Como funciona a serragem anterior do limite do grão de austenita após o recozimento da solução do tubo da bainha do aquecedor 316 controla a resistência à cavitação de fluência a 600 graus para serviço de 10.000 horas

Metodologia de resistência a altas-temperaturas para engenharia de interface

A forma dos limites de grão de austenita anteriores tem uma grande influência na resistência à cavitação por fluência dos tubos de aquecimento elétrico revestidos de aço inoxidável 316 empregados a 600 graus, o limite superior para operação contínua desta liga em aplicações de aquecimento a ar ou gás. O recozimento de solução padrão (1.040 graus seguido de resfriamento rápido) leva a contornos de grãos retos ou ligeiramente curvados. Um tratamento térmico modificado usando resfriamento retardado de 1.100 graus e um tratamento de envelhecimento em dois estágios (primeiro a 950 graus e depois a 850 graus) resulta em limites de grãos do tipo serrilhado ou "ziguezague" onde o plano limite é não{10}}planar em 5-25 µm. As ondulações nos limites de grão serrilhados aumentam a tensão necessária para o deslizamento dos limites de grão e a nucleação da cavidade e, assim, se opõem à nucleação por cavitação por fluência. A 600 graus e 80 MPa de tensão aplicada (representando níveis de tensão circular comuns para bainhas de aquecedores), os limites de grãos serrilhados aumentam a vida útil da ruptura por fluência por um fator de 2,5-4,0 em limites retos. Este artigo quantifica a ligação entre a amplitude da serrilhada nos limites dos grãos, o tempo para a nucleação por cavitação e a vida útil da fluência a 600 o C.

Mecanismo de serrilhado-Resistência aprimorada à fluência

A fluência de aços inoxidáveis ​​austeníticos a 600 graus envolve deformação através do deslizamento de discordâncias dentro dos grãos e deslizamento dos limites dos grãos. As cavidades nucleam nos pontos triplos dos limites dos grãos e nas partículas da segunda fase (carbonetos) nas bordas quando o deslizamento cria concentrações de tensão locais. Limites de grãos serrilhados (também conhecidos como "migrados" ou "ondulados") resistem à cavitação por três métodos. Primeiro, as ondulações geométricas funcionam como travas mecânicas, evitando deslocamentos relativos dos grãos vizinhos até que maiores forças de cisalhamento sejam aplicadas. Em segundo lugar, as cavidades nucleadas devem propagar-se ao longo de um caminho não plano, que é mais dispendioso em energia do que a propagação ao longo de um limite recto. Terceiro, o processo serrilhado muitas vezes co{6}}precipita carbonetos intragranulares finos que reforçam o interior do grão e reduzem a taxa de deformação por fluência.

Relação quantitativa entre amplitude de serragem e vida de fluência em 600 graus

316 para fornecer diferentes graus de serrilhado dos limites dos grãos (medidos pela amplitude de pico a vale) seguido por testes de fluência a 600 graus e 80 MPa permitiu que as seguintes relações fossem estabelecidas.

Amplitude de serrilhamento do limite de grão (μm) Tratamento térmico para atingir o tempo de serrilhamento até 1% de cavitação de fluência (horas, 600 graus, 80 MPa) Vida útil de ruptura de fluência (horas, 600 graus, 80 MPa) Vida útil relativa de fluência (em linha reta=1.0) Recomendado para serviço de 600 graus 0 (reto) Recozimento padrão 1.040 graus, água têmpera 800-1,200 2,500-3,500 1.0× Marginal 2-5 Recozimento 1.050 graus, resfriamento lento até 950 graus, espera 1h, têmpera com água 1.200-1,800 3,500-5,000 1.4× Aceitável 5-10 Recozimento 1.080 graus, resfriamento até 950 retenção de grau 2h, retenção de 850 graus 2h, resfriamento lento 1.800-3,000 5.000-8,000 2.0× Recomendado 10-15 Recozimento 1.100 graus, resfriamento gradual 1.000 graus →900 graus →800 graus (2h cada), resfriamento ao ar 3.000-5,000 8.000-12,000 3.0× Melhor para vida longa
15-20 Ciclagem térmica especial (3 etapas com deformação intermediária) 5.000-7,000 10.000-15,000 4.0× Melhor (pedido especial)20 Como acima mais envelhecimento prolongado 6.000-8,000 12.000-18,000 4.5× Somente aplicação especial
Influência do Carbono e do Nitrogênio na Formação de Serrações

Durante o resfriamento, as bordas dos grãos tornam-se serrilhadas através da migração da fronteira, auxiliada pela precipitação de carbonetos e nitretos na fronteira móvel. A serração é aumentada pelas concentrações de carbono e nitrogênio.

