Przy jakiej konkretnej kombinacji wielkości ziarna (ASTM 6 w porównaniu z 8,5) i procentowej zawartości ferrytu Delta (3% w porównaniu z 8%) następuje przejście osłony grzejnika 347 z pękania przezkrystalicznego do międzykrystalicznego w temperaturze 700 stopni poniżej 50 MPa naprężenia obwodowego po 10 000 godzin

Mikrostrukturalny współczynnik przejścia dla wyboru trybu uszkodzenia pełzającego

W przypadku elektrycznych rur grzejnych z powłoką ze stali nierdzewnej 347 stabilizowanych Nb-, pracujących w temperaturze 700 stopni pod naprężeniem obwodowym 50 MPa przez 10 000 godzin, na przykład w rurach pieców petrochemicznych lub wysokotemperaturowych-grzejnikach procesowych, dominujący rodzaj pękania pełzającego (przezkrystalicznego lub międzykrystalicznego) jest kontrolowany przez kombinację wielkości ziaren poprzedniego austenitu (liczba ASTM G, mniejsza liczba=grubsze ziarna) i frakcję objętościową ferrytu delta. Przezkrystaliczne pękanie pełzające (przez ziarna), dłuższa żywotność (12 000-15 000 godzin) i większa ciągliwość charakteryzuje drobnoziarnisty materiał ferrytowy o niskiej delta (3%) (ASTM 8.5, średnica ziarna ~18 µm). Materiał gruboziarnisty (ASTM 6, wielkość ziarna ≈ 45 µm) ze znaczną zawartością ferrytu delta (8%) wykazuje międzykrystaliczne pękanie pełzające (wzdłuż granic ziaren) z krótszą żywotnością (6 000-9 000 godzin) i zmniejszoną ciągliwością. Zmiana następuje przy krytycznej kombinacji wielkości ziaren i zawartości ferrytu. W badaniu oszacowano dokładne parametry mikrostrukturalne, które kontrolują tryb zniszczenia przez pełzanie po 10 000 godzin w temperaturze 700 stopni pod naprężeniem obwodowym wynoszącym 50 MPa.

Mechanizm wyboru trybu pękania pełzającego

Pękanie pełzające w 347 jest spowodowane poślizgiem granic ziaren i zarodkowaniem wnęk. Drobne ziarna (więcej granic na jednostkę objętości) rozprowadzają poślizg bardziej równomiernie i zmniejszają koncentrację naprężeń na poszczególnych granicach. Ferryt delta w postaci podłużnic lub sieci zapewnia korzystne trasy pęknięć. Przy małych rozmiarach ziaren (< 25µm, ASTM 8 or finer), the dense population of grain borders prohibits individual boundaries from generating enough strain for intergranular fracture; damage builds inside grains (transgranular). At coarse grain sizes (>35 µm, ASTM 6 lub grubsza), w niektórych strefach zlokalizowane jest przesuwanie się granic ziaren, a obecność podłużnic ferrytowych delta wzdłuż granic zwiększa tempo rozwoju wnęk międzykrystalicznych.

Ilościowe określenie korelacji pomiędzy wielkością ziaren, ferrytem delta i trybem pełzania

Tryby pękania i trwałość zerwania dla kontrolowanej obróbki cieplnej rur 347 (0,45% Nb, 0,08% C, 0,50% Si) w celu zapewnienia różnych rozmiarów ziaren i dostosowania ferrytu delta w zależności od temperatury wyżarzania rozpuszczającego. Test pełzania w temperaturze 700 stopni, 50 MPa przez 10 000 godzin.

ASTM Wielkość ziarna (G) Średnica ziarna (µm) Delta Ferryt Udział objętościowy (%) Morfologia ferrytu Dominujący tryb pękania pełzającego Żywotność przy pękaniu przy pełzaniu w temperaturze 700 stopni, 50 MPa (godziny) Wydłużenie przy zerwaniu (%) Po 10000 godzin Zalecane dla 10 000 godzin pracy w temperaturze 700 stopni
8.5 18 2-3 Izolowany kulistyTransgranularny 13 000-16,000 20-25 Tak (optymalnie)
8.0 22 3-4 Kuliste + krótkie podłużnice Transgranularne (głównie) 12 000-15,000 18-22 Tak 7.5 27 4-5 Mieszane Mieszane (trans + między) 10 000-13,000 15-20 Dopuszczalne
7.0 32 5-6 PodłużniceMieszane (przewaga międzykrystaliczna) 9 000-11,000 12-16 Marginalne 6.5 38 6-7 Podłużnice połączone międzykrystalicznie 7 500-9,500 8-12 Niezalecane
6.0 45 7-8 Near-continuous network Intergranular (severe) 6,000-8,000 5-10No 5.5 52 8-9 Continuous network Intergranular 5,000-7,000 4-8 No 5.0 60 >9 Rozległy ferryt międzykrystaliczny (przedwczesny) 4000-6,000 3-6 Nie
Limity przejściowe specyficzne dla usługi wynoszące 10 000 godzin

Poniższa tabela pokazuje dokładne permutacje przejścia międzykrystalicznego w tryb pękania po 10 000 godzin.

