cấp [13]

Sự bố trí “hành lang” (corridor) giữa các ống trao đổi nhiệt thì có các lợi thế sau [14]:

- Tăng sự tuần hoàn giữa các bó ống, kết quả là giảm tốc độ hình thành lắng đọng trầm tích trên các ống trao đổi nhiệt

- Giảm khả năng ống bị tắc do cặn bẩn bị tróc ra

- Tăng không gian dưới bó ống để dễ dàng loại bỏ các chất cặn bẩn

- Dễ dàng cho việc kiểm tra và bảo dưỡng các ống trao đổi nhiệt

- Cải thiện khả năng chế tạo và chất lượng lắp ráp bó ống

- Tăng thể tích bình do đó làm tăng lượng nước trong bình sinh hơi

- Cải thiện một số vấn để về điều kiện của bộ thu hồi chất làm mát

Một số thông số của bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000 trong điều kiện hoạt động bình thường được thể hiện ở bảng 1.2

8

Bảng 1.2 Các thông số của bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân loại lò

VVER – 1000 trong điều kiện hoạt động bình thường [13]

Áp suất tại lối ra của bình sinh hơi, MPa 6.27

Nhiệt độ chất làm mát vòng sơ cấp tại lối vào của

Nhiệt độ chất làm mát vòng sơ cấp tại lối ra của

Nhiệt độ nước cấp đầu vào của bình sinh hơi, 0C 220

Nhiệt độ nước cấp khi bộ gia nhiệt áp suất cao tắt,

Độ ẩm hơi nước tại lối ra của bình sinh hơi, % 0.2

9

1.2.2 Vật liệu bình sinh hơi

Một trong những loại vật liệu dùng để chế tạo thành phần của bình sinh hơi

là thép không gỉ Thép không gỉ là hợp kim của sắt chứa hơn 11% kim loại Cr và vì thế có khả năng hình thành một lớp màng bảo vệ như một lớp chống oxi hóa thụ động Lớp vỏ bảo vệ thụ động này được hình thành chủ yếu bởi kim loại Cr Thép không gỉ thường được chia thành nhiều loại dựa trên cấu trúc vi mô của chúng Theo đó, sẽ có bốn loại thép không gỉ là ferritic, austenitic, martensitic và duplex [12] Thành phần của các loại thép này được thể hiện trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Thành phần của các loại thép không gỉ [12]

Lớp màng thụ động

Thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn tốt là do chúng tạo ra một lớp màng rất mỏng không nhìn thấy được trong môi trường oxy hóa Lớp màng này là một lớp oxit bảo vệ thép khỏi sự tấn công của môi trường Khi Cr được thêm vào thép, tốc độ ăn mòn giảm xuống khoảng 10% bởi vì sự hình thành lớp bảo vệ hay lớp màng thụ động Để đạt được một lớp màng thụ động chắc chắn và liên tục thì hàm lượng Cr cần thiết phải ít nhất là 11% (hình 1.5) Sự bảo vệ thụ động này tăng rất nhanh với hàm lượng Cr tăng lên khoảng 17% Đây là lý do tại sao nhiều loại thép không gỉ chứa từ 17 – 18% Cr [12]

10

Hình 1.5 Ảnh hưởng của hàm lượng Cr tới tốc độ ăn mòn [12]

1.2.3 Môi trường làm việc của bình sinh hơi

Bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân làm việc trong điều kiện môi trường hết sức khắc nghiệt như [12]:

- Môi trường nhiệt độ cao, áp suất cao

Trong bình sinh hơi, nước ở nhiệt độ rất cao: Ở vòng sơ cấp, nhiệt độ ở đầu vào chân nóng là 593.15 ± 3.50K, áp suất khoảng 15.7 ± 0.3 MPa nên nước ở thể lỏng; ở vòng thứ cấp, nhiệt độ dòng hơi là 552K tại áp suất 6.28 ± 0.20 MPa, nước tồn tại ở dạng hơi Nước ở vòng thứ cấp khi tiếp xúc với bề mặt ống trao đổi nhiệt thì xảy ra sự sôi của nước

