Kako prethodna nazubljena granica zrna austenita nakon žarenja cijevi 316 grijača kontrolira otpor kavitacije na puzanje na 600 stupnjeva za 10.000-satnu uslugu

Metodologija visokotemperaturne čvrstoće za inženjering interfejsa

Oblik prethodnih granica zrna austenita ima veliki utjecaj na otpor kavitacije puzanju električnih grijaćih cijevi od nehrđajućeg čelika 316 umotanih na 600 stepeni, što je gornja granica za kontinuirani rad ove legure u aplikacijama grijanja zraka ili plina. Standardno žarenje rastvora (1040 stepeni praćeno brzim hlađenjem) dovodi do ravnih ili blago savijenih granica zrna. Modificirana toplinska obrada korištenjem odloženog hlađenja od 1100 stepeni i dvostepenog tretmana starenja (prvo na 950 stepeni, a zatim na 850 stepeni) rezultira nazubljenim ili "cik-cak" granicama zrna gdje je granična ravan ne-planarna za 5-25 µm. Valovi u nazubljenim granicama zrna povećavaju naprezanje potrebno za klizanje granice zrna i nukleaciju šupljina i tako se suprotstavljaju nukleaciji puzajuće kavitacije. Pri primijenjenom naprezanju od 600 stepeni i 80 MPa (koji predstavlja uobičajene nivoe obruča za omote grijača), nazubljene granice zrna povećavaju vijek trajanja lomljenja puzanja za faktor od 2,5-4,0 preko ravnih granica. Ovaj članak kvantificira vezu između amplitude nazubljene granice zrna, vremena do nukleacije kavitacije i vijeka puzanja na 600 o C.

Mehanizam nazubljenja-Povećana otpornost na puzanje

Puzanje austenitnih nerđajućih čelika na 600 stepeni uključuje deformaciju klizećim dislokacijama unutar zrna i klizanjem granica zrna. Šupljine nastaju na trostrukim tačkama granice zrna i na česticama druge faze (karbida) na granicama kada klizanje stvara lokalne koncentracije naprezanja. Nazubljene (takođe poznate kao "migrirane" ili "pokretljive") granice zrna odolijevaju kavitaciji na tri metode. Prvo, geometrijski valovi djeluju kao mehaničke brave, sprječavajući relativne pomake susjednih zrna dok se ne primjene veće sile smicanja. Drugo, nukleirane šupljine moraju se širiti duž neplanarne putanje, što je skuplje u energiji od širenja duž prave granice. Treće, proces nazubljenja često zajedno-taloži fine intragranularne karbide koji ojačavaju unutrašnjost zrna i smanjuju brzinu deformacije puzanja.

Kvantitativni odnos između amplitude nazubljenosti i puzanja na 600 stepeni

316 cijevi za davanje različitih stupnjeva nazubljenosti granica zrna (mjereno amplitudom od vrha do doline) praćeno testovima puzanja na 600 stepeni i 80 MPa omogućilo je uspostavljanje sljedećih odnosa.

Amplituda nazubljene granice zrna (μm) Toplinska obrada za postizanje vremena nazubljenja do 1% puzanja kavitacija (sati, 600 stepeni, 80 MPa) Vek trajanja puzanja (sati, 600 stepeni, 80 MPa) Relativni vek puzanja (ravno=1.0) Preporučeni stepen standardne usluge (ravno=1.0) 600 stepeni 1,040 stepeni, gašenje vodom 800-1,200 2,500-3,500 1.0× Marginalno 2-5 žarenje 1,050 stepeni, sporo hlađenje do 950 stepeni, zadržavanje 1h, gašenje vodom 1,200-1,800 3},50×prihvatljivo 1080 stepeni , hlađenje do 950 stepeni zadržavanje 2h, 850 stepeni zadržavanje 2h, sporo hlađenje 1,800-3,000 5,000-8,000 2.0× Preporučeno 10-15 žarenje 1,100 stepeni svaki korak hlađenje 1,000 stepeni → 8 stepeni hlađenje →000 stepeni 3,000-5,000 8,000-12,000 3.0× Najbolje za dug život
15-20 Specijalni termički ciklus (3 koraka sa srednjom deformacijom) 5,000-7,000 10,000-15,000 4.0× Najbolji (posebna narudžba)20 Kao gore plus produženo starenje 6,000-8,000 12,000-18,{{12}× Samo posebna primjena
Utjecaj ugljika i dušika na formiranje nazubljenih

