Как процент предварительной холодной обработки, полученный при вытяжке трубы оболочки нагревателя 316L, контролирует скорость рекристаллизации и рост зерна во время эксплуатации при температуре 600 градусов?

Параметр микроструктурной эволюции для высоких температур. Сохранение прочности

Процент предварительной холодной обработки после вытяжки трубы определяет скорость рекристаллизации и последующего развития зерен, происходящих во время воздействия высоких-температур для электронагревательных трубок из нержавеющей стали 316L, работающих при температуре 600 градусов, что является верхним пределом срока службы для непрерывного использования этого сплава. В -вытянутой трубке сохраняется энергия пластической деформации (плотность дислокаций соответствует % холодной работы). Эта накопленная энергия вызывает рекристаллизацию при температуре 600 градусов: образование новых зерен без напряжений, заменяющих деформированную микроструктуру. Срок начала рекристаллизации резко сокращается с увеличением нагарта: при 10% нагарте он составляет 1000-2000 часов; при 20% холодной работе - 200-500 часов; при 30% холодной работе - 50-150 часов. Рекристаллизация приводит к образованию зерен. Это приводит к укрупнению микроструктуры и снижению предела ползучести.. 10 000-часовая работа при температуре 600 градусов. Оптимальный диапазон холодной обработки составляет 10–15 % (баланс: задерживает рекристаллизацию, достаточную для выдержки 10 000 часов, но не настолько быстро, чтобы образовывались крупные зерна). В данной статье оценивается связь между предшествующей холодной обработкой, кинетикой рекристаллизации, развитием зерна и долговечностью при ползучести при 600 градусах.

Механизм рекристаллизации и роста зерна в холоднодеформированной стали 316L

Рекристаллизация представляет собой термостимулированный процесс. Новые зерна зарождаются в местах высокой плотности дислокаций (границы зерен, полосы деформации, включения) и развиваются в искаженную матрицу. Движущая сила пропорциональна запасенной энергии холодной обработки, которая пропорциональна квадрату напряжения течения (приблизительно линейно с процентом холодной обработки до 30-40%). Холодная работа приводит к экспоненциальному увеличению скорости зародышеобразования. После завершения рекристаллизации расширение зерен происходит за счет миграции границ, вызванной уменьшением площади границ зерен. Крупные зерна растут за счет мелких (оствальдовское созревание). Мелкий, устойчивый размер зерна (ASTM 6-8) обеспечивает наилучшее сопротивление ползучести при 600 градусах C. Показано, что очень мелкозернистые (ASTM 10+) и крупнозернистые (ASTM 3-5) зерна сокращают срок ползучести за счет скольжения по границам зерен соответственно.

Взаимосвязь между холодной обработкой, временем рекристаллизации и размером зерна при 600 градусах.

Контролируемое изотермическое старение при температуре 600 градусов с периодическим металлографическим исследованием использовалось для определения скорости рекристаллизации и развития зерен в холоднотянутых трубках из стали 316L:

Previous Cold Work (%) Time to Recrystallise 50% at 600°C (hours) Recrystallised Grain Size After Completion (ASTM, µm) Time to Grain Growth to ASTM 5 (>70 µm, hours) Creep Rupture Life at 80 MPa, 600°C (hours) Recommended for 10,000 hour Service at 600°C 0 (annealed) N/A (no cold work) 8-9 (20-30 µm) initial >20 000 (стабильно) 2 500-3 500 Да (если уже все в порядке)
5 5,000–10,000 8-9 (20–30 мкм) 15 000–20,000 3000–4000 Да
10 1,500-3,000 7-8 (25-35 мкм) 8,000-12,000 3,500-5,000 Да (лучше всего)
12 1,000-2,000 7-8 (25-35 мкм) 6000-9,000 3,500-5000 Да
15 500-1,000 6-7 (35–50 мкм) 4000–7,000 3000–4500 Приемлемо
20 200-500 5-6 (50-70 мкм) 2000-4,000 2000-3500 Маргинальный 25 100-200 4-5 (70-90 мкм) 1000-2,000 1500-2500 Не рекомендуется 30 50-150 3-4 (90-120 мкм) 500-1,500 1,000-2,000 Не рекомендуется 35 30-80 3 (100-130 мкм) 300-800 800-1,500 Нет 40 20-50 2-3 (120-150 мкм) 200-500 600-1,000 Нет
Влияние исходного размера зерна на кинетику рекристаллизации

Скорость рекристаллизации зависит от исходного размера зерна перед холодной вытяжкой. Таким образом, чем мельче вещество, тем быстрее оно перекристаллизуется-. Мест зародышеобразования больше.

