چگونه دندانه زدن مرز دانه آستنیت قبلی پس از بازپخت محلول لوله غلاف گرمکن 316 مقاومت حفره خزشی را در 600 درجه برای خدمات 10000 ساعته کنترل می کند

روش-درجه حرارت بالا برای مهندسی رابط

شکل مرزهای دانه آستنیت قبلی تأثیر عمده ای بر مقاومت حفره خزشی 316 لوله گرمایش الکتریکی پیچیده شده از جنس استنلس استیل دارد که در 600 درجه استفاده می شود، حد بالایی برای عملکرد مداوم این آلیاژ در کاربردهای گرمایش هوا یا گاز. بازپخت محلول استاندارد (1040 درجه و به دنبال آن سرد شدن سریع) منجر به مرزهای دانه مستقیم یا کمی خم شده می شود. عملیات حرارتی اصلاح‌شده با استفاده از خنک‌سازی تأخیری از 1100 درجه و یک تیمار پیری دو مرحله‌ای (ابتدا در 950 درجه و سپس در 850 درجه) منجر به مرزهای دانه‌دار از نوع دندانه‌دار یا «زیگزاگی» می‌شود که در آن صفحه مرزی 25-5 میکرومتر غیرمسطح است. موج‌ها در مرزهای دانه دندانه‌دار تنش مورد نیاز برای لغزش مرز دانه و هسته‌زایی حفره را افزایش می‌دهند و بنابراین با هسته‌زایی حفره‌ای خزشی مخالفت می‌کنند. در 600 درجه و تنش اعمالی 80 مگاپاسکال (نماینده سطوح تنش حلقه معمولی برای غلاف بخاری)، مرزهای دانه دندانه دار عمر گسیختگی خزش را با ضریب 2.5-4.0 در مرزهای مستقیم افزایش می دهد. این مقاله ارتباط بین دامنه دندانه‌های مرز دانه، زمان تا هسته‌زایی کاویتاسیون و عمر خزش در دمای 600 درجه سانتی‌گراد را کمی‌سازی می‌کند.

مکانیسم دندانه‌داری-مقاومت در برابر خزش افزایش یافته است

خزش فولادهای زنگ نزن آستنیتی در 600 درجه شامل تغییر شکل از طریق سر خوردن نابجایی ها در داخل دانه ها و لغزش مرزهای دانه است. حفره ها در نقاط سه گانه مرزی دانه ها و در ذرات فاز دوم (کاربیدها) روی مرزها هنگامی که لغزش غلظت تنش محلی ایجاد می کند، هسته می شود. مرز دانه های دندانه دار (همچنین به عنوان "مهاجرت" یا "ویگیل" شناخته می شود) با سه روش در برابر کاویتاسیون مقاومت می کنند. اول، موج‌های هندسی به‌عنوان قفل‌های مکانیکی عمل می‌کنند و از جابجایی نسبی دانه‌های همسایه تا اعمال نیروهای برشی بزرگ‌تر جلوگیری می‌کنند. دوم، حفره های هسته دار باید در امتداد یک مسیر غیرمسطح منتشر شوند، که از نظر انرژی پرهزینه تر از انتشار در امتداد یک مرز مستقیم است. سوم، فرآیند دندانه‌زنی اغلب کاربیدهای درون دانه‌ای ریز را رسوب می‌دهد که درون دانه را تقویت کرده و نرخ کرنش خزشی را کاهش می‌دهد.

رابطه کمی بین دامنه دندانه و عمر خزش در 600 درجه

لوله 316 برای ارائه درجات مختلف دندانه مرزهای دانه (اندازه گیری شده با دامنه قله به دره) به دنبال آزمایش خزش در 600 درجه و 80 مگاپاسکال، روابط زیر را قادر ساخته است.

دامنه دندانه‌های مرزی دانه (μm) عملیات حرارتی برای دستیابی به زمان دندانه‌زنی تا 1% کاویتاسیون خزشی (ساعت، 600 درجه، 80 مگاپاسکال) عمر گسیختگی خزش (ساعت، 600 درجه، 80 مگاپاسکال) عمر خزشی نسبی (مستقیم {{5} برای 0 درجه استاندارد) توصیه می‌شود 1,040 درجه , خاموش کردن آب 800-1,200 2,500-3,500 1.0× حاشیه 2-5 Anneal 1,050 درجه , خنک کردن آهسته تا 950 درجه , 1 ساعت نگه دارید, خاموش کردن آب 1,200-1,{21}5-5-5,{0,50 قابل قبول 1,080 درجه , خنک تا 950 درجه نگه دارید 2 ساعت, 850 درجه نگه دارید 2 ساعت, خنک کند آهسته 1,800-3,000 5,000-8,000 2.0× توصیه شده 10-15 آنیل 1,100 درجه , گام خنک 1,000 درجه → 90 درجه هوا 3,000-5,000 8,000-12,000 3.0× بهترین برای عمر طولانی
15-20 چرخه حرارتی ویژه (3 مرحله ای با تغییر شکل متوسط) 5,000-7,000 10,000-15,000 4.0× Best (special order)20 همانطور که در بالا به همراه پیری طولانی مدت 6,000-8,{10}},,000-18,{12}
تاثیر کربن و نیتروژن بر تشکیل دندانه

در طول سرد شدن، مرزهای دانه از طریق مهاجرت مرزی دندانه می‌شوند که به کمک بارش کاربیدها و نیتریدها در مرز متحرک کمک می‌کند. دندانه زدن با غلظت کربن و نیتروژن افزایش می یابد.