Tokom hlađenja, granice zrna postaju nazubljene graničnom migracijom, uz pomoć taloženja karbida i nitrida na granici koja se kreće. Nazubljenost se povećava koncentracijama ugljika i dušika.

Sadržaj ugljika (tež.%) Sadržaj azota (tež.%) Postižna amplituda nazubljenosti (µm) sa standardnim korakom-Preporučeno vrijeme toplinske obrade hlađenjem na 950 stepeni (sati)<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 (rizik od preosjetljivosti)
Praktični Crept-Specifikacije za termičku obradu ograničene usluge

Predloženi kriteriji toplinske obrade za 316 grijača s plaštom za rad na 600 C, projektni vijek od 10.000 sati su sljedeći.

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 Specijalni termo-mehanički tretman Controlled High (nadogradnja na 347)
Provjera nazubljene granice zrna

Kupci koji žele nazubljene granice zrna za otpornost na puzanje na visokim temperaturama imaju na raspolaganju dvije metode provjere. Prvi je metalografski pregled nakon elektrolitičkog jetkanja (10% oksalne kiseline, 6V DC, 60 s). Nazubljene margine su bile jasno vidljive pri uvećanju od 500-1000x, a amplituda je određena analizom slike. Druga tehnika, mapiranje karaktera granice zrna difrakcije povratnog rasejanja elektrona (EBSD), meri divergenciju od idealnih planarnih granica. Za specifikacije nabavke treba navesti minimalnu amplitudu nazubljenosti (npr. . 6 µm).

Polje Identifikacija neuspjeha puzanja na nazubljenim naspram ravnih granica

Ispitivanje površine loma će otkriti morfologiju granice zrna za grijač 316 koji je otkazao puzanjem na 600oC. Prijelom je intergranularni, a zrna su plosnato fasetirana sa ravnim rubovima. Put loma je više zakrivljen sa nazubljenim granicama i pojedina zrna mogu pokazati 'korake' na površini loma. Nazubljeni{5}}granični materijal će imati mnogo duže vrijeme do kvara. Retroaktivno nazubljenje nije moguće za postojeće grijače s pravim-kvarovima na granici. Zamjenske grijače treba naručiti sa standardom termičke obrade nazubljenim.

Zaključak: Životni vijek puzanja nazubljenih granica zrna na 600 stepeni

Prethodni oblik granice zrna austenita je važna mikrostrukturna karakteristika koja određuje otpor kavitacije puzanja za 316 grijača u kućištu od nerđajućeg čelika koji rade na 600 stepeni. Prave granice (standardno žarenje otopinom) kavitiraju na 800-1200 sati i pucaju na 2500-3500 sati pri naponu od 80 MPa. Nazubljene granice od 6-15 $\\mu$m amplitude produžavaju inicijaciju kavitacije na 1.800-5.000 sati i vijek trajanja rupture na 5.000-12.000 sati (2-4 puta poboljšanje). 316 omotači treba specificirati da zahtijevaju stepenasto hlađenje granatnog tretmana s minimalnom toplotnom obradom od 1 amplitude 0 m za 10.000 sati rada na 600°C. Ova strategija inženjeringa interfejsa, zajedno sa kontrolisanim sadržajem ugljenika i azota (0,03-0,05% C, 0,08-0,12% N) menja loše performanse 316 u pouzdan dug radni vek. Dati okvir povezuje amplitudu nazubljene granice zrna sa merljivim vremenima početka kavitacije puzanja i rupture na 600 stepeni, pružajući kupcima mogućnost da zatraže termičke tretmane koji optimizuju čvrstoću na visokim temperaturama kroz geometriju granice zrna.