In che modo la precedente seghettatura del confine del grano di austenite dopo la solubilizzazione del tubo della guaina del riscaldatore 316 controlla la resistenza alla cavitazione da scorrimento a 600 gradi per un servizio di 10.000 ore

Metodologia di resistenza alle alte-temperature per l'ingegneria delle interfacce

La forma dei precedenti bordi del grano dell'austenite ha una grande influenza sulla resistenza alla cavitazione dei tubi riscaldanti elettrici avvolti in acciaio inossidabile 316 impiegati a 600 gradi, il limite massimo per il funzionamento continuo di questa lega in applicazioni di riscaldamento di aria o gas. La solubilizzazione standard (1.040 gradi seguita da un rapido raffreddamento) porta a bordi del grano diritti o leggermente piegati. Un trattamento termico modificato utilizzando un raffreddamento ritardato da 1.100 gradi e un trattamento di invecchiamento in due fasi (prima a 950 gradi e poi a 850 gradi) si traduce in bordi di grano di tipo seghettato o "a zigzag" in cui il piano di confine non è-planare di 5-25 µm. Le ondulazioni nei bordi seghettati del grano aumentano lo stress richiesto per lo scorrimento del bordo grano e la nucleazione della cavità e quindi si oppongono alla nucleazione della cavitazione viscosa. A una sollecitazione applicata di 600 gradi e 80 MPa (che rappresenta i livelli comuni di sollecitazione circolare per le guaine dei riscaldatori), i bordi seghettati del grano aumentano la durata della rottura da scorrimento di un fattore di 2,5-4,0 rispetto ai bordi diritti. Questo articolo quantifica il legame tra l'ampiezza della dentellatura del bordo grano, il tempo alla nucleazione della cavitazione e la vita al creep a 600 o C.

Meccanismo di dentellatura-Maggiore resistenza allo scorrimento

Lo scorrimento degli acciai inossidabili austenitici a 600 gradi comporta la deformazione tramite lo scorrimento delle dislocazioni all'interno dei grani e lo scorrimento dei bordi dei grani. Le cavità si nucleano nei punti tripli del bordo del grano e nelle particelle della seconda fase (carburi) sui bordi quando lo scorrimento crea concentrazioni di stress locali. I bordi del grano seghettati (noti anche come "migrati" o "sinuosi") resistono alla cavitazione con tre metodi. Innanzitutto, le ondulazioni geometriche funzionano come blocchi meccanici, impedendo spostamenti relativi dei grani vicini finché non vengono applicate forze di taglio maggiori. In secondo luogo, le cavità nucleate devono propagarsi lungo un percorso non planare, che è più costoso in termini energetici rispetto alla propagazione lungo un confine rettilineo. In terzo luogo, il processo di seghettatura spesso co-precipita fini carburi intragranulari che rinforzano la parte interna del grano e riducono la velocità di deformazione viscosa.

Relazione quantitativa tra ampiezza della seghettatura e vita strisciante a 600 gradi

316 per fornire diversi gradi di seghettatura dei bordi del grano (misurati dall'ampiezza dal picco alla valle) seguiti da prove di scorrimento a 600 gradi e 80 MPa ha consentito di stabilire le seguenti relazioni.

Ampiezza di seghettatura al confine del grano (μm) Trattamento termico per ottenere un tempo di seghettatura fino all'1% di cavitazione di scorrimento (ore, 600 gradi, 80 MPa) Vita di rottura strisciante (ore, 600 gradi, 80 MPa) Vita di scorrimento relativa (diritto=1.0) Consigliata per servizio a 600 gradi 0 (diritto) Ricottura standard 1.040 gradi, acqua tempra 800-1,200 2,500-3,500 1.0× Marginale 2-5 Ricottura 1.050 gradi, raffreddamento lento fino a 950 gradi, mantenimento 1 ora, tempra in acqua 1.200-1,800 3,500-5,000 1.4× Accettabile 5-10 Ricottura 1.080 gradi, raffreddamento a 950 mantenimento di gradi 2 ore, mantenimento di 850 gradi 2 ore, raffreddamento lento 1.800-3,000 5,000-8,000 2.0× Consigliato 10-15 Ricottura 1.100 gradi, raffreddamento graduale 1.000 gradi →900 gradi →800 gradi (2 ore ciascuno), raffreddamento ad aria 3.000-5,000 8,000-12,000 3.0× Ideale per una lunga durata
15-20 Cicli termici speciali (3 fasi con deformazione intermedia) 5.000-7,000 10,000-15,000 4.0× Migliore (ordine speciale)20 Come sopra più invecchiamento prolungato 6.000-8,000 12,000-18,000 4.5× Solo applicazione speciale
Influenza del carbonio e dell'azoto sulla formazione della seghettatura