- Môi trường phóng xạ lớn

Các tia phóng xạ (n, 𝛼, 𝛽, 𝛾) từ các hạt nhân phóng xạ và các hạt nhân ở trạng thái kích thích được sản sinh ra do phản ứng phân hạch hạt nhân U – 235, tác động mạnh vào cấu trúc vật liệu làm giảm độ bền, gây biến đổi cấu trúc trong vật liệu

- Các chất hóa học

Nước bị chiếu xạ bởi các tia phóng xạ và phân hủy thành ion và chất oxy hóa

nguy hiểm như •OH,H2O2, O2, H2, •𝑂2−𝑒𝑎𝑞•, H Các ion và chất này phản ứng lẫn nhau và tương tác với môi trường xung quanh theo các phương trình sau:

O2 + 2H+ + 2e- ↔ H2O2 (1.1)

H2O2 + 2H+ + 2e- ↔ 2H2O (1.2)

H2 ↔H2+ (ads) + e- (1.3)

11

H2+ (ads) ↔ 2H+ + e- (1.4)

H2O2 là chất oxy hóa mạnh, chất này tạo ra môi trường oxy hóa dẫn đến sự

ăn mòn vật liệu trong nước khi tiếp xúc với phóng xạ

1.3 Kết luận chương 1

Ở chương 1 ta đã tìm hiểu về các vấn đề sau:

- Những đặc điểm nổi trội của nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000

và các thông số cấu tạo của nó

- Cấu tạo của bình sinh hơi, vật liệu được dùng để làm nên bình sinh hơi và môi trường làm việc của bình sinh hơi

sự hỗn loạn của các nguyên tử do các định luật nhiệt động lực học, vì vậy xác suất tạo ra lỗ trống tỉ lệ với hệ số Boltzmann Do đó, nó phụ thuộc vào năng lượng cần thiết để tạo ra lỗ trống và nhiệt độ của tinh thể ở trạng thái cân bằng nhiệt Phương trình (1) thể hiện mối quan hệ giữa số lượng lỗ trống (n) và số các nguyên tử trong mạng tinh thể (N) [10]:

Hình 2.1 Khuyết tật Schottky (a) và khuyết tật Frenkel (b) [10]

Khuyết tật Frenkel là một biến thể bổ sung, một nguyên tử rời khỏi mạng lưới và chuyển đến một vị trí xen kẽ bên trong mạng tinh thể (hình 2.1b) Khuyết tật Frenkel cũng tuân thủ các định luật nhiệt động lực học, do đó số lượng khuyết tật Frenkel tỷ lệ với hệ số Boltzmann [10]

2.2 Biến vị

Biến vị là khuyết tật tuyến tính Vai trò của nó trong cấu trúc vi mô là kiểm soát cường độ hiệu suất và biến dạng dẻo tiếp theo của tinh thể chất rắn ở nhiệt độ

13

bình thường Biến vị cũng góp phần vào sự phát triển của tinh thể và trong cấu trúc giao diện giữa các tinh thể [10]

Sự biến dạng của vật liệu chủ yếu xảy ra bởi sự 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 biến vị Một biến vị góc có thể được giải thích bằng cách chèn thêm một nửa mặt phẳng bên trong tinh thể (hình 2.2a) Nếu biến vị góc hiện diện trong tinh thể thì ứng suất cần thiết để tạo ra sự trượt xảy ra sẽ thấp hơn, điều này xảy ra do sự di chuyển của các biến vị góc (hình 2.2b) [10]

Hình 2.2 Biến vị trong mạng tinh thể (a); Sự di chuyển của biến vị (b)

2.3 Ứng suất và biến dạng

2.3.1 Khái niệm ứng suất, biến dạng

Ứng suất kĩ thuật là ứng suất được xác định bằng tỷ số của lực vuông góc tác dụng lên vật mẫu với diện tích mặt cắt ngang ban đầu của nó (hình 2.3)

Hình 2.3 Ứng suất kĩ thuật [4]

