Як відсоток зниження холодного витягування трубок оболонки нагрівача 316L контролює утворення мартенситу-, викликане деформацією, і його наступний вплив на магнітну проникність і стійкість до водневої крихкості

Фазове перетворення, викликане деформацією: двосічний меч

Найпоширенішим методом отримання точних розмірів зовнішнього діаметра та обробки поверхні для електричних нагрівальних труб із оболонкою з нержавіючої сталі 316L, виготовлених методом холодного волочіння, є зменшення у відсотках, яке безпосередньо контролює об’ємну частку мартенситу, викликаного деформацією (-мартенсит), який утворюється під час деформації. 316L має менший вміст вуглецю (<0.03%) than ordinary 316 making it more austenitically stable at room temperature and needing greater cold work levels to generate martensite. The martensite volume fraction that can be determined by magnetic permeability (μr) affects two important but conflicting service properties: magnetic permeability (important for applications that require non-magnetic sheaths such as MRI rooms or sensitive electronic equipment) and hydrogen embrittlement resistance (critical for cathodically protected systems or sour service). When the reduction percentage is below 20% the 316L stays practically entirely austenitic (μr <1.01, martensite <2%), giving excellent non-magnetic properties but with a lower yield strength. Martensite is formed gradually (μr =1.01-1.10, martensite 2-15%) with a 20-40% reduction, with an increase in yield strength but a decrease in resistance to hydrogen embrittlement. For reductions more than 40%, the martensite content is higher than 15-20% (μr >1.10), що викликає високий магнітний відгук і значну чутливість до водневої крихкості. У цьому документі оцінюється кореляція між зниженням холодного витягування, мартенситною часткою, магнітною проникністю та стійкістю до водневої крихкості для оболонок нагрівача 316L.

Механізм деформаційного утворення мартенситу в 316L

Аустеніт 316L є мета-стабільним щодо утворення мартенситу під час пластичної деформації. $\\gamma$ (FCC, парамагнітний) $\\to$ $\\epsilon$ (HCP, слабомагнітний) $\\to$ $\\alpha^\\prime$ (BCC, феромагнітний). Об’ємна частка альфа'-мартенситу відповідає закону Олсона-Коена: Valpha'=1 - exp(-betaxepsilon_plastic^n) (10) де epsilon_plastic — справжня пластична деформація ( epsilon_plastic=ln(1/(1-reduction)) betax — залежить від температури-, а n дорівнює приблизно 2 для 316L. Температура, при якій утворюється 50% мартенситу (Md30) для 316L, становить близько -30 градусів до -50 градусів, що означає, що при нормальній температурі утворення мартенситу обмежене 20-30% відновленням. Перетворення призводить до двофазної мікроструктури (аустеніт + мартенсит) або трифазний (містить ε) і має якості, проміжні між якостями повністю аустенітної та повністю мартенситної нержавіючої сталі.

Кількісні співвідношення між холодним відновленням, часткою мартенситу та властивостями при 25 градусах

Контрольоване холодне волочіння труб 316L (початковий зовнішній діаметр 12 мм, стінка 1,5 мм, повністю відпалена при 1050 градусах) використовується для демонстрації зв’язків між фракцією мартенситу (рентгенівська дифракція), магнітною проникністю (феритоскоп) і механічними параметрами.

Зменшення холодного витягування (%) Справжня деформація (ε=ln(1/(1-R))) '-Об’ємна частка мартенситу (%) Магнітна проникність (μr, 25 градусів ) Межа текучості (МПа, 0,2% зміщення) Подовження (%) Рекомендовано для немагнітних застосувань (<1.05 μr Recommended for Sour/Hydrogen Service
0 (відпалений) 0.00 0 1.00-1.01 205 50 Так Так 5 0.05 0 1.00-1.01 240 45 Так Так 10 0.11 0 1.01-1.02 280 40 Так Так 15 0.16 0-1 1.02-1.03 320 35 Так Так 20 0.22 1-2 1.03-1.05 360 30 Гранична допустима 25 0.29 2-4 1.05-1.07 400 25 Ні Гранична 30 0.36 4-7 1.07-1.10 440 20 Ні Ні (висока крихкість) 35 0.43 7-12 1.10-1.15 480 18 Ні Ні 40 0.51 12-18 1.15-1.25 520 15 Ні Ні 45 0.60 18-25 1.25-1.40 560 12 Ні Ні 50 0.69 25-35 1.40-1.70 600 10 Ні Ні
Вплив вмісту мартенситу на стійкість до водневої крихкості

