Pod kojom specifičnom kombinacijom taloženja gama prve (') faze i primijenjenog vlačnog naprezanja plašt grijača 316 razvija visoko-temperaturno intergranularno pucanje na 650 stupnjeva nakon 10 000 sati

Parametar interakcije pada-naprezanja za dugotrajnu-krtost puzanjem

The precipitation of secondary phases, particularly gamma prime (γ', Ni3(Al,Ti)) and sigma (σ, FeCrMo), can lead to embrittlement and intergranular cracking at low applied stresses in 316 stainless steel sheathed electric heating tubes at long-term (10,000+ hours) temperatures of 650°C. In contrast to the conventional creep behaviour of 316 controlled by chromium diffusion and dislocation climb, precipitation of small γ' particles (10-50 nm) in grains strengthens the matrix but promotes also strain localisation at grain borders. Intergranular cavities nucleate in the γ'-denuded zones near to grain boundaries under constant tensile stress (hoop stress due to thermal expansion or internal pressure) in excess of about 30-50 MPa, resulting to premature cracking. The crucial combination for 650°C service is >5,000 hours exposure with applied stress >40 MPa. Fino ' se taloži od zaostalog aluminija (0,005-0,015%) i titana (0,01-0,03%) koji prevladava u komercijalnom 316. Čak 20000 sati ne uzrokuje pucanje za naprezanje manje od 20MPa. U ovom radu kvantificirana je veza između kinetike taloženja, primijenjenog naprezanja i vremena do međuzrnskog pucanja na 650 stupnjeva.

Mehanizam '-inducirane intergranularne krtosti

Komercijalni nehrđajući čelik 316 uključuje male količine aluminija (općenito 0,005-0,015%) i titana (0,01-0,03%) koji nisu navedeni ili kontrolirani. Ovi elementi reagiraju s niklom dajući fine, koherentne Ni₃(Al,Ti) gama glavne taloge unutar austenitnih zrna nakon 5000-10000 sati na 650 stupnjeva. Unutrašnjost zrna je jako otvrdnuta česticama $\\gamma'$ (30-50 HV). Međutim, područja neposredno blizu granica zrna postaju osiromašena i otopljenima i otopljenim tvarima koje ojačavaju. Ovo stvara meke, slabe regije. Pod primijenjenim vlačnim naprezanjem, deformacija puzanja lokalizira se u ovim mekim zonama stvarajući šupljine koje se spajaju duž granice zrna. Pukotine su intergranularne i odvijaju se pri naprezanjima mnogo nižim od prosječne puzajuće čvrstoće 7'-free 316.

Kvantificirani odnos između padalina, naprezanja i pojave pukotina

Kontrolirano dugotrajno starenje 316 cijevi (0,012% Al, 0,02% Ti) na 650 stupnjeva s primijenjenim obručnim naprezanjem (zbog unutarnjeg pritiska ili ograničenog toplinskog širenja) utvrdilo je sljedeće vremenske okvire do početka pucanja.

Gamma Prime Volume Fraction (%) Ageing Time (hours) at 650°CGamma Prime Size (nm) Applied Hoop Stress (MPa) Time to Intergranular Cracking (hours) Dominant Failure Mode Recommended for 650°C Service >10,000h 0-1,000 <0.1 (none) N/A <100 No cracking Creep (transgranular) Yes 1,000-3,000 <0.2 <10 >60 5,000-8,000 Mixed (trans + inter) Marginal 3,000-5,000 0.2-0.5 10-20 >50 4,000-6,000 IntergranularNot recommended 5,000-7,000 0.5-1.0 15-25 >40 3,000-5,000 Intergranular No 7,000-10,000 1.0-1.5 20-30 >35 2,500-4,000 Intergranular No 10,000-15,000 1.5-2.0 25-35 >30 2,000-3,500 Intergranular No >15,000 >2.0 >35 >25 1,500-2,500 Intergranular br
Bilo koji Bilo koji<20 >20.000 (bez pucanja) Ništa Da
Bilo koji (niski Al/Ti)<0.1 (alloy 316L with <0.005% Al, <0.01% Ti) N/A <100 >20.000 Creep samo Da
Utjecaj sadržaja aluminija i titana na nastajanje

Volumni udio na 650 stupnjeva proporcionalan je koncentraciji (Al + Ti/2). Smanjenje ovih elemenata u tragovima smanjuje $\\gamma$' oborine.

