Kaip Chi (χ) fazės kritulių tūrio dalis 700 laipsnių kampu per ilgą-316 l šildytuvo apvalkalo vamzdelių valdymo kambario temperatūros poveikį smūgio stiprumo mažinimui

Trapi intermetalinė fazė susidarė 600-800 laipsnių temperatūroje

Precipitation of the intermetallic Fe₃₆Cr₁₂Mo₁₀ phase, called chi (χ) phase, severely embrittles 316L stainless steel sheathed electric heating tubes in service for extended periods (thousands of hours) in the 600-800°C range, such as superheater supports, high-temperature furnace heaters, and petrochemical process heaters, as measured by room temperature impact toughness (Charpy V-notch testing). Chi phase has an even more negative influence on toughness. Unlike the well known sigma (σ) phase formation at higher temperature (650-900°C), chi phase precipitates more quickly at lower temperature (600-750°C). Molybdenum and chromium rich chi phase is found on the ferrite-austenite boundaries and on the grain boundaries. Even small volume fractions of chi phase (i.e. 0.5-1.0%) can lower the room temperature impact energy of 316L from >200 J (plastiškas) iki<50 J (brittle), and at 2-3% chi phase the impact energy is below 20 J (severe embrittlement). This paper evaluates the link between chi phase volume fraction, precipitation kinetics at 700oC, and consequent room temperature toughness for 316L heater sheaths.

Chi fazės trapumo mechanizmas

χ fazė turi kūno centre kubinę (BCC) struktūrą su dideliu vienetiniu elementu (a≈ 8,9 Å), joje gausu molibdeno (dažniausiai 20-30 % Mo) ir chromo (25–35 % Cr). Jis pirmiausia nusodinamas ties grūdelių ribomis, ferito-austenito kontaktais ir inkliuzais. Fazė yra kieta ir trapi, o jos buvimas suteikia patogius būdus lūžti išilgai grūdų ribų. Skirtingai nuo sigmos fazės, chi fazė yra stipresnė trapioji medžiaga, nes ji susidaro kaip mažos, glaudžiai išdėstytos dalelės, kurios sudaro ištisinį trapų tinklą esant mažesnėms tūrio frakcijoms. Maksimumas stebimas esant 700 laipsnių ir 1000-5000 valandų senėjimo, priklausomai nuo molibdeno kiekio. Standartinis 316L (2,0-2,5 % Mo) yra jautrus; padidėjęs molibdeno kiekis (2,5–3,0 % Mo, beveik 317 l) padidina chi gamybos greitį.

Kiekybinis ryšys tarp termiškai{0}}apdorotos tūrio dalies ir atsparumo smūgiams 700 laipsnių kampu

Trapumas progresas, nustatytas kontroliuojant 316 l vamzdelio senėjimą 700 laipsnių kampu (chi fazės TTT kreivė) su skirtingu senėjimo laiku, po to chi fazės kiekybinis įvertinimas (rentgeno spindulių difrakcija, SEM) ir Charpy V- įpjovos smūgio bandymas kambario temperatūroje (20 laipsnių).

Senėjimo laikas esant 700 laipsnių (h) Chi fazės tūrio frakcija (% Chi dalelių dydis (nm) kritulių vietos kambario temperatūros poveikio energija (J, Charpy V{1}} įpjova) Lūžio paviršiaus išvaizda, rekomenduojama naudoti ten, kur reikalingas tvirtumas
0 (annealed) 0 N/A None >200 Ductile (100% shear)Yes 100 < 0.1 < 50Grain boundaries (sparse) 180-200 Mostly ductile Yes 250 0.1-0.3 50-100 Grain boundaries (scattered) 150-180Ductile, with some cleavage Yes 500 0.3-0.6 100-150 Grain boundaries (partial coverage) 100-150 Mixed (50% cleavage) Acceptable 750 0.6-1.0 150-200 Grain boundaries (near-continuous) 60-100Marginal Mostly cleavage 1,000 1.0-1.5 150-250 Continuous grain boundary network 30-60 Cleavage (brittle)Not recommended 1500 1.5-2.0 200-300Continuous + intragranular 15-30 Brittle (100% cleavage) No 2,000 2.0-2.5 250-350 Extensive, coalesced 10-20Very Brittle No 3,000 2.5-3.0 300-400 Widespread, coarse 5-15Very brittle No. 5,000 3.0-4.0 >400 Platus, pergyvenęs 5-10Ypač trapus Nr
TTT diagrama Chi fazei 316L

Chi fazės TTT diagrama 316L (2,3% Mo) rodo, kad greičiausiai krituliai iškrenta 700 o C temperatūroje, o nosis yra apie 1000-2000 valandų.

