Em que combinação específica de trabalho a frio anterior (5% vs 15% vs 25%) e tempo de envelhecimento a 700 graus (1.000 vs 5.000 vs 10.000 horas) a bainha do aquecedor 316L faz a transição de trincas transgranulares para intergranulares sob tensão de aro de 60 MPa

Trabalho a frio-Transição do modo de fluência induzida em aço inoxidável austenítico com baixo-carbono

O modo de fissuração por fluência (transgranular vs. intergranular) em tubos de aquecimento elétrico revestidos de aço inoxidável 316L operando a 700 graus sob tensão circular de 60 MPa, como aquecedores de forno de alta temperatura, suportes de superaquecedores ou aquecedores de processos químicos, é uma função da porcentagem de trabalho a frio anterior e do tempo de envelhecimento. O material totalmente recozido (5% ou menos de trabalho a frio) apresenta fissuração por fluência transgranular (através dos grãos) com boa ductilidade e longa vida útil de ruptura por até 10,000+ horas. A 15% antes do trabalho a frio, o material muda de fissuração transgranular para intergranular (ao longo dos limites dos grãos) após 1.000-5.000 horas de envelhecimento, com uma diminuição proporcional na vida de ruptura. Com 25 por cento de trabalho a frio anterior, a trinca intergranular é observada dentro de 1.000 horas. Esta transição está associada a uma precipitação acelerada de carbonetos M{sub 2} {sub 3} C{sub 6} nos limites dos grãos que atuam como locais de nucleação para cavitação. Este artigo calcula as combinações específicas de trabalho a frio e tempo de envelhecimento que levam à mudança de fissuração por fluência transgranular para intergranular a 700 graus e tensão circular de 60 MPa.

Mecanismo de transição do modo de fluência induzido por trabalho a frio

A 700 C, a deformação por fluência ocorre pela subida das discordâncias e pelo deslizamento dos limites dos grãos. Os processos de luxação intragranular prevalecem em material recozido (baixa densidade de luxação) e é observada fratura transgranular. O trabalho a frio anterior leva a uma alta densidade de discordâncias e favorece a rápida precipitação de carbonetos M₂₃C₆ finos nos limites dos grãos. Esses carbonetos fixam os limites dos grãos evitando o deslizamento, mas também são locais para nucleação de cavidades. Uma vez formadas, as cavidades se interligam ao longo da borda causando fissuras intergranulares. Quanto mais rápida for a precipitação do carboneto e quanto mais cedo ocorrer a mudança para a fissuração intergranular, maior será o trabalho a frio.

Relação quantitativa entre trabalho a frio, tempo de envelhecimento e modo de fluência

O teste de fluência controlada da tubulação 316L (0,022% C, 2,2% Mo) com trabalho a frio anterior de 5%, 15% e 25% a 700 graus sob tensão circular de 60 MPa estabeleceu as seguintes transições de modo de fissuração e tempos de vida de ruptura de até 10.000 horas.

Trabalho a frio anterior (%) Tempo de envelhecimento a 700oC (h) Espaçamento de carboneto M23C6 nos limites dos grãos (nm) Modo de fissuração por fluência Vida de ruptura por fluência a 700oC, 60 MPa (h) Alongamento de ruptura (%) Recomendado para serviço a 700 graus por 10.000 h
5 0 (como-recozido) N/A (sem carbonetos) Transgranular 12.000-15,000 18-22 Sim
5 1,000 >500 (esparso) Transgranular 11.000-14,000 17-21 Sim
5 5,000 200-300 Transgranular (misto) 10.000-13,000 15-19 Sim
5 10,000 150-200 Transgranular (predominante) 9.000-12,000 14-18 Aceitável
15 0 N/A Transgranular 11.000-14,000 17-21 Sim
15 1,000 100-150 Misto (trans + inter) 7.000-9,000 10-14 Marginal
15 5,000 60-80 Intergranular (dominante) 4.000-6,000 6-10 Não recomendado.
15 10,000 50-60 Intergranular (severo) 3000-4500 4-8N/A 25 0 Não misto (algum inter) 8.000-11,000 12-16 Marginal 25 1,000 50-80 Intergranular 3.500-5,500 5-9 25 5,000 40-60 Intergranular (severo) 2.500-4,000 3-6Não 25 10,000 40-50 Intergranular (extremamente severo) 2.000-3,500 2-5 Não
Limites de transição específicos de 1.000 horas, 5.000 horas e 10.000 horas

A tabela abaixo mostra os valores exatos de trabalho a frio que causam a mudança de trincas transgranulares para principalmente intergranulares em cada ponto de tempo.

Ageing Time (hr) at 700°CCold Work (%) 50% Intergranular Cracking ModeCold Work Intergranular Cracking Mode (%) >80% de trabalho a frio máximo recomendado para modo transgranular 1,000 15-18 22-25 12% 5,000 10-12 15-18 8% 10,000 7-9 10-12 5% (completamente recozido)
Recomendações práticas para serviço a 700 graus

Para aquecedores encapsulados em 316L projetados para operação de 700 graus com tensão circular de 60 MPa, as seguintes restrições de trabalho a frio anteriores devem ser cumpridas para garantir trincas por fluência transgranulares (melhor ductilidade, maior vida útil) após durações de serviço especificadas.

Vida útil desejada a 700 graus (horas) Trabalho a frio prévio máximo para fissuras dominantes transgranulares (%) recomendado Pré-Condição de serviço Vida de ruptura esperada (horas) 5,{3}}.000-10.000 Conforme-desenho, depois serviço 5,000 20 (não recomendado) 3.500-5.500 Recozimento pós-estiramento necessário 10,000 8 8.000-11.000 Trefilado ou recozido com luz
10,000 12 (marginal) 6.000-8.000 Recozimento sugerido 15,000 5 10.000-13.000 Totalmente recozido (0-5% CW)
V. Verificação do modo Creep Cracking após o serviço

O modo de fissuração é mostrado a partir da investigação metalográfica de uma seção transversal longitudinal-após o ataque químico para aquecedores operados a 700 graus. As fraturas transgranulares penetram através dos grãos (retas, agudas, frequentemente sem ramificação). Trincas intergranulares ao longo dos limites dos grãos (irregulares, ramificações) A ​​medição prévia do trabalho a frio pode ser determinada a partir da dureza (316L totalmente recozido ~ 150-170 HV; 15% CW ~ 200-230 HV; 25% CW ~ 250-280 HV).

Conclusão: Controle do trabalho a frio prévio para manter a fluência transgranular por 10.000 horas de serviço a 700 graus

A trinca por fluência transgranular (maior ductilidade, vida útil de ruptura de 9.000-12,000+ horas) persiste por 10.000 horas em bainhas de aquecedor de aço inoxidável 316L a 700 graus sob tensão circular de 60 MPa com 5% ou menos de trabalho a frio anterior. O trabalho a frio anterior de 15% faz com que o material se torne fissurável intergranularmente em 1.000 a 5.000 horas, reduza a vida útil da ruptura para 4.000 a 6.000 horas. 25% do trabalho a frio antes da exposição resulta em rachaduras intergranulares dentro de 1.000 horas e a vida útil da ruptura é inferior a 4.000 horas. Os projetistas que especificam bainhas 316L para 10.000 horas de operação a 700 graus devem fornecer trabalho a frio anterior de<8-10% and, for sensitive applications, specify totally annealed tubing (0-5% cold work). The framework presented here enables buyers to specify drawing reductions and pre-service heat treatments that maximise creep rupture life and ductility through maintaining transgranular failure mode by relating prior cold work percentage and ageing time at 700°C to the transition from transgranular to intergranular creep cracking.