Як змінюється об’ємна частка фази Chi (χ) при 700 градусах протягом тривалого-терміну експлуатації трубок оболонки нагрівача 316L Зниження ударної в’язкості в кімнаті керування

Крихка інтерметалічна фаза утворюється при 600-800 градусах

Precipitation of the intermetallic Fe₃₆Cr₁₂Mo₁₀ phase, called chi (χ) phase, severely embrittles 316L stainless steel sheathed electric heating tubes in service for extended periods (thousands of hours) in the 600-800°C range, such as superheater supports, high-temperature furnace heaters, and petrochemical process heaters, as measured by room temperature impact toughness (Charpy V-notch testing). Chi phase has an even more negative influence on toughness. Unlike the well known sigma (σ) phase formation at higher temperature (650-900°C), chi phase precipitates more quickly at lower temperature (600-750°C). Molybdenum and chromium rich chi phase is found on the ferrite-austenite boundaries and on the grain boundaries. Even small volume fractions of chi phase (i.e. 0.5-1.0%) can lower the room temperature impact energy of 316L from >200 Дж (пластичний) до<50 J (brittle), and at 2-3% chi phase the impact energy is below 20 J (severe embrittlement). This paper evaluates the link between chi phase volume fraction, precipitation kinetics at 700oC, and consequent room temperature toughness for 316L heater sheaths.

Механізм окрихчення фази Хі

Фаза χ має об'ємно-центровану кубічну (ОЦК) структуру з великою елементарною коміркою (a≈ 8,9 Å) і багата на молібден (зазвичай 20-30% Mo) і хром (25-35% Cr). Він осідає переважно на границях зерен, феритно-аустенітних контактах і на включеннях. Фаза є твердою та крихкою, і її наявність забезпечує зручні шляхи руйнування вздовж меж зерен. На відміну від сигма-фази, хі-фаза є більш сильним окрихким агентом, оскільки вона утворює дрібні, близько розташовані частинки, які утворюють безперервну крихку мережу з меншими об’ємними частками. Максимум спостерігається при 700 градусах і 1000-5000 годин старіння в залежності від вмісту молібдену. Стандартний 316L (2,0-2,5% Mo) чутливий; підвищений молібден (2,5-3,0% Mo, близько до 317L) підвищує швидкість виробництва чі.

Кількісне співвідношення між об’ємною часткою термічної-обробки та ударною в’язкістю при 700 градусах

Прогресування крихкості визначається за допомогою контрольованого старіння труб 316L при 700 градусах (крива ТТТ фази хі) з різним часом старіння з подальшим кількісним визначенням фази хі (рентгенівська дифракція, SEM) і випробуванням на ударну обробку за Шарпі V-вирізом при кімнатній температурі (20 градусів).

Тривалість старіння при 700 градусах (год) Об’ємна частка фази Хі (% Хі Розмір частинок (нм) Опади на місці Кімнатна температура Енергія впливу (Дж, V-надріз за Шарпі) Зовнішній вигляд поверхні руйнування Рекомендовано для експлуатації, де потрібна міцність
0 (annealed) 0 N/A None >200 Ductile (100% shear)Yes 100 < 0.1 < 50Grain boundaries (sparse) 180-200 Mostly ductile Yes 250 0.1-0.3 50-100 Grain boundaries (scattered) 150-180Ductile, with some cleavage Yes 500 0.3-0.6 100-150 Grain boundaries (partial coverage) 100-150 Mixed (50% cleavage) Acceptable 750 0.6-1.0 150-200 Grain boundaries (near-continuous) 60-100Marginal Mostly cleavage 1,000 1.0-1.5 150-250 Continuous grain boundary network 30-60 Cleavage (brittle)Not recommended 1500 1.5-2.0 200-300Continuous + intragranular 15-30 Brittle (100% cleavage) No 2,000 2.0-2.5 250-350 Extensive, coalesced 10-20Very Brittle No 3,000 2.5-3.0 300-400 Widespread, coarse 5-15Very brittle No. 5,000 3.0-4.0 >400 Широкий, старший 5-10Надзвичайно крихкий №
Діаграма TTT для фази хі в 316L

ТТТ-діаграма хі-фази в 316L (2,3% Mo) вказує на те, що найшвидше осадження відбувається при 700 o C і ніс становить близько 1000-2000 годин.

