Как прежние зубцы на границе зерен аустенита после отжига на раствор трубы с оболочкой нагревателя 316 обеспечивают сопротивление ползучести кавитации при 600 градусах в течение 10 000 часов службы

Методология высокотемпературной-прочности для проектирования интерфейсов

Форма предшествующих границ зерен аустенита оказывает большое влияние на сопротивление ползучести кавитации электрических нагревательных трубок из нержавеющей стали 316, работающих при температуре 600 градусов, верхнем пределе непрерывной эксплуатации этого сплава в системах воздушного или газового нагрева. Стандартный отжиг на раствор (1040 градусов с последующим быстрым охлаждением) приводит к получению прямых или слегка изогнутых границ зерен. Модифицированная термообработка с использованием замедленного охлаждения от 1100 градусов и двухэтапной обработки старением (сначала при 950 градусах, а затем при 850 градусах) приводит к образованию зубчатых или «зигзагообразных» границ зерен, где граничная плоскость не-плоская на 5-25 мкм. Волнистость зубчатых границ зерен увеличивает напряжение, необходимое для скольжения границ зерен и зарождения полостей, и, таким образом, препятствует зарождению ползучей кавитации. При приложенном напряжении 600 градусов и 80 МПа (что соответствует обычным уровням кольцевого напряжения для оболочек нагревателей) зубчатые границы зерен увеличивают долговечность до разрушения при ползучести в 2,5–4,0 раза по сравнению с прямыми границами. В этой статье количественно определена связь между амплитудой зубцов на границах зерен, временем до зарождения кавитации и сроком службы при ползучести при 600 o C.

Зубчатый механизм-Повышенное сопротивление ползучести

Ползучесть аустенитных нержавеющих сталей при температуре 600 градусов включает деформацию за счет скольжения дислокаций внутри зерен и скольжения границ зерен. Полости зарождаются в тройных точках границ зерен и у частиц второй фазы (карбидов) на границах, когда скольжение создает локальные концентрации напряжений. Зубчатые (также известные как «мигрировавшие» или «волнистые») границы зерен противостоят кавитации тремя способами. Во-первых, геометрические волнистости действуют как механические замки, предотвращая относительные смещения соседних зерен до тех пор, пока не будут приложены большие силы сдвига. Во-вторых, зародившиеся полости должны распространяться по неплоской траектории, что более энергозатратно, чем распространение вдоль прямой границы. В-третьих, в процессе зубцов часто со-выделяются мелкие внутризеренные карбиды, которые укрепляют внутреннюю часть зерна и снижают скорость деформации ползучести.

Количественная связь между амплитудой зубцов и сроком ползучести при 600 градусах

316 для получения различной степени зубчатости границ зерен (измеренной по амплитуде от пика до впадины) с последующими испытаниями на ползучесть при 600 градусах и 80 МПа, что позволило установить следующие зависимости.

Амплитуда зубцов на границе зерен (мкм) Термическая обработка для достижения зубцов Время до 1% Ползучесть Кавитация (часы, 600 градусов, 80 МПа) Срок службы при ползучести (часы, 600 градусов, 80 МПа) Относительная долговечность при ползучести (прямой=1.0) Рекомендуется для эксплуатации при температуре 600 градусов 0 (прямой) Стандартный отжиг 1040 градусов , закалка в воде 800-1,200 2,500-3,500 1.0× Маргинальный 2-5 Отжиг 1050 градусов, медленное охлаждение до 950 градусов, выдержка 1 час, закалка в воде 1200-1,800 3,500-5,000 1.4× Допустимо 5-10 Отжиг 1080 градусов, охлаждение до 950 градусов, выдержка 2 часа, 850 градусов, выдержка 2 часа, медленное охлаждение 1800-3,000 5,000-8,000 2.0× Рекомендуется 10-15 Отжиг 1100 градусов, поэтапное охлаждение 1000 градусов →900 градусов →800 градусов (2 часа каждый), охлаждение на воздухе 3,000-5,000 8,000-12,000 3.0× Лучшее для длительного срока службы
15-20 Специальное термоциклирование (3-этапное с промежуточной деформацией) 5 000-7, 000 10 000-15, 000 4.0× Лучшее (специальный заказ)20 Как указано выше плюс длительное старение 6 000-8, 000 12 000-18, 000 4.5× Только специальное применение
Влияние углерода и азота на образование зубцов

Во время охлаждения границы зерен становятся зубчатыми в результате миграции границ, чему способствует осаждение карбидов и нитридов на движущейся границе. Зубчатость увеличивается при увеличении концентрации углерода и азота.

