Missä gamma Prime (') -vaiheen saostumisen ja vetojännityksen spesifisessä yhdistelmässä 316-lämmittimen vaippa kehittää korkean lämpötilan{1}}rakeidenvälistä halkeilua 650 asteessa 10 000 tunnin jälkeen

Sade{0}}stressivuorovaikutusparametri pitkäaikaiselle-virumisen haurastumiselle

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. Hienojakoisia saostumia jäännösalumiinista (0,005-0,015 %) ja titaanista (0,01-0,03 %) kaupallisessa 316:ssa. Jopa 20 000 tuntia ei aiheuta halkeilua alle 20 MPa:n jännityksissä. Tässä artikkelissa kvantifioidaan yhteys saostumisen, käytetyn jännityksen ja rakeidenväliseen halkeamiseen kuluvan ajan välillä 650 asteessa.

-Indusoidun rakeidenvälisen haurauden mekanismi

Kaupallinen ruostumaton teräs 316 sisältää pieniä määriä alumiinia (yleensä 0,005-0,015 %) ja titaania (0,01-0,03 %), joita ei ole määritelty tai valvottu. Nämä alkuaineet reagoivat nikkelin kanssa muodostaen hienoja, koherentteja Ni3(Al,Ti)-gammaprime-saostumia austeniittirakeiden sisällä 5 000 - 10 000 tunnin kuluttua 650 asteen lämpötilassa. Rae sisäosat ovat voimakkaasti kovettuneet partikkeleiden $\\gamma'$ (30-50 HV) vaikutuksesta. Suoraan raerajoja lähellä olevilta alueilta kuitenkin loppuvat sekä 'muodostajat että vahvistavat liuenneet aineet. Tämä luo pehmeitä, heikkoja alueita. Käytetyn vetojännityksen alaisena virumisjännitys lokalisoituu näille pehmeille vyöhykkeille ydintäen onteloita, jotka sulautuvat raerajaa pitkin. Halkeilu on rakeiden välistä ja tapahtuu jännityksissä, jotka ovat paljon alle 7'-free 316:n keskimääräisen virumismurtolujuuden.

Kvantifioitu suhde sateen, jännityksen ja halkeilun alkamisen välillä

316-letkun (0,012 % Al, 0,02 % Ti) hallittu pitkäaikainen vanheneminen 650 asteessa käyttämällä vannejännitystä (sisäisestä paineesta tai rajoitetusta lämpölaajenemisesta) on määrittänyt seuraavat aikakehykset halkeilun alkamiseen.

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 1,500-2500 rakeiden välinen nro
Mikä tahansa Mikä tahansa<20 >20 000 (ei halkeilua) Ei mitään Kyllä
Mikä tahansa (matala Al/Ti)<0.1 (alloy 316L with <0.005% Al, <0.01% Ti) N/A <100 >Vain 20 000 Creep Kyllä
Alumiini- ja titaanipitoisuuden vaikutus muodostumiseen

Tilavuusosuus 650 asteessa on verrannollinen (Al + Ti/2) -pitoisuuteen. Näiden hivenaineiden vähentäminen vähentää $\\gamma$:n sademäärää.

Alumiini (paino-%) Titaani (paino-%) (Al + Ti/2) Vastaava tilavuusosuus 10 000 tunnin jälkeen 650 asteessa (%) Suositeltu maksimirasitus 10 000 tunnin käyttöikään (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 sopimatonta
Käytännön suosituksia huoltoon 650 asteessa

Seuraavat parametrit minimoivat gammaprime-indusoidun haurastumisen 316 lämmittimen vaippalle 650 asteen käyttöikään, kun suunniteltu käyttöikä on > 5 000 - 10 000 tuntia.

Vaadittu käyttöikä 650 asteen kulmassa (tuntia) Suurin käytetty renkaan jännitys (MPa) Suurin Al + Ti/2 (paino-%) Vaadittu suositeltu metalliseostarkastus huollon jälkeen
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 Päivitys 347 tai 310 N/A 20 000<20 <0.015 316L with stabilisation Periodic examination of replica
Muodostumis- ja haurastumisvaaran vahvistus

Ostajilla, jotka määrittävät 316 650 asteen palvelulle, on käytettävissä kolme varmennustekniikkaa. Ensimmäinen on jäännösalumiinin ja titaanin kemiallinen analyysi: 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% asti<20% is evidence of γ' embrittlement. 3.hardness monitoring: a rise from 160-180 HV to >200-220 HV huollon jälkeen on ominaista tuotannolle.

PÄÄTELMÄ: ALHAINEN AL/TI PITKÄAIKAISESTI 650 C:N RYUMUMISTAVUUS

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 % Tilavuusprosentti pienenee arvoon<0.5% after 10,000 hours and the threshold stress for cracking increased to >60 MPa määrittämällä 316L, enintään 0,008 % alumiinia ja 0,015 % titaania (Al+Ti/2<0.016%). For service with an applied stress >40 MPa 650 asteessa, on suositeltavaa päivittää arvoon 347 (niobiumstabiloitu) tai 310 ruostumattomaan teräkseen (ei muodostumista tässä lämpötilassa). Tämä työ tarjoaa puitteet "saostumiskinetiikan ja käytetyn jännityksen liittämiseksi rakeidenvälisen halkeilun alkuun 650 asteessa, jota ostajat voivat käyttää määrittämään rajoja hivenaineille, jotka eivät johtaisi 316 lämmittimen vaipan pitkäkestoiseen haurastumiseen.