Фактори, ограничени работни температури
Типични приложения, които изискват дуплексните материали да бъдат изложени на условия на висока температура, са съдове под налягане, лопатки/работни колела на вентилатори или скрубери за изгорели газове.Изискванията за свойствата на материала могат да варират от висока механична якост до устойчивост на корозия. Химическият състав на класовете, обсъждани в тази статия, са изброени в таблица 1.
Спинодално разлагане
Спинодалното разлагане (наричано още размесване или исторически като 475 °C-крехкост) е вид разделяне на фазите във феритната фаза, което се случва при температури около 475 °C.Най-силно изразеният ефект е промяна в микроструктурата, предизвикваща образуването на α´ фаза, което води до крехкост на материала.Това от своя страна ограничава производителността на крайния продукт.
Фигура 1 показва диаграмата на температурния времеви преход (TTT) за изследваните дуплексни материали, със спинодално разлагане, представено в областта от 475 °C.Трябва да се отбележи, че тази TTT диаграма представлява намаление на якостта с 50%, измерено чрез изпитване за якост на удар върху образци на Charpy-V, което обикновено се приема като показател за крехкост.В някои приложения може да е приемливо по-голямо намаляване на якостта, което променя формата на TTT диаграмата.Следователно решението за определяне на конкретен максимален OT зависи от това какво се счита за приемливо ниво на крехкост, т.е. намаляване на якостта на крайния продукт.Трябва да се спомене, че исторически TTT-графиките също са били произведени с помощта на зададен праг, като 27J.
По-високи легирани степени
Фигура 1 показва, че увеличаването на легиращите елементи от клас LDX 2101 към клас SDX 2507 води до по-бърза скорост на разлагане, докато бедният дуплекс показва забавено начало на разлагането.Въздействието на легиращи елементи като хром (Cr) и никел (Ni) върху спинодалното разлагане и крехкостта е показано от предишни изследвания.5–8 Този ефект е допълнително илюстриран на Фигура 2. Тя показва, че спинодалното разлагане се увеличава, когато температурата се повишава от 300 на 350 °C и е по-бързо за по-високо легирания клас SDX 2507, отколкото за по-малко легирания DX 2205.
Това разбиране може да бъде от решаващо значение за подпомагане на клиентите да решат максималния OT, който е подходящ за избрания от тях клас и приложение.
Определяне на максимална температура
Както бе споменато по-рано, максималният OT за дуплексен материал може да бъде зададен в съответствие с приемливото намаляване на ударната якост.Обикновено се приема OT, съответстващ на стойност от 50% намаление на якостта.
OT зависи от температурата и времето
Наклонът в опашките на кривите в TTT диаграмата на фигура 1 показва, че спинодалното разлагане не се случва само при една прагова температура и спира под това ниво.По-скоро това е постоянен процес, когато дуплексните материали са изложени на работни температури под 475 °C.Въпреки това също така е ясно, че поради по-ниските скорости на дифузия, по-ниските температури означават, че разлагането ще започне по-късно и ще протича много по-бавно.Следователно използването на дуплексен материал при по-ниски температури може да не създава проблеми години или дори десетилетия.И все пак понастоящем има тенденция да се определя максимален OT без отчитане на времето на експозиция.Следователно ключовият въпрос е каква комбинация от температура и време трябва да се използва, за да се реши дали е безопасно да се използва материал или не?Herzman et al.10 обобщава добре тази дилема: „...Тогава употребата ще бъде ограничена до температури, при които кинетиката на разделяне на сместа е толкова ниска, че няма да се случи по време на проектирания технически живот на продукта...“.
Въздействието на заваряването
Повечето приложения използват заваряване за свързване на компоненти.Добре известно е, че микроструктурата на заваръчния шев и неговия химичен състав варират в зависимост от основния материал 3 .В зависимост от добавъчния материал, техниката на заваряване и параметрите на заваряване, микроструктурата на заваръчните шевове е най-вече различна от тази на насипния материал.Микроструктурата обикновено е по-груба и това също включва високотемпературната топлинно засегната зона (HTHAZ), която оказва влияние върху спинодалното разлагане в заваръчните съединения.Вариацията на микроструктурата между насипни и заварени елементи е тема, разгледана тук.