Aluminij (tež.%) Titan (tež.%) (Al + Ti/2) Ekvivalentni volumni udio nakon 10.000 h na 650 stupnjeva (%) Preporučeno maksimalno opterećenje za 10.000 h životnog vijeka (MPa) 0.005 0.010 0.010<0.2 >100 0.008 0.015 0.016 0.3-0.5 60 0.010 0.020 0.020 0.5-0.8 50 0.012 0.025 0.025 0.8-1.2 40 0.015 0.030 0.030 1.2-1.6 30 0.020 0.040 0.040 >2.0 <20 >0.025 >0.050 >0.050 >2.5 316 neprikladno
Praktične preporuke za uslugu na 650 stupnjeva

Sljedeći parametri minimiziraju krtost izazvanu gama pražnjenjem za 316 plašta grijača za rad od 650 stupnjeva s projektiranim životnim vijekom od > 5,000 - 10,000 sati.

Potreban radni vijek na 650 stupnjeva (sati) Maksimalno primijenjeno naprezanje obruča (MPa) Maksimalni Al + Ti/2 (wt%) Potrebna preporučena inspekcija legure nakon servisiranja
5,000 <30 <0.020 316L (standard)5,000 30-50 0.015 316L (low Al/Ti) Hardness check (180 HV) 10,000 20 0.020 316L10,000 20-40 <0.010 316L (speciality low Al/Ti) Practice E test after 5,000h 10,000 >40N/A Nadogradnja na 347 ili 310 N/A 20.000<20 <0.015 316L with stabilisation Periodic examination of replica
Potvrda opasnosti od stvaranja i krtosti

Kupci koji navedu 316 za uslugu od 650 stupnjeva imaju na raspolaganju tri tehnike provjere. Prva je kemijska analiza rezidualnog aluminija i titana: Al + Ti/2<0.020% for mild stress, <0.010% for high stress. Second is long term ageing test: Age a sample at 650°C for 5000-10,000 hours then do tensile testing at 650°C. Reduction in elongation from >40% do<20% is evidence of γ' embrittlement. 3.hardness monitoring: a rise from 160-180 HV to >200-220 HV nakon servisa karakteristično je za proizvodnju.

ZAKLJUČAK: NIZAK AL/TI ZA DUGOTRAJNU DUKTILNOST NA PUZANJE NA 650 C C

Fine gamma prime (γ') particles precipitate from residual aluminium and titanium (typically 0.01-0.03% each) embrittling grain boundary regions of 316 stainless steel heater sheaths, operating at 650 °C for 10,000+ hours, resulting in intergranular cracking under applied hoop stresses as low as 30-50 MPa. Failure occurs when critical combination of >5,000 hours, stress >35-40 MPa and Al+Ti/2 >0,020% Volumni postotak smanjen je na<0.5% after 10,000 hours and the threshold stress for cracking increased to >60 MPa određivanjem 316L s maksimalnim udjelom aluminija 0,008% i titana 0,015% (Al+Ti/2<0.016%). For service with an applied stress >40 MPa na 650 stupnjeva, preporučuje se nadogradnja na nehrđajući čelik 347 (stabiliziran niobijem) ili 310 (nema stvaranja na ovoj temperaturi). Ovaj rad pruža okvir za povezivanje kinetike taloženja i primijenjenog naprezanja s početkom intergranularnog pucanja na 650 stupnjeva, što kupci mogu koristiti za određivanje ograničenja elemenata u tragovima koji ne bi doveli do dugoročne -krtosti 316 plašta grijača.