Как влияет размер зерен предшествующего аустенита в трубке оболочки нагревателя из нержавеющей стали 316, контроль ползучести, кавитации, скорость зародышеобразования при 550 градусах

Зернограничная плотность как фактор ползучести

Для электронагревательных трубок с оболочкой из нержавеющей стали 316, работающих при повышенных температурах (550 градусов, что типично для высокотемпературных систем нагрева воздуха или газа), первоначальный размер зерна аустенита, выраженный как число размеров зерна по ASTM (G), является основной микроструктурной переменной, контролирующей скорость зарождения ползучей кавитации. Мелкозернистый-материал (ASTM G=8-10, диаметр зерна 15-25 мкм) имеет большую площадь границ зерен в расчете на объем, чем крупнозернистый материал (ASTM G=3-5, диаметр зерна 50-80 мкм). Хотя мелкие зерна демонстрируют более высокий предел текучести при нормальной температуре, они демонстрируют более быстрое зарождение кавитации ползучести при повышении температуры, поскольку границы зерен являются предпочтительными местами для образования полостей. Крупнозернистый материал 316 (ASTM G=4-5) имеет срок ползучести в 3-5 раз дольше при температуре 550 градусов, чем мелкозернистый материал при аналогичной нагрузке и температуре.
Перефразировать предложение

Вернуться к исходному предложению

Скопировать предложение

Нет предложений

В этом исследовании оценивается взаимосвязь между размером зерен по ASTM, скоростью зародышеобразования кавитации и долговечностью до разрушения при ползучести для 316 оболочек, а также предлагается структура спецификаций для использования при высоких-температурах.

Зарождение трещин за счет зернограничной кавитации во время ползучести

Основным механизмом деформации ползучести нержавеющей стали 316 под углом 550 градусов является зернограничное скольжение. Скольжение соседних зерен друг по другу вызывает концентрацию напряжений в тройных точках и на частицах второй фазы (карбиды, включения) из-за геометрических несовместимостей, которые приводят к образованию пустот. Скорость нуклеации обратно пропорциональна размеру зерна; чем меньше размер зерна, тем больше количество зернограничных стыков на единицу объема и, следовательно, тем больше количество возможных мест зародышеобразования. После зарождения пустоты расширяются за счет диффузии вакансий вдоль границ зерен (ползучесть Кобла) и по степенному закону ползучести окружающей матрицы. Общий срок службы ползучести представляет собой сумму времени образования критической совокупности полостей (обычно 5-10% доли площади кавитированной границы) и времени, необходимого для слияния этих полостей в трещину. Большая плотность границ также подразумевает больше мест зародышеобразования, поэтому критический процент полостей может быть достигнут раньше для мелкозернистых материалов, несмотря на более медленную скорость роста на полость из-за более коротких диффузионных длин.

Количественная корреляция между размером зерна по ASTM и сроком ползучести при 550 градусах

Испытание на ползучесть трубок из стали 316 с контролируемыми размерами зерен (путем регулирования времени и температуры отжига в растворе) при температуре 550 градусов и приложенном напряжении 100 МПа (типичное для кольцевого напряжения из-за ограничения теплового расширения) установило следующие зависимости.

Размер зерна по ASTM (G) Диаметр зерна (мкм) Площадь границ зерен на мм3 (мм2/мм3) Время до 1% площади кавитированной границы (часы, 550 градусов, 100 МПа) Срок службы при ползучести (ч, 550 градусов, 100 МПа) Относительный срок службы ползучести (базовый уровень G=4) Рекомендуется для эксплуатации при 550 градусах 10 (очень) штраф) 10-15 150-200 100-200 500-1,000 0.3× Нет 8-9 (хорошо) 15-25 100-150 200-400 1,000-2,000 0.5× Не рекомендуется 7-8 (средне-высоко) 25-35 70-100 300-600 1,500-3,000 0.8× Маргинально 6-7 (средне) 35-45 50-70 500-1,000 2,500-4,500 1.0-1.2× Приемлемо для прерывистого режима
5-6 (средне-грубый) 45-55 40-50 800-1,500 4,000-6,500 1.5-2.0× Рекомендуется
4-5 (грубая) 55-70 30-40 1,200-2,500 6,000-10,000 2.5-3.5× Идеально подходит для постоянного обслуживания
3-4 (грубая) 70-85 25-30 1,500-3,500 7,000-12,000 3.0-4.0× Приемлемо, но более низкая пластичность
Влияние размера зерна и распределения карбидов

