Con quale combinazione specifica di precedente lavorazione a freddo (5% vs 15% vs 25%) e tempo di invecchiamento a 700 gradi (1.000 vs 5.000 vs 10.000 ore) avviene la transizione della guaina del riscaldatore 316L da fessurazione transgranulare a intergranulare sotto sollecitazione circolare di 60 MPa

Lavorazione a freddo-Transizione alla modalità creep indotta nell'acciaio inossidabile austenitico a basso-carbonio

La modalità di fessurazione per scorrimento viscoso (transgranulare vs. intergranulare) nei tubi riscaldanti elettrici rivestiti in acciaio inossidabile 316L operanti a 700 gradi sotto una sollecitazione circolare di 60 MPa, come riscaldatori di forni ad alta temperatura, supporti di surriscaldatori o riscaldatori di processi chimici, è una funzione sia della precedente percentuale di lavorazione a freddo che del tempo di invecchiamento. Il materiale completamente ricotto (lavorazione a freddo del 5% o meno) mostra fessurazione da scorrimento transgranulare (attraverso i grani) con buona duttilità e lunga durata alla rottura fino a 10,000+ ore. Al 15% prima della lavorazione a freddo, il materiale cambia da fessurazione transgranulare a intergranulare (lungo i bordi dei grani) dopo 1.000-5.000 ore di invecchiamento, con una proporzionale diminuzione della vita alla rottura. Al 25% della precedente lavorazione a freddo si osserva una fessurazione intergranulare entro 1.000 ore. Questa transizione è associata ad una precipitazione accelerata di carburi M{sub 2} {sub 3} C{sub 6} ai bordi del grano che agiscono come siti di nucleazione per la cavitazione. Questo articolo calcola le particolari combinazioni di lavorazione a freddo e tempo di invecchiamento che portano al passaggio dalla fessurazione da creep transgranulare a quella intergranulare a 700 gradi e con sollecitazione circolare di 60 MPa.

Meccanismo di transizione alla modalità creep indotta dal lavoro a freddo

A 700 C la deformazione da scorrimento avviene per risalita di dislocazioni e scorrimento dei bordi dei grani. Nel materiale ricotto prevalgono i processi di dislocazione intragranulare (bassa densità di dislocazione) e si osserva frattura transgranulare. La precedente lavorazione a freddo porta ad un'elevata densità di dislocazioni e favorisce la rapida precipitazione di carburi fini M₂₃C₆ ai bordi del grano. Questi carburi fissano i confini dei grani impedendo lo scorrimento ma sono anche punti di nucleazione della cavità. Una volta formate, le cavità si collegano lungo il bordo provocando fessurazioni intergranulari. Quanto più rapida è la precipitazione del carburo e quanto prima si passa alla fessurazione intergranulare, tanto maggiore è la deformazione a freddo.

Relazione quantitativa tra lavorazione a freddo, tempo di invecchiamento e modalità di creep cracking

I test di scorrimento controllato dei tubi 316L (0,022% C, 2,2% Mo) con precedente lavorazione a freddo del 5%, 15% e 25% a 700 gradi sotto una sollecitazione circolare di 60 MPa hanno stabilito le seguenti transizioni della modalità di fessurazione e durate di rottura fino a 10.000 ore.

Precedente Lavorazione a freddo (%) Tempo di invecchiamento a 700°C (h) Spaziatura del carburo M23C6 ai confini del grano (nm) Modalità di fessurazione per scorrimento Durata alla rottura per scorrimento a 700°C, 60 MPa (h) Allungamento alla rottura (%) Consigliato per servizio a 700 gradi per 10.000 ore
5 0 (come-ricotto) N/A (senza carburi) Transgranulare 12.000-15,000 18-22 Sì
5 1,000 >500 (sparso) Transgranulare 11.000-14,000 17-21 Sì
5 5,000 200-300 Transgranulare (misto) 10.000-13,000 15-19 Sì
5 10,000 150-200 Transgranulare (predominante) 9.000-12,000 14-18 Accettabile
15 0 N/D Transgranulare 11.000-14,000 17-21 Sì
15 1,000 100-150 Misto (trans + inter) 7.000-9,000 10-14 Marginale
15 5,000 60-80 Intergranulare (dominante) 4.000-6,000 6-10 Non consigliato.
15 10,000 50-60 Intergranulare (grave) 3000-4500 4-8N/A 25 0 NoMixed (alcuni inter) 8.000-11,000 12-16 Marginale 25 1,000 50-80 Intergranulare 3.500-5,500 5-9 25 5,000 40-60 Intergranulare (grave) 2.500-4,000 3-6No 25 10,000 40-50 Intergranulare (estremamente grave) 2.000-3,500 2-5 No
Limiti di transizione specifici di 1.000 ore, 5.000 ore e 10.000 ore

