Kako postotak smanjenja hladnog izvlačenja 316L cijevi plašta grijača kontrolira naprezanje-inducirano stvaranje martenzita i njegov naknadni učinak na magnetsku propusnost i otpornost na vodikovu krtost

Fazna transformacija izazvana deformacijom: dvosjekli mač

Najčešća metoda za dobivanje točnih dimenzija vanjskog promjera i završne obrade površine za električne grijaće cijevi od nehrđajućeg čelika 316L proizvedene hladnim izvlačenjem je smanjenje u postotku, koje izravno kontrolira volumni udio martenzita-induciranog deformacijom ( '-martenzit) koji nastaje tijekom deformacije. 316L ima niži sadržaj ugljika (<0.03%) than ordinary 316 making it more austenitically stable at room temperature and needing greater cold work levels to generate martensite. The martensite volume fraction that can be determined by magnetic permeability (μr) affects two important but conflicting service properties: magnetic permeability (important for applications that require non-magnetic sheaths such as MRI rooms or sensitive electronic equipment) and hydrogen embrittlement resistance (critical for cathodically protected systems or sour service). When the reduction percentage is below 20% the 316L stays practically entirely austenitic (μr <1.01, martensite <2%), giving excellent non-magnetic properties but with a lower yield strength. Martensite is formed gradually (μr =1.01-1.10, martensite 2-15%) with a 20-40% reduction, with an increase in yield strength but a decrease in resistance to hydrogen embrittlement. For reductions more than 40%, the martensite content is higher than 15-20% (μr >1.10) što uzrokuje visok magnetski odziv i značajnu osjetljivost na vodikovu krtost. Ovaj rad procjenjuje korelaciju između smanjenja hladnog izvlačenja, udjela martenzita, magnetske propusnosti i otpornosti na vodikovu krtost za plašteve grijača od 316L.

Mehanizam stvaranja martenzita induciranog deformacijama u 316L

Austenitni 316L je meta-stabilan s obzirom na proizvodnju martenzita tijekom plastične deformacije. $\\gamma$ (FCC, paramagnetski) $\\to$ $\\epsilon$ (HCP, slabo magnetski) $\\to$ $\\alpha^\\prime$ (BCC, feromagnetski). Volumni udio alfa'-martenzita slijedi Olson-Cohenov zakon: Valpha'=1 - exp(-betaxepsilon_plastic^n) (10) gdje je epsilon_plastic prava plastična deformacija ( epsilon_plastic=ln(1/(1-reduction)) betax je temperaturno{27}}ovisan faktor, a n je oko 2 za 316L. Temperatura na kojoj se formira 50% martenzita pri 30% stvarnog naprezanja (Md30) za 316L je oko -30 stupnjeva do -50 stupnjeva, što znači da je na normalnoj temperaturi stvaranje martenzita ograničeno na 20-30% redukcija. Transformacija dovodi do mikrostrukture koja je dvofazna (austenit + martenzit) ili trofazni (sadrži ε) i ima svojstva srednja između potpuno austenitnih i potpuno martenzitnih nehrđajućih čelika.

Kvantificirani odnosi između hladne redukcije, udjela martenzita i svojstava na 25 stupnjeva

Kontrolirano hladno izvlačenje cijevi od 316L (početni OD 12 mm, stijenka 1,5 mm, potpuno žarena na 1050 stupnjeva) koristi se za demonstraciju veza između frakcije martenzita (difrakcija X-zraka), magnetske propusnosti (feritoskop) i mehaničkih parametara.

Smanjenje hladnog izvlačenja (%) Prava deformacija (ε=ln(1/(1-R))) '-Volumni udio martenzita (%) Magnetska propusnost (μr, 25 stupnjeva ) Granica tečenja (MPa, 0,2% pomaka) Istezanje (%) Preporučeno za nemagnetske primjene (<1.05 μr Recommended for Sour/Hydrogen Service
0 (žareno) 0.00 0 1.00-1.01 205 50 Da Da 5 0.05 0 1.00-1.01 240 45 Da Da 10 0.11 0 1.01-1.02 280 40 Da Da 15 0.16 0-1 1.02-1.03 320 35 Da Da 20 0.22 1-2 1.03-1.05 360 30 Marginalno prihvatljivo 25 0.29 2-4 1.05-1.07 400 25 Ne Marginalno 30 0.36 4-7 1.07-1.10 440 20 Ne Ne (visoka krtost) 35 0.43 7-12 1.10-1.15 480 18 Ne Ne 40 0.51 12-18 1.15-1.25 520 15 Ne Ne 45 0.60 18-25 1.25-1.40 560 12 Ne Ne 50 0.69 25-35 1.40-1.70 600 10 Ne Ne
Učinak sadržaja martenzita na otpornost na vodikovu krtost

