In che modo la frazione volumetrica della segregazione del boro intergranulare inferiore a 50 ppm B nella tubazione della guaina del riscaldatore 316L controlla il miglioramento della duttilità di scorrimento a 650 gradi per un servizio di 20.000 ore

Effetti degli oligoelementi sulla coesione dei bordi del grano e sulla resistenza alla cavitazione

Per i tubi riscaldanti elettrici rivestiti in acciaio inossidabile 316L che funzionano a 650 C per periodi di tempo prolungati (20,000+ ore), l'aggiunta di tracce di boro (solitamente 20-50 ppm) alla lega può migliorare significativamente la duttilità da scorrimento viscoso ed estendere la durata della rottura da scorrimento viscoso segregando ai bordi dei grani e migliorando la coesione dei bordi dei grani. Il boro non è un'aggiunta standard al 316L, ma può essere residuo di rottami o aggiunto appositamente in alcuni gradi elevati. La segregazione del boro ai bordi dei grani a valori ottimali (20-30 ppm B) riduce il tasso di diffusione dei bordi dei grani e l'insorgenza della cavitazione per scorrimento viscoso, determinando aumenti dell'allungamento alla rottura per scorrimento viscoso dal 10-15% al ​​25-35% e aumenti della durata alla rottura per scorrimento viscoso del 30-50%. Al di sopra di 50-70 ppm di B, il boro in eccesso forma fragili particelle di boruro (es. Fe 2 B, Cr 2 B) vicino ai bordi dei grani, diminuendo la duttilità. L'impatto positivo è minimo, inferiore a 15 ppm di B. Questo articolo quantifica il collegamento tra il contenuto di B, la segregazione ai bordi dei grani e la duttilità allo scorrimento viscoso a 650 gradi per 20.000 ore di servizio.

Meccanismo di aumento della duttilità di scorrimento indotto dal boro

Il boro è un minuscolo elemento interstiziale che segrega fortemente ai bordi del grano (fattore di segregazione di 10-100). Il boro ai bordi del grano abbassa la diffusività del bordo del grano del cromo e del ferro a 650 gradi, ritardando la velocità di nucleazione e crescita della cavità di scorrimento. Il boro aiuta anche a tenere insieme meglio i bordi dei grani, rendendo più difficile la crescita delle cavità. Alla concentrazione ideale di boro, la copertura ai bordi dei grani è quasi un monostrato completo (~0,2-0,5 monostrato, corrispondente all'1-2 at% ai bordi dei grani). Al di sopra di questa soglia il boro diventa sovrasaturo e precipita come boruri duri e fragili (M2B) ai bordi dei grani e ai punti tripli che sono siti per la nucleazione rapida delle cavità.

Correlazione quantificata tra concentrazione di boro e duttilità di scorrimento a 650 gradi

È stato riscontrato che aggiunte controllate di boro a 316L (0,015% C, 0,08% N, 2,2% Mo, resto Fe) valutate a 650 gradi e 80 MPa per un massimo di 20.000 ore presentano le seguenti proprietà di scorrimento viscoso.

Contenuto di boro (ppm) Segregazione del boro al confine del grano (proporzione monostrato stimata) M_2_B Frazione del volume del boruro (%) Allungamento alla rottura per scorrimento a 650 gradi, 80 MPa (%) Vita alla rottura per scorrimento (ore) Vita relativa alla rottura (B-Baseline libera) Consigliata per 20.000 ore di servizio a 650 gradi 0 (B-libero) 0 0 12-18 8,000-12,000 1.00× Accettabile 5-10 0.1-0.2 0 15-20 10,000-14,000 1.10-1.20× Accettabile 10-15 0.2-0.3 0 18-24 11,000-15,000 1.20-1.35× Sì 15-20 0.3-0.4 0 22-28 12,000-17,000 1.35-1.50× Sì 20-25 0.4-0.5<0.01 25-32 14,000-18,000 1.50-1.60× Best 25-30 0.5-0.7 0.01-0.02 24-30 13,000-17,000 1.40-1.55× Yes 30-40 0.7-0.9 0.02-0.05 20-26 12,000-15,000 1.20-1.35× Acceptable 40-50 0.9-1.0 (near monolayer) 0.05-0.10 16-22 10,000-13,000 1.00-1.20× Marginal 50-70 Fully saturated 0.10-0.20 12-18 8,000-11,000 0.80-1.00× Not recommended 70-10
Effetto dell'azoto sulla segregazione del boro

L'azoto compete con il boro per i siti di segregazione ai confini del grano. L'effettiva segregazione del boro diminuisce con l'aumento dell'azoto.

Contenuto di azoto (ppm) Intervallo ideale di boro per la massima duttilità di scorrimento (ppm) Allungamento alla rottura di scorrimento al rapporto B ideale (%)B:N consigliato<200 20-30 28-35 >0.10 200-400 25-35 25-30 0.08-0.12 400-600 30-40 22-28 0.06-0.08 600-800 35-50 (less effective) 18-24 0.05-0.07 >800Non consigliato<18 N/A Practical Recommendations for 650°C Boron-Enhanced 316L

La duttilità di scorrimento ottimale dei riscaldatori rivestiti in 316L per un servizio di 20.000 ore a 650 gradi si ottiene ai seguenti livelli di boro.

Durata di servizio desiderata a 650 gradi (ore) Intervallo possibile del boro (ppm) Boro per evitare l'infragilimento (max.) (ppm) Azoto minimo (ppm) Vita di scorrimento prevista (ore) 10,000 10-30 50<600 10,000-15,000 15,000 15-25 40 <500 12,000-18,000 20,000 20-25 30 <400 15,000-18,000 25,000 20-25 25 <300 16,000-20,000
Verifica e segregazione del contenuto di boro

There are three ways purchasers looking for boron-enhanced 316L can confirm it. First is chemical analysis (ICP or GDMS) for total boron content: acceptability 20-30 ppm. The second is secondary ion mass spectroscopy (SIMS) or Auger electron spectroscopy (AES) to measure grain boundary boron segregation (needs fracture in vacuum). Acceptance: covering of grain boundaries is 0.4-0.7 monolayer. 3. creep screening test: 650°C, 80 MPa; time to 1% strain >2,000 hours and elongation >25% accettabile.

Conclusione: ottimizzazione del boro per una vita residua di 20.000 ore a 650 gradi

L'aggiunta di 20-30 ppm di boro alle guaine riscaldanti in acciaio inossidabile 316L a 650 gradi segrega ai bordi dei grani, aumentando l'allungamento alla rottura per scorrimento viscoso dal 12-18% al 25-32% e la durata alla rottura del 30-50% (da 8.000-12.000 ore a 12.000-18.000 ore). Ma al di sotto di 15 ppm il vantaggio è minimo. Un eccesso di boro superiore a 50-70 ppm crea boruri di bordo del grano fragili (M 2 B) che diminuiscono la duttilità e la longevità. Se un ingegnere specifica guaine 316L per 20.000 ore di servizio a 650 gradi, dovrebbe richiedere un'aggiunta regolamentata di boro di 20-30 ppm e un limite di azoto di<400-500 ppm. The approach proposed here links boron concentration and grain boundary segregation to creep ductility and rupture life at 650°C, enabling purchasers to specify boron-optimized 316L that maximises high-temperature creep performance through improved grain boundary cohesion.