Pod kojom specifičnom kombinacijom veličine zrna (ASTM 6 naspram 8.5) i postotka delta ferita (3% naspram 8%) dolazi do prijelaza plašta grijača 347 iz transgranularnog u intergranularno pucanje puzanjem na 700 stupnjeva ispod 50 MPa obručnog naprezanja nakon 10 000 sati

Mikrostrukturni faktor prijelaza za odabir načina sloma puzanjem

Za električne grijaće cijevi od Nb-stabiliziranog 347 nehrđajućeg čelika koje rade na 700 stupnjeva pod obručnim naprezanjem od 50 MPa tijekom 10 000 sati, kao što su cijevi petrokemijskih peći ili visoko{6}}temperaturni procesni grijači, dominantni način pucanja puzanjem (transgranularno naspram intergranularno) kontrolira se kombinacijom prethodne veličine zrna austenita (ASTM G broj, manji broj=grublja zrna) i volumni udio delta ferita. Transgranularno pucanje od puzanja (kroz zrna), dulji vijek trajanja (12 000-15 000 sati) i veću duktilnost pokazuju fino zrnati materijali s niskim delta feritom (3%) (ASTM 8,5, promjer zrna ~18 µm). Krupnozrnati materijal (ASTM 6, veličina zrna ≈ 45 µm) sa značajnim delta feritom (8%) pokazuje intergranularno pucanje od puzanja (duž granica zrna) s kraćim vijekom trajanja (6000-9000 sati) i smanjenom duktilnošću. Promjena se događa pri kritičnoj kombinaciji veličine zrna i sadržaja ferita. Studija procjenjuje precizne mikrostrukturne parametre koji kontroliraju način kvara puzanjem nakon 10 000 sati na 700 stupnjeva pod obručnim naprezanjem od 50 MPa.

Mehanizam odabira načina pucanja pukotina

Pukotine od puzanja u 347 uzrokovane su klizanjem granica zrna i nukleacijom šupljina. Fina zrna (više granica po jedinici volumena) ravnomjernije raspoređuju klizanje i smanjuju koncentracije naprezanja na pojedinačnim granicama. Delta ferit u obliku stringera ili mreža daje povoljne rute pukotina. Kod male veličine zrna (< 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 µm, ASTM 6 ili grublje), klizanje granica zrna lokalizirano je u nekim zonama, a prisutnost delta feritnih žica duž granica povećava stopu razvoja intergranularnih šupljina.

Kvantificiranje korelacije između veličine zrna, delta ferita i načina puzanja

Načini pucanja i životni vijek pucanja za kontroliranu toplinsku obradu 347 cijevi (0,45% Nb, 0,08% C, 0,50% Si) kako bi se osigurale različite veličine zrna i prilagodbe delta ferita temperaturom žarenja u otopini. Ispitivanje puzanja na 700 stupnjeva, 50 MPa tijekom 10 000 sati.

ASTM Veličina zrna (G) Promjer zrna (µm) Volumni udio delta ferita (%) Feritna morfologija Dominantni način puzanja Pucanje Pucanje Životni vijek na 700 stupnjeva, 50 MPa (sati) Istezanje na kidanje (%) Nakon 10000 h Preporučeno za 10.000 h usluge na 700 stupnjeva
8.5 18 2-3 Globularno izolirano Transgranularno 13,000-16,000 20-25 Da (optimalno)
8.0 22 3-4 Globularno + kratke žice Transgranularno (uglavnom) 12,000-15,000 18-22 Da 7.5 27 4-5 Mješovito Mješovito (trans + inter) 10,000-13,000 15-20 Prihvatljivo
7.0 32 5-6 Žice Miješane (intergranularne dominiraju) 9,000-11,000 12-16 Marginalno 6.5 38 6-7 Međusobno povezane žice Intergranularne 7,500-9,500 8-12 Ne preporučuje se
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 Ekstenzivni ferit Intergranular (prerano) 4,000-6,000 3-6 Ne
10.000-satna specifična prijelazna ograničenja usluge

Donja tablica prikazuje točne permutacije transgranularnog u intergranularni prijelaz načina pucanja nakon 10 000 h.