Обобщаване на ограничаващите фактори
Предишните раздели водят до следните заключения:
- Подлежат всички дуплексни материали
до спинодално разлагане при температури около 475 °C. - В зависимост от съдържанието на сплавта се очаква по-бърза или по-бавна скорост на разлагане.По-високото съдържание на Cr и Ni насърчава по-бързото размиксиране.
- За да настроите максималната работна температура:
– Трябва да се има предвид комбинация от работно време и температура.
– Трябва да се зададе приемливо ниво на намаляване на якостта, т.е. желаното ниво на крайна якост - Когато се въвеждат допълнителни микроструктурни компоненти, като заварки, максималният OT се определя от най-слабата част.
Глобални стандарти
За този проект бяха прегледани няколко европейски и американски стандарта.Те се фокусираха върху приложения в съдове под налягане и тръбопроводни компоненти.Като цяло, несъответствието по отношение на препоръчителния максимален OT сред прегледаните стандарти може да се раздели на европейска и американска гледна точка.
Европейските стандарти за спецификация на материалите за неръждаема стомана (напр. EN 10028-7, EN 10217-7) предполагат максимална OT от 250 °C поради факта, че свойствата на материала се осигуряват само до тази температура.Освен това европейските стандарти за проектиране на съдове под налягане и тръбопроводи (съответно EN 13445 и EN 13480) не дават допълнителна информация за максималния OT от това, което е дадено в техните стандарти за материали.
За разлика от това, американската спецификация на материала (напр. ASME SA-240 от ASME раздел II-A) изобщо не представя никакви данни за повишена температура.Вместо това тези данни се предоставят в ASME раздел II-D, „Свойства“, който поддържа общите строителни кодове за съдове под налягане, ASME раздел VIII-1 и VIII-2 (последните предлагат по-усъвършенстван маршрут за проектиране).В ASME II-D максималната OT е изрично посочена като 316 °C за повечето дуплексни сплави.
За приложенията на тръбопроводи под налягане както правилата за проектиране, така и свойствата на материала са дадени в ASME B31.3.В този код се предоставят механични данни за дуплексни сплави до 316 °C без ясно посочване на максималната OT.Въпреки това можете да тълкувате информацията в съответствие с написаното в ASME II-D и по този начин максималната OT за американските стандарти в повечето случаи е 316 °C.
В допълнение към информацията за максималния OT, както американските, така и европейските стандарти предполагат, че съществува риск от крехкост при повишени температури (>250 °C) при по-дълги времена на експозиция, което тогава трябва да се вземе предвид както във фазата на проектиране, така и във фазата на обслужване.
За заваръчните шевове повечето стандарти не дават категорични изявления относно въздействието на спинодалното разлагане.Въпреки това, някои стандарти (напр. ASME VIII-1, таблица UHA 32-4) показват възможността за извършване на специфична топлинна обработка след заваряване.Те не са нито задължителни, нито забранени, но при извършването им трябва да се извършват по предварително зададени параметри в стандарта.
Какво казва индустрията
Информацията, предоставена от няколко други производители на дуплексна неръждаема стомана, беше прегледана, за да се види какво съобщават по отношение на температурните диапазони за техните класове.2205 е ограничен на 315 °C от ATI, но Acerinox задава OT за същия клас само на 250 °C.Това са горната и долната граница на OT за клас 2205, докато между тях други OT се съобщават от Aperam (300 °C), Sandvik (280 °C) и ArcelorMittal (280 °C).Това демонстрира широкото разпространение на предложените максимални OT само за един клас, който ще притежава много сравними свойства от производител до производител.
Основните аргументи за това защо производителят е задал определено OT не винаги се разкриват.В повечето случаи това се основава на конкретен стандарт.Различните стандарти комуникират различни OT, оттук и разликите в стойностите.Логичният извод е, че американските компании определят по-висока стойност поради твърденията в стандарта ASME, докато европейските компании определят по-ниска стойност поради стандарта EN.
От какво се нуждаят клиентите?
