Sota quina combinació específica de mida de gra (ASTM 6 vs 8,5) i percentatge de ferrita Delta (3% vs 8%), la transició de la funda de l'escalfador 347 de transgranular a intergranular es trenca a 700 graus per sota de l'estrès del cèrcol de 50 MPa després de 10.000 hores

Factor de transició microestructural per a la selecció del mode de fallada de fluència

Per als tubs d'escalfament elèctrics amb coberta d'acer inoxidable 347 estabilitzats amb Nb-que funcionen a 700 graus sota una tensió de cèrcol de 50 MPa durant 10.000 hores, com ara tubs de forns petroquímics o escalfadors de procés d'alta-temperatura, el mode dominant d'esquerdament per fluïdesa (combinació de mida transgranular vs. El nombre G, el nombre més petit=grans més gruixuts) i la fracció de volum de ferrita delta. El material de gra fi (ASTM 8,5, diàmetre de gra ~ 18 µm) presenta un trencament transgranular (a través dels grans), una vida de ruptura més llarga (12.000-15.000 hores) i una major ductilitat. El material de gra gruixut (ASTM 6, mida del gra ≈ 45 µm) amb ferrita delta significativa (8%) presenta esquerdes intergranulars (al llarg dels límits del gra) amb una vida de ruptura més curta (6.000-9.000 hores) i una ductilitat reduïda. El canvi es produeix en una combinació crítica de mida del gra i contingut de ferrita. L'estudi estima els paràmetres microestructurals precisos que controlen el mode de fallada de fluència després de 10.000 hores a 700 graus sota una tensió del cèrcol de 50 MPa.

Mecanisme de selecció del mode Creep Cracking

L'esquerdament de fluència al 347 és causada pel lliscament del límit del gra i la nucleació de la cavitat. Els grans fins (més límits per unitat de volum) distribueixen el lliscament de manera més uniforme i redueixen les concentracions d'estrès en els límits individuals. La ferrita delta en forma de cordons o xarxes ofereix rutes de fissurades favorables. A grans mides baixes (< 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 µm, ASTM 6 o més gruixut), el lliscament del límit del gra es localitza en algunes zones i la presència de cordons de ferrita delta al llarg de les vores augmenta la velocitat de desenvolupament de la cavitat intergranular.

Quantificació de la correlació entre la mida del gra, la ferrita delta i el mode de fluència

Modes de craqueig i vida de ruptura per al tractament tèrmic controlat de tubs 347 (0,45% Nb, 0,08% C, 0,50% Si) per proporcionar diferents mides de gra i ajustaments de ferrita delta per temperatura de recuit de la solució. Prova de fluència a 700 graus, 50 MPa durant 10.000 hores.

Mida del gra ASTM (G) Diàmetre del gra (µm) Fracció del volum de ferrita Delta (%) Morfologia de la ferrita Mode de trencament de fluència dominant Vida de ruptura de fluència a 700 graus, 50 MPa (hores) Elongació de ruptura (%) Després de 10.000 h Recomanat per a 10.000 h Servei a 700 graus
8.5 18 2-3 Globular isolatTransgranular 13.000-16,000 20-25 Sí (òptim)
8.0 22 3-4 Globulars + cordes curtes Transgranular (principalment) 12.000-15,000 18-22 Sí 7.5 27 4-5 Mixta Mixta (trans + inter) 10.000-13,000 15-20 Acceptable
7.0 32 5-6 StringersMixed (dominant intergranular) 9.000-11,000 12-16 Marginal 6.5 38 6-7 Tirants interconnectats Intergranular 7.500-9,500 8-12 No recomanat
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 Ferrita extensa Intergranular (prematura) 4.000-6,000 3-6 No
Límits de transició específics del servei de 10.000 hores

La taula següent mostra les permutacions exactes de la transició transgranular a intergranular del mode de craqueig després de 10.000 h.

Mida del gra (ASTM) Ferrita delta crítica per a la transició del mode (%, 10.000 hores) Mode d'error a/per sobre Ferrita crítica Ferrita màxima recomanada per a la mida del gra
9 (fins, 15 µm) 8-9% Intergranular per sobre del 8% 7% 8,5 (18 µm) 6-7% Intergranular per sobre del 6-7% 5%
8 (22 µm) 5-6% Intergranular > 5% 4% 7,5 (27 µm) 4-5% Intergranular > 4% 3%
7 (32 µm) 3-4% Intergranular sobre 3% 2,5% 6,5 (38 µm) 2,5-3% Intergranular sobre 2,5% 2%
2% 6 (45 µm) 1.5% Intergranular >2%
Recomanacions pràctiques per al servei de 700 graus amb el mode de falla transgranular (dúctil)

Per a 347 escalfadors encapsulats amb esquerdament transgranular (més ductilitat, vida útil més llarga) després de 10.000 hores a 700 graus, tensió de cèrcol de 50 MPa, són rellevants els requisits microestructurals següents.

Mode d'error de fluència desitjat Mida del gra ASTM objectiu Ferrita Delta objectiu (%) Vida de ruptura del tractament tèrmic necessari (hores previstes)
Transgranular (millor ductilitat) 8,5-9<3 Solution anneal 1,040°C + high Ni (10.5%) 15,000-18,000
Transgranular (acceptable) 8-8.5 3-4 Recuit de solució 1.050 graus , química convencional 12.000-15.000
Mixt (bo per a diverses aplicacions) 7.5-8 4-5 Recuit de solució 1.060 graus 10.000-13.000
Intergranular (evitar)<7 >5 High temperature anneal (>1.080 graus)<9,000
Post-verificació del mode de variació del servei

El mode d'esquerdament s'indica mitjançant la inspecció metal·logràfica d'una secció longitudinal gravada de l'escalfador que funciona a 700 graus. Les fractures transgranulars penetren a través dels grans (rectes, agudes, sovint sense ramificacions). Les esquerdes intergranulars (dentades, ramificades) es propaguen al llarg dels límits del gra. Podem mesurar la mida del gra anterior i el contingut de ferrita delta a la mateixa mostra.

Conclusió: optimització de la mida del gra i de la ferrita per a la fractura de fluència dúctil

Per exemple, l'esquerda de fluïdesa de 347 beines d'escalfador d'acer inoxidable a 700 graus sota una tensió de cèrcol de 50 MPa després de 10.000 hores canvia de transgranular (dúctil, vida més llarga) a intergranular (fràgil, vida més curta) quan s'arriba a una certa combinació de mida de gra d'austenita anterior i fracció de volum de ferrita delta. El material de gra fi-(ASTM 8,5, 18 µm) pot prendre fins a un 6-7% de ferrita delta abans que comenci a trencar-se intergranularment. Per a material de gra gruixut (ASTM 6, 45 µm) és necessària la ferrita delta per sota del 2% per evitar el trencament intergranular. Per garantir el trencament transgranular, una major ductilitat i una vida útil més llarga, durant 10.000 hores de servei a 700 graus, s'han d'especificar 347 beines amb una mida de gra fi (ASTM 8-9) i ferrita delta baixa (2-4%). El marc que es presenta aquí enllaça la mida del gra i el percentatge de ferrita delta amb la transició entre els modes de craqueig transgranular i intergranular que permet als compradors especificar el tractament tèrmic i la química per maximitzar la vida i la ductilitat de ruptura de fluència per a un servei a llarg termini d'alta temperatura.