Pri kateri specifični kombinaciji velikosti zrn (ASTM 6 v primerjavi z 8,5) in deleža delta ferita (3 % v primerjavi z 8 %) pride do prehoda plašča grelnika 347 iz transgranularnega v intergranularno razpokanje pri plazenju pri 700 stopinjah pod 50 MPa obročastim stresom po 10.000 urah

Mikrostrukturni prehodni faktor za izbiro načina porušitve zaradi lezenja

Za električne grelne cevi, oplaščene z Nb-stabiliziranim nerjavnim jeklom 347, ki delujejo pri 700 stopinjah pod obročno napetostjo 50 MPa 10.000 ur, na primer v ceveh petrokemičnih peči ali visoko{6}}temperaturnih procesnih grelnikih, je prevladujoč način razpok pri lezenju (transgranularno proti intergranularnemu) nadzorovan s kombinacijo predhodne velikosti zrn avstenita (število ASTM G, manjše število=grobejša zrna) in volumski delež delta ferita. Transgranularne razpoke pri lezenju (skozi zrna), daljša življenjska doba pretrganja (12.000-15.000 ur) in večja duktilnost so prikazani pri nizko delta feritu (3 %) drobnozrnatem materialu (ASTM 8.5, premer zrna ~18 µm). Grobozrnati material (ASTM 6, velikost zrn ≈ 45 µm) s precejšnjim deležem delta ferita (8 %) kaže medzrnate razpoke pri lezenju (vzdolž meja zrn) s krajšo življenjsko dobo pretrganja (6000–9000 ur) in zmanjšano duktilnostjo. Sprememba se zgodi pri kritični kombinaciji velikosti zrn in vsebnosti ferita. Študija ocenjuje natančne mikrostrukturne parametre, ki nadzorujejo način okvare pri lezenju po 10.000 urah pri 700 stopinjah pod obročno napetostjo 50 MPa.

Mehanizem izbire načina plazenja

Razpoke zaradi plazenja v 347 povzročajo zdrs meje zrn in nukleacija votline. Drobna zrna (več robov na enoto prostornine) enakomerneje porazdelijo drsenje in zmanjšajo koncentracije napetosti na posameznih mejah. Delta ferit v obliki vrvic ali mrež omogoča ugodne poti razpok. Pri majhnih zrnah (< 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 ali grobeje), je drsenje po mejah zrn lokalizirano v nekaterih območjih in prisotnost delta feritnih vrvic vzdolž meja poveča stopnjo razvoja medzrnskih votlin.

Kvantificiranje korelacije med velikostjo zrn, delta feritom in načinom lezenja

Načini razpok in življenjska doba pretrganja za nadzorovano toplotno obdelavo cevi 347 (0,45 % Nb, 0,08 % C, 0,50 % Si), da se zagotovijo različne velikosti zrn in prilagoditve delta ferita glede na temperaturo žarjenja v raztopini. Testiranje lezenja pri 700 stopinjah, 50 MPa za 10.000 ur.

Velikost zrn ASTM (G) Premer zrn (µm) Volumski delež delta ferita (%) Feritna morfologija Prevladujoč način pokanja pri plazenju Življenjska doba razpoke pri lezenju pri 700 stopinjah, 50 MPa (ur) Raztezek pretrganja (%) po 10000 urah Priporočeno za 10.000 ur delovanja pri 700 stopinjah
8.5 18 2-3 Globular izoliran Transgranular 13.000-16,000 20-25 Da (optimalno)
8.0 22 3-4 Globularno + kratke vrvice Transgranularno (večinoma) 12.000-15,000 18-22 Da 7.5 27 4-5 Mešano Mešano (trans + inter) 10.000-13,000 15-20 Sprejemljivo
7.0 32 5-6 Strune Mešane (medzrnske prevladujoče) 9.000-11,000 12-16 Obrobne 6.5 38 6-7 Medsebojno povezane strune. Intergranularne 7.500-9,500 8-12 Ni priporočljivo
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 Obsežen ferit Intergranular (prezgodnji) 4,000-6,000 3-6 Ne
Omejitve prehoda za 10.000 ur storitve

Spodnja tabela prikazuje natančne permutacije transgranularnega prehoda v intergranularni način razpokanja po 10.000 h.

