Hvordan virker volumfraksjonen av Chi (χ)-fasenedbør ved 700 grader under langvarig-service av 316L varmekappe-slanger Kontrollromstemperatur, seighetsreduksjon

Den sprø intermetalliske fasen ble dannet ved 600-800 grader

Precipitation of the intermetallic Fe₃₆Cr₁₂Mo₁₀ phase, called chi (χ) phase, severely embrittles 316L stainless steel sheathed electric heating tubes in service for extended periods (thousands of hours) in the 600-800°C range, such as superheater supports, high-temperature furnace heaters, and petrochemical process heaters, as measured by room temperature impact toughness (Charpy V-notch testing). Chi phase has an even more negative influence on toughness. Unlike the well known sigma (σ) phase formation at higher temperature (650-900°C), chi phase precipitates more quickly at lower temperature (600-750°C). Molybdenum and chromium rich chi phase is found on the ferrite-austenite boundaries and on the grain boundaries. Even small volume fractions of chi phase (i.e. 0.5-1.0%) can lower the room temperature impact energy of 316L from >200 J (duktil) til<50 J (brittle), and at 2-3% chi phase the impact energy is below 20 J (severe embrittlement). This paper evaluates the link between chi phase volume fraction, precipitation kinetics at 700oC, and consequent room temperature toughness for 316L heater sheaths.

Mekanisme for sprøhet av Chi-fasen

χ-fasen har en kroppssentrert kubisk (BCC) struktur med en stor enhetscelle (a≈ 8,9 Å) og er rik på molybden (vanligvis 20-30 % Mo) og krom (25-35 % Cr). Det utfelles fortrinnsvis ved korngrenser, ferritt-austenitt-kontakter og ved inneslutninger. Fasen er hard og sprø og dens tilstedeværelse gir praktiske ruter for brudd langs korngrensene. I motsetning til sigma-fasen, er chi-fasen et sterkere sprøhetsmiddel da det dannes som små, tettliggende partikler som lager et kontinuerlig sprøtt nettverk ved lavere volumfraksjoner. Maksimum observeres ved 700 grader og 1000-5000 timers aldring avhengig av molybdeninnhold. Standard 316L (2,0-2,5 % Mo) er mottakelig; økt molybden (2,5-3,0 % Mo, nær 317L) øker hastigheten på chi-produksjonen.

Kvantitativt forhold mellom varme-behandlet volumfraksjon og slagfasthet ved 700 grader

Sprøhetsprogresjon bestemt av kontrollert aldring av 316L-slanger ved 700 grader (nese av chi-fase TTT-kurve) med forskjellige aldringstider etterfulgt av chi-fasekvantifisering (røntgenstrålediffraksjon, SEM) og Charpy V-notch-støttesting ved romtemperatur (20 grader).

Aldringstid ved 700 grader (h) Chi-fase volumfraksjon (%Chi partikkelstørrelse (nm) Nedbørsted Romtemperatur Slagenergi (J, Charpy V-hakk) Brudd Overflateutseende Anbefalt for bruk der seighet er nødvendig
0 (annealed) 0 N/A None >200 Ductile (100% shear)Yes 100 < 0.1 < 50Grain boundaries (sparse) 180-200 Mostly ductile Yes 250 0.1-0.3 50-100 Grain boundaries (scattered) 150-180Ductile, with some cleavage Yes 500 0.3-0.6 100-150 Grain boundaries (partial coverage) 100-150 Mixed (50% cleavage) Acceptable 750 0.6-1.0 150-200 Grain boundaries (near-continuous) 60-100Marginal Mostly cleavage 1,000 1.0-1.5 150-250 Continuous grain boundary network 30-60 Cleavage (brittle)Not recommended 1500 1.5-2.0 200-300Continuous + intragranular 15-30 Brittle (100% cleavage) No 2,000 2.0-2.5 250-350 Extensive, coalesced 10-20Very Brittle No 3,000 2.5-3.0 300-400 Widespread, coarse 5-15Very brittle No. 5,000 3.0-4.0 >400 Bred, overmoden 5-10 Ekstremt skjøre Nr
TTT-diagram for Chi-fase i 316L

TTT-diagrammet over chi-fasen i 316L (2,3 % Mo) indikerer at den raskeste nedbøren skjer ved 700 o C og nesen er ca. 1000-2000 timer.

