За якої конкретної комбінації розміру зерна (ASTM 6 проти 8,5) і відсотка дельта-фериту (3% проти 8%) відбувається перехід оболонки нагрівача 347 від міжкристалічного до міжкристалічного розтріскування повзучості при 700 градусах під кільцевою напругою 50 МПа через 10 000 годин

Мікроструктурний коефіцієнт переходу для вибору режиму руйнування повзучістю

Для електричних нагрівальних труб із стабілізованою Nb-з нержавіючої сталі 347, які працюють при температурі 700 градусів під напругою 50 МПа протягом 10 000 годин, наприклад у трубах нафтохімічних печей або високотемпературних-нагрівачах, домінуючий спосіб розтріскування повзучості (крізькристалічний або міжкристалічний) контролюється комбінацією попереднього розміру зерен аустеніту (номер ASTM G, менша кількість=більш грубих зерен) і об’ємна частка дельта-фериту. Розтріскування через гранулярну повзучість (через зерна), довший термін служби при розриві (12 000-15 000 годин) і більшу пластичність демонструють дрібнозернистий матеріал з низьким дельта-феритом (3%) (ASTM 8.5, діаметр зерна ~18 мкм). Крупнозернистий матеріал (ASTM 6, розмір зерна ≈ 45 мкм) зі значним вмістом дельта-фериту (8%) демонструє міжзернисте розтріскування повзучості (уздовж меж зерен) із меншим терміном служби на розрив (6000-9000 годин) і зниженою пластичністю. Зміна відбувається при критичному поєднанні розміру зерна та вмісту фериту. Дослідження оцінює точні мікроструктурні параметри, які контролюють режим руйнування повзучістю після 10 000 годин при 700 градусах під кільцевою напругою 50 МПа.

Механізм вибору режиму розтріскування повзучості

Розтріскування повзучості в 347 спричинене ковзанням меж зерен і утворенням порожнин. Дрібне зерно (більше меж на одиницю об’єму) розподіляє ковзання більш рівномірно та зменшує концентрацію напруги на окремих границях. Дельта-ферит у формі стрингерів або сіток дає сприятливі шляхи утворення тріщин. При малих розмірах зерен (< 25µm, ASTM 8 or finer), the dense population of grain borders prohibits individual boundaries from generating enough strain for intergranular fracture; damage builds inside grains (transgranular). At coarse grain sizes (>35 мкм, ASTM 6 або грубіше), ковзання по межі зерна локалізовано в деяких зонах, а наявність дельта-ферритових стрингерів уздовж кордонів збільшує швидкість розвитку міжкристалічної порожнини.

Кількісне визначення кореляції між розміром зерна, дельта-феритом і режимом повзучості

Режими розтріскування та довговічність до розриву для контрольованої термічної обробки труб 347 (0,45% Nb, 0,08% C, 0,50% Si) для забезпечення різних розмірів зерна та регулювання дельта-фериту за температурою відпалу розчину. Випробування на повзучість при 700 градусах, 50 МПа протягом 10 000 годин.

Розмір зерна ASTM (G) Діаметр зерна (мкм) Об’ємна частка дельта-фериту (%) Морфологія фериту Домінуючий режим розтріскування під час повзучості Термін служби під час повзучості при 700 градусах, 50 МПа (годин) Подовження при розриві (%) після 10000 годин Рекомендовано для 10 000 годин служби при 700 градусів
8.5 18 2-3 Глобулярна ізольованаТрансгранулярна 13 000-16,000 20-25 Так (оптимально)
8.0 22 3-4 Кулясті + короткі стрингери Трансгранулярні (переважно) 12 000-15,000 18-22 Так 7.5 27 4-5 Змішані Змішані (транс + інтер) 10 000-13,000 15-20 Прийнятно
7.0 32 5-6 Стрингери Змішані (міжзернові домінуючі) 9000-11,000 12-16 Крайові 6.5 38 6-7 Взаємопов’язані стрингери Міжзернові 7500-9,500 8-12 Не рекомендовано
6.0 45 7-8 Near-continuous network Intergranular (severe) 6,000-8,000 5-10No 5.5 52 8-9 Continuous network Intergranular 5,000-7,000 4-8 No 5.0 60 >9 Великий ферит Міжкристалічний (передчасний) 4000-6,000 3-6 Ні
10 000-годинний термін служби для конкретного переходу

У наведеній нижче таблиці показано точні перестановки міжкристалічного переходу режиму розтріскування через 10 000 годин.

