Com funciona el nombre de mida de gra d'austenita anterior en el control del tub de la funda de l'escalfador d'acer inoxidable 316 Taxa de nucleació de cavitació de fluència a 550 graus

La densitat del límit del gra com a factor de la vida de fluència

Per als tubs d'escalfament elèctrics amb coberta d'acer inoxidable 316 que funcionen a temperatures elevades (550 graus, típics per a aplicacions de calefacció d'aire o gas a alta temperatura), la mida de gra d'austenita anterior expressada com a nombre de mida de gra ASTM (G) és una variable microestructural primària que controla la taxa de nucleació de la cavitació fluïda. El material de gra fi-(ASTM G=8-10, diàmetre de gra 15-25 µm) té una àrea de límits de gra per volum més gran que el material de gra gruixut (ASTM G=3-5, diàmetre de gra 50-80 µm). Tot i que els grans fins mostren una força de rendiment més forta a temperatura normal, mostren una nucleació més ràpida de la cavitació fluïda a temperatures creixents perquè els límits de gra són els llocs preferits per a la formació de cavitats. El granulat gruixut 316 (ASTM G=4-5) té una vida útil 3-5 vegades més llarga a 550 graus que el material de gra fi a una càrrega i temperatura similars.
Reformular la frase

Torna a la frase original

Còpia la frase

Sense suggeriments

Aquest estudi avalua la relació entre el nombre de mida del gra ASTM, la taxa de nucleació per cavitació i la vida de ruptura per fluència de 316 beines i proposa un marc d'especificació per a l'ús a alta-temperatura.

Iniciació d'esquerdes mitjançant cavitació del límit del gra durant la fluència

El mecanisme principal de deformació de fluència de l'acer inoxidable 316 a 550 graus és el lliscament del límit del gra. El lliscament de grans adjacents entre si provoca concentracions d'estrès en els punts triples i en partícules de segona fase (carburs, inclusions) a causa d'incompatibilitats geomètriques, que nucleen buits. La velocitat de nucleació és inversament proporcional a la mida del gra; com més petita és la mida del gra, més gran és el nombre d'unions límit de gra per unitat de volum i, per tant, més gran és el nombre de possibles llocs de nucleació. Un cop nucleats, els buits s'expandeixen per difusió de buits al llarg dels límits de gra (coble fluència) i per fluència-potència de la matriu circumdant. La vida de fluència total és la suma del temps per a la nucleació d'una població crítica de cavitats (normalment un 5-10% de la fracció d'àrea del límit cavitat) i el temps que aquestes cavitats s'uneixen en una esquerda. Més densitat de límit també implica més llocs de nucleació, de manera que el percentatge de cavitat crític es pot aconseguir abans per a materials de gra fi malgrat la taxa de creixement més lenta per cavitat a causa de les longituds de difusió més curtes.

Correlació quantitativa entre la mida del gra ASTM i la vida útil a 550 graus

Les proves de ruptura de fluïdesa de tubs 316 amb mides de gra controlades (ajustant el temps de recuit de la solució i la temperatura) a 550 graus i una tensió aplicada de 100 MPa (típica de l'estrès del cèrcol de la restricció d'expansió tèrmica) ha establert les relacions següents.

Número de mida del gra ASTM (G) Diàmetre del gra (µm) Àrea del límit del gra per mm3 (mm2/mm3) Temps fins a l'1% de l'àrea del límit cavitada (hores, 550 graus, 100 MPa) Vida de ruptura de fluència (h, 550 graus, 100 MPa) Línia de vida útil relativa (G58) 10 (molt bé) 10-15 150-200 100-200 500-1,000 0.3× No 8-9 (fi) 15-25 100-150 200-400 1,000-2,000 0.5× No recomanat 7-8 (mitjà-fi) 25-35 70-100 300-600 1,500-3,000 0.8× Marginal 6-7 (mitjà) 35-45 50-70 500-1,000 2,500-4,500 1.0-1.2× Acceptable per a intermitents
5-6 (mitjanament gruixut) 45-55 40-50 800-1,500 4,000-6,500 1.5-2.0× Recomanat
4-5 (gruixut) 55-70 30-40 1,200-2,500 6,000-10,000 2.5-3.5× Ideal per al servei en curs
3-4 (gruixut) 70-85 25-30 1,500-3,500 7,000-12,000 3.0-4.0× Ductilitat acceptable però més baixa
Influència de la mida del gra i la distribució del carbur

