Faktory obmedzené prevádzkové teploty
Typické aplikácie, ktoré vyžadujú, aby boli duplexné materiály vystavené podmienkam vysokej teploty, sú tlakové nádoby, lopatky ventilátorov/obežné kolesá alebo práčky výfukových plynov.Požiadavky na vlastnosti materiálu sa môžu pohybovať od vysokej mechanickej pevnosti až po odolnosť proti korózii. Chemické zloženie tried, o ktorých sa hovorí v tomto článku, je uvedené v tabuľke 1.
Spinodálny rozklad
Spinodálny rozklad (tiež nazývaný demixovanie alebo historicky ako 475 °C-krehnutie) je typ fázovej separácie vo feritickej fáze, ku ktorej dochádza pri teplotách okolo 475 °C.Najvýraznejším efektom je zmena mikroštruktúry spôsobujúca vznik α´ fázy, čo má za následok krehnutie materiálu.To zase obmedzuje výkon konečného produktu.
Obrázok 1 ukazuje diagram teplotného časového prechodu (TTT) pre študované duplexné materiály so spinodálnym rozkladom reprezentovaným v oblasti 475 °C.Je potrebné poznamenať, že tento TTT diagram predstavuje zníženie húževnatosti o 50 % merané testovaním rázovej húževnatosti na vzorkách Charpy-V, čo sa zvyčajne považuje za indikátor krehnutia.V niektorých aplikáciách môže byť akceptovateľný väčší pokles húževnatosti, ktorý mení tvar TTT diagramu.Preto rozhodnutie stanoviť konkrétnu maximálnu OT závisí od toho, čo sa považuje za prijateľnú úroveň krehnutia, tj zníženie húževnatosti konečného produktu.Malo by sa spomenúť, že historicky sa TTT-grafy vyrábali aj s použitím nastaveného prahu, ako je 27J.
Vyššie legované triedy
Obrázok 1 ukazuje, že nárast legujúcich prvkov od triedy LDX 2101 smerom k triede SDX 2507 vedie k vyššej rýchlosti rozkladu, zatiaľ čo chudý duplex vykazuje oneskorený začiatok rozkladu.Vplyv legujúcich prvkov, ako je chróm (Cr) a nikel (Ni) na spinodálny rozklad a krehnutie, bol preukázaný predchádzajúcimi výskumami.5–8 Tento efekt je ďalej ilustrovaný na obrázku 2. Ukazuje, že spinodálny rozklad sa zvyšuje, keď teplota sa zvýši z 300 na 350 °C a je rýchlejšia pre vyššie legovanú triedu SDX 2507 ako pre menej legovanú DX 2205.
Toto pochopenie môže byť rozhodujúce pri pomoci zákazníkom pri rozhodovaní o maximálnom OT, ktorý je vhodný pre ich vybranú triedu a aplikáciu.
Určenie maximálnej teploty
Ako už bolo uvedené, maximálne OT pre duplexný materiál možno nastaviť podľa prijateľného poklesu rázovej húževnatosti.Typicky sa používa OT zodpovedajúca hodnote 50% zníženia húževnatosti.
OT závisí od teploty a času
Sklon koncov kriviek v TTT diagrame na obrázku 1 ukazuje, že spinodálny rozklad nenastáva len pri jednej prahovej teplote a nezastaví sa pod touto úrovňou.Ide skôr o neustály proces, keď sú duplexné materiály vystavené prevádzkovým teplotám pod 475 °C.Je však tiež jasné, že v dôsledku nižších rýchlostí difúzie nižšie teploty znamenajú, že rozklad začne neskôr a bude prebiehať oveľa pomalšie.Preto používanie duplexného materiálu pri nižších teplotách nemusí spôsobovať problémy roky alebo dokonca desaťročia.V súčasnosti však existuje tendencia nastaviť maximálnu OT bez ohľadu na čas expozície.Kľúčovou otázkou preto je, aká kombinácia teploty a času by sa mala použiť na rozhodnutie, či je použitie materiálu bezpečné alebo nie?Herzman et al.10 pekne zhrnuli túto dilemu: „...Používanie sa potom obmedzí na teploty, pri ktorých je kinetika rozmixovania taká nízka, že k nemu nedôjde počas projektovanej technickej životnosti produktu...“.