Temperature ( o C) Time to 0.5 % Chi Phase (hours) Time to 1.5 % Chi Phase (hours) Maximum Recommended Service Time Before Embrittlement (Hours) 550 >10,000 >20,000 20,000 600 2,000-4,000 5,000-8,000 5,000 650 800-1,500 2,000-3,500 2,000 675 500-800 1,200-2,000 1,500 700 400-700 1,000-1,500 1,000 725 500-900 1,200-2,000 1,500 750 800-1,500 2,000-4,000 2,500 800 2,000-4,000 5,000-10,000 5,000
Вплив вмісту молібдену на швидкість випадання опадів

Вищий молібден сприяє випаданню фази чі. Нижчий молібден підходить для роботи при 700 градусах.

Вміст молібдену (мас.%) Час до 1,0% Хі при 700 градусах (години) Енергія удару після 2000 годин при 700 градусах (Дж) Рекомендована максимальна температура протягом 10 000 годин термін служби 2.0 (мінімум 316) 1500-2,500 30-60 650 градус 2,2 (типовий 316L) 1,000-1,800 25-50 640 ступінь 2,5 (максимум 316L) 600-1,000 15-35 620 ступінь 2,8 (наближається до 317L) 300-600 10-25 600 ступінь 3,2 (317L) 150-300 5-15 580 ступінь Практичні рекомендації для оболонок нагрівача 316L при 700 градусах обслуговування

To maintain adequate toughness (impact energy >50 Дж) для оболонок нагрівача 316L при температурі 700 градусів або близько, застосовуються такі обмеження щодо обслуговування.

Desired service life at 700 °C (hours)Maximum Allowable Chi Phase (%) Recommended Maximum Service Temperature (°C) Alternative Alloy 500 0.5 700 316L acceptable 1,000 1.0 690 316L with lower Mo (2.0-2.2%) 2,000 1.5 670 347 or 316L with annual toughness check 5,000 2.0 650 (or less) 347 (no chi) or 310 10,000 >2.0 (неприйнятний)<600 310 or Inconel 600
Будь-яке, що підлягає термічному циклу50% економії часуВище Перейти до наступного класу
ХАРАКТЕРИСТИКА ОКР{-ФАЗИ ОКРУЧЕННЯ

Три методи вимірюють крихкість хі-фази для нагрівачів, які працювали при 600-750 градусах. По-перше, тест на твердість. Твердість підвищується від 160-180 HV до 220-300 HV за рахунок розвитку фази чі. Другий – польова металографія (репліка). Полірована та протравлена ​​поверхня, яку можна побачити при 500-1000, може показувати виділення чі на межах зерен. Третій – спрощений тест на удар. Якщо частину нагрівача можна видалити, тест за Шарпі невеликого розміру може оцінити втрату міцності. Рентгенівська дифракція (XRD) або SEM/EDS є остаточним способом прямого визначення фази хі.

Висновок: визначте межі обслуговування, щоб запобігти окрихченню Хі

For 316L stainless steel heater sheaths running at 700°C, chi (χ) phase precipitation was observed after 400-1500 h, with a volume fraction of 1.0-1.5% after 1000-2000 h. The room temperature impact toughness at this level diminishes from >200 Дж до 30-60 Дж (крихке руйнування). Інженери, які вибирають оболонки 316L для експлуатації понад 650 градусів, повинні визначити загальний час, витрачений в області 600-750 градусів, і порівняти його з обмеженнями, показаними на діаграмі TTT. Протягом 1000-2000 годин при 700 градусах або від 5000 до 10000 годин при 650 градусах рекомендується оновити до 347 (стабілізована ніобієм, не утворює чі) або 310 нержавіюча сталь (повністю аустенітна, з високим вмістом хрому). Запропонований тут підхід пов’язує відсоток об’єму хі-фази з вимірюваною втратою в’язкості під впливом кімнатної температури та дозволяє покупцям встановлювати температурно-часові обмеження, які запобігають окрихченню оболонок нагрівача 316L під час тривалого використання при високих температурах.