Wielkość ziarna (ASTM) Krytyczna delta ferrytu dla zmiany trybu (%, 10 000 godz.) Tryb awaryjny przy lub powyżej krytycznej wartości ferrytu Maks. ferryt Zalecany dla wielkości ziarna
9 (drobny, 15 µm) 8-9% Międzykrystaliczny powyżej 8% 7% 8,5 (18 µm) 6-7% Międzykrystaliczny powyżej 6-7% 5%
8 (22 µm) 5-6% Międzykrystaliczny > 5% 4% 7,5 (27 µm) 4-5% Międzykrystaliczny > 4% 3%
7 (32 µm) 3-4% Międzykrystaliczny powyżej 3% 2,5% 6,5 (38 µm) 2,5-3% Międzykrystaliczny powyżej 2,5% 2%
2% 6 (45 µm) 1.5% Intergranular >2%
Praktyczne zalecenia dotyczące pracy w temperaturze 700 stopni z transkrystalicznym (ciągliwym) trybem uszkodzenia

W przypadku grzejników osłonowych 347 z przezkrystalicznym pękaniem pełzającym (większa ciągliwość, dłuższa żywotność) po 10 000 godzin w temperaturze 700 stopni i naprężeniu obwodowym 50 MPa, istotne są następujące wymagania mikrostrukturalne.

Pożądany tryb zniszczenia przy pełzaniu Docelowy rozmiar ziarna ASTM Docelowy Delta Ferryt (%) Wymagana trwałość przy obróbce cieplnej (oczekiwane godziny)
Transgranularny (najlepsza ciągliwość) 8,5-9<3 Solution anneal 1,040°C + high Ni (10.5%) 15,000-18,000
Transgranularny (akceptowalny) 8-8.5 3-4 Wyżarzanie rozpuszczające 1050 stopni, chemia konwencjonalna 12 000-15 000
Mieszane (dobre do różnych zastosowań) 7.5-8 4-5 Wyżarzanie rozpuszczające 1060 stopni 10 000–13 000
Międzykrystaliczny (unikaj)<7 >5 High temperature anneal (>1080 stopni)<9,000
Po-weryfikacji trybu pełzania po usłudze

Sposób pękania jest wykazywany poprzez badanie metalograficzne wytrawionego przekroju podłużnego z grzejnika pracującego w temperaturze 700 stopni. Przez ziarna przenikają pęknięcia przezkrystaliczne (proste, ostre, często bez rozgałęzień). Pęknięcia międzykrystaliczne (postrzępione, rozgałęzione) rozprzestrzeniają się wzdłuż granic ziaren. Możemy zmierzyć poprzednią wielkość ziaren i zawartość ferrytu delta w tej samej próbce.

Wniosek: Optymalizacja wielkości ziarna i ferrytu pod kątem pękania plastycznego

Na przykład pękanie pełzające osłon grzejników ze stali nierdzewnej 347 w temperaturze 700 stopni pod naprężeniem obwodowym 50 MPa po 10 000 godzinach zmienia się z transkrystalicznego (ciągliwego, dłuższa żywotność) na międzykrystalicznego (kruchego, krótsza żywotność), gdy osiągnięta zostanie pewna kombinacja wielkości ziaren poprzedniego austenitu i frakcji objętościowej ferrytu delta. Drobno-materiał drobnoziarnisty (ASTM 8,5, 18 µm) może przyjąć do 6-7% ferrytu delta, zanim zacznie pękać międzykrystalicznie. W przypadku materiałów gruboziarnistych (ASTM 6, 45 µm) konieczne jest dodanie ferrytu delta poniżej 2%, aby uniknąć pęknięć międzykrystalicznych. Aby zapewnić pękanie międzykrystaliczne, większą plastyczność i dłuższą trwałość pełzania, dla 10 000 godzin pracy w temperaturze 700 stopni należy wybrać osłony 347 o drobnym uziarnieniu (ASTM 8-9) i ferrycie o niskiej wartości delta (2-4%). Przedstawione tutaj ramy łączą wielkość ziaren i zawartość procentową ferrytu delta z przejściem między trybami pękania pełzającego przezkrystalicznego i międzykrystalicznego, umożliwiając kupującym określenie obróbki cieplnej i składu chemicznego w celu maksymalizacji trwałości przy pękaniu pełzającym i ciągliwości w długoterminowej pracy w wysokiej temperaturze.