Vplyv zvárania
Väčšina aplikácií používa zváranie na spájanie komponentov.Je dobre známe, že mikroštruktúra zvaru a jeho chémia sa líšia od základného materiálu 3 .V závislosti od prídavného materiálu, techniky zvárania a parametrov zvárania sa mikroštruktúra zvarov väčšinou líši od sypkého materiálu.Mikroštruktúra je normálne hrubšia a zahŕňa aj vysokoteplotnú tepelne ovplyvnenú zónu (HTHAZ), ktorá ovplyvňuje spinodálny rozklad vo zvarencoch.Rozdiely v mikroštruktúre medzi objemom a zvarencami sú tu preskúmanou témou.
Zhrnutie limitujúcich faktorov
Predchádzajúce časti vedú k nasledujúcim záverom:
- Všetky duplexné materiály podliehajú
k spinodálnemu rozkladu pri teplotách okolo 475 °C. - V závislosti od obsahu legovania sa očakáva rýchlejšia alebo pomalšia rýchlosť rozkladu.Vyšší obsah Cr a Ni podporuje rýchlejšie rozmixovanie.
- Ak chcete nastaviť maximálnu prevádzkovú teplotu:
– Je potrebné zvážiť kombináciu doby prevádzky a teploty.
– Musí sa nastaviť prijateľná úroveň poklesu húževnatosti, tj požadovaná úroveň konečnej húževnatosti - Keď sa zavedú ďalšie mikroštrukturálne komponenty, ako sú zvary, maximálny OT je určený najslabšou časťou.
Globálne štandardy
Pre tento projekt bolo preskúmaných niekoľko európskych a amerických noriem.Zamerali sa na aplikácie v tlakových nádobách a potrubných komponentoch.Vo všeobecnosti možno rozpor týkajúci sa odporúčanej maximálnej OT medzi hodnotenými normami rozdeliť na európske a americké stanovisko.
Európske normy pre materiálové špecifikácie pre nehrdzavejúce ocele (napr. EN 10028-7, EN 10217-7) predpokladajú maximálnu teplotu OT 250 °C tým, že vlastnosti materiálu sú poskytované len do tejto teploty.Okrem toho európske konštrukčné normy pre tlakové nádoby a potrubia (EN 13445, resp. EN 13480) neposkytujú žiadne ďalšie informácie o maximálnej OT z toho, čo je uvedené v ich materiálových normách.
Na rozdiel od toho americká materiálová špecifikácia (napr. ASME SA-240 ASME sekcia II-A) neuvádza žiadne údaje o zvýšenej teplote.Tieto údaje sú namiesto toho uvedené v ASME sekcii II-D, „Vlastnosti“, ktorá podporuje všeobecné konštrukčné predpisy pre tlakové nádoby, ASME sekcia VIII-1 a VIII-2 (posledné ponúka pokročilejší návrhový postup).V ASME II-D je maximálne OT výslovne uvedené ako 316 °C pre väčšinu duplexných zliatin.
Pre aplikácie tlakového potrubia sú pravidlá návrhu a vlastnosti materiálu uvedené v ASME B31.3.V tomto kóde sú uvedené mechanické údaje pre duplexné zliatiny do 316 °C bez jasného uvedenia maximálneho OT.Napriek tomu môžete informácie interpretovať tak, aby boli v súlade s tým, čo je napísané v ASME II-D, a teda maximálna OT pre americké normy je vo väčšine prípadov 316 °C.
Okrem informácií o maximálnom OT, z amerických aj európskych noriem vyplýva, že existuje riziko krehnutia pri zvýšených teplotách (>250 °C) a dlhších časoch expozície, čo by sa potom malo zvážiť vo fáze návrhu aj prevádzky.
Pre zvary väčšina noriem neuvádza žiadne pevné vyhlásenia o vplyve spinodálneho rozkladu.Niektoré normy (napr. ASME VIII-1, tabuľka UHA 32-4) však uvádzajú možnosť vykonávať špecifické tepelné spracovanie po zváraní.Tie nie sú povinné ani zakázané, ale pri ich vykonávaní by sa mali vykonávať podľa vopred stanovených parametrov v norme.
