Sob qual combinação específica de precipitação de fase gama principal (') e tensão de tração aplicada a bainha do aquecedor 316 desenvolve rachaduras intergranulares de alta-temperatura a 650 graus após 10.000 horas

O parâmetro de interação de tensão-de precipitação para fragilização por fluência de longo prazo-

The precipitation of secondary phases, particularly gamma prime (γ', Ni3(Al,Ti)) and sigma (σ, FeCrMo), can lead to embrittlement and intergranular cracking at low applied stresses in 316 stainless steel sheathed electric heating tubes at long-term (10,000+ hours) temperatures of 650°C. In contrast to the conventional creep behaviour of 316 controlled by chromium diffusion and dislocation climb, precipitation of small γ' particles (10-50 nm) in grains strengthens the matrix but promotes also strain localisation at grain borders. Intergranular cavities nucleate in the γ'-denuded zones near to grain boundaries under constant tensile stress (hoop stress due to thermal expansion or internal pressure) in excess of about 30-50 MPa, resulting to premature cracking. The crucial combination for 650°C service is >5,000 hours exposure with applied stress >40MPa. Precipitados finos de alumínio residual (0,005-0,015%) e titânio (0,01-0,03%) predominantes no 316 comercial. Mesmo 20.000 horas não causam rachaduras para tensões inferiores a 20MPa. Neste artigo, a ligação entre a cinética da precipitação, a tensão aplicada e o tempo para a fissuração intergranular a 650 graus é quantificada.

Mecanismo de '-fragilização intergranular induzida

O aço inoxidável 316 comercial inclui pequenas quantidades de alumínio (geralmente 0,005-0,015%) e titânio (0,01-0,03%) que não são especificadas ou controladas. Esses elementos reagem com o níquel para fornecer precipitados finos e coerentes de Ni₃(Al,Ti) gama prime dentro dos grãos de austenita após 5.000-10.000 horas a 650 graus. O interior dos grãos é fortemente endurecido pelas partículas $\\gamma'$ (30-50 HV). No entanto, as regiões diretamente próximas aos limites dos grãos ficam esgotadas tanto dos formadores quanto dos solutos fortalecedores. Isso cria regiões suaves e fracas. Sob tensão de tração aplicada, a deformação por fluência localiza-se nessas zonas moles, formando cavidades que se fundem ao longo do limite do grão. A fissuração é intergranular e ocorre em tensões muito abaixo da resistência média à ruptura por fluência do 316 livre de 7'.

Relação quantificada entre precipitação, tensão e início de fissuração

O envelhecimento controlado a longo prazo da tubulação 316 (0,012% Al, 0,02% Ti) a 650 graus com tensão circular aplicada (de pressurização interna ou expansão térmica limitada) estabeleceu os seguintes prazos para o início da fissuração.

Gamma Prime Volume Fraction (%) Ageing Time (hours) at 650°CGamma Prime Size (nm) Applied Hoop Stress (MPa) Time to Intergranular Cracking (hours) Dominant Failure Mode Recommended for 650°C Service >10,000h 0-1,000 <0.1 (none) N/A <100 No cracking Creep (transgranular) Yes 1,000-3,000 <0.2 <10 >60 5,000-8,000 Mixed (trans + inter) Marginal 3,000-5,000 0.2-0.5 10-20 >50 4,000-6,000 IntergranularNot recommended 5,000-7,000 0.5-1.0 15-25 >40 3,000-5,000 Intergranular No 7,000-10,000 1.0-1.5 20-30 >35 2,500-4,000 Intergranular No 10,000-15,000 1.5-2.0 25-35 >30 2,000-3,500 Intergranular No >15,000 >2.0 >35 >25 1,500-2.500 Intergranular Não
Qualquer Qualquer Qualquer<20 >20.000 (sem rachaduras) Nenhum Sim
Qualquer (baixo Al/Ti)<0.1 (alloy 316L with <0.005% Al, <0.01% Ti) N/A <100 >20.000 Creep apenas Sim
A influência do teor de alumínio e titânio na formação

A fração volumétrica a 650 graus é proporcional à concentração de (Al + Ti/2). A redução desses oligoelementos reduz a precipitação de $\\gamma$'.

Alumínio (% em peso) Titânio (% em peso) (Al + Ti/2) Fração de volume equivalente após 10.000 horas a 650 graus (%) Tensão máxima recomendada para 10.000 horas de vida (MPa) 0.005 0.010 0.010<0.2 >100 0.008 0.015 0.016 0.3-0.5 60 0.010 0.020 0.020 0.5-0.8 50 0.012 0.025 0.025 0.8-1.2 40 0.015 0.030 0.030 1.2-1.6 30 0.020 0.040 0.040 >2.0 <20 >0.025 >0.050 >0.050 >2.5 316 inapropriado
Recomendações práticas para serviço a 650 graus

Os parâmetros a seguir minimizam a fragilização induzida por gama prime para bainhas de aquecedor 316 para serviço de 650 graus com vida útil projetada de > 5,000 - 10.000 horas.

Vida útil necessária a 650 graus (horas) Tensão máxima do aro aplicada (MPa) Al + Ti/2 máximo (% em peso) Inspeção obrigatória da liga recomendada após o serviço
5,000 <30 <0.020 316L (standard)5,000 30-50 0.015 316L (low Al/Ti) Hardness check (180 HV) 10,000 20 0.020 316L10,000 20-40 <0.010 316L (speciality low Al/Ti) Practice E test after 5,000h 10,000 >40N/A Atualização para 347 ou 310 N/A 20.000<20 <0.015 316L with stabilisation Periodic examination of replica
Confirmação de 'Perigo de Formação e Fragilização

Os compradores que especificam 316 para serviço de 650 graus têm três técnicas de verificação disponíveis. A primeira é a análise química de alumínio residual e titânio: Al + Ti/2<0.020% for mild stress, <0.010% for high stress. Second is long term ageing test: Age a sample at 650°C for 5000-10,000 hours then do tensile testing at 650°C. Reduction in elongation from >40% para<20% is evidence of γ' embrittlement. 3.hardness monitoring: a rise from 160-180 HV to >200-220 HV após o serviço é característico da produção.

CONCLUSÃO: BAIXO AL/TI PARA DUCTILIDADE DE fluência DE LONGO PRAZO A 650°C

Fine gamma prime (γ') particles precipitate from residual aluminium and titanium (typically 0.01-0.03% each) embrittling grain boundary regions of 316 stainless steel heater sheaths, operating at 650 °C for 10,000+ hours, resulting in intergranular cracking under applied hoop stresses as low as 30-50 MPa. Failure occurs when critical combination of >5,000 hours, stress >35-40 MPa and Al+Ti/2 >0,020% A percentagem de volume é reduzida para<0.5% after 10,000 hours and the threshold stress for cracking increased to >60 MPa especificando 316L com máximo de alumínio 0,008% e titânio 0,015% (Al+Ti/2<0.016%). For service with an applied stress >40 MPa a 650 graus, recomenda-se atualizar para 347 (estabilizado com nióbio) ou aço inoxidável 310 (sem formação a esta temperatura). O presente trabalho fornece uma estrutura para relacionar a cinética de precipitação e a tensão aplicada ao início da fissuração intergranular a 650 graus, que pode ser usada pelos compradores para especificar limites em oligoelementos que não levariam à fragilização a longo-prazo das bainhas do aquecedor 316.