محتوای کربن (wt%) محتوای نیتروژن (wt%) دامنه دندانه‌ای قابل دستیابی (μm) با مرحله استاندارد-زمان عملیات حرارتی توصیه‌شده خنک در 950 درجه (ساعت)<0.020 <0.05 2-5 1 0.020-0.030 0.05-0.07 5-10 2 0.030-0.040 0.07-0.10 10-15 4 0.040-0.050 0.10-0.12 15-20 6 >0.050 >0.12 >20 8 (خطر ایجاد حساسیت)
عملی Crept{0}}مشخصات عملیات حرارتی خدمات محدود

معیارهای عملیات حرارتی پیشنهادی برای 316 هیتر روکش دار برای سرویس 600 درجه سانتیگراد، عمر طراحی 10000 ساعت به شرح زیر است.

Creep Life at 600°C Required (hours) Minimum Serration Amplitude (µm) Heat Treatment RecommendedCooling After TreatmentSensitisation Risk 3,000-5,000 3 1,050°C 1h + 950°C 1h Air cool Low (use 316L) 5,000-8,000 6 1,080°C 1h + 950°C 2h + 850°C 2h Slow cool (50°C/h) Moderate (316L required) 8,000-12,000 10 1,100°C 1h + step-cool 1,000→900→800°C (2h each) Slow cool to 500°C then air Moderate-high (use 316L with Ti stabilization) >12،000 15 حرارت ویژه-درمان مکانیکی کنترل شده بالا (ارتقا به 347)
راستی‌آزمایی دندانه‌بندی مرز دانه

خریدارانی که خواهان مرزهای دانه دندانه دار برای مقاومت در برابر خزش در دمای بالا هستند، دو روش تأیید در دسترس دارند. اولین مورد یک بازرسی متالوگرافی پس از اچینگ الکترولیتی است (اسید اگزالیک 10٪، 6 ولت DC، 60 ثانیه). حاشیه های دندانه دار در بزرگنمایی 500-1000× به وضوح قابل مشاهده بودند و دامنه از طریق تجزیه و تحلیل تصویر تعیین شد. روش دوم، نگاشت کاراکتر مرز دانه پراش پراکندگی پس الکترون (EBSD)، واگرایی از مرزهای مسطح ایده آل را اندازه گیری می کند. برای مشخصات خرید باید حداقل دامنه دندانه (به عنوان مثال{10}} میکرومتر) مشخص شود.

شناسایی میدانی شکست خزش در Serrate در مقابل مرزهای مستقیم

بررسی سطح شکست مورفولوژی مرز دانه را برای یک بخاری 316 که با خزش در دمای 600 درجه سانتیگراد شکست خورده است، آشکار می کند. شکستگی بین دانه ای است و دانه ها با وجهی صاف با حاشیه های مستقیم هستند. مسیر شکستگی با مرزهای دندانه‌دار پیچیده‌تر است و دانه‌های منفرد می‌توانند «گام‌هایی» روی سطح شکستگی نشان دهند. مواد مرزی دندانه دار- زمان بسیار طولانی تری برای شکست خواهند داشت. دندانه زدن به ماسبق برای بخاری های موجود با خرابی های مرزی مستقیم امکان پذیر نیست. بخاری های جایگزین باید با استاندارد عملیات حرارتی دندانه دار سفارش داده شوند.

نتیجه گیری: عمر خزشی مرزهای دانه دندانه دار در 600 درجه

شکل مرزی دانه آستنیت قبلی یک مشخصه ریزساختاری مهم است که مقاومت در برابر کاویتاسیون خزشی را برای بخاری های 316 فولادی ضد زنگ که در 600 درجه کار می کنند، تعیین می کند. مرزهای مستقیم (بازپخت محلول استاندارد) در 800-1200 ساعت حفره می‌شوند و در 2500-3500 ساعت در تنش 80 مگاپاسکال پاره می‌شوند. مرزهای دندانه‌دار 6-15 $\\mu$m دامنه شروع کاویتاسیون را تا 1800-5000 ساعت و عمر گسیختگی تا 5000-12000 ساعت (بهبود 2-4 برابر){15}} غلاف‌ها را باید مشخص کرد تا نیاز به عملیات خنک‌کننده گام‌های درجه‌ای با حداقل درجه حرارت سردکننده داشته باشد. 6-10 mum برای خدمات 10000 ساعت در 600 درجه سانتیگراد. این استراتژی مهندسی رابط، همراه با محتوای کنترل شده کربن و نیتروژن (0.03-0.05٪ C، 0.08-0.12٪ N) عملکرد ضعیف 316 را به خدمات طولانی مدت قابل اعتماد تغییر می دهد. چارچوب داده شده دامنه دندانه‌های مرز دانه را با زمان‌های شروع حفره خزشی و گسیختگی قابل اندازه‌گیری در 600 درجه متصل می‌کند، و به خریداران این فرصت را می‌دهد که درخواست عملیات حرارتی کنند که استحکام دمای بالا را از طریق هندسه مرز دانه‌ای بهینه می‌کند.