Hvordan styrer den tidligere austenitkornstørrelse i 316 rustfrit stål varmekapperør krybning kavitation nukleationshastighed ved 550 grader

Korngrænsetæthed som en faktor for krybeliv

For 316 beklædte elektriske varmerør i rustfrit stål, der arbejder ved forhøjede temperaturer (550 grader, typisk for højtemperaturluft- eller gasopvarmningsapplikationer), er den tidligere austenitkornstørrelse udtrykt som et ASTM-kornstørrelsestal (G) en primær mikrostrukturel variabel, der kontrollerer krybekavitationskernedannelseshastigheden. Fint-kornet materiale (ASTM G=8-10, korndiameter 15-25 µm) har et større areal af korngrænser pr. volumen end grovkornet materiale (ASTM G=3-5, korndiameter 50-80 µm). Selvom fine korn viser stærkere udbyttestyrke ved normal temperatur, viser de hurtigere kernedannelse af krybekavitation ved stigende temperaturer, fordi korngrænser er de foretrukne steder for hulrumsdannelse. Grovkornet 316 (ASTM G=4-5) har en krybelevetid 3-5 gange længere ved 550 grader end finkornet materiale ved tilsvarende belastning og temperatur.
Omformuler sætning

Vend tilbage til den oprindelige sætning

Kopier sætning

Ingen forslag

Denne undersøgelse vurderer forholdet mellem ASTM-kornstørrelsesnummer, kavitationskernedannelseshastighed og krybningsbrudlevetid for 316 skeder og foreslår en specifikationsramme for brug ved høje-temperaturer.

Revneinitiering via korngrænsekavitation under krybning

Hovedmekanismen for krybedeformation af 316 rustfrit stål ved 550 grader er korngrænseglidning. Glidning af tilstødende korn forbi hinanden forårsager spændingskoncentrationer ved de tredobbelte punkter og i anden fase partikler (carbider, indeslutninger) på grund af geometriske uforeneligheder, som danner hulrum. Nukleationshastigheden er omvendt proportional med kornstørrelsen; jo mindre kornstørrelse, jo større er antallet af korngrænseforbindelser pr. volumenenhed og dermed større antal mulige nukleationssteder. Når de først er kerneformet, udvides hulrummene ved tomrumsdiffusion langs korngrænserne (Coble-krybning) og ved kraft-lovkrybning af den omgivende matrix. Den samlede krybelevetid er summen af ​​tiden til at kernedannelse af en kritisk population af hulrum (normalt 5-10 ​​% arealfraktion af kaviteret grænse) og tiden for disse hulrum til at smelte sammen til en revne. Mere grænsetæthed indebærer også flere nukleationssteder, så den kritiske hulrumsprocent kan opnås tidligere for finkornede materialer på trods af den langsommere væksthastighed pr. hulrum på grund af kortere diffusionslængder.

Kvantitativ korrelation mellem ASTM kornstørrelse og krybeliv ved 550 grader

Krybebrudstest af 316-rør med kontrollerede kornstørrelser (ved at justere opløsningens udglødningstid og temperatur) ved 550 grader og en påført spænding på 100 MPa (typisk for bøjlespændingen fra termisk ekspansionsbegrænsning) har etableret følgende sammenhænge.

ASTM Kornstørrelse Antal (G) Korndiameter (µm) Korngrænseareal pr. mm3 (mm2/mm3) Tid til 1 % kaviteret grænseareal (timer, 550 grader , 100 MPa) Krybebrudlevetid (h, 550 grader , 100 MPa)Relativ krybelevetid for 50 graders baseGline {80} 10 (meget fin) 10-15 150-200 100-200 500-1,000 0.3× Nej 8-9 (fin) 15-25 100-150 200-400 1,000-2,000 0.5× Anbefales ikke 7-8 (mellemfin) 25-35 70-100 300-600 1,500-3,000 0.8× Marginal 6-7 (medium) 35-45 50-70 500-1,000 2,500-4,500 1.0-1.2× Acceptabelt for intermitterende
5-6 (medium-grov) 45-55 40-50 800-1,500 4,000-6,500 1.5-2.0× Anbefalet
4-5 (groft) 55-70 30-40 1,200-2,500 6,000-10,000 2.5-3.5× Ideel til løbende service
3-4 (grov) 70-85 25-30 1,500-3,500 7,000-12,000 3.0-4.0× Acceptabel men lavere duktilitet
Indflydelse af kornstørrelse og karbidfordeling

