Při jaké konkrétní kombinaci fáze gama základní ( ') precipitace a aplikovaného tahového napětí se vyvine 316 ohřívací plášť vysoko{1}}teplotní mezikrystalové praskání při 650 stupních po 10 000 hodinách

Parametr -stresové interakce pro dlouhodobé-tečení křehnutí

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 MPa. Jemné sraženiny ze zbytkového hliníku (0,005-0,015 %) a titanu (0,01-0,03 %) převládající v komerčním 316. Ani 20 000 hodin nezpůsobí praskání při napětí menším než 20 MPa. V tomto článku je kvantifikována souvislost mezi kinetikou precipitace, aplikovaným napětím a časem do intergranulárního praskání při 650 stupních.

Mechanismus '-indukované intergranulární křehkosti

Komerční nerezová ocel 316 obsahuje malá množství hliníku (obecně 0,005-0,015 %) a titanu (0,01–0,03 %), která nejsou specifikována ani kontrolována. Tyto prvky reagují s niklem za vzniku jemných, koherentních Ni3(Al,Ti) gama primárních sraženin uvnitř austenitových zrn po 5 000-10 000 hodinách při 650 stupních. Vnitřek zrn je silně zpevněn částicemi $\\gama'$ (30-50 HV). Avšak oblasti přímo blízko hranic zrn jsou ochuzeny jak o formovače, tak o posilující rozpuštěné látky. To vytváří měkké, slabé oblasti. Při aplikovaném tahovém napětí se creepové napětí lokalizuje v těchto měkkých zónách nukleačními dutinami, které se spojují podél hranice zrn. Praskání je mezikrystalové a probíhá při napětí mnohem nižších, než je průměrná meze pevnosti při tečení 7'-free 316.

Kvantifikovaný vztah mezi precipitací, napětím a vznikem trhlin

Řízené dlouhodobé stárnutí trubek 316 (0,012 % Al, 0,02 % Ti) při 650 stupních s aplikovaným obručovým napětím (od vnitřního tlaku nebo omezené tepelné roztažnosti) stanovilo následující časové rámce pro iniciaci praskání.

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 1 500–2 500 Intergranular No
Jakýkoli Jakýkoli<20 >20 000 (bez praskání) Žádné Ano
Jakékoli (nízký Al/Ti)<0.1 (alloy 316L with <0.005% Al, <0.01% Ti) N/A <100 >Pouze 20 000 Creep Ano
Vliv obsahu hliníku a titanu na tvorbu

Objemový zlomek při 650 stupních je úměrný koncentraci (Al + Ti/2). Snížením těchto stopových prvků se sníží srážení $\\gamma$'.

Hliník (hmot. %) Titan (hmot. %) (Al + Ti/2) Ekvivalentní objemová frakce po 10 000 h při 650 stupních (%) Doporučené maximální napětí po dobu 10 000 h Životnost (MPa) 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 nevhodné
Praktická doporučení pro servis při 650 stupních

Následující parametry minimalizují zkřehnutí vyvolané gama primárním zářením pro 316 ohřívacích plášťů pro 650° provoz s návrhovou životností > 5000 - 10000 hodin.

Požadovaná životnost při 650 stupních (h) Maximální použité napětí obruče (MPa) Maximální Al + Ti/2 (hmot. %) Požadovaná doporučená kontrola slitiny po servisu
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 >40N/A Upgrade na 347 nebo 310 N/A 20 000<20 <0.015 316L with stabilisation Periodic examination of replica
Potvrzení o nebezpečí tvorby a křehnutí

Kupující, kteří specifikují 316 pro službu 650 stupňů, mají k dispozici tři ověřovací techniky. První je chemická analýza zbytkového hliníku a titanu: 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 % až<20% is evidence of γ' embrittlement. 3.hardness monitoring: a rise from 160-180 HV to >200-220 HV po servisu je charakteristické pro výrobu.

ZÁVĚR: NÍZKÝ AL/TI PRO DLOUHODOBOU TVAŽNOST 650 °C

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 % Procento objemu se sníží na<0.5% after 10,000 hours and the threshold stress for cracking increased to >60 MPa specifikací 316L s maximem hliníku 0,008 % a titanu 0,015 % (Al+Ti/2<0.016%). For service with an applied stress >40 MPa při 650 stupních, doporučuje se upgradovat na nerezovou ocel 347 (stabilizovaná niobem) nebo 310 (při této teplotě nedochází k tvorbě). Tato práce poskytuje rámec pro vztah kinetiky precipitace a aplikovaného napětí k počátku mezikrystalového praskání při 650 stupních, který mohou kupující použít ke stanovení limitů stopových prvků, které by nevedly k dlouhodobému zkřehnutí 316 plášťů ohřívačů.