In che modo la percentuale di lavorazione a freddo precedente ricavata dal disegno del tubo della guaina del riscaldatore 316L controlla la velocità di ricristallizzazione e la crescita del grano durante il servizio a 600 gradi

Parametro di evoluzione microstrutturale per le alte temperature. Conservazione della forza

La percentuale di lavorazione a freddo precedente dalla trafilatura del tubo determina la velocità di ricristallizzazione e il successivo sviluppo del grano che si verifica durante l'esposizione ad alta-temperatura per tubi riscaldanti elettrici avvolti in acciaio inossidabile 316L funzionanti a 600 gradi, che è il limite massimo di servizio per l'uso continuo di questa lega. Come-il tubo trafilato ha immagazzinato energia dalla deformazione plastica (densità di dislocazione corrispondente alla % di lavorazione a freddo). Questa energia immagazzinata provoca la ricristallizzazione a 600 gradi: la produzione di nuovi grani privi di deformazioni che sostituiscono la microstruttura deformata. Il periodo di inizio della ricristallizzazione diminuisce drasticamente con l'aumentare della lavorazione a freddo: al 10% di lavorazione a freddo è di 1.000-2.000 ore; al 20% lavoro a freddo, 200-500 ore; al 30% lavoro a freddo, 50-150 ore. La ricristallizzazione porta alla formazione di grani. Ciò rende grossolana la microstruttura e riduce la resistenza allo scorrimento viscoso.. 10.000 ore di servizio a 600 gradi L'intervallo ottimale di lavoro a freddo è del 10-15% (equilibrio: ritarda la ricristallizzazione abbastanza da sopravvivere 10.000 ore ma non così rapidamente da formare grani grossolani). Questo articolo valuta il legame tra la precedente lavorazione a freddo, la cinetica di ricristallizzazione, lo sviluppo del grano e la vita al creep a 600 gradi.

Meccanismo di ricristallizzazione e crescita del grano in 316L lavorato a freddo

La ricristallizzazione è un processo stimolato termicamente. Nuovi grani nucleano in siti ad alta densità di dislocazioni (confini di grano, bande di deformazione, inclusioni) e si sviluppano nella matrice distorta. La forza motrice è proporzionale all'energia immagazzinata nel lavoro a freddo, che è proporzionale al quadrato dello stress da flusso (quasi lineare con percentuale di lavoro a freddo fino al 30-40%). Il lavoro a freddo porta ad un aumento esponenziale del tasso di nucleazione. Una volta completata la ricristallizzazione, l'espansione del grano avviene tramite migrazione dei bordi guidata da una riduzione dell'area del bordo del grano. I chicchi grandi crescono a scapito dei chicchi piccoli (maturazione Ostwald). La dimensione fine e costante dei grani (ASTM 6-8) fornisce la migliore resistenza allo scorrimento viscoso a 600 gradi C. È dimostrato che i grani a grana molto fine (ASTM 10+) e a grana grossa (ASTM 3-5) riducono la durata dello scorrimento viscoso, rispettivamente mediante lo scorrimento dei bordi dei grani.

Rapporto tra lavorazione a freddo, tempo di ricristallizzazione e dimensione del grano a 600 gradi.

L'invecchiamento isotermico controllato a 600 gradi con esame metallografico periodico è stato utilizzato per determinare i tassi di ricristallizzazione e sviluppo del grano nei tubi 316L trafilati a freddo-:

Previous Cold Work (%) Time to Recrystallise 50% at 600°C (hours) Recrystallised Grain Size After Completion (ASTM, µm) Time to Grain Growth to ASTM 5 (>70 µm, hours) Creep Rupture Life at 80 MPa, 600°C (hours) Recommended for 10,000 hour Service at 600°C 0 (annealed) N/A (no cold work) 8-9 (20-30 µm) initial >20.000 (stabile) 2.500-3.500 Sì (se già in regola)
5 5,000-10,000 8-9 (20-30 µm) 15.000-20,000 3,000-4.000 Sì
10 1,500-3,000 7-8 (25-35 µm) 8.000-12,000 3,500-5.000 Sì (migliore)
12 1,000-2,000 7-8 (25-35 µm) 6.000-9,000 3,500-5.000 Sì
15 500-1,000 6-7 (35-50 µm) 4.000-7,000 3,000-4.500 Accettabile
20 200-500 5-6 (50-70 µm) 2.000-4,000 2,000-3.500 Marginale 25 100-200 4-5 (70-90 µm) 1.000-2,000 1,500-2.500 Non consigliato 30 50-150 3-4 (90-120 µm) 500-1,500 1,000-2,000 Non consigliato 35 30-80 3 (100-130 µm) 300-800 800-1,500 No 40 20-50 2-3 (120-150 µm) 200-500 600-1,000 No
L'influenza della dimensione iniziale del grano sulla cinetica di ricristallizzazione

La velocità di ricristallizzazione dipende dalla dimensione del grano iniziale prima della trafilatura a freddo. Quindi più fine è la sostanza, più velocemente si ricristallizzerà-. Ci sono più siti di nucleazione.

