W jaki sposób wcześniejsze ząbkowanie graniczne ziaren austenitu po wyżarzaniu rozpuszczającym rur osłonowych grzejnika 316 kontroluje odporność na kawitację pełzania w temperaturze 600 stopni przez 10 000 godzin pracy

Metodologia-wytrzymałości w wysokiej temperaturze w inżynierii interfejsów

Kształt granic ziaren austenitu ma duży wpływ na odporność na kawitację pełzającą elektrycznych rur grzewczych owiniętych stalą nierdzewną 316, stosowanych w temperaturze 600 stopni, co stanowi górną granicę dla ciągłej pracy tego stopu w zastosowaniach związanych z ogrzewaniem powietrzem lub gazem. Standardowe wyżarzanie rozpuszczające (1040 stopni, a następnie szybkie chłodzenie) prowadzi do prostych lub lekko wygiętych granic ziaren. Zmodyfikowana obróbka cieplna polegająca na opóźnionym chłodzeniu od 1100 stopni i dwuetapowym starzeniu (najpierw w 950 stopniach, a następnie w 850 stopniach) skutkuje ząbkowanymi lub „zygzakowatymi” granicami ziaren, których płaszczyzna graniczna nie jest-płaska o 5–25 µm. Falowania na ząbkowanych granicach ziaren zwiększają naprężenia wymagane do przesuwania się granic ziaren i zarodkowania wnęki, a zatem przeciwdziałają zarodkowaniu kawitacji pełzającej. Przy przyłożonym naprężeniu 600 stopni i 80 MPa (odpowiadającym typowym poziomom naprężenia obwodowego w osłonach grzejnika), ząbkowane granice ziaren zwiększają trwałość przy pękaniu pełzającym 2,5–4,0 razy w porównaniu z prostymi granicami. W artykule określono ilościowo związek pomiędzy amplitudą ząbkowania na granicy ziaren, czasem do zarodkowania kawitacji i czasem pełzania w temperaturze 600 o C.

Mechanizm ząbkowania-Większa odporność na pełzanie

Pełzanie austenitycznych stali nierdzewnych w temperaturze 600 stopni polega na odkształceniu poprzez ślizganie się dyslokacji w obrębie ziaren i przesuwanie granic ziaren. Wgłębienia zarodkują się w punktach potrójnych na granicach ziaren i na cząstkach drugiej fazy (węglikach) na granicach, gdy przesuwanie powoduje lokalne koncentracje naprężeń. Ząbkowane (znane również jako „migrowane” lub „wijące się”) granice ziaren są odporne na kawitację trzema metodami. Po pierwsze, geometryczne falowania działają jak blokady mechaniczne, zapobiegając względnym przemieszczeniom sąsiednich ziaren do czasu przyłożenia większych sił ścinających. Po drugie, wnęki jądrzaste muszą rozprzestrzeniać się po niepłaskiej ścieżce, co jest bardziej kosztowne pod względem energii niż propagacja wzdłuż prostej granicy. Po trzecie, w procesie ząbkowania często-wytrącają się drobne węgliki wewnątrzkrystaliczne, które wzmacniają wnętrze ziaren i zmniejszają szybkość odkształcania podczas pełzania.

Ilościowy związek między amplitudą ząbkowania a trwałością pełzania przy 600 stopniach

316 w celu uzyskania różnych stopni ząbkowania granic ziaren (mierzonych amplitudą od szczytu do doliny), a następnie próby pełzania w temperaturze 600 stopni i 80 MPa umożliwiły ustalenie następujących zależności.

Amplituda ząbkowania na granicy ziarna (μm) Obróbka cieplna w celu osiągnięcia czasu ząbkowania do 1% Kawitacja pełzania (godz., 600 stopni, 80 MPa) Trwałość przy pełzaniu (godziny, 600 stopni, 80 MPa) Względna trwałość pełzania (prosta=1.0) Zalecana dla pracy w temperaturze 600 stopni 0 (prosta) Standardowe wyżarzanie 1040 stopni, woda hartowanie 800-1,200 2,500-3,500 1.0× Marginalne 2-5 Wyżarzanie 1050 stopni, powolne chłodzenie do 950 stopni, utrzymywanie 1h, hartowanie wodą 1200-1,800 3,500-5,000 1.4× Akceptowalne 5-10 Wyżarzanie 1080 stopni, ochłodzenie do Utrzymanie 950 stopni 2 godz., Utrzymanie 850 stopni 2 godz., Wolne chłodzenie 1800-3,000 5,000-8,000 2.0× Zalecane 10-15 Wyżarzanie 1100 stopni, schładzanie stopniowe 1000 stopni →900 stopni →800 stopni (po 2 godz.), chłodzenie powietrzem 3 000-5,000 8,000-12,000 3.0× Najlepsze dla długiej żywotności
15-20 Specjalne cykle termiczne (3 etapy z odkształceniem pośrednim) 5 000-7,000 10 000-15,000 4.0× Najlepsza (zamówienie specjalne)20 Jak wyżej plus przedłużone starzenie 6 000-8,000 12,000-18,000 4.5× Tylko zastosowanie specjalne
Wpływ węgla i azotu na powstawanie ząbków

Podczas chłodzenia granice ziaren stają się ząbkowane w wyniku migracji granicznej, wspomaganej przez wytrącanie węglików i azotków na ruchomej granicy. Ząbkowanie zwiększa się pod wpływem stężenia węgla i azotu.

