При каква конкретна комбинация от утаяване на гама прайм (') фаза и приложено напрежение на опън обвивката на нагревателя 316 развива високо-температурно междукристално напукване при 650 градуса след 10 000 часа

Параметърът на-взаимодействието на напрежението при утаяване за дългосрочна-крехкост при пълзене

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. Фини утайки от остатъчен алуминий (0,005-0,015%) и титан (0,01-0,03%), преобладаващи в търговската мрежа 316. Дори 20 000 часа не причиняват напукване при напрежение, по-малко от 20MPa. В тази статия е количествено определена връзката между кинетиката на утаяването, приложеното напрежение и времето до междукристално напукване при 650 градуса.

Механизъм на „-индуцирана междукристална крехкост

Търговската неръждаема стомана 316 включва малки количества алуминий (обикновено 0,005-0,015%) и титан (0,01-0,03%), които не са специфицирани или контролирани. Тези елементи реагират с никел, за да дадат фини, кохерентни Ni₃(Al,Ti) гама първични утайки вътре в аустенитните зърна след 5 000-10 000 часа при 650 градуса. Вътрешността на зърната е силно втвърдена от частиците $\\gamma'$ (30-50 HV). Обаче областите, непосредствено близо до границите на зърната, се изчерпват както от образуващите, така и от укрепващите разтворени вещества. Това създава меки, слаби области. При приложено напрежение на опън, деформацията на пълзене се локализира в тези меки зони, образувайки кухини, които се сливат по протежение на границата на зърното. Напукването е междукристално и се извършва при напрежения много под средната якост на разкъсване при пълзене на 7'-free 316.

Количествена връзка между утаяване, напрежение и начало на напукване

Контролираното дългосрочно стареене на 316 тръби (0,012% Al, 0,02% Ti) при 650 градуса с приложено обръчно напрежение (от вътрешно налягане или ограничено топлинно разширение) установи следните времеви рамки до започване на напукване.

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 Интергрануларен бр
Всякакви Всякакви Всякакви<20 >20 000 (без кракване) Няма Да
Всеки (нисък Al/Ti)<0.1 (alloy 316L with <0.005% Al, <0.01% Ti) N/A <100 >20 000 само Creep Да
Влиянието на съдържанието на алуминий и титан върху образуването

Обемната фракция при 650 градуса е пропорционална на концентрацията (Al + Ti/2). Намаляването на тези микроелементи намалява $\\gamma$' валежите.

Алуминий (wt%) Титан (wt%) (Al + Ti/2) Еквивалентна обемна фракция след 10 000 часа при 650 градуса (%) Препоръчително максимално напрежение за 10 000 часа живот (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 неподходящо
Практически препоръки за обслужване при 650 градуса

Следните параметри свеждат до минимум крехкостта, предизвикана от гама-премиера за 316 нагревателни обвивки за 650-градусово обслужване с проектен живот от > 5,000 - 10,000 часа.

Необходим експлоатационен живот при 650 градуса (часа) Максимално приложено напрежение на обръч (MPa) Максимално Al + Ti/2 (wt%) Изисква се Препоръчителна проверка на сплавта след обслужване
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 Надграждане до 347 или 310 N/A 20 000<20 <0.015 316L with stabilisation Periodic examination of replica
Потвърждение за опасност от образуване и крехкост

Купувачите, посочващи 316 за услуга от 650 градуса, разполагат с три техники за проверка. Първият е химичен анализ на остатъчен алуминий и титан: 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% към<20% is evidence of γ' embrittlement. 3.hardness monitoring: a rise from 160-180 HV to >200-220 HV след обслужване е характерно за ' производство.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: НИСЪК AL/TI ЗА ДЪЛГОСРОЧНА ПЛАСТИЧНОСТ ПРИ ПЪЛЗЕНОСТ ПРИ 650 DEG 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% Обемният процент се намалява до<0.5% after 10,000 hours and the threshold stress for cracking increased to >60 MPa чрез определяне на 316L с максимум алуминий 0,008% и титан 0,015% (Al+Ti/2<0.016%). For service with an applied stress >40 MPa при 650 градуса, препоръчва се надграждане до 347 (стабилизирана с ниобий) или 310 неръждаема стомана (без образуване при тази температура). Настоящата работа предоставя рамка за свързване на кинетиката на утаяване и приложеното напрежение към началото на междукристално напукване при 650 градуса, което може да се използва от купувачите за определяне на ограничения на микроелементите, които няма да доведат до дългосрочна-крехкост на 316 нагревателни обвивки.