14

Để so sánh các vật mẫu có kích thước khác nhau, lực được tính trên một đơn

vị diện tích, còn được gọi là chuẩn hóa diện tích Trong các thí nghiệm kéo và nén, diện tích vuông góc với lực (hình 2.4) Trong các thí nghiệm cắt hoặc xoắn, diện tích vuông góc với trục quay Ứng suất được tính theo công thức sau [7]:

Biến dạng là sự thay đổi về kích thước của mẫu do ứng suất kéo hoặc nén

Để so sánh các mẫu có độ dài khác nhau, độ dãn dài cũng được chuẩn hóa Biến dạng được xác định bởi tỉ số giữa chiều dài do biến dạng và chiều dài ban đầu của mẫu, được gọi là biến dạng kĩ thuật [7]

Biến dạng sử dụng trong các đường cong ứng suất – biến dạng kỹ thuật là biến dạng tuyến tính trung bình, được tính bằng cách chia độ giãn dài của mẫu cho chiều dài ban đầu của nó [7]

𝜀 = 𝑙𝑖−𝑙0

𝑙0 =∆𝑙

15

Trong đó: 𝜀 – Biến dạng tuyến tính trung bình, 𝑙𝑖– Chiều dài của mẫu do biến dạng (m), 𝑙0– Chiều dài ban đầu của mẫu (m), ∆𝑙 – Độ giãn dài của mẫu do biến dạng (m)

2.3.2 Đường cong ứng suất – biến dạng

• Đường cong ứng suất, biến dạng

Hình dạng và kích cỡ của đường cong ứng suất – biến dạng của kim loại sẽ phụ thuộc vào thành phần kim loại, gia công nhiệt, tiền sử biến dạng dẻo và tốc độ biến dạng, nhiệt độ và trạng thái ứng suất trong quá trình thử nghiệm Các thông số được sử dụng để mô tả đường cong ứng suất – biến dạng là cường độ kéo, cường độ hiệu suất hoặc điểm hiệu suất, phần trăm độ giãn dài và giảm diện tích Hai thông số đầu là thông số cường độ và hai thông số sau cho thấy tính dẻo [7]

Đồ thị ứng suất – biến dạng kĩ thuật (hình 2.5) cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng trong một số phạm vi ứng suất Nếu ứng suất ở trong vùng tuyến tính, vật liệu là đàn hồi trong vùng này, biến dạng cũng được loại

bỏ Nhưng nếu vượt quá giới hạn đàn hồi thì vật liệu sẽ biến dạng vĩnh viễn Vật liệu có thể bắt đầu "co thắt" ở một số vị trí và cuối cùng là vỡ Trong vùng tuyến tính, một loại vật liệu cụ thể sẽ luôn có các đường cong giống nhau mặc dù kích thước vật lý khác nhau Do đó, có thể nói rằng tính tuyến tính và độ dốc là hằng số của loại vật liệu Trong ứng suất kéo và nén, hằng số này được gọi là mô đun đàn hồi hoặc mô đun Young (E) [7]

𝐸 = 𝐹/𝐴

∆𝑙/𝑙 (2.5) Trong đó: 𝐹/𝐴 – Ứng suất (N/m2), ∆𝑙/𝑙 – Biến dạng, E – mô đun đàn hồi(N/m2)

Hình 2.5 Các vùng và điểm khác nhau trên đường cong ứng suất-biến dạng [7]

Các vùng điển hình có thể quan sát được trong đường cong ứng suất – biến dạng ở hình 2.5 là [7]:

1 Vùng đàn hồi (Elastic region)

2 Hiệu suất (Yielding)

3 Biến dạng cứng (Strain Hardening)

4 “Co thắt” và hỏng (Necking and Failure)

