Come funziona la frazione di volume della precipitazione della fase di Laves (Fe₂Mo) a 650 gradi durante il servizio a lungo-termine della guaina del riscaldatore 316L Controllo della rottura da scorrimento Riduzione della duttilità

Effetto della fase intermetallica ricca di molibdeno- sull'infragilimento

For 316L stainless steel sheathed electric heating tubes operating at 650°C for long periods (5,000-20,000 hours)-such as in superheater supports, high temperature furnace heaters or petrochemical process heaters-the precipitation of Laves phase (Fe2Mo), an intermetallic compound rich in molybdenum and iron, causes a marked reduction in creep rupture ductility (measured as percent elongation at fracture) even prior to a marked reduction in creep rupture strength. The Laves phase precipitates at lower temperatures (550-700°C) with a maximum production rate at about 650°C, than sigma (σ) and chi (χ) phases which form at higher temperatures and impart significant embrittlement. Laves phase precipitates as tiny (50-200 nm) particles within grains and on grain borders. Low volume fractions (0.5-1.0%) can reduce creep rupture elongation from >20% (duttile) a<5-10% (brittle) and hence increase the likelihood of rapid catastrophic failure with little preceding deformation (bulging or swelling). This article quantifies the association of Laves phase volume fraction, ageing period at 650°C and creep rupture ductility for 316L heater sheaths.

Meccanismo di infragilimento in fase di Laves

La fase di Laves (Fe2Mo) è una struttura esagonale chiusa-impacchettata (HCP), ricca di molibdeno (Mo 35-45%) e silicio (Si 3-5%). Precipita dalla matrice sovrasatura di austenite in caso di esposizione prolungata a 550-700 gradi. La cinetica della precipitazione è lenta rispetto alla fase chi con > 1.000-2.000 ore a 650°C per ottenere frazioni volumetriche significative. La fase è dura e fragile e la presenza di tali fasi porta a facili percorsi di frattura, soprattutto quando abbelliscono i bordi di grano. A differenza delle fasi chi e sigma, che diminuiscono anche la resistenza, la fase di Laves infragilisce principalmente il materiale e riduce la capacità di deformarsi plasticamente prima della rottura. Ciò è particolarmente dannoso nelle guaine dei riscaldatori perché il sintomo convenzionale di guasto è il rigonfiamento (aumento del diametro) dovuto allo scorrimento. Nell'infragilimento in fase di Laves, la rottura può avvenire rapidamente senza alcuna evidente deformazione precedente.

Correlazione quantitativa tra la frazione volumetrica della fase di Laves e la duttilità di rottura a 650 gradi

L'invecchiamento controllato dei tubi in 316L (2,2% in peso di Mo, 0,02% in peso di C, 0,08% in peso di N) a 650 gradi per un massimo di 20.000 ore, seguito da test di rottura per scorrimento a 650 gradi e 80 MPa, ha dimostrato la seguente cinetica di precipitazione della fase di Laves e perdita di duttilità.

Tempo di invecchiamento (ore) Frazione del volume della fase di lava a 650 gradi (%) Dimensione delle particelle della fase di lava (nm) Sito di precipitazione Rottura per scorrimento Allungamento a 650 gradi (%) Modalità di rottura consigliata per servizi che richiedono duttilità (avviso elevato prima del guasto)
0 (ricotto) 0 N/A Nessuno 20-30 Duttile (transgranulare) Sì 1.000<0.1 <50 Intragranular (sparse) 18-25 Ductile Yes 2,000 0.1-0.3 50-80 Intragranular + some grain boundaries 15-22 Mixed (ductile + some intergranular) Yes 3,000 0.3-0.6 80-120 Grain boundaries (partial coverage) 12-18 Mixed Acceptable 5,000 0.6-1.0 120-150 Grain boundaries (near-continuous) 8-12 Mixed-brittle Marginal 7,000 1.0-1.5 150-180 Continuous grain boundary network 5-8 Brittle (intergranular) Not Recommended 10,000 1.5-2.0 180-220 Continuous + Intragranular 3-6 BrittleNo 12,000 2.0-2.5 200-250 Extensive, coalesced 2-4 Very brittle No 15,000 2.5-3.0 220-300 Widespread 1-3 Extremely brittle No 20,000 >3.0 >250 Ampio<2 Extremely brittle No 
Influenza del contenuto di molibdeno sulla cinetica delle precipitazioni di Laves

