Millä spesifisellä raekoon (ASTM 6 vs 8,5) ja delta-ferriittiprosentin (3 % vs 8 %) yhdistelmällä 347-lämmittimen vaippa siirtyy rakeidenvälisestä virumishalkeilusta 700 asteessa alle 50 MPa:n vannerasituksessa 10 000 tunnin jälkeen

Mikrorakenteen siirtymätekijä virumisvirhetilan valinnassa

Nb-stabiloiduissa 347 ruostumattomasta teräksestä päällystetyissä sähkölämmitysputkissa, jotka toimivat 700 asteessa 50 MPa:n kehäjännityksen alaisena 10 000 tuntia, kuten petrokemian uuniputkissa tai korkean lämpötilan prosessilämmittimissä, vallitseva virumiskrakkauksen muoto (rakeiden välisen koon ja rakeiden välinen yhdistelmä) on hallitseva. (ASTM G -luku, pienempi määrä=karkeampia rakeita) ja delta-ferriitin tilavuusosuus. Rakeiden läpi kulkeva virumishalkeilu (rakeiden läpi), pidempi murtumisikä (12 000-15 000 tuntia) ja suurempi sitkeys näkyvät matalan deltaferriittisen (3 %) hienorakeisen materiaalin (ASTM 8.5, raehalkaisija ~18 µm) ansiosta. Karkearakeinen materiaali (ASTM 6, raekoko ≈ 45 µm), jossa on huomattavaa deltaferriittiä (8 %), osoittaa rakeiden välistä virumishalkeilua (raerajaa pitkin) lyhyemmällä murtumisajalla (6 000-9 000 tuntia) ja alentuneella sitkeydellä. Muutos tapahtuu raekoon ja ferriittipitoisuuden kriittisessä yhdistelmässä. Tutkimus arvioi tarkat mikrorakenneparametrit, jotka ohjaavat virumisvikatilaa 10 000 tunnin jälkeen 700 asteessa 50 MPa:n vannejännityksen alaisena.

Virumiskrakkaustilan valintamekanismi

Virumishalkeilu 347:ssä johtuu raerajojen liukumisesta ja ontelon ytimekästä. Hienot rakeet (enemmän rajoja tilavuusyksikköä kohti) jakavat liukumisen tasaisemmin ja vähentävät yksittäisten rajojen jännityspitoisuuksia. Delta-ferriitti lankojen tai verkkojen muodossa antaa edulliset halkeamisreitit. Pienellä raekoolla (< 25µm, ASTM 8 or finer), the dense population of grain borders prohibits individual boundaries from generating enough strain for intergranular fracture; damage builds inside grains (transgranular). At coarse grain sizes (>35 µm, ASTM 6 tai karkeampi), raerajojen liukuminen on paikallinen joillakin vyöhykkeillä ja delta-ferriittijonojen läsnäolo reunoilla lisää rakeiden välisen ontelon kehittymisnopeutta.

Raekoon, deltaferriitin ja virumistilan välisen korrelaation kvantifiointi

Halkeilutilat ja murtumisajat 347-letkun kontrolloidussa lämpökäsittelyssä (0,45 % Nb, 0,08 % C, 0,50 % Si) eri raekokojen ja deltaferriitin säätöjen aikaansaamiseksi liuoshehkutuslämpötilalla. Virumatestaus 700 asteessa, 50 MPa 10 000 tunnin ajan.

ASTM Raekoko (G) Raehalkaisija (µm) Delta-ferriitin tilavuusosuus (%) Ferriitin morfologia Hallitseva virumiskrakkaustilan virumismurtuman kestoikä 700 asteessa, 50 MPa (tuntia) Repeämän venymä (%) 10 000 tunnin jälkeen Suositeltu huoltoon 10.000 asteessa
8.5 18 2-3 Pallomainen eristettyTransgranular 13 000-16,000 20-25 Kyllä (optimaalinen)
8.0 22 3-4 Pallomainen + lyhyet kielet Transgranular (pääasiassa) 12 000-15,000 18-22 Kyllä 7.5 27 4-5 Sekatyyppiset (trans + inter) 10 000-13,000 15-20 Hyväksyttävä
7.0 32 5-6 StringersMixed (dominoiva rakeiden välinen) 9 000-11,000 12-16 marginaali 6.5 38 6-7 Yhdistetyt kielet Intergranular 7 500-9,500 8-12 Ei suositella
6.0 45 7-8 Near-continuous network Intergranular (severe) 6,000-8,000 5-10No 5.5 52 8-9 Continuous network Intergranular 5,000-7,000 4-8 No 5.0 60 >9 Laaja ferriitti rakeiden välinen (ennenaikainen) 4 000-6,000 3-6 Ei
10 000 tunnin palvelukohtaiset siirtymärajoitukset

Alla oleva taulukko näyttää tarkat permutaatiot krakkausmoodin transgranulaarisesta rakeiden väliseen siirtymiseen 10 000 tunnin jälkeen.