La resistència a la cavitació de fluència del 316 de gra gruixut depèn críticament de la presència de carburs tant intragranulars com de límit de gra. La velocitat de refredament durant el recuit de la solució que crea carburs fins i intragranulars (M 23 C 6 , MC) proporciona l'enfortiment de la precipitació de l'interior del gra, minimitzant la fluïdesa de la matriu. Les taxes de refredament lentes donen lloc a carburs de límit de gra gruixuts i continus, que disminueixen la vida de fluència a causa de les seves ubicacions favorables de nucleació de la cavitat. La microestructura ideal per al servei de fluència a 550 graus són els grans gruixuts (ASTM G=4-6) amb una dispersió fina de carburs intragranulars i carburs discontinus de límit de gra. Microestructura: solució recuita a 1040-1060 C, refredada moderadament (aire forçat, no extinció d'aigua), després estabilització recuita a 850-900 C durant 2-4 hores. El recuit d'estabilització precipita els carburs de manera controlada sense sensibilització (per a graus 316L o estabilitzats).

Especificació de la mida del gra per al seu ús en el servei d'escalfadors d'alta temperatura

En funció de la vida útil estimada, es proposa el següent estàndard de mida de gra per a 316 escalfadors amb coberta per a un funcionament continu a una temperatura de la carcassa de 550 graus (temperatura de la paret interior).

Vida útil desitjada a 550 C (hores) Mida mínima del gra ASTM (número inferior=més gruixut) (ASTM) mida màxima del gra (número més alt=més petit) Tractament tèrmic recomanat<2,000 (intermittent duty) 3 6 Standard solution anneal + quench 2,000-5,000 4 6 Controlled anneal + forced air cool 5,000-10,000 5 (max, indicating coarser than G=5 is permitted) 5 Extended anneal + stabilisation
Validació del camp de la mida del gra i el dany per fluïdesa 10.000-20,000 4 (gruesa mínima) 5 Recuit a alta temperatura (1100 graus) + refredament lent

Escalfadors de servei d'alta temperatura La mida del gra es pot determinar mitjançant l'anàlisi metal·logràfica d'una secció transversal, després de gravar amb glicerègia (15 ml de HCl, 10 ml de glicerol, 5 ml de HNO3). El nombre de mida del gra ASTM s'obté en comparació amb els gràfics estàndard d'acord amb ASTM E112 . Els danys per cavitació de fluència (petits punts negres (cavitats) als límits del gra amb un augment de 500-1000x) solen produir-se quan s'ha esgotat el 50-60% de la vida útil de la fluència. Per a un escalfador de gra gruixut (G=5), s'observen cavitats entre 4.000 i 6.000 hores d'una vida útil de 8.000 hores. Per al material de gra fi (G=8), les cavitats són visibles unes 200-400 hores, oferint substancialment menys avís abans de la ruptura. El mostreig periòdic (un escalfador per lot per any) per a l'avaluació metal·logràfica de la fracció de cavitació proporciona dades de manteniment predictiu dels escalfadors clau.

Tenint en compte la mida del gra per a components soldats i doblegats

Els requisits de mida del gra s'han d'avaluar pel que fa a la soldadura i la flexió de la tapa final. La soldadura genera una zona afectada per la calor amb grans fins (ASTM G=9-11) al llarg de la línia de fusió de la soldadura. A temperatures altes, aquesta-zona de gra fi pot ser una àrea vulnerable a la cavitació fluvial. En el cas d'escalfadors que funcionen per sobre de 500 graus, la zona de soldadura pot fallar preferentment fins i tot mentre la mida del gra del metall base és gruixuda. Una mitigació és fer un recuit de solució de post-soldadura, que fa que els grans de HAZ s'engruixin. Això pot no ser factible. L'alternativa és utilitzar un aliatge més resistent a la fluència com l'acer inoxidable 310 o Inconel 600 per a tot l'escalfador, que eliminarà la variabilitat depenent de la mida del gra en la vida útil de la fluència.

Conclusió: especificació de grans gruixuts per a la resistència a la fluència a alta temperatura

Per als escalfadors d'acer inoxidable 316 a 550 graus, el número de mida de gra d'austenita anterior és el factor de control de la taxa de nucleació de la cavitació de fluència i, per tant, de la vida total de la ruptura de la fluència. La nucleació per cavitació és de 3 a 5 vegades més ràpida en material de gra fi (ASTM G=8-10) que en material de gra gruixut (ASTM G{=4-5) amb la vida de fluència reduïda de 10.000 hores a 2.000 hores a la mateixa tensió i temperatura. Els enginyers han d'especificar un G=5 o G{=6, verificat per metalografia ASTM E112, per al nombre màxim de mida de gra ASTM (grans més gruixuts) per a 316 beines per a un ús continu a alta temperatura. La metodologia descrita relaciona la mida del gra amb les taxes de cavitació quantificables i les vides de ruptura, permetent als compradors triar el tub de la funda 316 amb la millor resistència a la fallada de fluència en aplicacions d'alta temperatura.