Содержание углерода (мас. %) Содержание азота (мас. %) Достижимая амплитуда зубцов (мкм) при стандартном этапе - Рекомендуемое время термообработки при охлаждении при 950 градусах (часах)<0.020 <0.05 2-5 1 0.020-0.030 0.05-0.07 5-10 2 0.030-0.040 0.07-0.10 10-15 4 0.040-0.050 0.10-0.12 15-20 6 >0.050 >0.12 >20 8 (риск сенсибилизации)
Практические характеристики термообработки Crept-с ограниченным сроком эксплуатации

Предлагаемые критерии термообработки для 316 защитных нагревателей для эксплуатации при температуре 600 C и расчетном сроке службы 10 000 часов следующие.

Creep Life at 600°C Required (hours) Minimum Serration Amplitude (µm) Heat Treatment RecommendedCooling After TreatmentSensitisation Risk 3,000-5,000 3 1,050°C 1h + 950°C 1h Air cool Low (use 316L) 5,000-8,000 6 1,080°C 1h + 950°C 2h + 850°C 2h Slow cool (50°C/h) Moderate (316L required) 8,000-12,000 10 1,100°C 1h + step-cool 1,000→900→800°C (2h each) Slow cool to 500°C then air Moderate-high (use 316L with Ti stabilization) >12,000 15 Специальная термо-механическая обработка Контролируемая Высокая (обновление до 347)
Проверка зубцов на границе зерен

Покупателям, которым нужны зубчатые границы зерен для обеспечения устойчивости к ползучести при высоких температурах, доступны два метода проверки. Первый – металлографический контроль после электролитического травления (10% щавелевая кислота, 6 В постоянного тока, 60 с). Зубчатые края были четко видны при 500-1000-кратном увеличении, а амплитуду определяли посредством анализа изображения. Второй метод, картирование характера границ зерен методом дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD), измеряет отклонение от идеальных плоских границ. В спецификациях на закупку должна быть указана минимальная амплитуда зубцов (например, . 6 мкм).

Идентификация разрушения при ползучести на зубчатых и прямых границах

Исследование поверхности излома позволит выявить морфологию границ зерен нагревателя 316, который вышел из строя из-за ползучести при температуре 600°C. Излом межзеренный, зерна плоскоограненные, с прямыми краями. Траектория разрушения более извилистая, с зубчатыми границами, а отдельные зерна могут иметь «ступеньки» на поверхности излома. Зубчатый-материал границ будет иметь гораздо больше времени до разрушения. Ретроактивные зубцы невозможны для существующих нагревателей с прямыми-граничными повреждениями. Сменные нагреватели следует заказывать со стандартом термической обработки с зубцами.

Вывод: Ползучесть зубчатых границ зерен при температуре 600 градусов.

Предыдущая форма границ зерен аустенита является важной микроструктурной характеристикой, определяющей сопротивление ползучести кавитации для нагревателей в кожухе из нержавеющей стали 316, работающих при температуре 600 градусов. Прямые границы (отжиг в стандартном растворе) кавитируют при 800-1200 часов и разрушаются при 2500-3500 часов при напряжении 80 МПа. Зубчатые границы с амплитудой 6–15 $\\мкм удлиняют начало кавитации до 1800–5000 часов и срок службы на разрыв до 5000–12 000 часов (улучшение в 2–4 раза). 600 градусов C. Эта стратегия проектирования интерфейса, а также контролируемое содержание углерода и азота (0,03-0,05% C, 0,08-0,12% N) превращают плохую производительность 316 в надежную и длительную службу. Данная система связывает амплитуду зубцов на границах зерен с измеримыми моментами начала ползучей кавитации и разрушения при 600 градусах, предоставляя покупателям возможность запрашивать термообработку, которая оптимизирует высокотемпературную прочность за счет геометрии границ зерен.