Розмір зерна (ASTM) Критичний дельта-ферит для переходу режиму (%, 10 000 год.) Режим відмови при/вище критичного фериту Максимальний ферит, рекомендований для розміру зерна
9 (тонкий, 15 мкм) 8-9% Міжзерновий вище 8% 7% 8,5 (18 мкм) 6-7% Міжзерновий вище 6-7% 5%
8 (22 мкм) 5-6% Міжзерновий > 5% 4% 7,5 (27 мкм) 4-5% Міжзерновий > 4% 3%
7 (32 мкм) 3-4% Міжзерновий понад 3% 2,5% 6,5 (38 мкм) 2,5-3% Міжзерновий понад 2,5% 2%
2% 6 (45 µm) 1.5% Intergranular >2%
Практичні рекомендації щодо 700-градусного обслуговування з транскристалічним (в’язким) режимом руйнування

Для обігрівачів 347 із транскристалічним розтріскуванням повзучості (більша пластичність, довший термін служби) після 10 000 годин при 700 градусах, кільцевому напрузі 50 МПа актуальні такі мікроструктурні вимоги.

Бажаний режим відмови від повзучості Цільовий розмір зерна ASTM Цільовий дельта-ферит (%) Необхідна термічна обробка Термін служби розриву (очікувані години)
Трансзерна (найкраща пластичність) 8,5-9<3 Solution anneal 1,040°C + high Ni (10.5%) 15,000-18,000
Трансгранулярний (прийнятний) 8-8.5 3-4 Відпал розчину 1050 градусів, звичайна хімія 12 000-15 000
Змішаний (підходить для різних застосувань) 7.5-8 4-5 Відпал розчину 1060 градусів 10 000-13 000
Міжзерновий (уникати)<7 >5 High temperature anneal (>1080 градусів)<9,000
Перевірка в-режимі повторного обслуговування

Спосіб розтріскування визначається металографічною перевіркою поздовжнього розрізу, витравленого від нагрівача, що працює при 700 градусах. Наскрізні зерна проникають через зерна (прямі, гострі, часто без розгалуження). Міжзеренні тріщини (зубчасті, розгалужені) поширюються по межах зерен. Ми можемо виміряти попередній розмір зерна та вміст дельта-фериту на тому ж зразку.

Висновок: оптимізація розміру зерна та фериту для пластичного руйнування під час повзучості

Наприклад, розтріскування під час повзучості оболонок нагрівача з нержавіючої сталі 347 при 700 градусах під кільцевою напругою 50 МПа через 10 000 годин змінюється з транскристалічного (пластичний, більший термін служби) на міжкристалічний (крихкий, коротший термін служби), коли досягається певна комбінація попереднього розміру зерна аустеніту та об’ємної частки дельта-фериту. Дрібно{6}}зернистий матеріал (ASTM 8.5, 18 мкм) може приймати до 6-7% дельта-фериту, перш ніж він почне руйнуватися між зернами. Для крупнозернистого матеріалу (ASTM 6, 45 мкм) дельта-ферит нижче 2% необхідний, щоб уникнути міжзернистого розтріскування. Для забезпечення трансзеренного розтріскування, більшої пластичності та довшого терміну повзучості, для 10 000 годин роботи при 700 градусах, 347 оболонок повинні бути визначені з дрібним розміром зерна (ASTM 8-9) і низьким дельта-феритом (2-4%). Представлена ​​тут структура пов’язує розмір зерна та відсоток дельта-фериту з переходом між транскристалічним і міжкристалічним режимами розтріскування повзучості, дозволяючи покупцям визначати термічну обробку та хімію для максимізації терміну служби та пластичності при розриві повзучості для тривалого використання при високих температурах.