Как се променя обемната фракция на Chi (χ) фаза на утаяване при 700 градуса по време на дългосрочна-експлоатация на 316L обвивка на нагревател Тръба на температурата в контролната стая Намаляване на издръжливостта

Крехката интерметална фаза се образува при 600-800 градуса

Precipitation of the intermetallic Fe₃₆Cr₁₂Mo₁₀ phase, called chi (χ) phase, severely embrittles 316L stainless steel sheathed electric heating tubes in service for extended periods (thousands of hours) in the 600-800°C range, such as superheater supports, high-temperature furnace heaters, and petrochemical process heaters, as measured by room temperature impact toughness (Charpy V-notch testing). Chi phase has an even more negative influence on toughness. Unlike the well known sigma (σ) phase formation at higher temperature (650-900°C), chi phase precipitates more quickly at lower temperature (600-750°C). Molybdenum and chromium rich chi phase is found on the ferrite-austenite boundaries and on the grain boundaries. Even small volume fractions of chi phase (i.e. 0.5-1.0%) can lower the room temperature impact energy of 316L from >200 J (пласт) до<50 J (brittle), and at 2-3% chi phase the impact energy is below 20 J (severe embrittlement). This paper evaluates the link between chi phase volume fraction, precipitation kinetics at 700oC, and consequent room temperature toughness for 316L heater sheaths.

Механизъм на крехкост на фазата на Чи

Фазата χ има центрирана кубична (BCC) структура с голяма единична клетка (a≈ 8,9 Å) и е богата на молибден (обикновено 20-30% Mo) и хром (25-35% Cr). Той се утаява предимно по границите на зърната, контактите ферит-аустенит и при включванията. Фазата е твърда и крехка и нейното присъствие осигурява удобни пътища за разрушаване по границите на зърната. За разлика от сигма фазата, чи фазата е по-силен агент за крехкост, тъй като се образува като малки, близко разположени частици, които правят непрекъсната крехка мрежа при по-ниски обемни фракции. Максимумът се наблюдава при 700 градуса и 1000-5000 часа стареене в зависимост от съдържанието на молибден. Стандартен 316L (2,0-2,5% Mo) е податлив; увеличеният молибден (2,5-3,0% Mo, близо до 317L) повишава скоростта на производство на чи.

Количествена връзка между топлинно{0}}обработената обемна фракция и ударната якост при 700 градуса

Прогресията на крехкост, определена чрез контролирано стареене на 316L тръби при 700 градуса (върхът на хи фаза ТТТ крива) с различни времена на стареене, последвано от количествено определяне на хи фаза (рентгенова дифракция, SEM) и изпитване на удар на Шарпи V-нарез при стайна температура (20 градуса).

Време на стареене при 700 градуса (h) Обемна фракция на фаза Chi (%Chi Размер на частиците (nm) Утаяване на мястото Стайна температура Енергия на въздействие (J, Шарпи V-прорез) Външен вид на повърхността на счупване Препоръчва се за експлоатация, където е необходима здравина
0 (annealed) 0 N/A None >200 Ductile (100% shear)Yes 100 < 0.1 < 50Grain boundaries (sparse) 180-200 Mostly ductile Yes 250 0.1-0.3 50-100 Grain boundaries (scattered) 150-180Ductile, with some cleavage Yes 500 0.3-0.6 100-150 Grain boundaries (partial coverage) 100-150 Mixed (50% cleavage) Acceptable 750 0.6-1.0 150-200 Grain boundaries (near-continuous) 60-100Marginal Mostly cleavage 1,000 1.0-1.5 150-250 Continuous grain boundary network 30-60 Cleavage (brittle)Not recommended 1500 1.5-2.0 200-300Continuous + intragranular 15-30 Brittle (100% cleavage) No 2,000 2.0-2.5 250-350 Extensive, coalesced 10-20Very Brittle No 3,000 2.5-3.0 300-400 Widespread, coarse 5-15Very brittle No. 5,000 3.0-4.0 >400 Широка, надраснала 5-10 Изключително крехка No
TTT диаграма за Chi фаза в 316L

TTT диаграмата на chi фазата в 316L (2,3% Mo) показва, че най-бързото утаяване се случва при 700 o C и носът е около 1000-2000 часа.

