Pri akej špecifickej kombinácii fázy gama základného ( ') vyzrážania a aplikovaného napätia v ťahu sa vytvára medzikryštálové praskanie pri vysokej teplote 316 ohrievača{1}} pri 650 stupňoch po 10 000 hodinách

Parameter stresovej interakcie-precipitácie pre dlhodobé-krehnutie

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. Jemné precipitáty zo zvyškového hliníka (0,005-0,015%) a titánu (0,01-0,03%) prevládajúce v komerčnom 316. Ani 20 000 hodín nespôsobí praskanie pri napätí menšom ako 20 MPa. V tomto článku je kvantifikovaná súvislosť medzi kinetikou precipitácie, aplikovaným napätím a časom do intergranulárneho praskania pri 650 stupňoch.

Mechanizmus '-vyvolaného medzikryštalického skrehnutia

Komerčná nehrdzavejúca oceľ 316 obsahuje malé množstvá hliníka (všeobecne 0,005-0,015 %) a titánu (0,01 – 0,03 %), ktoré nie sú špecifikované ani kontrolované. Tieto prvky reagujú s niklom za vzniku jemných, koherentných Ni3(Al,Ti) gama primárnych precipitátov vo vnútri austenitových zŕn po 5 000 až 10 000 hodinách pri 650 stupňoch. Vnútro zŕn je silne vytvrdené časticami $\\gama'$ (30-50 HV). Avšak oblasti priamo pri hraniciach zŕn sú ochudobnené o formujúce látky aj o posilňujúce rozpustené látky. To vytvára mäkké, slabé oblasti. Pri aplikovanom ťahovom napätí sa creepové napätie lokalizuje v týchto mäkkých zónach nukleačné dutiny, ktoré sa spájajú pozdĺž hranice zŕn. Prasknutie je medzikryštálové a prebieha pri napätiach oveľa nižších ako je priemerná medza pevnosti pri tečení 7'-free 316.

Kvantifikovaný vzťah medzi zrážaním, napätím a nástupom praskania

Riadené dlhodobé starnutie hadičiek 316 (0,012 % Al, 0,02 % Ti) pri 650 stupňoch s aplikovaným obručovým namáhaním (z vnútorného tlaku alebo obmedzenej tepelnej rozťažnosti) stanovilo nasledujúce časové rámce pre iniciáciu praskania.

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 Intergranulárne č
Akékoľvek Akékoľvek<20 >20 000 (bez praskania) Žiadne Áno
Akýkoľvek (nízky Al/Ti)<0.1 (alloy 316L with <0.005% Al, <0.01% Ti) N/A <100 >Len 20 000 Creep Áno
Vplyv obsahu hliníka a titánu na tvorbu

Objemová frakcia pri 650 stupňoch je úmerná koncentrácii (Al + Ti/2). Zníženie týchto stopových prvkov znižuje zrážanie $\\gama$'.

Hliník (hmot. %) Titán (hmot. %) (Al + Ti/2) Ekvivalentná objemová frakcia po 10 000 h pri 650 stupňoch (%) Odporúčané maximálne napätie počas životnosti 10 000 h (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 nevhodné
Praktické odporúčania pre servis pri 650 stupňoch

Nasledujúce parametre minimalizujú skrehnutie vyvolané gama primárnym žiaričom pre 316 plášťov ohrievačov pre 650 stupňovú prevádzku s konštrukčnou životnosťou > 5000 - 10 000 hodín.

Požadovaná životnosť pri 650 stupňoch (hod.) Maximálne namáhanie obruče (MPa) Maximálne Al + Ti/2 (hmot. %) Požadovaná odporúčaná kontrola zliatiny po servise
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 >40N/A Aktualizácia na 347 alebo 310 N/A 20 000<20 <0.015 316L with stabilisation Periodic examination of replica
Potvrdenie o nebezpečenstve tvorby a krehnutia

Kupujúci, ktorí špecifikujú 316 pre službu 650 stupňov, majú k dispozícii tri overovacie techniky. Prvou je chemická analýza zvyškového hliníka a titánu: 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 % až<20% is evidence of γ' embrittlement. 3.hardness monitoring: a rise from 160-180 HV to >200-220 HV po servise je charakteristické pre výrobu.

ZÁVER: NÍZKA AL/TI PRE DLHODOBÚ TEČNOSŤ 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 % Percento objemu sa zníži na<0.5% after 10,000 hours and the threshold stress for cracking increased to >60 MPa špecifikáciou 316L s maximálnym obsahom hliníka 0,008 % a titánu 0,015 % (Al+Ti/2<0.016%). For service with an applied stress >40 MPa pri 650 stupňoch, odporúča sa upgrade na nerezovú oceľ 347 (stabilizovaná nióbom) alebo 310 (pri tejto teplote nedochádza k tvorbe). Táto práca poskytuje rámec na spojenie kinetiky zrážania a aplikovaného napätia so začiatkom medzikryštalického praskania pri 650 stupňoch, ktorý môžu kupujúci použiť na určenie limitov stopových prvkov, ktoré by neviedli k dlhodobému- skrehnutiu 316 plášťov ohrievačov.