The susceptibility to hydrogen embrittlement (HE) of 316L heater sheaths in cathodically protected systems or sour service (H2S-containing) rises with martensite content because the BCC structure of martensite shows substantially higher hydrogen diffusivity and solubility than FCC austenite. The HE thresholds are given in the table below. α'-martensite fraction (%)Hydrogen Diffusivity at 25 oC (cm2/s, relative to austenite =1) Time to HE Cracking in NACE TM0177 Solution A at 25 oC 75% yield (hours)Maximum Permissible Cold Reduction for Sour Service (Recommended) 0 1X >720 (пас)Будь-який (плавлений)
1-3 5-10× 500-720 (межа)<20% reduction
3-5 20-30× 200-500 (fail)Not permitted 5-10 50-80× 50-200 (fail)Not allowed >10 >100× <50 (severe) Not allowed
Магнітна проникність необхідна для не-магнітного застосування

Максимальна магнітна проникність (наприклад, μr<1.01 or <1.05) is specified for 316L sheaths for MRI rooms, or sensitive electronic equipment, or degaussing systems. Limits on cold decrease are as follows.

Застосування Максимальний дозволений μr Максимальне холодне відновлення (% ) Рекомендований шлях виробництва Відповідна фракція мартенситу
Кабінет МРТ (критичний) 1.01<10% 0% Fully annealed, + no cold work
Електронно-променева апаратура 1.02<15% 0-1%Light cold working + finish anneal
Загальні не-магнітні 1.05<22% <2% Cold drawn + tension reliefing
Commercial (no specification) >1.05 (будь-який) Будь-який Будь-який Будь-який Практичні специфікації для виробництва оболонок нагрівача 316L

Для покупців, які вибирають труби 316L для різних умов експлуатації, рекомендовані такі межі зниження холодного витягування:

Умови експлуатації Макс. зменшення холодного витягування (%) Необхідна остаточна термічна обробка Макс. μr Мін. опір HE
Не-магнітний (МРТ, електроніка) 10 Повний відпал після витяжки 1,02 Добре
Загальнопромисловий (без хлориду, без H2S) 30 Немає (як -накреслено прийнятно) 1,10 (будь-який) Не потрібно
Хлоридна служба (<500 ppm, <80°C) 20 Stress relief 400°C, 1h 1.05 OK
Sour service (H2S >10 ppm) 15 Відпал у повному розчині 1,03 Необхідно (пройти NACE)
Катодний захист (морський) 15 Зняття напруги 450 градусів, 2 години 1,03 Прийнятно
High strength (pressure vessels) 40 None >1.15 Poor (not for H2S)
Перевірка вмісту та властивостей мартенситу

Buyers who require specified restrictions have three verification options available. The first is a non-destructive measurement with a ferritescope, which gives μr values with a precision of ±0.005-0.01. The second is X-ray diffraction (XRD) coupled with Rietveld refinement for accurate measurement of α'. The final test is a simple magnetic attraction test: if a permanent magnet clings strongly to the sheath, then μr >1.10 (не підходить для не-магнітних застосувань). Для стійкості до високих температур вимогою до схвалення є відсутність тріщин у випробуванні NACE TM0177 (720 годин, 25 градусів, розчин A з H₂S).

Висновки: Встановлення лімітів холодного зниження для 316L на основі вимог до обслуговування

Для труби-оболонки нагрівача з нержавіючої сталі 316L зниження % холодного витягування є прямим керуючим фактором у-індукованого деформацією мартенситу, який визначає магнітну проникність і стійкість до водневої крихкості. Для не-магнітних застосувань (μr<1.01-1.05) cold reduction must be minimised to <10-15% with a final anneal. For HE resistant sour or cathodically protected service, cold decrease must be limited to < 15-20% with stress relief or full anneal. For general industrial service where neither attribute is critical reductions of 30-40% are tolerable. Engineers designing 316L sheaths have to define maximum magnetic permeability or minimum HE resistance criteria dependent on the environment of operation. The framework presented here correlates the cold reduction percentage to the martensite volume fraction and its two critical consequences-magnetic response and hydrogen embrittlement susceptibility, and enables buyers to choose the best drawing reduction and post-drawing heat treatment for their particular application.