Kako postotak smanjenja hladnog izvlačenja 316L grijača obloge cijevi kontrolira naprezanje-indukovano formiranje martenzita i njegov naknadni učinak na magnetsku permeabilnost i otpornost na krtost vodika

Fazna transformacija izazvana deformacijom: mač sa dvije oštrice{0}}

Najčešći način za dobivanje tačnih dimenzija vanjskog promjera i završne obrade za električne cijevi za grijanje od nehrđajućeg čelika 316L, proizvedene hladnim izvlačenjem, je smanjenje procenta, koji direktno kontrolira volumenski udio martenzita-induciranog deformacijom ('-martenzit) koji nastaje tokom deformacije. 316L ima niži sadržaj ugljika (<0.03%) than ordinary 316 making it more austenitically stable at room temperature and needing greater cold work levels to generate martensite. The martensite volume fraction that can be determined by magnetic permeability (μr) affects two important but conflicting service properties: magnetic permeability (important for applications that require non-magnetic sheaths such as MRI rooms or sensitive electronic equipment) and hydrogen embrittlement resistance (critical for cathodically protected systems or sour service). When the reduction percentage is below 20% the 316L stays practically entirely austenitic (μr <1.01, martensite <2%), giving excellent non-magnetic properties but with a lower yield strength. Martensite is formed gradually (μr =1.01-1.10, martensite 2-15%) with a 20-40% reduction, with an increase in yield strength but a decrease in resistance to hydrogen embrittlement. For reductions more than 40%, the martensite content is higher than 15-20% (μr >1.10) što uzrokuje visok magnetni odziv i značajnu osjetljivost na vodoničnu krtost. Ovaj rad procjenjuje korelaciju između redukcije hladnog izvlačenja, frakcije martenzita, magnetske permeabilnosti i otpornosti na krtost vodikom za omote grijača od 316L.

Mehanizam nastanka martenzita izazvan deformacijom u 316L

Austenitni 316L je meta-stabilan u pogledu proizvodnje martenzita tokom plastične deformacije. $\\gamma$ (FCC, paramagnetski) $\\to$ $\\epsilon$ (HCP, slabo magnetski) $\\to$ $\\alpha^\\prime$ (BCC, feromagnetski). Volumenski udio alfa'{4}}martenzita slijedi Olson-Cohenov zakon: Valpha'=1 - exp(-betaxepsilon_plastic^n) (10) gdje je epsilon_plastic pravi plastični deformitet (epsilon_plastic =(} be{12}} lnta{15) Faktor koji zavisi od temperature i n je oko 2 za 316L Temperatura na kojoj se formira 50% martenzita pri 30% stvarnog naprezanja (Md30) za 316L je oko -30 stepeni do -50 stepeni što znači da je pri normalnoj temperaturi formiranje martenzita ograničeno na 20-30% redukcije mikrofaze + martenzit) ili trofazni (sadrži ε) i ima kvalitete koji su srednji između onih potpuno austenitnog i potpuno martenzitnog nehrđajućeg čelika.

Kvantifikovani odnosi između redukcije hladnoće, frakcije martenzita i svojstava na 25 stepeni

Kontrolirano hladno izvlačenje cijevi od 316L (početni OD 12 mm, stijenka 1,5 mm, potpuno žareno na 1050 stepeni) koristi se za demonstriranje veze između martenzitne frakcije (X{4}}difrakcija zraka), magnetne permeabilnosti (feriteskop) i mehaničkih parametara.

Smanjenje hladnog izvlačenja (%) Pravo naprezanje (ε=ln(1/(1-R))) '-Zapreminski udio martenzita (%) Magnetna permeabilnost (μr, 25 stepeni) Granica tečenja (MPa, 0,2% pomak) Izduženje (%) Preporučeno za ne-Ma<1.05 μr Recommended for Sour/Hydrogen Service
0 (žareno) 0.00 0 1.00-1.01 205 50 Da Da 5 0.05 0 1.00-1.01 240 45 Da Da 10 0.11 0 1.01-1.02 280 40 Da Da 15 0.16 0-1 1.02-1.03 320 35 Da Da 20 0.22 1-2 1.03-1.05 360 30 Granično prihvatljivo 25 0.29 2-4 1.05-1.07 400 25 Ne Marginalno 30 0.36 4-7 1.07-1.10 440 20 Ne Ne (visoka H krhkost) 35 0.43 7-12 1.10-1.15 480 18 Ne Ne 40 0.51 12-18 1.15-1.25 520 15 Ne Ne 45 0.60 18-25 1.25-1.40 560 12 Ne Ne 45 0.60 18-25 1.25-1.40 560 12 Ne Ne
Utjecaj sadržaja martenzita na otpornost na vodoničnu krtost