17

Cần lưu ý rằng đối với các vật liệu thực tế khác nhau thì đường cong sẽ khác nhau, không phải lúc nào các khu vực trên cũng được thể hiện rõ ràng và phạm vi của từng khu vực trong không gian ứng suất – biến dạng là phụ thuộc vào vật liệu,

và không phải tất cả các vật liệu đều thể hiện tất cả các khu vực trên

• Hành vi giòn và dẻo của vật liệu

Hành vi của vật liệu có thể được phân thành hai loại: giòn và dẻo Lớp vật liệu dẻo gồm thép và nhôm, lớp vật liệu giòn gồm: thủy tinh, gốm sứ, bê tông và gang Để phân biệt hai loại này ta dựa vào đường cong ứng suất – biến dạng (hình 2.6) [7]

Hình 2.6 Hành vi dẻo và giòn của vật liệu [7]

Độ nhạy của vật liệu dẻo và giòn được thể hiện bởi sự khác biệt về cả chất lượng và định lượng trong đường cong ứng suất – biến dạng tương ứng Vật liệu dẻo chịu được sự biến dạng lớn trước khi gãy còn vật liệu giòn gãy ở biến dạng nhỏ hơn nhiều Trong vật liệu dẻo, vùng hiệu suất chiếm phần lớn đường cong ứng suất – biến dạng, trong khi vật liệu giòn thì vùng hiệu suất gần như không tồn tại Các vật liệu giòn thường có mô đun Young tương đối lớn và có ứng suất tối đa so với các vật liệu dẻo [7]

Vật liệu dẻo chịu được sự biến dạng lớn trước khi gãy Ngược lại, vật liệu giòn gãy đột ngột và không có dấu hiệu báo trước Do đó các vật liệu dẻo như thép

là sự lựa chọn hàng đầu trong cấu trúc xây dựng Năng lượng hấp thụ (trên một đơn

vị thể tích) trong thử nghiệm độ bền kéo, là vùng dưới đường cong ứng suất – biến dạng Bằng cách so sánh các đường cong trong hình 2.6 ta thấy rằng các vật liệu dẻo có khả năng hấp thụ năng lượng lớn hơn nhiều trước khi gãy [7]

18

Cần lưu ý rằng không phải tất cả các vật liệu đều có thể dễ dàng phân loại là dẻo hay giòn Độ nhạy vật liệu cũng phụ thuộc vào môi trường hoạt động, nhiều vật liệu dẻo trở nên giòn khi nhiệt độ giảm Với sự phát triển của công nghệ luyện kim

và hợp chất, nhiều vật liệu được cải tiến, kếp hợp giữa hai thành phần dẻo và giòn [7]

2.3.3 Nứt

Khi các mối liên kết trong mạng tinh thể giữa các hạt quá yếu để chịu ngoại lực tác dụng lên, nó sẽ vỡ từng phần và sự gãy như vậy gọi là gãy do sự phát hủy của các hạt (transgranular) Ngược lại, với gãy transgranular là gãy intergranular, gãy intergranular là khi mối liên kết giữa các hạt bị phá vỡ [10]

Có ba dạng nứt cơ bản được mô tả trong hình 2.7

Hình 2.7 Các dạng nứt cơ bản [10]

a Mô hình tách b Mô hình trượt c Mô hình xé

Khả năng mà vật liệu chịu được nứt trước khi gãy được gọi là độ bền đứt gãy Vật liệu có độ bền đứt gãy cao thì vật liệu đó sẽ trải qua gãy dẻo và ngược lại vật liệu có độ bền đứt gãy thấp thì sẽ trải qua gãy giòn [7]

Độ bền nứt gãy thể hiện lượng ứng suất cần thiết để lan truyền vết nứt từ các vết rỗ tồn tại từ trước Đây là một đặc tính rất quan trọng của vật liệu vì sự có mặt của các vết rỗ là không thể tránh được trong quá trình xử lý và chế tạo vật liệu [7]

Một tham số được gọi là hệ số cường độ ứng suất (K) được sử dụng để xác định độ bền đứt gãy của hầu hết các vật liệu Dạng nứt gãy tách (hình 2.7a) là dạng thường gặp nhất, do đó trong phần này ta sẽ xem xét hệ số cường độ ứng suất của dạng nứt gãy tách [7]

có ứng suất áp vào và phần này sẽ được tìm hiểu kĩ hơn trong chương 3