Под којом специфичном комбинацијом преципитације гама почетне (') фазе и примењеног затезног напрезања плашт грејача 316 развија високо{1}}интергрануларне пукотине на 650 степени после 10.000 сати

Падавина{0}}Параметар интеракције напрезања за дуготрајно-облачење при пузању

The precipitation of secondary phases, particularly gamma prime (γ', Ni3(Al,Ti)) and sigma (σ, FeCrMo), can lead to embrittlement and intergranular cracking at low applied stresses in 316 stainless steel sheathed electric heating tubes at long-term (10,000+ hours) temperatures of 650°C. In contrast to the conventional creep behaviour of 316 controlled by chromium diffusion and dislocation climb, precipitation of small γ' particles (10-50 nm) in grains strengthens the matrix but promotes also strain localisation at grain borders. Intergranular cavities nucleate in the γ'-denuded zones near to grain boundaries under constant tensile stress (hoop stress due to thermal expansion or internal pressure) in excess of about 30-50 MPa, resulting to premature cracking. The crucial combination for 650°C service is >5,000 hours exposure with applied stress >40 МПа. Фини преципитати од резидуалног алуминијума (0,005-0,015%) и титанијума (0,01-0,03%) који преовлађују у комерцијалном 316. Чак и 20000 сати не изазива пуцање за напрезање мање од 20МПа. У овом раду је квантификована веза између кинетике таложења, примењеног напона и времена до међугрануларног пуцања на 650 степени.

Механизам '-индуковане међугрануларне кртости

Комерцијални нерђајући челик 316 укључује мале количине алуминијума (обично 0,005-0,015%) и титанијума (0,01-0,03%) који нису специфицирани или контролисани. Ови елементи реагују са никлом дајући фини, кохерентни Ни₃(Ал,Ти) гама праципитат унутар зрна аустенита након 5.000-10.000 сати на 650 степени. Унутрашњост зрна је снажно очврснута честицама $\\гамма'$ (30-50 ХВ). Међутим, региони који се налазе непосредно у близини граница зрна постају исцрпљени и за 'формере и за јачајуће растворе. Ово ствара меке, слабе регионе. Под примењеним затезним напрезањем, деформација пузања се локализује у овим меким зонама стварајући шупљине које се спајају дуж границе зрна. Пуцање је интергрануларно и одвија се при напонима много мањим од просечне чврстоће кидања пузања од 7'-фрее 316.

Квантификовани однос између падавина, напрезања и појаве пуцања

Контролисано дуготрајно старење 316 цеви (0,012% Ал, 0,02% Ти) на 650 степени са примењеним обручним напрезањем (од унутрашњег притиска или ограниченог топлотног ширења) је успоставило следеће временске оквире до почетка пуцања.

Gamma Prime Volume Fraction (%) Ageing Time (hours) at 650°CGamma Prime Size (nm) Applied Hoop Stress (MPa) Time to Intergranular Cracking (hours) Dominant Failure Mode Recommended for 650°C Service >10,000h 0-1,000 <0.1 (none) N/A <100 No cracking Creep (transgranular) Yes 1,000-3,000 <0.2 <10 >60 5,000-8,000 Mixed (trans + inter) Marginal 3,000-5,000 0.2-0.5 10-20 >50 4,000-6,000 IntergranularNot recommended 5,000-7,000 0.5-1.0 15-25 >40 3,000-5,000 Intergranular No 7,000-10,000 1.0-1.5 20-30 >35 2,500-4,000 Intergranular No 10,000-15,000 1.5-2.0 25-35 >30 2,000-3,500 Intergranular No >15,000 >2.0 >35 >25 1,500-2,500 Интергрануларни бр
Било Било Било Било<20 >20,000 (без пуцања) Нема Да
Било који (низак Ал/Ти)<0.1 (alloy 316L with <0.005% Al, <0.01% Ti) N/A <100 >Само 20,000 Црееп Да
Утицај садржаја алуминијума и титанијума на формирање

Запремински удео на 650 степени је пропорционалан концентрацији (Ал + Ти/2). Смањење ових елемената у траговима смањује количину падавина $\\гамма$.

Алуминијум (теж.%) Титан (теж.%) (Ал + Ти/2) Еквивалентна запреминска фракција после 10.000 х на 650 степени (%) Препоручени максимални напон за животни век од 10.000 х (МПа) 0.005 0.010 0.010<0.2 >100 0.008 0.015 0.016 0.3-0.5 60 0.010 0.020 0.020 0.5-0.8 50 0.012 0.025 0.025 0.8-1.2 40 0.015 0.030 0.030 1.2-1.6 30 0.020 0.040 0.040 >2.0 <20 >0.025 >0.050 >0.050 >2.5 316 неприкладно
Практичне препоруке за сервис на 650 степени

Следећи параметри минимизирају кртост изазвану гама применом за 316 омотача грејача за рад од 650 степени са пројектованим веком трајања од > 5,000 - 10,000 сати.

Потребан радни век на 650 степени (сати) Максимално примењено напрезање обруча (МПа) Максимално Ал + Ти/2 (теж.%) Потребан Препоручени преглед легуре након сервисирања
5,000 <30 <0.020 316L (standard)5,000 30-50 0.015 316L (low Al/Ti) Hardness check (180 HV) 10,000 20 0.020 316L10,000 20-40 <0.010 316L (speciality low Al/Ti) Practice E test after 5,000h 10,000 >40Н/А Надоградња на 347 или 310 Н/А 20.000<20 <0.015 316L with stabilisation Periodic examination of replica
Потврда о опасности од формирања и кртости

Купци који наведу 316 за услугу од 650 степени имају на располагању три технике верификације. Прва је хемијска анализа заосталог алуминијума и титанијума: Ал + Ти/2<0.020% for mild stress, <0.010% for high stress. Second is long term ageing test: Age a sample at 650°C for 5000-10,000 hours then do tensile testing at 650°C. Reduction in elongation from >40% до<20% is evidence of γ' embrittlement. 3.hardness monitoring: a rise from 160-180 HV to >200-220 ХВ након сервиса је карактеристика 'производње.

ЗАКЉУЧАК: НИСКА АЛ/ТИ ЗА ДУГОТРАЈНУ ПУЗАЈУЋУ ДУКТИЛНОСТ 650°Ц

Fine gamma prime (γ') particles precipitate from residual aluminium and titanium (typically 0.01-0.03% each) embrittling grain boundary regions of 316 stainless steel heater sheaths, operating at 650 °C for 10,000+ hours, resulting in intergranular cracking under applied hoop stresses as low as 30-50 MPa. Failure occurs when critical combination of >5,000 hours, stress >35-40 MPa and Al+Ti/2 >0,020% Проценат запремине је смањен на<0.5% after 10,000 hours and the threshold stress for cracking increased to >60 МПа специфицирајући 316Л са максималним алуминијумом 0,008% и титанијумом 0,015% (Ал+Ти/2<0.016%). For service with an applied stress >40 МПа на 650 степени, препоручује се надоградња на 347 (стабилизован ниобијумом) или 310 нерђајући челик (без формирања на овој температури). Овај рад пружа оквир за повезивање 'кинетике падавина и примењеног напрезања са почетком међугрануларног пуцања на 650 степени, што купци могу користити да одреде ограничења за елементе у траговима која не би довела до дуготрајног-кртости 316 омотача грејача.