The susceptibility to hydrogen embrittlement (HE) of 316L heater sheaths in cathodically protected systems or sour service (H2S-containing) rises with martensite content because the BCC structure of martensite shows substantially higher hydrogen diffusivity and solubility than FCC austenite. The HE thresholds are given in the table below. α'-martensite fraction (%)Hydrogen Diffusivity at 25 oC (cm2/s, relative to austenite =1) Time to HE Cracking in NACE TM0177 Solution A at 25 oC 75% yield (hours)Maximum Permissible Cold Reduction for Sour Service (Recommended) 0 1X >720 (prošao) Bilo koji (otopljen)
1-3 5-10× 500-720 (granično)<20% reduction
3-5 20-30× 200-500 (fail)Not permitted 5-10 50-80× 50-200 (fail)Not allowed >10 >100× <50 (severe) Not allowed
Za ne-magnetsku primjenu potrebna je magnetska propusnost

Maksimalna magnetska permeabilnost (npr. μr<1.01 or <1.05) is specified for 316L sheaths for MRI rooms, or sensitive electronic equipment, or degaussing systems. Limits on cold decrease are as follows.

Primjena Maksimalno dopušteno μr Maksimalno hladno smanjenje (% ) Preporučena ruta proizvodnje Odgovarajući udio martenzita
MR soba (kritično) 1.01<10% 0% Fully annealed, + no cold work
Oprema s elektronskim snopom 1.02<15% 0-1%Light cold working + finish anneal
Općenito ne{0}}magnetski 1.05<22% <2% Cold drawn + tension reliefing
Commercial (no specification) >1.05 (bilo koji) Bilo koji Bilo koji Praktične specifikacije za proizvodnju 316L plašta grijača

Za kupce koji specificiraju 316L cijevi za različite radne uvjete, preporučuju se sljedeća ograničenja smanjenja hladnog izvlačenja:

Uvjeti upotrebe Maks. smanjenje hladnog izvlačenja (%) Potrebna završna toplinska obrada Maks. μr Min. HE otpor
Ne-magnetno (MRI, elektronika) 10 Potpuno žarenje nakon izvlačenja 1,02 Dobro
Općenito industrijsko (bez klorida, bez H2S) 30 Ništa (kao -prihvatljivo) 1.10 (bilo koje) Nije potrebno
Usluga klorida (<500 ppm, <80°C) 20 Stress relief 400°C, 1h 1.05 OK
Sour service (H2S >10 ppm) 15 Žarenje u punoj otopini 1,03 Potrebno (prošlo NACE)
Katodno zaštićeno (pomorska) 15 Ublažavanje stresa 450 stupnjeva, 2h 1,03 Prihvatljivo
High strength (pressure vessels) 40 None >1.15 Loše (nije za H2S)
Provjera sadržaja i svojstava martenzita

Buyers who require specified restrictions have three verification options available. The first is a non-destructive measurement with a ferritescope, which gives μr values with a precision of ±0.005-0.01. The second is X-ray diffraction (XRD) coupled with Rietveld refinement for accurate measurement of α'. The final test is a simple magnetic attraction test: if a permanent magnet clings strongly to the sheath, then μr >1.10 (nije prikladno za ne-magnetske primjene). Za otpornost na HE zahtjev za odobrenje je odsustvo pukotina u testu NACE TM0177 (720 h, 25 stupnjeva, otopina A s H₂S).

Zaključci: Uspostavljanje ograničenja hladnog smanjenja za 316L na temelju zahtjeva usluge

Za cijev plašta grijača od nehrđajućeg čelika 316L, smanjenje % hladnog izvlačenja izravan je kontrolni čimbenik u-formiranju martenzita izazvanog deformacijama, koji određuje magnetsku propusnost i otpornost na vodikovu krtost. Za ne-magnetske primjene (μr<1.01-1.05) cold reduction must be minimised to <10-15% with a final anneal. For HE resistant sour or cathodically protected service, cold decrease must be limited to < 15-20% with stress relief or full anneal. For general industrial service where neither attribute is critical reductions of 30-40% are tolerable. Engineers designing 316L sheaths have to define maximum magnetic permeability or minimum HE resistance criteria dependent on the environment of operation. The framework presented here correlates the cold reduction percentage to the martensite volume fraction and its two critical consequences-magnetic response and hydrogen embrittlement susceptibility, and enables buyers to choose the best drawing reduction and post-drawing heat treatment for their particular application.