Dimensione iniziale della grana ASTM prima della trafilatura Velocità di ricristallizzazione relativa (10% CW) con la stessa lavorazione a freddo Durata consigliata per lavorazione a freddo di 10.000 ore 10 (estremamente fine, 10 µm) 1,5× (più veloce) 8% 8 (fine, 20 µm) 1,0× (baseline) 10%
6 (medio, 45 µm) 0,7× (più lento) 12%
4 (grossolano, 80 µm) 0,4× (molto più lento) 15% Consigli pratici per la produzione di tubi riscaldanti in 316L

Per le guaine 316L per un servizio a 600 gradi con una durata prevista di 10.000 ore, vengono proposti i seguenti parametri di lavorazione a freddo e trattamento termico pre-.

Durata di servizio desiderata (ore) 600 gradi Lavorazione a freddo suggerita prima della manutenzione (%) Granulometria dopo trattamento termico pre- Dopo 10.000 ore a 600 gradi (ASTM) Durata prevista alla rottura per scorrimento (ore) 5,000 15-20 Nessuna (come disegnato) 5-6 (50-70 µm) 3.000-4,500 10,000 10-12 Nessuno (come disegnato) 6-7 (35-50 µm) 3.500-5,000 10,000 0-5 Ricottura completa + grana fine 7-8 (25-35 µm) 3.000-4,500 20,000 10 Ricottura di stabilizzazione (850 gradi , 2 h) 7 (30-40 µm) 5.000-7,000 20,000 + resistenza alla corrosione 0 Ricottura in soluzione completa + stabilizzazione 7-8 4,000-6.000
Verifica dello stato di ricristallizzazione

Per gli acquirenti che richiedono una certa stabilità microstrutturale vengono offerte due procedure di verifica. Il primo è il test di durezza. La durezza del 316L come-disegnato è 180-320 HV a seconda della lavorazione a freddo. La ricristallizzazione fa sì che la durezza scenda a 140-160 HV (completamente morbido). Se la durezza dopo 1.000 ore a 600 gradi è superiore a 200 HV, la ricristallizzazione non è ancora avvenuta. Il secondo è l'esame metallografico successivo all'attacco (gliceregia o acido ossalico elettrolitico). La formazione di strutture a "collana" (file di nuovi grani fini lungo i precedenti confini dei grani) indica l'inizio della ricristallizzazione.

Conclusione Miglioramento del lavoro a freddo per una durata di servizio di 600 gradi

La cinetica di ricristallizzazione e il successivo sviluppo della grana delle guaine riscaldanti in acciaio inossidabile 316L a 600 gradi sono influenzati dalla percentuale di lavorazione a freddo precedente. La ricristallizzazione si ottiene dopo una lavorazione a freddo del 10-12% e 1.500-3.000 ore, ottenendo una struttura del grano ricristallizzato fine (ASTM 7-8) che mantiene una buona resistenza allo scorrimento viscoso per 10,000+ ore. Una lavorazione a freddo più elevata (20-30%) si traduce in una rapida ricristallizzazione (200-500 ore) e grani grossi (ASTM 4-5) che riducono la resistenza allo scorrimento viscoso del 40-60%. La microstruttura è già ricristallizzata e stabile a meno del 5% di lavorazione a freddo (ricotto), ma la mancanza di incrudimento riduce la resistenza come formata. Per 10.000 ore di servizio a 600 gradi, gli ingegneri che specificano le guaine 316L possono aspettarsi una lavorazione a freddo del 10-15% dalla trafilatura del tubo. Dopo la trafilatura, viene utilizzato un trattamento termico di stabilizzazione (850 gradi, 2 ore) per ottimizzare la microstruttura per la stabilità granulometrica a lungo termine per un servizio superiore a 10.000 ore. Il quadro qui proposto consente agli acquirenti di specificare riduzioni di trafilatura che massimizzano la durata del creep attraverso un'evoluzione microstrutturale controllata mettendo in relazione la percentuale di lavorazione a freddo con la cinetica di ricristallizzazione e lo sviluppo del grano a 600 gradi.