La velocità di precipitazione della fase di Laves è proporzionale alla concentrazione di molibdeno. Un Mo inferiore (2,0–2,2%) è buono per la resistenza all'infragilimento di Laves.

Contenuto di molibdeno (in peso%) Tempo per 1,0% lava a 650 gradi (ore) Rottura per scorrimento Allungamento dopo 10.000 ore a 650 gradi (%) Temperatura di servizio massima consigliata per 10.000 ore di vita Intervallo di temperatura dell'acciaio Intervallo di temperatura Intervallo di temperatura 2,0 (min 316) 6000-8000 5-8 640 gradi 2,2 (tipo 316L) 4000-6000 4-6 630 gradi 2.4 2500-4000 3-5 620 grado 2,5 (max 316L) 1500-3000 2-4 610 grado 2,8 (vicino a 317L) 800-1500 1-3 600 grado Raccomandazioni pratiche per guaine riscaldanti 316L a 650 gradi di servizio

For 316L heater sheaths working at 650°C, the following service duration restrictions and material criteria are applicable to preserve ductile failure mode (elongation >10-15%).

Required service life at 650 °C [hours]Maximum Permissible Laves Phase ( % )Required Minimum Creep Elongation %Recommended Max Mo Content (wt%) Inspection/Replacement Strategy2,0000.3>15 2.3None5,0000.8>10 2.2Annual diameter measurement7,5001.2>7 2.1Semi-annual diameter + hardness check10,0001.5>5 (brittle risk) 2.0Replace at 8,000-9,000h or upgrade alloy>10,000>1.5<5 <2.0Upgrade to 347 or 310
Verifica della fase di Laves e diminuzione della Duttilità

Three techniques are used to evaluate the embrittlement of Laves phase of 600-700°C operated heaters. 1. Hardness testing: The creation of Laves phase increases the hardness from 160-180 HV to 200-250 HV. The second is field metallography (replica) with selective etching (e.g. electrolytic in 10% oxalic acid displays Laves phase as small white particles). The third is a simple creep or tensile test on a detached sample; a decrease in elongation from >20% a<10% suggests embrittlement. The certain technique is to directly identify the Laves phase (Fe₂Mo) using transmission electron microscopy (TEM) or scanning electron microscopy (SEM) with EDS.

Conclusione: per prevenire l'infragilimento di Laves, fornire limiti per i contenuti di Mo e le condizioni di servizio.

Per le guaine riscaldanti in acciaio inossidabile 316L che lavorano a 650 gradi la fase Laves (Fe2Mo) precipita dopo 2.000-6.000 ore e raggiunge frazioni di volume dello 0,6-1,5% dopo 5.000-10.000 ore. A questi livelli la duttilità alla rottura per scorrimento viscoso diminuisce da >20% a 5-8%. Ciò si traduce in un cedimento fragile (rottura improvvisa senza antecedente) invece di un cedimento duttile (avviso di rigonfiamento visibile). La durata delle guaine 316L è limitata a<10,000 hours for 650°C duty when molybdenum is limited to 2.0-2.2% (the low end of the specification). For service >10.000 ore a 650 gradi, considerare l'aggiornamento a 347 (niobio stabilizzato e non produce fase Laves) o acciaio inossidabile 310. Il quadro qui fornito mette in relazione la frazione volumetrica di fase di Laves con la riduzione della duttilità da rottura per scorrimento viscoso a 650 gradi e consente ai clienti di definire la chimica dei materiali e le durate massime di servizio che impediranno guasti fragili nel servizio di riscaldamento ad alta temperatura a lungo termine.