Сопротивление ползучести и кавитации крупнозернистого сплава 316 критически зависит от присутствия как внутризеренных, так и зернограничных карбидов. Скорость охлаждения во время отжига на раствор, которая создает мелкие внутризеренные карбиды (M 23 C 6 , MC), обеспечивает дисперсионное упрочнение внутренней части зерна, сводя к минимуму ползучесть матрицы. Медленные скорости охлаждения приводят к образованию крупных, непрерывных карбидов с границами зерен, которые уменьшают срок ползучести из-за благоприятного расположения полостей зародышеобразования. Идеальная микроструктура для эксплуатации при ползучести при 550 градусах — это крупные зерна (ASTM G=4-6) с мелкой дисперсией внутризеренных карбидов и прерывистых зернограничных карбидов. Микроструктура: Раствор отожжен при 1040-1060°С, умеренно охлажден (принудительная закалка воздухом, а не водой), затем стабилизационный отжиг при 850-900°С в течение 2-4 часов. Стабилизационный отжиг выделяет карбиды контролируемым образом без сенсибилизации (для марок 316L или стабилизированных марок).

Спецификация размера зерна для использования в высокотемпературных нагревателях

На основе расчетного срока службы предлагается следующий стандарт размера зерна для 316 защитных нагревателей для непрерывной работы при температуре оболочки 550 градусов (температура внутренней стенки).

Желаемый срок службы при 550 C (часы) Минимальный размер зерна по ASTM (нижнее число=крупнее) (ASTM) Максимальный размер зерна (большее число=меньше)Рекомендуемая термообработка<2,000 (intermittent duty) 3 6 Standard solution anneal + quench 2,000-5,000 4 6 Controlled anneal + forced air cool 5,000-10,000 5 (max, indicating coarser than G=5 is permitted) 5 Extended anneal + stabilisation
Проверка размера зерна и поля повреждения ползучести 10 000-20,000 4 (минимальная крупность) 5 Высокотемпературный отжиг (1100 градусов) + медленное охлаждение

Высокотемпературные эксплуатационные нагреватели Размер зерна можно определить металлографическим анализом поперечного сечения-после травления глицерегием (15 мл HCl, 10 мл глицерина, 5 мл HNO3). Число размеров зерен ASTM получается путем сравнения со стандартными таблицами согласно ASTM E112 .. Кавитационные повреждения при ползучести (маленькие черные пятна (полости) на границах зерен при увеличении 500-1000x) обычно возникают, когда истекло 50-60% срока ползучести. Для крупнозернистого (Г=5) нагревателя полости наблюдаются при ~4000-6000 часов при ресурсе 8000 часов. Для мелкозернистого материала (G=8) полости видны примерно через 200–400 часов, что позволяет значительно меньше заметить появление разрыва. Периодический отбор проб (один нагреватель из партии в год) для металлографической оценки фракции кавитации позволяет получить данные по прогнозному техническому обслуживанию основных нагревателей.

Учет размера зерна сварных и гнутых деталей

Требования к размеру зерна должны оцениваться с учетом сварки и гибки торцевой крышки. При сварке образуется зона термического воздействия с мелкими зернами (ASTM G=9-11) вдоль линии сплавления. При высокой температуре эта мелкозернистая зона может стать уязвимой для ползучей кавитации. В случае нагревателей, работающих при температуре выше 500 градусов, зона сварного шва может преимущественно разрушаться, даже если размер зерна основного металла крупный. Одним из способов смягчения проблемы является отжиг раствора после-сварки, который приводит к укрупнению зерен ЗТВ. Это может быть неосуществимо. Альтернативой является использование более устойчивого к ползучести сплава, такого как нержавеющая сталь 310 или Inconel 600, для всего нагревателя, что устранит изменчивость срока службы при ползучести, зависящую от размера зерна.

Вывод: характеристики крупнозернистого зерна по прочности на ползучесть при высоких температурах

Для нагревателей в корпусе из нержавеющей стали 316 при температуре 550 градусов предшествующее число размеров зерен аустенита является контролирующим фактором для скорости зарождения ползучести и кавитации и, следовательно, для общего срока службы до разрушения при ползучести. Зарождение кавитации происходит в 3-5 раз быстрее в мелкозернистом материале (ASTM G=8-10), чем в крупнозернистом материале (ASTM G=4-5), при этом срок службы ползучести снижается с 10 000 часов до 2 000 часов при тех же нагрузках и температурах. Инженеры должны указать G=5 или G=6, подтвержденное металлографией ASTM E112, для максимального числа размеров зерна по ASTM (более крупные зерна) для 316 оболочек для непрерывного использования при высоких температурах. Описанная методология связывает размер зерна с поддающимися количественной оценке скоростями кавитации и сроком службы до разрушения, что позволяет покупателям выбирать оболочку из стали 316 с лучшим сопротивлением разрушению при ползучести при высоких температурах.