Durante il raffreddamento, i bordi del grano diventano seghettati attraverso la migrazione dei bordi, assistita dalla precipitazione di carburi e nitruri sul bordo in movimento. La seghettatura viene aumentata dalle concentrazioni di carbonio e azoto.

Contenuto di carbonio (in peso%) Contenuto di azoto (in peso%) Ampiezza di seghettatura ottenibile (μm) con passaggio standard-Tempo di trattamento termico consigliato a freddo a 950 gradi (ore)<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 (rischio di sensibilizzazione)
Pratiche Crept-Specifiche per il trattamento termico a servizio limitato

I criteri di trattamento termico suggeriti per i riscaldatori con guaina 316 per servizio a 600 C, durata di progetto di 10.000 ore sono i seguenti.

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 Speciale trattamento termo-meccanico Controllato Alto (upgrade a 347)
Verifica della seghettatura del confine del grano

Gli acquirenti che desiderano bordi di grano seghettati per la resistenza allo scorrimento alle alte temperature hanno a disposizione due metodi di verifica. Il primo è un'ispezione metallografica successiva all'attacco elettrolitico (acido ossalico al 10%, 6 V CC, 60 s). I margini seghettati erano chiaramente visibili con un ingrandimento di 500-1.000× e l'ampiezza è stata determinata tramite l'analisi delle immagini. La seconda tecnica, la mappatura dei caratteri dei confini dei grani mediante diffrazione retrodiffusa di elettroni (EBSD), misura la divergenza dai confini planari ideali. Per le specifiche di approvvigionamento dovrebbe essere specificata un'ampiezza minima di dentellatura (ad es. . 6 µm).

Identificazione sul campo del cedimento da scorrimento su confini seghettati rispetto a confini diritti

L'esame della superficie di frattura rivelerà la morfologia del bordo grano per un riscaldatore 316 che ha ceduto per scorrimento viscoso a 600°C. La frattura è intergranulare ed i grani sono sfaccettati piani con bordi diritti. Il percorso della frattura è più contorto con bordi seghettati e i singoli grani possono mostrare "scalini" sulla superficie della frattura. Il materiale di confine-seghettato avrà un tempo di rottura molto più lungo. La seghettatura retroattiva non è possibile per i riscaldatori esistenti con guasti-limite diretti. I riscaldatori sostitutivi devono essere ordinati con il trattamento termico a seghettatura standard.

Conclusione: durata di scorrimento dei confini del grano seghettato a 600 gradi

La precedente forma del bordo del grano dell'austenite è un'importante caratteristica microstrutturale che determina la resistenza alla cavitazione da scorrimento per i riscaldatori rivestiti in acciaio inossidabile 316 che funzionano a 600 gradi. I confini diritti (ricottura in soluzione standard) cavitano a 800-1200 ore e si rompono a 2500-3500 ore con una sollecitazione di 80 MPa. I bordi seghettati di ampiezza di 6-15 $\\mu$m allungano l'inizio della cavitazione a 1.800-5.000 ore e la durata alla rottura a 5.000-12.000 ore (miglioramento di 2-4 volte). 316 le guaine dovrebbero essere specificate per richiedere un trattamento termico di raffreddamento graduale per produrre bordi seghettati del grano con un'ampiezza minima di 6-10 μ m per 10.000 ore di servizio a 600 gradi C. Questa strategia di ingegneria dell'interfaccia, insieme al contenuto controllato di carbonio e azoto (0,03-0,05% C, 0,08-0,12% N) trasforma le scarse prestazioni del 316 in un servizio affidabile di lunga durata. La struttura fornita collega l'ampiezza della dentellatura del bordo del grano con l'inizio misurabile della cavitazione di scorrimento e i tempi di rottura a 600 gradi, offrendo agli acquirenti l'opportunità di richiedere trattamenti termici che ottimizzano la resistenza alle alte temperature attraverso la geometria del bordo del grano.