Velikost zrna (ASTM) Kritični delta ferit za prehod med načini (%, 10.000 ur) Način okvare pri/nad Kritični ferit Največji ferit, priporočen za velikost zrn
9 (fino, 15 µm) 8-9 % Intergranularno nad 8 % 7 % 8,5 (18 µm) 6-7 % Intergranularno nad 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 več kot 3 % 2,5 % 6,5 (38 µm) 2,5-3 % Intergranularno več kot 2,5 % 2 %
2% 6 (45 µm) 1.5% Intergranular >2%
Praktična priporočila za 700-stopinjsko storitev s transgranularnim (duktilnim) načinom okvare

Za 347 zaprte grelnike s transgranularnim razpokanjem pri lezenju (večja duktilnost, daljša življenjska doba) po 10.000 urah pri 700 stopinjah, obročni napetosti 50 MPa so ustrezne naslednje mikrostrukturne zahteve.

Želeni način okvare pri lezenju Ciljna velikost zrn ASTM Ciljni delta ferit (%) Zahtevana toplotna obdelava Življenjska doba pretrganja (pričakovane ure)
Transgranular (najboljša duktilnost) 8,5-9<3 Solution anneal 1,040°C + high Ni (10.5%) 15,000-18,000
Transgranularno (sprejemljivo) 8-8.5 3-4 Žarjenje raztopine 1.050 stopinj, običajna kemija 12.000-15.000
Mešano (dobro za različne aplikacije) 7.5-8 4-5 Žarjenje raztopine 1.060 stopinj 10.000-13.000
Intergranular (izogibajte se)<7 >5 High temperature anneal (>1080 stopinj)<9,000
Po-preverjanje v načinu polzenja storitev

Način pokanja je označen z metalografskim pregledom jedkanega vzdolžnega odseka iz grelnika, ki deluje pri 700 stopinjah. Transgranularni prelomi prodirajo skozi zrna (ravni, ostri, pogosto brez razvejanja). Medzrnske razpoke (nazobčane, razvejane) se širijo vzdolž meja zrn. Na istem vzorcu lahko izmerimo prejšnjo velikost zrn in vsebnost delta ferita.

Zaključek: Optimizacija velikosti zrn in ferita za lom zaradi duktilnega lezenja

Na primer, razpoke zaradi plazenja grelnih plaščev iz nerjavečega jekla 347 pri 700 stopinjah pod obročastim tlakom 50 MPa se po 10.000 urah spremenijo iz transgranularnega (duktilen, daljša življenjska doba) v intergranularni (krhek, krajša življenjska doba), ko je dosežena določena kombinacija predhodne velikosti zrn avstenita in volumskega deleža delta ferita. Fino{6}}zrnati material (ASTM 8.5, 18 µm) lahko sprejme do 6-7 % delta ferita, preden se začne drobiti med zrnci. Pri grobozrnatem materialu (ASTM 6, 45 µm) je delta ferit pod 2 % potreben, da se prepreči medkristalno razpokanje. Za zagotovitev transgranularnega razpokanja, večje duktilnosti in daljše življenjske dobe pri lezenju je treba za 10.000 ur delovanja pri 700 stopinjah določiti 347 plaščev s fino zrnatostjo (ASTM 8-9) in nizkim delta feritom (2-4 %). Tukaj predstavljen okvir povezuje velikost zrn in odstotek delta ferita s prehodom med transgranularnimi in intergranularnimi načini razpokanja pri lezenju, kar kupcem omogoča, da določijo toplotno obdelavo in kemijo, da čim bolj povečajo življenjsko dobo in duktilnost pri lezenju pri pretrganju pri dolgotrajni uporabi pri visokih temperaturah.