Krybekavitationsmodstanden for grovkornet 316 er kritisk afhængig af tilstedeværelsen af ​​både intragranulære og korngrænsecarbider. Afkølingshastigheden under opløsningsudglødning, der skaber fine, intragranulære carbider (M 23 C 6 , MC), giver udfældningsforstærkning af kornets indre, hvilket minimerer matrixkrybning. Langsomme afkølingshastigheder resulterer i grove, kontinuerlige korngrænsecarbider, som formindsker krybelivet på grund af deres gunstige hulrumskernedannelsesplaceringer. Den ideelle mikrostruktur til krybning ved 550 grader er grove korn (ASTM G=4-6) med en fin spredning af intragranulære carbider og diskontinuerlige korngrænsecarbider. Mikrostruktur: Opløsningen udglødet ved 1040-1060 C, moderat afkølet (tvungen luft, ikke kølevand), derefter stabiliseringsudglødet ved 850-900 C i 2-4 timer. Stabiliseringsudglødningen udfælder karbider på en kontrolleret måde uden sensibilisering (for 316L eller stabiliserede kvaliteter).

Kornstørrelsesspecifikation til brug i højtemperaturvarmerservice

Baseret på estimeret levetid foreslås følgende kornstørrelsesstandard for 316 kappevarmere til kontinuerlig drift ved 550 grader kappetemperatur (indvendig vægtemperatur).

Ønsket levetid ved 550 C (timer) Minimum ASTM-kornstørrelse (lavere tal=grovere) (ASTM) maksimal kornstørrelse (højere tal=mindre) Anbefalet 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 krybeskadefeltvalidering 10.000-20,000 4 (minimum grovhed) 5 Højtemperaturudglødning (1100 grader) + langsom afkøling

Varmeapparater til høje temperaturer. Kornstørrelsen kan bestemmes ved metallografisk analyse af et tværsnit efter ætsning med glyceregi (15 mL HCl, 10 mL glycerol, 5 mL HNO3). ASTM-kornstørrelsestallet opnås ved sammenligning med standarddiagrammer i henhold til ASTM E112 . Krybekavitationsskader (små sorte pletter (hulrum) på korngrænser ved forstørrelse på 500-1000x) opstår normalt, når 50-60 % af krybelivet er opbrugt. For en grovkornet (G=5) varmelegeme observeres hulrum ved ~4.000-6.000 timer med en levetid på 8.000 timer. For finkornet materiale (G=8) er hulrum synlige omkring 200-400 timer, hvilket giver væsentligt mindre varsel før brud. Periodisk prøveudtagning (én varmelegeme pr. batch pr. år) til metallografisk evaluering af kavitationsfraktion giver forudsigelige vedligeholdelsesdata for nøglevarmere.

Med tanke på kornstørrelse for svejste og bøjede komponenter

Kravene til kornstørrelse skal evalueres med hensyn til endekappesvejsning og bøjning. Svejsning genererer en varmepåvirket zone med fine korn (ASTM G=9-11) langs svejsesmeltelinjen. Ved høj temperatur kan denne finkornede-zone være et sårbart område for krybekavitation. I tilfælde af varmelegemer, der kører over 500 grader, kan svejsezonen fortrinsvis svigtes, selv når basismetallets kornstørrelse er grov. En afbødning er at lave en efter-udglødning af svejseopløsningen, som gør HAZ-kornene grovere. Dette er muligvis ikke praktisk muligt. Alternativet er at bruge en mere krybebestandig legering såsom 310 rustfrit stål eller Inconel 600 til hele varmeren, hvilket vil fjerne den kornstørrelsesafhængige variation i krybelevetiden.

Konklusion: Specifikation af grove korn til høj temperatur krybestyrke

For 316 rustfrit stål indkapslede varmelegemer ved 550 grader er det foregående austenitkornstørrelsesnummer den styrende faktor for krybekavitationskernedannelseshastigheden og dermed den samlede krybebrudlevetid. Kavitationskernedannelse er 3-5 gange hurtigere i finkornet materiale (ASTM G=8-10) end i grovkornet materiale (ASTM G=4-5) med krybelevetid reduceret fra 10.000 timer til 2.000 timer ved samme spænding og temperatur. Ingeniører skal specificere et G=5 eller G=6, verificeret ved metallografi ASTM E112, for maksimalt ASTM kornstørrelsesnummer (grovere korn) for 316 hylstre til kontinuerlig brug ved høj temperatur. Den beskrevne metode relaterer kornstørrelse til kvantificerbare kavitationshastigheder og brudlevetider, hvilket gør det muligt for købere at vælge 316 kapperør med den bedste modstand mod krybefejl i højtemperaturapplikationer.