Ako predchádzajúce číslo veľkosti zŕn austenitu v rúrke ohrievača z nehrdzavejúcej ocele 316 na kontrolu rýchlosti nukleácie kavitácie pri 550 stupňoch

Hustota hraníc zŕn ako faktor creepového života

Pre elektrické vykurovacie rúrky s plášťom z nehrdzavejúcej ocele 316, ktoré pracujú pri zvýšených teplotách (550 stupňov, typické pre aplikácie vysokoteplotného ohrevu vzduchu alebo plynu), je predchádzajúca veľkosť zrna austenitu vyjadrená ako číslo veľkosti zrna ASTM (G) primárnou mikroštruktúrnou premennou riadiacou rýchlosť nukleácie kavitácie pri tečení. Jemnozrnný materiál (ASTM G=8-10, priemer zrna 15-25 µm) má väčšiu plochu hraníc zŕn na objem ako hrubozrnný materiál (ASTM G=3-5, priemer zŕn 50-80 µm). Hoci jemné zrná vykazujú silnejšiu medzu klzu pri normálnej teplote, vykazujú rýchlejšiu nukleáciu creepovej kavitácie pri stúpajúcich teplotách, pretože hranice zŕn sú preferovanými miestami pre tvorbu dutín. Hrubozrnný 316 (ASTM G=4-5) má pri 550 stupňoch životnosť 3-5 krát dlhšiu ako jemnozrnný materiál pri podobnom zaťažení a teplote.
Preformulujte vetu

Vrátiť sa k pôvodnej vete

Kopírovať vetu

Žiadne návrhy

Táto štúdia hodnotí vzťah medzi číslom veľkosti zŕn ASTM, rýchlosťou kavitačnej nukleácie a životnosťou pri tečení pre 316 plášťov a navrhuje rámec špecifikácie pre použitie pri vysokých-teplotách.

Iniciácia trhliny prostredníctvom kavitácie na hranici zŕn počas tečenia

Hlavným mechanizmom creepovej deformácie nehrdzavejúcej ocele 316 pri 550 stupňoch je posúvanie hraníc zŕn. Kĺzanie susedných zŕn okolo seba spôsobuje koncentrácie napätia v trojitých bodoch a v časticiach druhej fázy (karbidy, inklúzie) v dôsledku geometrických nekompatibilít, ktoré vytvárajú jadrovú dutinu. Rýchlosť nukleácie je nepriamo úmerná veľkosti zrna; čím menšia je veľkosť zrna, tým väčší je počet spojov hraníc zŕn na jednotku objemu a tým väčší je počet možných nukleačných miest. Po nukleácii sa dutiny rozširujú difúziou voľných miest pozdĺž hraníc zŕn (Coble creep) a mocenským-zákonom tečenia okolitej matrice. Celková životnosť tečenia je súčet času potrebného na vytvorenie jadra kritickej populácie dutín (zvyčajne 5-10 ​​% plošného zlomku kavitovanej hranice) a času, počas ktorého sa tieto dutiny zlúčia do trhliny. Väčšia hraničná hustota tiež znamená viac miest nukleácie, takže kritické percento dutín možno dosiahnuť skôr pre jemnozrnné materiály napriek pomalšej rýchlosti rastu na dutinu v dôsledku kratších difúznych dĺžok.

Kvantitatívna korelácia medzi veľkosťou zrna ASTM a životnosťou pri tečení pri 550 stupňoch

Skúška tečením 316 rúrok s kontrolovanou veľkosťou zŕn (nastavením doby a teploty rozpúšťacieho žíhania) pri 550 stupňoch a aplikovanom napätí 100 MPa (typické pre napätie obruče z obmedzenia tepelnej rozťažnosti) stanovilo nasledujúce vzťahy.

ASTM Veľkosť zrna Číslo (G) Priemer zrna (µm) Hraničná plocha zrna na mm3 (mm2/mm3) Čas do 1 % kavitovanej hraničnej oblasti (hodiny, 550 stupňov, 100 MPa) Životnosť pri pretrhnutí pri tečení (h, 550 stupňov, 100 MPa) Relatívna} 8 stupňov pri tečení} základná životnosť 50 (G{ver0) jemné) 10-15 150-200 100-200 500-1,000 0.3× Nie 8-9 (jemné) 15-25 100-150 200-400 1,000-2,000 0.5× Neodporúča sa 7-8 (stredne jemné) 25-35 70-100 300-600 1,500-3,000 0.8× Okrajové 6-7 (stredné) 35-45 50-70 500-1,000 2,500-4,500 1.0-1.2× Prijateľné pre prerušované
5-6 (stredne hrubé) 45-55 40-50 800-1,500 4,000-6,500 1.5-2.0× odporúčané
4-5 (hrubé) 55-70 30-40 1,200-2,500 6,000-10,000 2.5-3.5× Ideálne pre nepretržitú službu
3-4 (hrubé) 70-85 25-30 1,500-3,500 7,000-12,000 3.0-4.0× Prijateľná, ale nižšia ťažnosť
Vplyv veľkosti zrna a distribúcie karbidov

