W jakiej konkretnej kombinacji wytrącania fazy gamma prime ( ') i przyłożonego naprężenia rozciągającego powoduje, że w osłonie grzejnika 316 dochodzi do pękania międzykrystalicznego w wysokiej-temperaturze w temperaturze 650 stopni po 10 000 godzin

Parametr interakcji-naprężenia atmosferycznego dla długoterminowej-kruchości związanej z pełzaniem

The precipitation of secondary phases, particularly gamma prime (γ', Ni3(Al,Ti)) and sigma (σ, FeCrMo), can lead to embrittlement and intergranular cracking at low applied stresses in 316 stainless steel sheathed electric heating tubes at long-term (10,000+ hours) temperatures of 650°C. In contrast to the conventional creep behaviour of 316 controlled by chromium diffusion and dislocation climb, precipitation of small γ' particles (10-50 nm) in grains strengthens the matrix but promotes also strain localisation at grain borders. Intergranular cavities nucleate in the γ'-denuded zones near to grain boundaries under constant tensile stress (hoop stress due to thermal expansion or internal pressure) in excess of about 30-50 MPa, resulting to premature cracking. The crucial combination for 650°C service is >5,000 hours exposure with applied stress >40 MPa. Drobne wydzielenia z pozostałości aluminium (0,005-0,015%) i tytanu (0,01-0,03%) występują powszechnie w handlowym 316. Nawet 20000 godzin nie powoduje pękania przy naprężeniach mniejszych niż 20 MPa. W artykule określono ilościowo związek pomiędzy kinetyką wytrącania, przyłożonym naprężeniem i czasem do wystąpienia pękania międzykrystalicznego w temperaturze 650 stopni.

Mechanizm „-indukowanej kruchości międzykrystalicznej

Komercyjna stal nierdzewna 316 zawiera niewielkie ilości aluminium (zazwyczaj 0,005-0,015%) i tytanu (0,01-0,03%), które nie są określone ani kontrolowane. Pierwiastki te reagują z niklem, dając drobne, spójne pierwotne wytrącenia Ni₃(Al,Ti) gamma wewnątrz ziaren austenitu po 5000–10 000 godzin w temperaturze 650 stopni. Wnętrza ziaren są silnie utwardzane przez cząstki $\\gamma'$ (30-50 HV). Jednakże obszary znajdujące się bezpośrednio w pobliżu granic ziaren ulegają wyczerpaniu zarówno z substancji tworzących, jak i wzmacniających substancji rozpuszczonych. Tworzy to miękkie, słabe regiony. Pod przyłożonym naprężeniem rozciągającym, w tych miękkich strefach lokalizują się odkształcenia pełzające, tworząc wnęki, które łączą się wzdłuż granicy ziaren. Pękanie ma charakter międzykrystaliczny i zachodzi przy naprężeniach znacznie niższych od średniej wytrzymałości na pękanie przy pełzaniu 316 wolnego od 7'.

Ilościowy związek pomiędzy opadami atmosferycznymi, naprężeniami i początkiem pękania

Kontrolowane długoterminowe starzenie się rurki 316 (0,012% Al, 0,02% Ti) w temperaturze 650 stopni przy przyłożonym naprężeniu obwodowym (z powodu wewnętrznego ciśnienia lub ograniczonej rozszerzalności cieplnej) ustaliło następujące ramy czasowe do inicjacji pęknięć.

Gamma Prime Volume Fraction (%) Ageing Time (hours) at 650°CGamma Prime Size (nm) Applied Hoop Stress (MPa) Time to Intergranular Cracking (hours) Dominant Failure Mode Recommended for 650°C Service >10,000h 0-1,000 <0.1 (none) N/A <100 No cracking Creep (transgranular) Yes 1,000-3,000 <0.2 <10 >60 5,000-8,000 Mixed (trans + inter) Marginal 3,000-5,000 0.2-0.5 10-20 >50 4,000-6,000 IntergranularNot recommended 5,000-7,000 0.5-1.0 15-25 >40 3,000-5,000 Intergranular No 7,000-10,000 1.0-1.5 20-30 >35 2,500-4,000 Intergranular No 10,000-15,000 1.5-2.0 25-35 >30 2,000-3,500 Intergranular No >15,000 >2.0 >35 >25 1,500-2,500 nr międzykrystaliczny
Dowolny Dowolny Dowolny<20 >20 000 (bez pęknięć) Brak Tak
Dowolny (niska zawartość Al/Ti)<0.1 (alloy 316L with <0.005% Al, <0.01% Ti) N/A <100 >20 000 Tylko pełzanie Tak
Wpływ zawartości aluminium i tytanu na powstawanie

Udział objętościowy w temperaturze 650 stopni jest proporcjonalny do stężenia (Al + Ti/2). Redukcja tych pierwiastków śladowych zmniejsza opady $\\gamma$'.