Teor de carbono (% em peso) Teor de nitrogênio (% em peso) Amplitude de serragem alcançável (µm) com etapa padrão-Resfriamento Tempo de tratamento térmico recomendado a 950 graus (horas)<0.020 <0.05 2-5 1 0.020-0.030 0.05-0.07 5-10 2 0.030-0.040 0.07-0.10 10-15 4 0.040-0.050 0.10-0.12 15-20 6 >0.050 >0.12 >20 8 (risco de sensibilização)
Practical Crept-Especificações de tratamento térmico para serviços limitados

Os critérios de tratamento térmico sugeridos para aquecedores revestidos 316 para serviço a 600 C e vida útil projetada de 10.000 horas são os seguintes.

Creep Life at 600°C Required (hours) Minimum Serration Amplitude (µm) Heat Treatment RecommendedCooling After TreatmentSensitisation Risk 3,000-5,000 3 1,050°C 1h + 950°C 1h Air cool Low (use 316L) 5,000-8,000 6 1,080°C 1h + 950°C 2h + 850°C 2h Slow cool (50°C/h) Moderate (316L required) 8,000-12,000 10 1,100°C 1h + step-cool 1,000→900→800°C (2h each) Slow cool to 500°C then air Moderate-high (use 316L with Ti stabilization) >12,000 15 tratamento térmico-mecânico especial Controlado Alto (atualização para 347)
Verificação de serragem de limite de grãos

Os compradores que desejam limites de grãos serrilhados para resistência à fluência em altas temperaturas têm dois métodos de verificação disponíveis. A primeira é uma inspeção metalográfica seguida de ataque eletrolítico (ácido oxálico 10%, 6V DC, 60 s). As margens serrilhadas eram claramente visíveis com ampliação de 500-1.000x e a amplitude foi determinada através de análise de imagem. A segunda técnica, mapeamento de caracteres de contorno de grão por difração de retroespalhamento de elétrons (EBSD), mede a divergência dos limites planares ideais. Para especificações de aquisição, uma amplitude mínima de serrilhada (por exemplo, . 6 µm) deve ser especificada.

Identificação de campo de falha de fluência em limites serrilhados versus limites retos

O exame da superfície de fratura revelará a morfologia do contorno de grão para um aquecedor 316 que falhou por fluência a 600oC. A fratura é intergranular e os grãos são facetados planos com bordas retas. O caminho da fratura é mais complicado com bordas serrilhadas e os grãos individuais podem apresentar “degraus” na superfície da fratura. O material-de limite serrilhado terá um tempo muito maior para falhar. O serrilhado retroativo não é possível para aquecedores existentes com falhas de limite-diretas. Os aquecedores de reposição devem ser encomendados com o padrão de tratamento térmico serrilhado.

Conclusão: Vida útil dos limites de grãos serrilhados a 600 graus

A forma anterior do limite do grão de austenita é uma importante característica microestrutural que determina a resistência à cavitação por fluência para aquecedores revestidos de aço inoxidável 316 operando a 600 graus. Limites retos (recozimento de solução padrão) cavitam às 800-1.200 horas e rompem às 2.500-3.500 horas com tensão de 80 MPa. Limites serrilhados de amplitude de 6-15 $\\mu$m prolongam o início da cavitação para 1.800-5.000 horas e a vida útil da ruptura para 5.000-12.000 horas (melhoria de 2-4 vezes). 316 as bainhas devem ser especificadas para exigir um tratamento térmico de resfriamento escalonado para produzir limites de grãos serrilhados com uma amplitude mínima de 6-10 μm para 10.000 horas de serviço a 600 graus C. Esta estratégia de engenharia de interface, juntamente com o conteúdo controlado de carbono e nitrogênio (0,03-0,05% C, 0,08-0,12% N) transforma o baixo desempenho do 316 em um serviço confiável de longa vida. A estrutura fornecida conecta a amplitude da serrilha dos limites dos grãos com o início mensurável da cavitação por fluência e os tempos de ruptura a 600 graus, proporcionando aos compradores a oportunidade de solicitar tratamentos térmicos que otimizem a resistência a altas temperaturas através da geometria dos limites dos grãos.