Як відсоток попередньої холодної роботи з креслення труби оболонки нагрівача 316L контролює швидкість рекристалізації та зростання зерна під час експлуатації при 600 градусах

Параметр мікроструктурної еволюції для високої температури. Збереження міцності

Відсоток попередньої холодної обробки від витяжки труби визначає швидкість рекристалізації та подальшого розвитку зерна, що відбувається під час високо-температурного впливу для електричних нагрівальних трубок з нержавіючої сталі 316L, що працюють при 600 градусах, що є найвищою межею служби для безперервного використання для цього сплаву. Як-витягнута труба накопичила енергію від пластичної деформації (щільність дислокацій відповідає % холодної обробки). Ця накопичена енергія викликає рекристалізацію при 600 градусах: утворення нових зерен без деформацій, які замінюють деформовану мікроструктуру. Термін початку рекристалізації різко скорочується зі збільшенням холодної обробки: при 10% холодної обробки він становить 1000-2000 годин; при 20% холодної роботи 200-500 годин; при 30% холодної роботи 50-150 год. Перекристалізація призводить до утворення зерна. Це огрубляє мікроструктуру та знижує міцність на повзучість. 10,000 годин роботи при температурі 600 градусів, оптимальний діапазон холодної обробки становить 10-15% (баланс: затримка рекристалізації достатня, щоб витримати 10 000 годин, але не так швидко, щоб утворити грубі зерна). У цьому документі оцінюється зв’язок між попередньою холодною обробкою, кінетикою рекристалізації, розвитком зерен і терміном повзучості при 600 градусах.

Механізм рекристалізації та зростання зерен у 316L холодної обробки

Перекристалізація є термічно стимульованим процесом. Нові зерна зароджуються в місцях з високою щільністю дислокацій (межі зерен, смуги деформації, включення) і розвиваються в спотворену матрицю. Рушійна сила пропорційна збереженій енергії холодної роботи, яка пропорційна квадрату напруги течії (приблизно лінійно з відсотком холодної роботи до 30-40%). Холодна робота призводить до експоненціального збільшення швидкості зародження. Після завершення рекристалізації відбувається розширення зерен за рахунок міграції кордону, спричиненої зменшенням площі кордону зерна. Великі зерна ростуть за рахунок дрібних (дозрівання Оствальда). Дрібний постійний розмір зерна (ASTM 6-8) забезпечує найкращий опір повзучості при 600 °C. Показано, що дуже дрібнозернисте (ASTM 10+) і крупнозернисте (ASTM 3-5) зерна скорочують термін повзучості через ковзання по межі зерен відповідно.

Зв'язок між холодною роботою, часом рекристалізації та розміром зерна при 600 градусах.

Контрольоване ізотермічне старіння при 600 градусах із періодичним металографічним дослідженням було використано для визначення швидкості рекристалізації та розвитку зерен у холоднотягнутих трубах 316L:

Previous Cold Work (%) Time to Recrystallise 50% at 600°C (hours) Recrystallised Grain Size After Completion (ASTM, µm) Time to Grain Growth to ASTM 5 (>70 µm, hours) Creep Rupture Life at 80 MPa, 600°C (hours) Recommended for 10,000 hour Service at 600°C 0 (annealed) N/A (no cold work) 8-9 (20-30 µm) initial >20 000 (стабільний) 2 500-3 500 Так (якщо вже нормально)
5 5,000-10,000 8-9 (20-30 мкм) 15,000-20,000 3,000-4,000 Так
10 1,500-3,000 7-8 (25-35 мкм) 8000-12,000 3,500-5000 Так (найкраще)
12 1,000-2,000 7-8 (25-35 мкм) 6000-9,000 3,500-5000 Так
15 500-1,000 6-7 (35-50 мкм) 4000-7,000 3,000-4500 Прийнятно
20 200-500 5-6 (50-70 мкм) 2000-4,000 2,000-3500 Граничний 25 100-200 4-5 (70-90 мкм) 1000-2,000 1,500-2500 Не рекомендовано 30 50-150 3-4 (90-120 мкм) 500-1,500 1,000-2000 Не рекомендовано 35 30-80 3 (100-130 мкм) 300-800 800-1,500 Ні 40 20-50 2-3 (120-150 мкм) 200-500 600-1,000 Ні
Вплив початкового розміру зерна на кінетику рекристалізації

Швидкість рекристалізації залежить від початкового розміру зерен до холодного витягування. Отже, що дрібніша речовина, то швидше вона ре-кристалізується. Є більше місць зародження.