Temperature ( o C) Time to 0.5 % Chi Phase (hours) Time to 1.5 % Chi Phase (hours) Maximum Recommended Service Time Before Embrittlement (Hours) 550 >10,000 >20,000 20,000 600 2,000-4,000 5,000-8,000 5,000 650 800-1,500 2,000-3,500 2,000 675 500-800 1,200-2,000 1,500 700 400-700 1,000-1,500 1,000 725 500-900 1,200-2,000 1,500 750 800-1,500 2,000-4,000 2,500 800 2,000-4,000 5,000-10,000 5,000
Påvirkning av molybdeninnhold på graden av chi-nedbør

Høyere molybden fremmer utfellingen av chi-fasen. Lavere molybden er bra for service ved 700 grader.

Molybdeninnhold (vekt%) Tid til 1,0 % Chi ved 700 grader (timer) Slagenergi etter 2000 timer ved 700 grader (J) Anbefalt maksimal temperatur i 10 000 timer Levetid 2,0 (minimum 316) 1500-2,{112}(typisk) 3,6 grader 1000-1,800 25-50 640 grad 2,5 (maks. 316L) 600-1,000 15-35 620 grad 2,8 (nærmer seg 317L) 300-600 10-25 600 grad 3,2 (317L) 150-300 5-15 580 grad Praktiske anbefalinger for 316L Heater Sheath Service ved 70L

To maintain adequate toughness (impact energy >50 J) for 316L varmekapper ved eller rundt 700 grader, gjelder følgende servicebegrensninger.

Desired service life at 700 °C (hours)Maximum Allowable Chi Phase (%) Recommended Maximum Service Temperature (°C) Alternative Alloy 500 0.5 700 316L acceptable 1,000 1.0 690 316L with lower Mo (2.0-2.2%) 2,000 1.5 670 347 or 316L with annual toughness check 5,000 2.0 650 (or less) 347 (no chi) or 310 10,000 >2.0 (ikke akseptabelt)<600 310 or Inconel 600
Enhver gjenstand for termisk sykling50 % tidsbesparelse Over Opprykk til neste klasse
KARAKTERISERING AV CHI-FASESPOR

Tre metoder måler chi-fasesprøhet for varmeovner som har blitt drevet ved 600-750 grader. Først hardhetstestingen. Hardheten øker fra 160-180 HV til 220-300 HV på grunn av chi-faseutviklingen. Den andre er feltmetallografi (replika). En polert og etset overflate sett ved 500-1000 kan vise chi-utfellinger ved korngrensene. Den tredje er en forenklet slagprøve. Hvis en del av varmeren kan fjernes, kan en liten Charpy-test vurdere seighetstap. Røntgendiffraksjon (XRD) eller SEM/EDS er den definitive måten å identifisere chi-fasen direkte på.

Konklusjon: Definer tjenestegrenser for å forhindre chi-forskjørhet

For 316L stainless steel heater sheaths running at 700°C, chi (χ) phase precipitation was observed after 400-1500 h, with a volume fraction of 1.0-1.5% after 1000-2000 h. The room temperature impact toughness at this level diminishes from >200 J til 30-60 J (sprø brudd). Ingeniører som spesifiserer 316L-hylser for service over 650 grader, bør bestemme den totale tiden som brukes i 600-750-gradersregionen og sammenligne den med begrensningene vist i TTT-diagrammet. For 1000 til 2000 timer ved 700 grader eller 5000 til 10000 timer ved 650 grader anbefales det å oppgradere til 347 (niobstabilisert, danner ikke chi) eller 310 rustfritt stål (helt austenittisk, høyere krom). Tilnærmingen som er foreslått her, relaterer volumprosenten for chi-fase til målbart tap av seighet ved romtemperatur, og lar kjøpere etablere temperatur-tidsbegrensninger som utelukker sprøhet av 316L varmekapper ved langvarig bruk ved høy temperatur.