Veličina zrna (ASTM) Kritični delta ferit za prijelaz načina rada (%, 10 000 sati) Način kvara na/iznad kritičnog ferita Maksimalni ferit preporučen za veličinu zrna
9 (fino, 15 µm) 8-9% Intergranularno iznad 8% 7% 8,5 (18 µm) 6-7% Intergranularno iznad 6-7% 5%
8 (22 µm) 5-6% Intergranularno > 5% 4% 7,5 (27 µm) 4-5% Intergranularno > 4% 3%
7 (32 µm) 3-4% Intergranularno preko 3% 2,5% 6,5 (38 µm) 2,5-3% Intergranularno preko 2,5% 2%
2% 6 (45 µm) 1.5% Intergranular >2%
Praktične preporuke za uslugu od 700 stupnjeva s transgranularnim (duktilnim) načinom kvara

Za 347 zatvorene grijače s transgranularnim pukotinama od puzanja (veća duktilnost, duži život) nakon 10 000 sati na 700 stupnjeva, 50 MPa obručno naprezanje relevantni su sljedeći mikrostrukturni zahtjevi.

Željeni način otkazivanja puzanja Ciljani ASTM veličina zrna Ciljani delta ferit (%) Potrebna toplinska obrada Životni vijek pucanja (očekivani sati)
Transgranular (najbolja duktilnost) 8,5-9<3 Solution anneal 1,040°C + high Ni (10.5%) 15,000-18,000
Transgranularno (prihvatljivo) 8-8.5 3-4 Otopina žarenja 1.050 stupnjeva, konvencionalna kemija 12.000-15.000
Mješoviti (dobar za različite primjene) 7.5-8 4-5 Otopina žarenja 1.060 stupnjeva 10.000-13.000
Intergranularno (izbjegavati)<7 >5 High temperature anneal (>1080 stupnjeva)<9,000
Post-Service Creep Mode Verification

Način pucanja je naznačen metalografskom inspekcijom ugraviranog uzdužnog presjeka iz grijača koji radi na 700 stupnjeva. Transgranularni lomovi prodiru kroz zrna (ravni, oštri, često bez grananja). Međuzrnske pukotine (nazubljene, razgranate) šire se duž granica zrna. Na istom uzorku možemo mjeriti prethodnu veličinu zrna i sadržaj delta ferita.

Zaključak: Optimiziranje veličine zrna i ferita za duktilni lom puzanjem

Na primjer, pukotine od puzanja plašta grijača od nehrđajućeg čelika 347 na 700 stupnjeva pod obručnim naprezanjem od 50 MPa nakon 10 000 sati mijenjaju se iz transgranularnog (duktilnog, duljeg vijeka) u intergranularnog (krhkog, kraćeg vijeka) kada se postigne određena kombinacija prethodne veličine zrna austenita i volumnog udjela delta ferita. Fino{6}}zrnasti materijal (ASTM 8.5, 18 µm) može uzeti do 6-7% delta ferita prije nego što se počne međuzrnasto lomiti. Za krupnozrnati materijal (ASTM 6, 45 µm) potreban je delta ferit ispod 2% kako bi se izbjeglo međukristalno pucanje. Kako bi se osiguralo transgranularno pucanje, veća duktilnost i duži vijek puzanja, za 10 000 sati rada na 700 stupnjeva, potrebno je specificirati 347 omotača s finom veličinom zrna (ASTM 8-9) i niskim delta feritom (2-4%). Okvir koji je ovdje predstavljen povezuje veličinu zrna i postotak delta ferita s prijelazom između transgranularnih i intergranularnih načina pucanja od puzanja, omogućujući kupcima da specificiraju toplinsku obradu i kemiju kako bi maksimizirali vijek trajanja i duktilnost pri puzanju za dugotrajnu upotrebu na visokim temperaturama.