Hvordan kontrollerer den tidligere austenittkornstørrelsen i 316 rustfritt stål varmekapperør for krypning av kavitasjon nukleasjonshastighet ved 550 grader

Korngrensetetthet som en faktor for krypliv

For 316 rustfrie stålbeklædte elektriske varmerør som opererer ved forhøyede temperaturer (550 grader, typisk for høytemperaturluft- eller gassoppvarmingsapplikasjoner), er den tidligere austenittkornstørrelsen uttrykt som et ASTM-kornstørrelsestall (G) en primær mikrostrukturell variabel som kontrollerer krypkavitasjonens kjernedannelseshastighet. Fint-materiale (ASTM G=8-10, korndiameter 15-25 µm) har et større areal med korngrenser per volum enn grovkornet materiale (ASTM G=3-5, korndiameter 50-80 µm). Selv om fine korn viser sterkere flytestyrke ved normal temperatur, viser de raskere kjernedannelse av krypkavitasjon ved stigende temperaturer fordi korngrenser er de foretrukne stedene for hulromsdannelse. Grovkornet 316 (ASTM G=4-5) har en krypelevetid som er 3-5 ganger lengre ved 550 grader enn finkornet materiale ved tilsvarende belastning og temperatur.
Omformuler setningen

Gå tilbake til den opprinnelige setningen

Kopier setning

Ingen forslag

Denne studien vurderer forholdet mellom ASTM-kornstørrelse, kavitasjonskjernedannelseshastighet og krypbruddlevetid for 316 slirer, og foreslår et spesifikasjonsrammeverk for bruk ved høye-temperaturer.

Sprekkeinitiering via korngrensekavitasjon under krypning

Hovedmekanismen for krypdeformasjon av 316 rustfritt stål ved 550 grader er korngrenseglidning. Gliding av tilstøtende korn forbi hverandre forårsaker spenningskonsentrasjoner ved trippelpunktene og i andre fasepartikler (karbider, inneslutninger) på grunn av geometriske inkompatibiliteter, som danner tomrom. Kjernedannelseshastigheten er omvendt proporsjonal med kornstørrelsen; jo mindre kornstørrelse desto større antall korngrenseforbindelser per volumenhet og dermed større antall mulige kjernedannelsessteder. Når tomrom først er dannet, utvides tomrommene ved spredning av tomrom langs korngrensene (Coble creep) og ved kraft-lovkryping av den omkringliggende matrisen. Den totale krypelevetiden er summen av tiden det tar å atomere en kritisk populasjon av hulrom (vanligvis 5-10 ​​% arealfraksjon av kavitert grense) og tiden for disse hulrommene å smelte sammen til en sprekk. Mer grensetetthet innebærer også flere nukleasjonssteder, slik at den kritiske hulromsprosenten kan oppnås tidligere for finkornede materialer til tross for den langsommere veksthastigheten per hulrom på grunn av kortere diffusjonslengder.

Kvantitativ korrelasjon mellom ASTM kornstørrelse og krypliv ved 550 grader

Krypbruddtesting av 316-rør med kontrollerte kornstørrelser (ved å justere oppløsningens glødetid og temperatur) ved 550 grader og en påført spenning på 100 MPa (typisk for bøylespenningen fra termisk ekspansjonsbegrensning) har etablert følgende sammenhenger.

ASTM Kornstørrelse Antall (G) Korndiameter (µm) Korngrenseareal pr. mm3 (mm2/mm3) Tid til 1 % kavitert grenseområde (timer, 550 grader , 100 MPa) Krypbruddlevetid (h, 550 grader , 100 MPa)Relativ krypelevetid for {50} grunnlevetid for {50} 10 (veldig fin) 10-15 150-200 100-200 500-1,000 0.3× Nei 8-9 (fin) 15-25 100-150 200-400 1,000-2,000 0.5× Anbefales ikke 7-8 (middels-fin) 25-35 70-100 300-600 1,500-3,000 0.8× Marginal 6-7 (middels) 35-45 50-70 500-1,000 2,500-4,500 1.0-1.2× Akseptabelt for intermitterende
5-6 (middels-grov) 45-55 40-50 800-1,500 4,000-6,500 1.5-2.0× Anbefalt
4-5 (grov) 55-70 30-40 1,200-2,500 6,000-10,000 2.5-3.5× Ideell for pågående service
3-4 (grov) 70-85 25-30 1,500-3,500 7,000-12,000 3.0-4.0× Akseptabel, men lavere duktilitet
Påvirkning av kornstørrelse og karbidfordeling