Temperature ( o C) Time to 0.5 % Chi Phase (hours) Time to 1.5 % Chi Phase (hours) Maximum Recommended Service Time Before Embrittlement (Hours) 550 >10,000 >20,000 20,000 600 2,000-4,000 5,000-8,000 5,000 650 800-1,500 2,000-3,500 2,000 675 500-800 1,200-2,000 1,500 700 400-700 1,000-1,500 1,000 725 500-900 1,200-2,000 1,500 750 800-1,500 2,000-4,000 2,500 800 2,000-4,000 5,000-10,000 5,000
Влияние на съдържанието на молибден върху скоростта на утаяване на Чи

По-високият молибден насърчава утаяването на чи фазата. Ниският молибден е добър за обслужване при 700 градуса.

Съдържание на молибден (wt%) Време до 1,0% Chi при 700 градуса (часа) Енергия на удара след 2000 часа при 700 градуса (J) Препоръчителна максимална температура за 10 000 часа живот 2.0 (минимум 316) 1500-2,500 30-60 650 степен 2,2 (типично 316L) 1,000-1,800 25-50 640 степен 2,5 (максимум 316L) 600-1,000 15-35 620 степен 2,8 (приближава 317L) 300-600 10-25 600 степен 3,2 (317L) 150-300 5-15 580 степен Практически препоръки за 316L нагревателни обвивки при 700 градуса обслужване

To maintain adequate toughness (impact energy >50 J) за нагревателни обвивки 316L при или около 700 градуса са приложими следните експлоатационни ограничения.

Desired service life at 700 °C (hours)Maximum Allowable Chi Phase (%) Recommended Maximum Service Temperature (°C) Alternative Alloy 500 0.5 700 316L acceptable 1,000 1.0 690 316L with lower Mo (2.0-2.2%) 2,000 1.5 670 347 or 316L with annual toughness check 5,000 2.0 650 (or less) 347 (no chi) or 310 10,000 >2.0 (неприемливо)<600 310 or Inconel 600
Всеки предмет на термичен цикъл50% спестяване на време Горе Повишаване в следващ клас
ХАРАКТЕРИСТИКА НА ХРИ{0}}ФАЗАТА НА ГРУПКОСТ

Три метода измерват крехкостта на чи фаза за нагреватели, които са работили при 600-750 градуса. Първо, тестване на твърдостта. Твърдостта се увеличава от 160-180 HV до 220-300 HV поради развитието на фазата чи. Втората е полева металография (реплика). Полирана и гравирана повърхност, наблюдавана при 500-1000, може да покаже чи утайки по границите на зърната. Третият е опростен тест за удар. Ако част от нагревателя може да бъде отстранена, тестът на Шарпи с малък размер може да оцени загубата на якост. Рентгеновата дифракция (XRD) или SEM/EDS е окончателният начин за директно идентифициране на чи фазата.

Заключение: Определете границите на услугата, за да предотвратите крехкост на чи

For 316L stainless steel heater sheaths running at 700°C, chi (χ) phase precipitation was observed after 400-1500 h, with a volume fraction of 1.0-1.5% after 1000-2000 h. The room temperature impact toughness at this level diminishes from >200 J до 30-60 J (крехко счупване). Инженерите, които определят обвивки 316L за работа над 650 градуса, трябва да определят общото време, прекарано в региона на 600-750 градуса и да го сравнят с ограниченията, показани в диаграмата TTT. За 1000 до 2000 часа при 700 градуса или 5000 до 10000 часа при 650 градуса се препоръчва надграждане до 347 (стабилизирана с ниобий, не образува чи) или 310 неръждаема стомана (напълно аустенитна, с по-високо съдържание на хром). Подходът, предложен тук, свързва обемния процент на чи фазата с измерима загуба на якост при въздействие на стайна температура и позволява на купувачите да установят ограничения за температура и време, които изключват крехкостта на обвивките на нагревателя 316L при дългосрочна употреба при висока температура.