Temperature ( o C) Time to 0.5 % Chi Phase (hours) Time to 1.5 % Chi Phase (hours) Maximum Recommended Service Time Before Embrittlement (Hours) 550 >10,000 >20,000 20,000 600 2,000-4,000 5,000-8,000 5,000 650 800-1,500 2,000-3,500 2,000 675 500-800 1,200-2,000 1,500 700 400-700 1,000-1,500 1,000 725 500-900 1,200-2,000 1,500 750 800-1,500 2,000-4,000 2,500 800 2,000-4,000 5,000-10,000 5,000
Molibdeno kiekio įtaka Chi kritulių greičiui

Didesnis molibdeno kiekis skatina chi fazės nusodinimą. Apatinis molibdenas tinka naudoti 700 laipsnių temperatūroje.

Molibdeno kiekis (masės %) Laikas iki 1,0 % Chi esant 700 laipsnių (valandos) Smūgio energija po 2 000 valandų esant 700 laipsnių (J) Rekomenduojama maksimali temperatūra 10 000 val. 1000-1,800 25-50 640 laipsnis 2,5 (maksimalus 316L) 600-1,000 15-35 620 laipsnis 2,8 (artėja prie 317L) 300-600 10-25 600 laipsnis 3,2 (317L) 150-300 5-15 580 laipsnis 3,2 (317L) 150-300 5-15 580 laipsnis.

To maintain adequate toughness (impact energy >50 J) 316 l šildytuvo apvalkalams 700 laipsnių arba maždaug 700 laipsnių kampu, taikomi šie naudojimo apribojimai.

Desired service life at 700 °C (hours)Maximum Allowable Chi Phase (%) Recommended Maximum Service Temperature (°C) Alternative Alloy 500 0.5 700 316L acceptable 1,000 1.0 690 316L with lower Mo (2.0-2.2%) 2,000 1.5 670 347 or 316L with annual toughness check 5,000 2.0 650 (or less) 347 (no chi) or 310 10,000 >2.0 (nepriimtina)<600 310 or Inconel 600
Visiems, kuriems taikomas terminis ciklas, sutaupoma 50 % laiko. Aukščiau Pakelti į kitą klasę
CHI{0}}NUSIDĖJIMO FAZĖS CHARAKTERIZACIJA

Trys metodai matuoja chi fazės trapumą šildytuvams, kurie buvo naudojami 600-750 laipsnių kampu. Pirma, kietumo testas. Dėl chi fazės vystymosi kietumas padidėja nuo 160-180 HV iki 220-300 HV. Antroji – lauko metalografija (replica). Poliruotas ir išgraviruotas paviršius, matomas esant 500–1 000, grūdelių ribose gali atsirasti chi nuosėdų. Trečias – supaprastintas smūgio testas. Jei dalį šildytuvo galima nuimti, mažo dydžio Charpy testu galima įvertinti kietumo praradimą. Rentgeno spindulių difrakcija (XRD) arba SEM/EDS yra galutinis būdas tiesiogiai nustatyti chi fazę.

Išvada: apibrėžkite paslaugų ribas, kad išvengtumėte Chi trapumo

For 316L stainless steel heater sheaths running at 700°C, chi (χ) phase precipitation was observed after 400-1500 h, with a volume fraction of 1.0-1.5% after 1000-2000 h. The room temperature impact toughness at this level diminishes from >nuo 200 J iki 30-60 J (trapus lūžis). Inžinieriai, nurodantys 316 l apvalkalus, skirtus aptarnavimui virš 650 laipsnių, turėtų nustatyti bendrą laiką, praleistą 600-750 laipsnių srityje, ir palyginti jį su apribojimais, nurodytais TTT diagramoje. Nuo 1000 iki 2000 valandų esant 700 laipsnių arba nuo 5000 iki 10000 valandų esant 650 laipsnių temperatūrai rekomenduojama atnaujinti iki 347 (stabilizuotas niobu, nesudaro chi) arba 310 nerūdijančio plieno (visiškai austenitinio, didesnio chromo). Čia siūlomas metodas susieja chi fazės tūrio procentą su išmatuojamu kambario temperatūros smūgio atsparumo praradimu ir leidžia pirkėjams nustatyti temperatūros laiko apribojimus, neleidžiančius 316 l šildytuvo apvalkalams sutrupėti ilgą laiką naudojant aukštoje temperatūroje.