В зависимост от крайното приложение се очакват различни натоварвания и експозиции на материалите.В този проект крехкостта, дължаща се на спинодално разлагане, представлява най-голям интерес, тъй като е много приложима за съдове под налягане.
Съществуват обаче различни приложения, които излагат дуплексните сортове само на средни механични натоварвания, като например скрубери11–15.Друго искане беше свързано с лопатки и работни колела на вентилатори, които са изложени на натоварване от умора.Литературата показва, че спинодалното разлагане се държи по различен начин, когато се прилага натоварване от умора15.На този етап става ясно, че максималният OT на тези приложения не може да бъде зададен по същия начин, както при съдовете под налягане.
Друг клас заявки са само за приложения, свързани с корозия, като корабни скрубери за изгорели газове.В тези случаи устойчивостта на корозия е по-важна от ограничението на OT при механично натоварване.И двата фактора обаче оказват влияние върху работата на крайния продукт, което трябва да се има предвид при посочване на максималния OT.Отново този случай се различава от предишните два случая.
Като цяло, когато съветвате клиент за подходящия максимален OT за техния дуплексен клас, типът приложение е от жизненоважно значение при определянето на стойността.Това допълнително демонстрира сложността на определянето на един OT за даден клас, тъй като средата, в която се използва материалът, оказва значително влияние върху процеса на крехкост.
Каква е максималната работна температура за дуплекс?
Както бе споменато, максималната работна температура се определя от много ниската кинетика на спинодалното разлагане.Но как да измерим тази температура и какво точно е „ниска кинетика“?Отговорът на първия въпрос е лесен.Вече казахме, че измерванията на якостта обикновено се извършват, за да се оцени скоростта и напредъка на разлагането.Това е заложено в стандартите, следвани от повечето производители.
Вторият въпрос относно това какво се разбира под ниска кинетика и стойността, на която задаваме температурна граница, е по-сложен.Това отчасти се дължи на факта, че граничните условия на максималната температура се съставят както от самата максимална температура (T), така и от работното време (t), през което тази температура се поддържа.За валидиране на тази Tt комбинация могат да се използват различни интерпретации на „най-ниската“ издръжливост:
• Долната граница, която е зададена исторически и може да се прилага за заварки, е 27 Джаула (J)
• В рамките на стандартите най-вече 40J е зададено като ограничение.
• 50% намаление на първоначалната якост също често се прилага за определяне на долната граница.
Това означава, че твърдението за максимален OT трябва да се основава на поне три съгласувани допускания:
• Температурно-времево излагане на крайния продукт
• Допустимата минимална стойност на якост
• Крайна област на приложение (само химия, механично натоварване да/не и т.н.)
Обединени експериментални знания
След обширно проучване на експериментални данни и стандарти беше възможно да се съставят препоръки за четирите прегледани дуплексни степени, вижте таблица 3. Трябва да се признае, че повечето от данните са създадени от лабораторни експерименти, извършени с температурни стъпки от 25 °C .
Трябва също да се отбележи, че тези препоръки се отнасят до най-малко 50% от якостта, оставаща при RT.Когато в таблицата е посочен „по-дълъг период от време“, не е документирано значително намаление при RT.Освен това заваръчният шев е тестван само при -40 °C.И накрая, трябва да се отбележи, че се очаква по-дълго време на експозиция за DX 2304, като се има предвид неговата висока издръжливост след 3000 часа тестване.Въпреки това, до каква степен може да се увеличи експозицията, трябва да се провери с допълнителни тестове.
Трябва да се отбележат три важни момента:
• Настоящите открития показват, че ако има заварки, OT се понижава с около 25 °C.
• Краткотрайни скокове (десетки часове при T=375 °C) са приемливи за DX 2205. Тъй като DX 2304 и LDX 2101 са по-ниски легирани класове, сравними краткосрочни пикове на температурата също трябва да бъдат приемливи.
• Когато материалът е крехък поради разлагане, смекчаваща топлинна обработка при 550 – 600 °C за DX 2205 и 500 °C за SDX 2507 за 1 час помага за възстановяване на якостта със 70%.
Време на публикуване: 04 февруари 2023 г