تحت چه ترکیب خاصی از بارش فاز گاما پرایم (') و تنش کششی اعمالی، غلاف گرمکن 316 ترک خوردگی بین دانه‌ای در دمای 650 درجه پس از 10000 ساعت ایجاد می‌کند{1}

بارش{0}}پارامتر برهمکنش تنش برای تردی طولانی مدت خزش

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 مگاپاسکال رسوبات ریز از آلومینیوم باقیمانده (0.005-0.015٪) و تیتانیوم (0.01-0.03٪) در تجاری 316 رایج است. حتی 20000 ساعت نیز برای تنش کمتر از 20MPa باعث ترک خوردن نمی شود. در این مقاله، ارتباط بین سینتیک بارش، تنش اعمال شده و زمان ترک خوردگی بین دانه ای در 650 درجه کمی سازی شده است.

مکانیسم "-تردی بین دانه ای القایی

فولاد ضد زنگ تجاری 316 شامل مقادیر کمی از آلومینیوم (به طور کلی 0.005-0.015%) و تیتانیوم (0.01-0.03%) است که مشخص یا کنترل نشده است. این عناصر با نیکل واکنش می دهند و پس از 5000 تا 10000 ساعت در دمای 650 درجه، گامای اولیه Ni3 (Al, Ti) منسجم را در داخل دانه های آستنیت رسوب می دهند. داخل دانه به شدت توسط ذرات $\\gamma'$ (30-50 HV) سخت می شود. با این حال، مناطقی که مستقیماً نزدیک به مرزهای دانه هستند، هم از مواد تشکیل دهنده و هم از املاح تقویت کننده تهی می شوند. این باعث ایجاد مناطق نرم و ضعیف می شود. تحت تنش کششی اعمال شده، کرنش خزشی در این مناطق نرم حفره‌های هسته‌ای که در امتداد مرز دانه ادغام می‌شوند، قرار می‌گیرد. ترک بین دانه ای است و در تنش های بسیار کمتر از میانگین مقاومت خزشی 7'-free 316 رخ می دهد.

رابطه کمی بین بارش، تنش و شروع ترک خوردگی

پیری طولانی مدت کنترل شده لوله 316 (0.012٪ Al، ​​0.02٪ Ti) در 650 درجه با تنش حلقه اعمال شده (از فشار داخلی یا انبساط حرارتی محدود) چارچوب های زمانی زیر را برای شروع ترک ایجاد کرده است.

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 1,500-2500 Intergranular No
هر هر هر<20 >20000 (بدون کرک) هیچ بله
هر (Al/Ti کم)<0.1 (alloy 316L with <0.005% Al, <0.01% Ti) N/A <100 >20000 فقط خزش بله
تأثیر محتوای آلومینیوم و تیتانیوم بر تشکیل

کسر حجمی در 650 درجه با غلظت (Al + Ti/2) متناسب است. کاهش این عناصر کمیاب باعث کاهش بارش $\\gamma$' می شود.

آلومینیوم (wt%) تیتانیوم (wt%) (Al + Ti/2) کسر حجمی معادل بعد از 10000 ساعت در 650 درجه (%) حداکثر استرس توصیه شده برای 10000 ساعت عمر (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 نامناسب است
توصیه های عملی برای سرویس در 650 درجه

پارامترهای زیر تردی ناشی از گاما پرایم را برای غلاف بخاری 316 برای سرویس 650 درجه با عمر طراحی > 5،{3}}،000 ساعت به حداقل می‌رساند.

عمر سرویس مورد نیاز در 650 درجه (ساعت) حداکثر تنش حلقه ای اعمال شده (MPa) حداکثر Al + Ti/2 (wt%) مورد نیاز بازرسی آلیاژی توصیه شده پس از سرویس
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 ارتقاء به 347 یا 310 N/A 20000<20 <0.015 316L with stabilisation Periodic examination of replica
تائید خطر تشکیل و شکنندگی

خریدارانی که 316 را برای خدمات 650 درجه مشخص می کنند، سه روش تأیید را در دسترس دارند. اولین مورد آنالیز شیمیایی باقیمانده آلومینیوم و تیتانیوم است: 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 درصد به<20% is evidence of γ' embrittlement. 3.hardness monitoring: a rise from 160-180 HV to >200-220 HV پس از خدمات مشخصه تولید است.

نتیجه‌گیری: AL/TI کم برای انعطاف‌پذیری طولانی‌مدت خزش 650 درجه سانتی‌گراد

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% درصد حجم به کاهش می یابد<0.5% after 10,000 hours and the threshold stress for cracking increased to >60 مگاپاسکال با تعیین 316L با حداکثر آلومینیوم 0.008٪ و تیتانیوم 0.015٪ (Al+Ti/2<0.016%). For service with an applied stress >40 مگاپاسکال در 650 درجه، توصیه می شود به 347 (نیوبیوم تثبیت شده) یا فولاد ضد زنگ 310 ارتقا دهید (در این دما تشکیل نمی شود). کار حاضر چارچوبی را برای ارتباط «سینتیک بارش و تنش اعمالی» با شروع ترک بین دانه‌ای در 650 درجه ارائه می‌کند، که می‌تواند توسط خریداران برای تعیین محدودیت‌هایی در عناصر کمیاب استفاده شود که منجر به شکنندگی طولانی‌مدت غلاف 316 بخاری نشود.