Com controla el percentatge de treball en fred previ del dibuix del tub de la funda de l'escalfador 316 la taxa de relaxació de l'estrès i la sensibilització simultània durant el servei a 550 graus

Cinètica competitiva de la recuperació i precipitació de carburs

Per a tubs de calefacció elèctrics amb revestiment d'acer inoxidable 316 a altes temperatures (550 graus, típic per a aplicacions de calefacció d'aire o gas a alta temperatura), el percentatge de treball en fred anterior de l'estirat de tubs controla dos processos metal·lúrgics en conflicte: relaxació de l'estrès (recuperació de la dislocació, que redueix l'estrès residual i augmenta la resistència a la fluència) i sensibilització (resistència a la corrosió del carbur de crom, que redueix la resistència a la corrosió del carbur de crom). L'estirat en fred pesat del tub (reducció del 25-35%) a 550 graus es relaxa ràpidament (reducció de l'estrès del 50-80% en 100-500 hores), però crea carburs de límit de gra continus (sensibilització) alhora a causa de l'alta densitat de dislocació que accelera la difusió del crom. El tub lleugerament treballat en fred (reducció del 5 al 15%) es relaxa més lentament (la reducció de l'estrès del 50% triga entre 1000 i 5000 h), però no es sensibilitza perquè la disminució de la densitat de dislocació produeix menys llocs de nucleació per als carburs. Aquest article quantifica la correlació entre el treball en fred previ, la cinètica de relaxació de l'estrès i l'inici de la sensibilització a 550 $^{\\circ}$C.

Mecanisme de sensibilització i recuperació competitiva

L'acer inoxidable 316 acumula luxacions i, depenent de la intensitat, la martensita induïda per tensió-en estirat en fred. A 550 graus, els mecanismes de recuperació (aniquilació i reordenació de la luxació) disminueixen l'estrès i la duresa residuals. La taxa de recuperació és Arrhenius i més ràpida en el material treballat en fred més alt, ja que l'energia emmagatzemada ofereix una força d'empenta. al mateix temps, el carbur de crom (Cr 23 C 6 ) precipita al llarg dels límits del gra i en les dislocacions. La velocitat de nucleació dels carburs és proporcional a la densitat de dislocació, ja que les dislocacions proporcionen vies de difusió ràpides per al crom i el carboni. En materials molt freds-treballats (alta densitat de dislocació) els carburs es nucleen ràpidament, desenvolupant una xarxa de límits de gra contínua en 100-500 hores a 550 graus . La nucleació del carbur és lenta en material tractat lleugerament en fred i fins i tot després de 5.000 hores els carburs són pocs i discontinus.

Relació quantificada de treball en fred, relaxació d'estrès i sensibilització a 550 graus

Les següents relacions s'estableixen a partir de l'envelliment isotèrmic controlat de tubs 316 amb diversos percentatges de treball en fred a 550 graus, mesurant l'estrès residual (per difracció de raigs X-) i sensibilització (per ASTM A262 Pràctica A).

Cold Work (%) Initial Residual Stress (MPa) Time Required for 50% Relaxation of Residual Stress at 550 C (hours)Time to Continuous Grain Boundary Carbides (sensitisation) at 550°C (hours) ASTM A262 Practice A Result after 1,000 hours Recommended for 550°C Service >1.000 hores 0 (recuit)<30 N/A (no stress) >10.000 (sense sensibilització)Estructura de passos Sí 5-10 100-150 2,000-5,000 5,000-10.000 Pas (acceptable) Sí 10-15 150-200 1,000-2,000 2,000-5.000 Pas per descartar la transició Bé fins a 2.000 hores
15-20 200-250 500-1,000 1,000-2,000 Ditch (sensitised) after 1,500 Not recommended >1.000 hores hores
20-25 250-300 200-500 500-1, 000 Abocament (sensibilitzat) després de 500 hores No 25-30 300-350 100-200 200-500 Severa severa Inacceptable
30-35 350-400 50-100 100-200 Severe ditch + grain dropping Unacceptable35 >400 <50 <100 Full sensitization Unacceptable
Efecte de la temperatura de servei sobre les tarifes competidores

El temps per a la sensibilització disminueix amb l'augment de la temperatura, la relaxació de la tensió s'accelera. El rang de treball en fred-òptim per a una temperatura de servei determinada és un compromís d'aquesta dinàmica.