The susceptibility to hydrogen embrittlement (HE) of 316L heater sheaths in cathodically protected systems or sour service (H2S-containing) rises with martensite content because the BCC structure of martensite shows substantially higher hydrogen diffusivity and solubility than FCC austenite. The HE thresholds are given in the table below. α'-martensite fraction (%)Hydrogen Diffusivity at 25 oC (cm2/s, relative to austenite =1) Time to HE Cracking in NACE TM0177 Solution A at 25 oC 75% yield (hours)Maximum Permissible Cold Reduction for Sour Service (Recommended) 0 1X >720 (prolaz) Bilo koji (otopljen)
1-3 5-10× 500-720 (granična linija)<20% reduction
3-5 20-30× 200-500 (fail)Not permitted 5-10 50-80× 50-200 (fail)Not allowed >10 >100× <50 (severe) Not allowed
Magnetna permeabilnost potrebna za nemagnetnu primjenu

Maksimalna magnetna permeabilnost (npr. μr<1.01 or <1.05) is specified for 316L sheaths for MRI rooms, or sensitive electronic equipment, or degaussing systems. Limits on cold decrease are as follows.

Primjena Maksimalno μr Dozvoljeno Maksimalno smanjenje hladnoće (%) Preporučeni put proizvodnje Odgovarajuća martenzitna frakcija
MRI soba (kritično) 1.01<10% 0% Fully annealed, + no cold work
Oprema za elektronski snop 1.02<15% 0-1%Light cold working + finish anneal
Općenito nemagnetno 1.05<22% <2% Cold drawn + tension reliefing
Commercial (no specification) >1.05 (bilo koji) Bilo Bilo Bilo Bilo Praktične specifikacije za proizvodnju omotača grijača 316L

Za kupce koji specificiraju cijevi od 316L za različite servisne okolnosti, preporučuju se sljedeće granice smanjenja hladnog izvlačenja:

Servisni uvjet Maks. smanjenje hladnog izvlačenja (%) Potrebna konačna toplinska obrada Max μr Min HE otpor
Nemagnetno (MRI, elektronika) 10 Potpuno žarenje nakon crtanja 1,02 Dobro
Općenito industrijsko (bez klorida, bez H2S) 30 Nema (kako-prihvatljivo nacrtano) 1.10 (bilo koje) Nije potrebno
Servis klorida (<500 ppm, <80°C) 20 Stress relief 400°C, 1h 1.05 OK
Sour service (H2S >10 ppm) 15 Žarenje punim rastvorom 1,03 Potrebno (položiti NACE)
Katodički zaštićen (pomorski) 15 Otklanjanje stresa 450 stepeni , 2h 1.03 Prihvatljivo
High strength (pressure vessels) 40 None >1.15 Loše (nije za H2S)
Provjera sadržaja i svojstava martenzita

Buyers who require specified restrictions have three verification options available. The first is a non-destructive measurement with a ferritescope, which gives μr values with a precision of ±0.005-0.01. The second is X-ray diffraction (XRD) coupled with Rietveld refinement for accurate measurement of α'. The final test is a simple magnetic attraction test: if a permanent magnet clings strongly to the sheath, then μr >1.10 (nije pogodno za nemagnetne aplikacije). Za HE otpornost, zahtjev za odobrenje je da nema pucanja u NACE TM0177 testu (720 h, 25 stepeni, rastvor A sa H₂S).

Zaključci: Uspostavljanje granica smanjenja hladnoće za 316L na osnovu zahtjeva za servisiranjem

Za cijev plašta grijača od nehrđajućeg čelika 316L, smanjenje % hladnog izvlačenja je direktni kontrolni faktor u formiranju martenzita izazvanog deformacijom-, koji određuje magnetsku permeabilnost i otpornost na krtost vodikom. Za nemagnetne aplikacije (μr<1.01-1.05) cold reduction must be minimised to <10-15% with a final anneal. For HE resistant sour or cathodically protected service, cold decrease must be limited to < 15-20% with stress relief or full anneal. For general industrial service where neither attribute is critical reductions of 30-40% are tolerable. Engineers designing 316L sheaths have to define maximum magnetic permeability or minimum HE resistance criteria dependent on the environment of operation. The framework presented here correlates the cold reduction percentage to the martensite volume fraction and its two critical consequences-magnetic response and hydrogen embrittlement susceptibility, and enables buyers to choose the best drawing reduction and post-drawing heat treatment for their particular application.