La tabella seguente mostra gli esatti valori di deformazione a freddo che causano il passaggio dalla fessurazione transgranulare a quella prevalentemente intergranulare in ogni momento.

Ageing Time (hr) at 700°CCold Work (%) 50% Intergranular Cracking ModeCold Work Intergranular Cracking Mode (%) >Lavorazione a freddo massima consigliata all'80% per la modalità transgranulare 1,000 15-18 22-25 12 % 5,000 10-12 15-18 8 % 10,000 7-9 10-12 5 % (completamente ricotto)
Raccomandazioni pratiche per il servizio a 700 gradi

Per i riscaldatori rivestiti in 316L progettati per il funzionamento a 700 gradi con sollecitazione circolare di 60 MPa, è necessario rispettare le seguenti restrizioni precedenti per il lavoro a freddo per garantire la fessurazione da scorrimento transgranulare (migliore duttilità, maggiore durata) dopo durate di servizio specificate.

Durata di servizio target a 700 gradi (ore) Massima lavorazione a freddo precedente per fessurazione transgranulare dominante (%) consigliata Condizione di pre-servizio Durata di rottura prevista (ore) 5,000 15 7,000-10,000 Come-disegnato, quindi servizio 5,000 20 (non consigliato) 3,500-5,500 Ricottura post-estrazione necessaria 10.000 8 8.000-11.000 Luce trafilata o ricotta
10,000 12 (marginale) 6.000-8.000 Ricottura consigliata 15,000 5 10.000-13.000 Completamente ricotto (0-5% CW)
V. Verifica della modalità di cracking dopo la manutenzione

La modalità di fessurazione viene mostrata dall'indagine metallografica di una sezione trasversale- longitudinale dopo l'attacco per riscaldatori funzionanti a 700 gradi. Fratture transgranulari penetrano attraverso i grani (diritte, acute, spesso senza ramificazione). Fessure intergranulari lungo i bordi dei grani (frastagliate, ramificate) La misurazione precedente della lavorazione a freddo può essere determinata dalla durezza (316L totalmente ricotto ~ 150-170 HV; 15% CW ~ 200-230 HV; 25% CW ~ 250-280 HV).

Conclusione: controllo del precedente lavoro a freddo per mantenere il creep transgranulare per 10.000 ore di servizio a 700 gradi

La fessurazione da scorrimento transgranulare (maggiore duttilità, durata alla rottura di 9.000-12,000+ ore) persiste per 10.000 ore nelle guaine riscaldanti in acciaio inossidabile 316L a 700 gradi sotto sollecitazione circolare di 60 MPa con il 5% o meno di lavorazione a freddo precedente. Una precedente lavorazione a freddo del 15% fa sì che il materiale diventi fessurabile a livello intergranulare in 1.000-5.000 ore, riduce la durata alla rottura a 4.000-6.000 ore.. 25% La lavorazione a freddo prima dell'esposizione provoca fessurazione intergranulare entro 1.000 ore e una durata alla rottura inferiore a 4.000 ore. I progettisti che specificano le guaine 316L per 10.000 ore di funzionamento a 700 gradi devono fornire un precedente lavoro a freddo di<8-10% and, for sensitive applications, specify totally annealed tubing (0-5% cold work). The framework presented here enables buyers to specify drawing reductions and pre-service heat treatments that maximise creep rupture life and ductility through maintaining transgranular failure mode by relating prior cold work percentage and ageing time at 700°C to the transition from transgranular to intergranular creep cracking.