Начальный размер зерна по ASTM перед вытяжкой. Относительная скорость рекристаллизации (10 % CW) при той же холодной обработке. Рекомендуемый срок службы при холодной обработке в течение 10 000 часов 10 (чрезвычайно мелкий, 10 мкм) 1,5× (быстрее) 8 % 8 (мелкий, 20 мкм) 1,0 × (базовый уровень) 10 %
6 (средний, 45 мкм) 0,7× (медленнее) 12%
4 (крупный, 80 мкм) 0,4× (гораздо медленнее) 15% Практические рекомендации по производству нагревательных трубок из 316L

Для оболочек из 316L для эксплуатации при температуре 600 градусов и расчетном сроке службы 10 000 часов предлагаются следующие параметры холодной обработки и пред-термической обработки.

Желаемый срок службы (часы) 600 градусов Рекомендуемая холодная работа до начала эксплуатации (%) Размер зерна после предварительной -термической обработки после 10 000 часов при 600 градусах (ASTM) Ожидаемый срок службы при ползучести (часы) 5,000 15-20 Нет (как показано на чертеже) 5-6 (50-70 мкм) 3000-4,500 10,000 10-12 Нет (как показано на рисунке) 6-7 (35-50 мкм) 3500-5,000 10,000 0-5 Полный отжиг + мелкозернистый 7-8 (25-35 мкм) 3000-4,500 20,000 10 Стабилизационный отжиг (850 градусов) , 2 ч) 7 (30-40 мкм) 5,000-7,000 20,000 + коррозионная стойкость 0 Полный отжиг + стабилизация 7-8 4,000-6000
Государственная проверка рекристаллизации

Для покупателей, которым требуется определенная микроструктурная стабильность, предлагаются две процедуры проверки. Во-первых, это проверка на твердость. Твердость -вытянутой стали 316L составляет 180–320 HV в зависимости от холодной обработки. Рекристаллизация приводит к снижению твердости до 140-160 HV (полностью мягкий). Если твердость после 1000 ч при температуре 600 градусов превышает 200 HV, рекристаллизация еще не произошла. Второй – металлографическое исследование после травления (глицерегия или электролитическая щавелевая кислота). Образование структур «ожерелья» (рядов мелких новых зерен вдоль бывших границ зерен) означает начало рекристаллизации.

Заключение Улучшение холодной обработки для увеличения срока службы до 600 градусов

На кинетику рекристаллизации и последующее развитие зерен оболочек нагревателей из нержавеющей стали 316L при температуре 600 градусов влияет процент предварительной холодной обработки. Рекристаллизацию получают после холодной обработки 10-12% и 1500-3000 часов, в результате чего образуется мелкая (ASTM 7-8) рекристаллизованная зернистая структура, которая сохраняет хорошую прочность на ползучесть в течение 10000+ часов. Более высокая холодная обработка (20–30%) приводит к быстрой рекристаллизации (200–500 часов) и образованию крупных зерен (ASTM 4–5), что снижает долговечность ползучести на 40–60%. Микроструктура уже рекристаллизована и стабильна при холодной обработке менее 5% (отжиге), но отсутствие наклепа снижает прочность после формования. При эксплуатации в течение 10 000 часов при температуре 600 градусов инженеры, использующие оболочки из 316L, могут рассчитывать на 10–15 % холодную обработку при волочении трубки. После вытяжки используется стабилизационная термообработка (850 градусов, 2 часа) для оптимизации микроструктуры для обеспечения долгосрочной стабильности размера зерна при сроке службы более 10 000 часов. Предложенная здесь система позволяет покупателям указывать сокращения вытяжки, которые максимизируют срок ползучести за счет контролируемой микроструктурной эволюции, связывая процент холодной обработки с кинетикой рекристаллизации и развитием зерна при 600 градусах.