Odolnosť hrubozrnného 316 voči kavitácii pri tečení je kriticky závislá od prítomnosti intragranulárnych karbidov a karbidov na hranici zŕn. Rýchlosť ochladzovania počas rozpúšťacieho žíhania, ktorá vytvára jemné, intragranulárne karbidy (M 23 C 6, MC) poskytuje precipitačné spevnenie vnútra zrna, čím sa minimalizuje tečenie matrice. Pomalé rýchlosti ochladzovania majú za následok hrubé, súvislé karbidy na hranici zŕn, ktoré skracujú životnosť pri tečení, pretože majú priaznivé polohy nukleácie v dutine. Ideálnou mikroštruktúrou pre tečenie pri 550 stupňoch sú hrubé zrná (ASTM G=4-6) s jemnou disperziou intragranulárnych karbidov a nespojitých karbidov na hranici zŕn. Mikroštruktúra: Roztok žíhaný pri 1040-1060 C, mierne ochladený (stlačený vzduch, nie ochladzovanie vodou), potom stabilizovaný žíhaný pri 850-900 C počas 2-4 hodín. Stabilizačné žíhanie precipituje karbidy kontrolovaným spôsobom bez senzibilizácie (pre 316L alebo stabilizované druhy).

Špecifikácia veľkosti zŕn pre použitie v prevádzke vysokoteplotného ohrievača

Na základe odhadovanej životnosti sa navrhuje nasledovná norma veľkosti zrna pre 316 plášťových ohrievačov na nepretržitú prevádzku pri teplote plášťa 550 stupňov (teplota vnútornej steny).

Požadovaná životnosť pri 550 C (hodiny) Minimálna veľkosť zrna ASTM (nižšie číslo=hrubšie) (ASTM) maximálna veľkosť zrna (vyššie číslo=menšie)Odporúčané tepelné spracovanie<2,000 (intermittent duty) 3 6 Standard solution anneal + quench 2,000-5,000 4 6 Controlled anneal + forced air cool 5,000-10,000 5 (max, indicating coarser than G=5 is permitted) 5 Extended anneal + stabilisation
Overenie veľkosti zrna a poškodenia pri tečení 10 000-20,000 4 (minimálna hrubosť) 5 Žíhanie pri vysokej teplote (1100 stupňov) + pomalé chladenie

Vysokoteplotné prevádzkové ohrievače Veľkosť zŕn možno určiť metalografickou analýzou prierezu, po leptaní glycerégiou (15 ml HCl, 10 ml glycerolu, 5 ml HNO3) . Číslo zrnitosti ASTM sa získa porovnaním so štandardnými tabuľkami podľa ASTM E112 . Poškodenie kavitácie pri tečení (malé čierne bodky (dutiny) na hraniciach zŕn pri zväčšení 500-1000x) sa zvyčajne vyskytuje, keď sa vyčerpá 50-60 % životnosti. V prípade ohrievača s hrubou zrnitosťou (G=5) sa dutiny pozorujú pri ~4 000 až 6 000 hodinách životnosti 8 000 hodín. Pri jemnozrnnom materiáli (G=8) sú dutiny viditeľné okolo 200 – 400 hodín, čím poskytujú podstatne menej pozornosti pred prasknutím. Periodický odber vzoriek (jeden ohrievač na šaržu za rok) na metalografické vyhodnotenie kavitačnej frakcie poskytuje prediktívne údaje o údržbe pre kľúčové ohrievače.

Berúc do úvahy zrnitosť pre zvárané a ohýbané komponenty

Požiadavky na veľkosť zrna sa vyhodnotia s ohľadom na zváranie a ohýbanie koncového uzáveru. Zváranie vytvára tepelne ovplyvnenú zónu s jemnými zrnami (ASTM G=9-11) pozdĺž línie zvárania. Pri vysokej teplote môže byť táto jemnozrnná oblasť-zraniteľnou oblasťou pre creepovú kavitáciu. V prípade ohrievačov, ktoré bežia nad 500 stupňov, môže zvarová zóna prednostne zlyhať, aj keď je zrnitosť základného kovu hrubá. Jedným zo zmiernení je vykonať po-zváraní rozpúšťacie žíhanie, ktoré zhrubne zrná HAZ. To nemusí byť možné. Alternatívou je použitie zliatiny odolnejšej voči tečeniu, ako je nehrdzavejúca oceľ 310 alebo Inconel 600 pre celý ohrievač, čím sa odstráni variabilita životnosti pri tečení v závislosti od veľkosti zrna.

Záver: Špecifikácia hrubých zŕn pre pevnosť pri tečení pri vysokej teplote

Pre ohrievače 316 zapuzdrené z nehrdzavejúcej ocele pri 550 stupňoch je predchádzajúce číslo veľkosti austenitového zrna riadiacim faktorom pre rýchlosť nukleácie kavitácie pri tečení, a teda aj celkovú životnosť pri pretrhnutí pri tečení. Kavitačná nukleácia je 3-5 krát rýchlejšia v jemnozrnnom materiáli (ASTM G=8-10) ako v hrubozrnnom materiáli (ASTM G=4-5) so životnosťou pri tečení zníženou z 10 000 hodín na 2 000 hodín pri rovnakom namáhaní a teplote. Inžinieri špecifikujú G=5 alebo G=6, overené metalografiou ASTM E112, pre maximálne číslo veľkosti zrna ASTM (hrubšie zrná) pre 316 plášťov na nepretržité používanie pri vysokých teplotách. Opísaná metodika spája veľkosť zŕn s kvantifikovateľnými rýchlosťami kavitácie a životnosťou pri pretrhnutí, čo umožňuje kupujúcim vybrať 316 plášťovú rúrku s najlepšou odolnosťou voči zlyhaniu pri tečení pri vysokoteplotných aplikáciách.