За якої конкретної комбінації виділення гамма-прайм (') фази та прикладеної напруги розтягування оболонка нагрівача 316 розвиває високо-температурне міжкристалічне розтріскування при 650 градусах через 10 000 годин

Параметр взаємодії-напруги з опадами для-тривалої крихкості від повзучості

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. Дрібний ' осад із залишкового алюмінію (0,005-0,015%) і титану (0,01-0,03%), що переважає в комерційному 316. Навіть 20000 годин не спричиняє розтріскування при напрузі менше 20 МПа. У цій статті кількісно визначено зв’язок між кінетикою випадання, прикладеним напруженням і часом міжкристалічного розтріскування при 650 градусах.

Механізм «-індукованого міжкристалічного окрихчення

Комерційна нержавіюча сталь 316 містить невеликі кількості алюмінію (зазвичай 0,005-0,015%) і титану (0,01-0,03%), які не визначені та не контролюються. Ці елементи реагують з нікелем, утворюючи дрібні когерентні гамма-преципітати Ni₃(Al,Ti) всередині зерен аустеніту після 5000-10000 годин при 650 градусах. Внутрішності зерна сильно зміцнені частинками $\\gamma'$ (30-50 HV). Однак області, що знаходяться безпосередньо біля меж зерен, збіднюються як на утворювачі, так і на зміцнюючі розчинені речовини. Це створює м’які, слабкі області. Під дією напруги розтягування деформація повзучості локалізується в цих м’яких зонах, утворюючи порожнини, які зливаються вздовж межі зерна. Розтріскування є міжкристалічним і відбувається при напругах, значно нижчих середньої міцності на розрив повзучості 7'-free 316.

Кількісна залежність між опадами, напругою та початком розтріскування

Контрольоване довготривале старіння труб 316 (0,012% Al, 0,02% Ti) при 650 градусах із застосуванням кільцевої напруги (внаслідок внутрішнього тиску або обмеженого теплового розширення) встановило наступні часові рамки до початку розтріскування.

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 1,500-2500 Міжгранулярний номер
Будь-який Будь-який<20 >20 000 (без злому) Немає Так
Будь-який (низький Al/Ti)<0.1 (alloy 316L with <0.005% Al, <0.01% Ti) N/A <100 >20 000 Лише крипи Так
Вплив вмісту алюмінію та титану на утворення

Об'ємна частка при 650 градусах пропорційна концентрації (Al + Ti/2). Зменшення цих мікроелементів зменшує $\\gamma$' опадів.

Алюміній (мас.%) Титан (мас.%) (Al + Ti/2) Еквівалентна об’ємна частка після 10 000 годин при 650 градусах (%) Рекомендоване максимальне навантаження протягом 10 000 годин життя (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 неприйнятно
Практичні рекомендації щодо обслуговування при 650 градусах

Наступні параметри мінімізують крихкість, спричинену гамма-прем’єром, для оболонок нагрівача 316 для роботи при 650 градусах із розрахунковим терміном служби > 5 000 - 10 000 годин.

Необхідний термін служби при 650 градусах (год.) Максимальна прикладена напруга (МПа) Максимальний вміст Al + Ti/2 (мас.%) Необхідний рекомендований огляд сплаву після обслуговування
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/Д Оновлення до 347 або 310 Н/Д 20 000<20 <0.015 316L with stabilisation Periodic examination of replica
Підтвердження небезпеки утворення та окрихчення

Покупці, які вказують 316 для обслуговування 650 градусів, мають доступ до трьох методів перевірки. Перший – хімічний аналіз залишкового алюмінію та титану: Al + Ti/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 HV після служби характерна для ' виробництва.

ВИСНОВОК: НИЗЬКИЙ AL/TI ДЛЯ ДОВГОТРАВНОЇ ПЛАЧНОСТІ ПОВЗУЧОСТІ ПРИ 650 С

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% Об'ємний відсоток зменшено до<0.5% after 10,000 hours and the threshold stress for cracking increased to >60 МПа, вказавши 316L з максимальним вмістом алюмінію 0,008% і титану 0,015% (Al+Ti/2<0.016%). For service with an applied stress >40 МПа при 650 градусах, рекомендується оновити до 347 (стабілізована ніобієм) або 310 нержавіюча сталь (не утворюється при цій температурі). Ця робота забезпечує основу для зв’язку «кінетики осадження та прикладеного напруження з початком міжкристалічного розтріскування при 650 градусах, що може бути використано покупцями для визначення обмежень мікроелементів, які не призведуть до тривалого-крихкості оболонок нагрівача 316.