Raekoko (ASTM) Kriittinen Delta-ferriitti moodisiirtymälle (%, 10 000 tuntia) Vikatila kriittisen ferriitin yläpuolella/ylipuolella Raekoolle suositeltu maksimiferriitti
9 (hieno, 15 µm) 8-9 % rakeiden välinen yli 8 % 7 % 8,5 (18 µm) 6-7 % rakeiden välinen yli 6-7 % 5 %
8 (22 µm) 5-6 % rakeidenvälistä > 5 % 4 % 7,5 (27 µm) 4-5 % rakeidenvälistä > 4 % 3 %
7 (32 µm) 3-4 % rakeidenvälistä yli 3 % 2,5 % 6,5 (38 µm) 2,5-3 % rakeidenvälistä yli 2,5 % 2 %
2% 6 (45 µm) 1.5% Intergranular >2%
Käytännön suosituksia 700 asteen huoltoon, jossa on transgranulaarinen (muovattava) vikatila

347 koteloiduille lämmittimille, joissa on transgranulaarinen virumishalkeilu (enemmän sitkeyttä, pidempi käyttöikä) 10 000 tunnin jälkeen 700 asteen, 50 MPa vannejännityksen jälkeen seuraavat mikrorakennevaatimukset ovat olennaisia.

Haluttu virumisvikatilan tavoite ASTM-raekokotavoite Deltaferriitti (%) Vaadittu lämpökäsittelyn repeämäkesto (odotettu tuntia)
Transgranulaarinen (paras sitkeys) 8,5-9<3 Solution anneal 1,040°C + high Ni (10.5%) 15,000-18,000
Transgranulaarinen (hyväksyttävä) 8-8.5 3-4 Liuoshehkutus 1 050 astetta, tavanomainen kemia 12 000-15 000
Sekoitettu (sopii erilaisiin sovelluksiin) 7.5-8 4-5 Liuoshehkutus 1 060 astetta 10 000-13 000
Rakeiden välinen (vältä)<7 >5 High temperature anneal (>1080 astetta)<9,000
Lähetä-Palvelun ryömintätilan vahvistus

Halkeilutapa osoitetaan metallografisella tarkastuksella syövytetystä pitkittäisleikkauksesta 700 asteen kulmassa toimivasta lämmittimestä. Transgranulaariset murtumat tunkeutuvat jyvien läpi (suorat, akuutit, usein ilman haarautumista). Rakeiden väliset halkeamat (sahaiset, haarautuvat) etenevät raerajoja pitkin. Voimme mitata aiemman raekoon ja deltaferriittipitoisuuden samasta näytteestä.

Johtopäätös: Raekoon ja ferriitin optimointi sitkeiden virumismurtumien vuoksi

Esimerkiksi 347 ruostumattomasta teräksestä valmistetun lämmittimen vaipan virumishalkeilu 700 asteessa 50 MPa:n vannerasituksessa 10 000 tunnin jälkeen muuttuu rakeiden välisestä (muovaava, pidempi käyttöikä) rakeidenväliseksi (hauras, lyhyempi käyttöikä), kun tietty yhdistelmä aikaisempaa austeniitin raekokoa ja deltafraktiota on saavutettu. Hienorakeinen materiaali (ASTM 8,5, 18 µm) voi viedä jopa 6-7 % deltaferriittiä ennen kuin se alkaa särkyä rakeiden välillä. Karkearaeisessa materiaalissa (ASTM 6, 45 µm) alle 2 % deltaferriittiä tarvitaan rakeiden välisen halkeilun välttämiseksi. Transgranulaarisen halkeilun, suuremman sitkeyden ja pidemmän virumisiän varmistamiseksi 10 000 tunnin huoltoa varten 700 asteessa tulee määrittää 347 vaippaa, joissa on hieno raekoko (ASTM 8-9) ja alhainen delta-ferriitti (2-4 %). Tässä esitetty kehys yhdistää raekoon ja delta-ferriittiprosentin siirtymiseen rakeiden välisen ja rakeiden välisen virumiskrakkaustilan välillä, jolloin ostajat voivat määrittää lämpökäsittelyn ja kemian virumisrepeämisen keston ja sitkeyden maksimoimiseksi pitkäaikaista korkean lämpötilan käyttöä varten.