Temperatura de servei ( graus ) Interval de treball en fred recomanat durant 10.000 - hores Servei (%) Relaxació de l'estrès aconseguida (%) Risc de sensibilització Material preferit 450 15-25 50-70% després de 10.000 h Baix (carburs lents) 316 (qualsevol) 500 10-20 60-80% després de 10}% {0}% {0} h Mode preferit, {0}{10} % després de 10.000 h després de 10.000 h Moderada-alta 316 L necessaris 550 0-10 80-90% després de 10.000 h Alt (sensibilització probable) 316 L amb estabilització 575 0-5 (recuit) N/A (sense estrès) Alt (totes sensibilitzades) Actualitza a 347 o 310
600 0 (acabat de recuit) N/A Sever 316 no acceptable
Recomanacions pràctiques sobre la producció d'escalfadors

A continuació es recomana el treball en fred i els criteris de tractament posterior{0}}de formació per a escalfadors de 316 cobertes per a un servei de 550 graus.

Màxim treball en fred a la funda acabada (%) Vida útil desitjada a 550 graus (hores) Tractament recomanat-Proves de sensibilització posterior a la formació Aliatge alternatiu requerit<1,000 (intermittent) 20 None None 316 acceptable 1,000-2,500 15 Stress relief 400°C, 1h ASTM A262 Practice A (step) 316L 2,500-5,000 10 Stress relief 450°C, 2h ASTM A262 Practice E (pass) 316L 5,000-10,000 5 (annealed)Full solution anneal ASTM A262 Practice A (step) 316L or 347 >10,000 0 (completament recristal·litzat) Recuit de solució completa + estabilització (850 graus, 4 h) ASTM A262 Pràctica C (<0.3 mm/year) 347 or 310
Detecció de camp de la sensibilització del servei a temperatures elevades

If a 316 heater that has been in service at 550°C for >1.000 hores fallades en un entorn corrosiu (p. ex. durant un cicle de neteja o després de l'aturada) s'ha de tenir en compte la sensibilització durant el servei. Les proves metal·logràfiques (ASTM A262 Practice A etch) revelaran una estructura "de rasa" als límits del gra. La duresa s'haurà reduït del -valor extret (p. ex.. 300 HV a 200 HV) a causa de la recuperació. Això demostrarà que el material estava a temperatura. El trencament o la corrosió intergranular serà el mode de fallada. Per a aquests errors, el remei per a futures compres és especificar tubs totalment recuits (recristal·litzats) amb una tensió residual baixa, o actualitzar a un grau estabilitzat com ara l'acer inoxidable 347 (estabilitzat amb columbi) o 310, que no es sensibilitzen a 550 graus.

Conclusió: 550 graus de compensació-entre alleujar l'estrès i sensibilitzar

Per als escalfadors d'acer inoxidable 316 que funcionen a 550 graus, la quantitat de treball en fred previ controla la cinètica de dos processos en conflicte, la relaxació de l'estrès (bona) i la sensibilització (dolenta). El treball en fred per sobre del 15-20% dóna lloc a una ràpida sensibilització (precipitació de carburs en 500-1.500 hores), que condueix a la susceptibilitat a la corrosió intergranular. Treball en fred<10% is slow to relax but stays unsensitized for >5,000 hours. For operation at 550 °C, engineers specifying 316 sheaths must limit preceding cold work to < 10 - 15 % with fully annealed (recrystallised) tubing required for prolonged life (>5.000 hores). Quan no es pot evitar el treball en fred, és necessari un recuit de solució després de la formació per recristal·litzar l'estructura i alleujar l'estrès residual així com la possibilitat de sensibilització.