Zawartość węgla (wt%) Zawartość azotu (wt%) Osiągalna amplituda ząbkowania (µm) przy standardowym stopniu-Zalecany czas obróbki cieplnej w temperaturze 950 stopni (w godzinach)<0.020 <0.05 2-5 1 0.020-0.030 0.05-0.07 5-10 2 0.030-0.040 0.07-0.10 10-15 4 0.040-0.050 0.10-0.12 15-20 6 >0.050 >0.12 >20 8 (ryzyko uczulenia)
Praktyczne specyfikacje-ograniczonej usługi obróbki cieplnej Crept

Sugerowane kryteria obróbki cieplnej dla grzejników płaszczowych 316 dla pracy w temperaturze 600°C i projektowanej żywotności 10 000 godzin są następujące.

Creep Life at 600°C Required (hours) Minimum Serration Amplitude (µm) Heat Treatment RecommendedCooling After TreatmentSensitisation Risk 3,000-5,000 3 1,050°C 1h + 950°C 1h Air cool Low (use 316L) 5,000-8,000 6 1,080°C 1h + 950°C 2h + 850°C 2h Slow cool (50°C/h) Moderate (316L required) 8,000-12,000 10 1,100°C 1h + step-cool 1,000→900→800°C (2h each) Slow cool to 500°C then air Moderate-high (use 316L with Ti stabilization) >12,000 15 Specjalna obróbka termo-mechaniczna Kontrolowana wysoka (aktualizacja do 347)
Weryfikacja ząbkowania na granicy ziaren

Nabywcy chcący uzyskać ząbkowane granice ziaren w celu zapewnienia odporności na pełzanie w wysokiej temperaturze, mają do dyspozycji dwie metody weryfikacji. Pierwsza to kontrola metalograficzna po trawieniu elektrolitycznym (10% kwas szczawiowy, 6V DC, 60 s). Ząbkowane brzegi były wyraźnie widoczne przy powiększeniu 500–1000 ×, a amplitudę określono na podstawie analizy obrazu. Druga technika, mapowanie znaków granic ziaren metodą dyfrakcji wstecznej elektronów (EBSD), mierzy rozbieżność od idealnych granic planarnych. W przypadku specyfikacji zamówienia należy określić minimalną amplitudę ząbkowania (np.. 6 µm).

Identyfikacja terenowa uszkodzeń pełzania na granicach ząbkowanych i prostych

Badanie powierzchni pęknięcia ujawni morfologię granic ziaren dla grzejnika 316, który uległ uszkodzeniu w wyniku pełzania w temperaturze 600oC. Przełamanie ma charakter międzykrystaliczny, a ziarna są płaskie i mają proste krawędzie. Ścieżka pęknięcia jest bardziej zawiła i ma ząbkowane brzegi, a na powierzchni pęknięcia mogą pojawiać się pojedyncze ziarna. Ząbkowany-materiał graniczny będzie miał znacznie dłuższy czas do uszkodzenia. Ząbkowanie wsteczne nie jest możliwe w przypadku istniejących grzejników z prostymi-awariami granicznymi. Grzejniki zamienne należy zamawiać w standardzie obróbki cieplnej ząbkowanej.

Wniosek: Żywotność pełzania ząbkowanych granic ziaren przy 600 stopniach

Poprzedzający kształt granicy ziaren austenitu jest ważną cechą mikrostrukturalną określającą odporność na kawitację pełzającą dla grzejników w obudowie ze stali nierdzewnej 316 pracujących w temperaturze 600 stopni. Proste granice (wyżarzanie standardowe) kawitują po 800-1200 godzinach i pękają po 2500-3500 godzinach przy naprężeniu 80 MPa. Ząbkowane granice o amplitudzie 6-15 $\\mu$m wydłużają inicjację kawitacji do 1800-5000 godzin i trwałość rozerwania do 5000-12 000 godzin (2-4-krotna poprawa). 316 Należy określić, że osłony wymagają stopniowego chłodzenia w celu wytworzenia ząbkowanych granic ziaren o minimalnej amplitudzie 6-10 µm przez 10 000 godzin pracy w temperaturze 600 stopni C. Ta strategia inżynierii interfejsu, wraz z kontrolowaną zawartością węgla i azotu (0,03-0,05% C, 0,08-0,12% N) zmienia słabą wydajność 316 w niezawodną, długą żywotność. Podane ramy łączą amplitudę ząbkowania na granicy ziaren z mierzalnymi czasami początku kawitacji pełzania i pękania w temperaturze 600 stopni, zapewniając nabywcom możliwość zażądania obróbki cieplnej, która optymalizuje wytrzymałość w wysokiej temperaturze poprzez geometrię granicy ziaren.