При каком конкретном сочетании размера зерна (ASTM 6 против 8,5) и процентного содержания дельта-феррита (3% против 8%) происходит переход оболочки нагревателя 347 от трансгранулярного к межкристаллитному ползучему растрескиванию при 700 градусах под кольцевым напряжением 50 МПа после 10 000 часов

Микроструктурный коэффициент перехода для выбора режима разрушения при ползучести

Для электронагревательных трубок из нержавеющей стали 347, стабилизированных Nb-, работающих при 700 градусах при окружном напряжении 50 МПа в течение 10 000 часов, например, в трубах нефтехимических печей или высоких-технологических нагревателях, преобладающий тип растрескивания при ползучести (трансгранулярный или межкристаллитный) контролируется комбинацией предшествующего размера зерна аустенита (число ASTM G, меньшее число=более крупные зерна) и объемную долю дельта-феррита. Мелкозернистый материал с низким дельта-ферритом (3%) (ASTM 8,5, диаметр зерна ~ 18 мкм) демонстрирует транскристаллитное растрескивание при ползучести (сквозь зерна), более длительный срок службы (12 000 - 15 000 часов) и большую пластичность. Крупнозернистый материал (ASTM 6, размер зерна ≈ 45 мкм) со значительным дельта-ферритом (8%) демонстрирует межзеренное растрескивание при ползучести (по границам зерен) с более коротким сроком службы (6000–9000 часов) и пониженной пластичностью. Изменение происходит при критическом сочетании размера зерна и содержания феррита. В исследовании оцениваются точные параметры микроструктуры, которые контролируют режим разрушения при ползучести после 10 000 часов при температуре 700 градусов и окружном напряжении 50 МПа.

Механизм выбора режима ползучего растрескивания

Ползучее растрескивание в 347 вызвано проскальзыванием границ зерен и образованием полостей. Мелкие зерна (больше границ на единицу объема) распределяют скольжение более равномерно и уменьшают концентрацию напряжений на отдельных границах. Дельта-феррит в виде стрингеров или сеток обеспечивает благоприятные пути взлома. При малых размерах зерен (< 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 мкм, ASTM 6 или крупнее), в некоторых зонах локализовано зернограничное скольжение, а наличие дельта-ферритовых стрингеров по границам увеличивает скорость развития межзеренной полости.

Количественная корреляция между размером зерна, дельта-ферритом и режимом ползучести

Режимы растрескивания и долговечность при контролируемой термообработке труб из стали 347 (0,45% Nb, 0,08% C, 0,50% Si) для обеспечения различных размеров зерен и корректировки дельта-феррита в зависимости от температуры отжига на раствор. Испытание на ползучесть при температуре 700 градусов, 50 МПа в течение 10 000 часов.

Размер зерна по ASTM (G) Диаметр зерна (мкм) Объемная доля дельта-феррита (%) Морфология феррита Доминирующий режим ползучего растрескивания Срок службы при ползучести при 700 градусах, 50 МПа (часы) Удлинение при разрыве (%) После 10 000 часов Рекомендуется для 10 000 часов эксплуатации при 700 градусах
8.5 18 2-3 Шаровидный изолированный Трансгранулярный 13 000–16,000 20-25 Да (оптимально)
8.0 22 3-4 Шаровидные + короткие стрингеры Трансгранулярные (в основном) 12 000–15,000 18-22 Да 7.5 27 4-5 Смешанные Смешанные (транс + промежуточные) 10 000–13,000 15-20 Приемлемо
7.0 32 5-6 СтрингерыСмешанные (с преобладанием межзернистого материала) 9,000-11,000 12-16 Маргинальные 6.5 38 6-7 Связанные между собой стрингеры Межзернистые 7,500-9,500 8-12 Не рекомендуется
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 Экстенсивный феррит Межзеренный (преждевременный) 4,000-6,000 3-6 Нет
Ограничения перехода на конкретные услуги в течение 10 000 часов

В таблице ниже показаны точные изменения транскристаллитного режима к межкристаллитному перехода режима крекинга через 10 000 часов.

Размер зерна (ASTM) Критический дельта-феррит для перехода режима (%, 10 000 часов) Режим отказа на уровне критического феррита или выше Макс. феррит, рекомендуемый для размера зерна
9 (мелкая, 15 мкм) 8-9% Межзеренная более 8% 7% 8,5 (18 мкм) 6-7% Межзеренная более 6-7% 5%
8 (22 мкм) 5-6% Межзеренный > 5% 4% 7,5 (27 мкм) 4-5% Межзеренный > 4% 3%
7 (32 мкм) 3-4% Межзеренный более 3% 2,5% 6,5 (38 мкм) 2,5-3% Межзеренный более 2,5% 2%
2% 6 (45 µm) 1.5% Intergranular >2%
Практические рекомендации для эксплуатации при температуре 700 градусов с трансгранулярным (пластичным) режимом разрушения

Для корпусных нагревателей 347 с транскристаллитным растрескиванием при ползучести (большая пластичность, более длительный срок службы) после 10 000 часов при окружном напряжении 700 градусов и окружном напряжении 50 МПа актуальны следующие микроструктурные требования.

Желаемый режим разрушения при ползучести Целевой размер зерна по ASTM Целевой дельта-феррит (%) Требуемый срок службы термообработки (ожидаемые часы)
Трансгранулярный (лучшая пластичность) 8,5-9<3 Solution anneal 1,040°C + high Ni (10.5%) 15,000-18,000
Трансгранулярный (приемлемо) 8-8.5 3-4 Отжиг в растворе 1050 градусов, обычная химия 12 000–15 000
Смешанный (подходит для различных применений) 7.5-8 4-5 Отжиг в растворе 1060 градусов 10 000–13 000
Межзеренный (избегать)<7 >5 High temperature anneal (>1080 градусов)<9,000
После-Проверка режима медленного обслуживания

Характер растрескивания определяют металлографическим контролем травленого продольного сечения от нагревателя, работающего при температуре 700 градусов. Трансзеренные изломы проникают сквозь зерна (прямые, острые, часто без разветвлений). Межзеренные трещины (зубчатые, ветвящиеся) распространяются по границам зерен. Мы можем измерить предыдущий размер зерна и содержание дельта-феррита на том же образце.

Заключение: Оптимизация размера зерна и феррита для вязкого ползучего разрушения

Например, ползучее растрескивание оболочек нагревателя из нержавеющей стали 347 при температуре 700 градусов и окружном напряжении 50 МПа через 10 000 часов меняется с транскристаллитного (пластичный, более длительный срок службы) на межкристаллитный (хрупкий, более короткий срок службы), когда достигается определенная комбинация размера предварительного аустенитного зерна и объемной доли дельта-феррита. Мелкозернистый-материал (ASTM 8,5, 18 мкм) может содержать до 6-7% дельта-феррита, прежде чем он начнет разрушаться между зернами. Для крупнозернистого материала (ASTM 6, 45 мкм) необходим уровень дельта-феррита ниже 2 %, чтобы избежать межзеренного растрескивания. Чтобы обеспечить транскристаллитное растрескивание, большую пластичность и более длительный срок службы при ползучести, для эксплуатации в течение 10 000 часов при температуре 700 градусов, следует выбирать оболочки 347 с мелким размером зерна (ASTM 8-9) и низким дельта-ферритом (2-4%). Представленная здесь концепция связывает размер зерна и процентное содержание дельта-феррита с переходом между режимами межкристаллитного и межкристаллитного ползучего растрескивания, что позволяет покупателям выбирать термообработку и химический состав для максимального увеличения срока службы и пластичности при длительной эксплуатации при высоких температурах.