Krypkavitasjonsmotstanden til grovkornet 316 er kritisk avhengig av tilstedeværelsen av både intragranulære og korngrensekarbider. Avkjølingshastigheten under oppløsningsgløding som skaper fine, intragranulære karbider (M 23 C 6 , MC) gir nedbørsforsterkning av kornets indre, og minimerer matrisekryping. Langsomme avkjølingshastigheter resulterer i grove, kontinuerlige korngrensekarbider, som reduserer krypelivet på grunn av deres gunstige hulroms-kjernedannelsesplasseringer. Den ideelle mikrostrukturen for kryptjeneste ved 550 grader er grove korn (ASTM G=4-6) med en fin dispersjon av intragranulære karbider og diskontinuerlige korngrensekarbider. Mikrostruktur: Løsning glødet ved 1040-1060 C, moderat avkjølt (tvungen luft, ikke vannkjøling), deretter stabilisering glødet ved 850-900 C i 2-4 timer. Stabiliseringsglødingen feller ut karbider på en kontrollert måte uten sensibilisering (for 316L eller stabiliserte kvaliteter).

Kornstørrelsesspesifikasjon for bruk i høytemperaturvarmerservice

Basert på estimert levetid foreslås følgende kornstørrelsesstandard for 316 mantelvarmere for kontinuerlig drift ved 550 grader manteltemperatur (innerveggstemperatur).

Ønsket levetid ved 550 C (timer) Minimum ASTM kornstørrelse (lavere tall=grovere) (ASTM) maksimal kornstørrelse (høyere tall=mindre) Anbefalt varmebehandling<2,000 (intermittent duty) 3 6 Standard solution anneal + quench 2,000-5,000 4 6 Controlled anneal + forced air cool 5,000-10,000 5 (max, indicating coarser than G=5 is permitted) 5 Extended anneal + stabilisation
Kornstørrelse og krypskadefeltvalidering 10 000-20,000 4 (minimum grovhet) 5 Høytemperaturgløding (1100 grader) + sakte kjøling

Varmeovner med høy temperatur. Kornstørrelsen kan bestemmes ved metallografisk analyse av et tverrsnitt, etter etsing med glyceregia (15 mL HCl, 10 mL glycerol, 5 mL HNO3). ASTM-kornstørrelsestallet er oppnådd ved sammenligning med standarddiagrammer i henhold til ASTM E112 . Krypkavitasjonsskader (små svarte flekker (hulrom) på korngrenser ved forstørrelse på 500-1000x) oppstår vanligvis når 50-60 % av krypelivet er oppbrukt. For en grovkornet (G=5) varmeovn observeres hulrom ved ~4000-6000 timer med en levetid på 8000 timer. For finkornet materiale (G=8) er hulrom synlige rundt 200–400 timer, noe som gir betydelig mindre varsel før brudd. Periodisk prøvetaking (én varmeapparat per batch per år) for metallografisk evaluering av kavitasjonsfraksjon gir prediktive vedlikeholdsdata for nøkkelvarmere.

Med tanke på kornstørrelse for sveisede og bøyde komponenter

Kravene til kornstørrelse skal evalueres med hensyn til endekappesveising og bøying. Sveising genererer en varmepåvirket sone med fine korn (ASTM G=9-11) langs sveisens smeltelinje. Ved høy temperatur kan denne finkornede-sonen være et sårbart område for krypkavitasjon. I tilfellet med varmeovner som kjører over 500 grader, kan sveisesonen fortrinnsvis svikte selv når kornstørrelsen av uedelt metall er grov. En lettelse er å gjøre en etter-sveiseløsningsgløding, som gjør HAZ-kornene grovere. Dette er kanskje ikke gjennomførbart. Alternativet er å bruke en mer krypbestandig legering som 310 rustfritt stål eller Inconel 600 for hele varmeren som vil fjerne den kornstørrelsesavhengige variasjonen i krypelevetiden.

Konklusjon: Spesifikasjon av grove korn for høy temperatur krypestyrke

For 316 rustfritt stål innkapslede varmeovner ved 550 grader, er det foregående austenittkornstørrelsen den kontrollerende faktoren for krypkavitasjonskjernedannelseshastigheten og dermed den totale krypbruddlevetiden. Kavitasjonskjernedannelse er 3-5 ganger raskere i finkornet materiale (ASTM G=8-10) enn i grovkornet materiale (ASTM G=4-5) med krypelevetid redusert fra 10 000 timer til 2000 timer ved samme spenning og temperatur. Ingeniører skal spesifisere en G=5 eller G=6, verifisert av metallografi ASTM E112, for maksimalt antall ASTM kornstørrelse (grovere korn) for 316 kapper for kontinuerlig bruk ved høy temperatur. Metoden som beskrives relaterer kornstørrelse til kvantifiserbare kavitasjonshastigheter og bruddlevetid, noe som gjør det mulig for kjøpere å velge 316-hylsterør med den beste motstanden mot krypesvikt i høytemperaturapplikasjoner.