Початковий розмір зерна ASTM перед нанесенням Відносна швидкість рекристалізації (10% CW) За тієї самої холодної роботи 10 000 годин холодної роботи Рекомендований термін служби 10 (надзвичайно дрібна, 10 мкм) 1,5× (швидше) 8% 8 (тонка, 20 мкм) 1,0× (базова лінія) 10%
6 (середній, 45 мкм) 0,7× (повільніше) 12%
4 (грубий, 80 мкм) 0,4× (набагато повільніше) 15% Практичні рекомендації щодо виробництва труб нагрівача 316L

Для оболонок 316L для роботи при температурі 600 градусів із розрахунковим терміном служби 10 000 годин пропонуються наступні параметри холодної обробки та-термічної обробки перед експлуатацією.

Бажаний термін служби (годин) 600 градусів Рекомендована холодна робота до обслуговування (%) Розмір зерна після попередньої-термічної обробки після експлуатації Після 10 000 годин при 600 градусах (ASTM) Очікуваний термін служби при розриві повзучості (годин) 5,000 15-20 Немає (як намальовано) 5-6 (50-70 мкм) 3000-4,500 10,000 10-12 Немає (як намальовано) 6-7 (35-50 мкм) 3500-5,000 10,000 0-5 Повний відпал + дрібне зерно 7-8 (25-35 мкм) 3000-4,500 20,000 10 Стабілізаційний відпал (850 градусів, 2 години) 7 (30-40 мкм) 5000-7,000 20,000 + стійкість до корозії 0 Повний відпал розчину + стабілізація 7-8 4,000-6000
Державна перевірка рекристалізації

Для покупців пропонуються дві процедури перевірки, які вимагають певної мікроструктурної стабільності. По-перше, це перевірка твердості. Твердість витягнутої 316L становить 180-320 HV залежно від холодної обробки. Перекристалізація призводить до зниження твердості до 140-160 HV (повністю м'який). Якщо твердість після 1000 годин при 600 градусах вище 200 HV, рекристалізація ще не відбулася. Другий — металографічне обстеження після травлення (гліцерегія або електролітична щавлева кислота). Утворення структур «намиста» (рядів дрібних нових зерен уздовж колишніх меж зерен) означає початок рекристалізації.

Висновок Покращення холодної роботи для терміну служби 600 градусів

На кінетику рекристалізації та подальший розвиток зерна оболонок нагрівача з нержавіючої сталі 316L при 600 градусах впливає % попередньої холодної обробки. Перекристалізація відбувається після холодної обробки 10-12% і 1500-3000 годин, що призводить до дрібної (ASTM 7-8) рекристалізованої зернистої структури, яка зберігає хорошу міцність на повзучість протягом 10000+ годин. Більш високий рівень холодної обробки (20-30%) призводить до швидкої рекристалізації (200-500 годин) і грубого зерна (ASTM 4-5), що знижує термін повзучості на 40-60%. Мікроструктура вже рекристалізована і стабільна при холодній обробці менше 5% (відпал), але відсутність робочого зміцнення знижує міцність після формування. Для 10 000 годин роботи при 600 градусах інженери, що вибирають оболонки 316L, можуть розраховувати на 10-15% холодної роботи від витягування труби. Після витягування використовується стабілізаційна термічна обробка (850 градусів, 2 години) для оптимізації мікроструктури для довгострокової стабільності розміру зерна для служби понад 10 000 годин. Запропонована тут структура дозволяє покупцям визначати скорочення витяжки, які максимізують термін повзучості за допомогою контрольованої мікроструктурної еволюції шляхом співвіднесення % холодної обробки з кінетикою рекристалізації та розвитком зерен при 600 градусах.