Aluminium (%) Tytan (% wag.) (Al + Ti/2) Odpowiednik „Ułamek objętościowy po 10 000 godzin w temperaturze 650 stopni (%) Zalecane maksymalne naprężenie przez 10 000 godzin trwałości (MPa) 0.005 0.010 0.010<0.2 >100 0.008 0.015 0.016 0.3-0.5 60 0.010 0.020 0.020 0.5-0.8 50 0.012 0.025 0.025 0.8-1.2 40 0.015 0.030 0.030 1.2-1.6 30 0.020 0.040 0.040 >2.0 <20 >0.025 >0.050 >0.050 >2.5 316 nieodpowiednie
Praktyczne zalecenia dotyczące pracy w temperaturze 650 stopni

Poniższe parametry minimalizują kruchość wywołaną czynnikiem gamma dla osłon grzejnika 316 przy pracy w temperaturze 650 stopni i projektowanej trwałości > 5000 - 10 000 godzin.

Wymagana trwałość użytkowa w temperaturze 650 stopni (godz.) Maksymalne przyłożone naprężenie obręczy (MPa) Wymagane maksymalne Al + Ti/2 (% wag.) Zalecana kontrola stopu po serwisie
5,000 <30 <0.020 316L (standard)5,000 30-50 0.015 316L (low Al/Ti) Hardness check (180 HV) 10,000 20 0.020 316L10,000 20-40 <0.010 316L (speciality low Al/Ti) Practice E test after 5,000h 10,000 >40 Nie dotyczy Aktualizacja do 347 lub 310 Nie dotyczy 20 000<20 <0.015 316L with stabilisation Periodic examination of replica
Potwierdzenie zagrożenia powstawaniem i kruchością

Kupujący określający usługę 316 dla 650 stopni, mają do dyspozycji trzy techniki weryfikacji. Pierwsza to analiza chemiczna pozostałości aluminium i tytanu: Al + Ti/2<0.020% for mild stress, <0.010% for high stress. Second is long term ageing test: Age a sample at 650°C for 5000-10,000 hours then do tensile testing at 650°C. Reduction in elongation from >40% do<20% is evidence of γ' embrittlement. 3.hardness monitoring: a rise from 160-180 HV to >200-220 HV po serwisie jest charakterystyczne dla produkcji.

WNIOSEK: NISKA AL/TI DLA DŁUGOTERMINOWEJ PLASTYCZNOŚCI pełzania w temperaturze 650°C

Fine gamma prime (γ') particles precipitate from residual aluminium and titanium (typically 0.01-0.03% each) embrittling grain boundary regions of 316 stainless steel heater sheaths, operating at 650 °C for 10,000+ hours, resulting in intergranular cracking under applied hoop stresses as low as 30-50 MPa. Failure occurs when critical combination of >5,000 hours, stress >35-40 MPa and Al+Ti/2 >0,020% Procent objętości zostaje zmniejszony do<0.5% after 10,000 hours and the threshold stress for cracking increased to >60 MPa przy specyfikacji 316L z maksymalną zawartością aluminium 0,008% i tytanu 0,015% (Al+Ti/2<0.016%). For service with an applied stress >40 MPa w temperaturze 650 stopni, zaleca się wymianę na stal nierdzewną 347 (stabilizowana niobem) lub 310 (w tej temperaturze nie tworzy się). Niniejsza praca zapewnia ramy umożliwiające powiązanie kinetyki wytrącania i przyłożonego naprężenia z początkiem pękania międzykrystalicznego w temperaturze 650 stopni, które mogą zostać wykorzystane przez nabywców do określenia limitów pierwiastków śladowych, które nie prowadziłyby do-długoterminowej kruchości osłon grzejnika 316.