Čo hovorí priemysel
Informácie vyrobené niekoľkými ďalšími výrobcami duplexnej nehrdzavejúcej ocele boli preskúmané, aby sa zistilo, čo komunikujú o teplotných rozsahoch pre ich triedy.2205 je obmedzená na 315 °C spoločnosťou ATI, ale Acerinox nastavuje OT pre rovnakú triedu iba na 250 °C.Toto sú horné a dolné limity OT pre triedu 2205, zatiaľ čo medzi nimi ďalšie OT komunikujú Aperam (300 °C), Sandvik (280 °C) a ArcelorMittal (280 °C).To demonštruje rozšírenosť navrhovaných maximálnych OT len pre jednu triedu, ktorá bude mať veľmi porovnateľné vlastnosti od výrobcu k výrobcovi.
Zdôvodnenie, prečo výrobca nastavil určité OT, nie je vždy odhalené.Vo väčšine prípadov je to založené na jednom konkrétnom štandarde.Rôzne štandardy komunikujú rôzne OT, a preto sa šíria hodnoty.Logickým záverom je, že americké firmy stanovujú vyššiu hodnotu kvôli vyhláseniam v norme ASME, kým európske firmy nižšiu hodnotu kvôli norme EN.
Čo zákazníci potrebujú?
V závislosti od konečného použitia sa očakávajú rôzne zaťaženia a expozície materiálov.V tomto projekte bola najzaujímavejšia krehnutie v dôsledku spinodálneho rozkladu, pretože je veľmi použiteľné pre tlakové nádoby.
Existujú však rôzne aplikácie, ktoré vystavujú duplexné triedy iba strednému mechanickému zaťaženiu, ako sú práčky11–15.Ďalšia požiadavka sa týkala lopatiek ventilátora a obežných kolies, ktoré sú vystavené únavovému zaťaženiu.Literatúra ukazuje, že spinodálny rozklad sa pri únavovom zaťažení správa odlišne15.V tejto fáze je zrejmé, že maximálnu OT týchto aplikácií nemožno nastaviť rovnakým spôsobom ako pre tlakové nádoby.
Ďalšia trieda požiadaviek sa týka iba aplikácií súvisiacich s koróziou, ako sú napríklad práčky výfukových plynov z lodí.V týchto prípadoch je odolnosť proti korózii dôležitejšia ako obmedzenie OT pri mechanickom zaťažení.Obidva faktory však ovplyvňujú fungovanie konečného produktu, čo je potrebné vziať do úvahy pri uvádzaní maximálnej OT.Tento prípad sa opäť líši od dvoch predchádzajúcich prípadov.
Celkovo, pri informovaní zákazníka o vhodnom maximálnom OT pre jeho triedu duplexu je typ aplikácie životne dôležitý pri nastavovaní hodnoty.To ďalej demonštruje zložitosť nastavenia jedného OT pre triedu, pretože prostredie, v ktorom je materiál nasadený, má významný vplyv na proces krehnutia.
Aká je maximálna prevádzková teplota pre duplex?
Ako už bolo spomenuté, maximálna prevádzková teplota je daná veľmi nízkou kinetikou spinodálneho rozkladu.Ako však meriame túto teplotu a čo presne je „nízka kinetika“?Odpoveď na prvú otázku je jednoduchá.Už sme uviedli, že merania húževnatosti sa bežne vykonávajú na odhad rýchlosti a postupu rozkladu.Toto je stanovené v normách, ktorými sa riadi väčšina výrobcov.
Druhá otázka, čo znamená nízka kinetika a hodnota, pri ktorej nastavujeme teplotnú hranicu, je zložitejšia.Čiastočne je to preto, že okrajové podmienky maximálnej teploty sú zostavené zo samotnej maximálnej teploty (T) a prevádzkového času (t), počas ktorého je táto teplota udržiavaná.Na overenie tejto kombinácie Tt možno použiť rôzne interpretácie „najnižšej“ húževnatosti:
• Spodná hranica, ktorá je stanovená historicky a možno ju použiť pre zvary, je 27 joulov (J)
• V rámci noriem sa väčšinou stanovuje ako limit 40J.
• 50 % zníženie počiatočnej húževnatosti sa tiež často používa na nastavenie spodnej hranice.
To znamená, že vyhlásenie o maximálnej OT musí byť založené aspoň na troch dohodnutých predpokladoch:
• Teplotno-časová expozícia konečného produktu
• Prijateľná minimálna hodnota húževnatosti
• Konečná oblasť použitia (len chémia, mechanické zaťaženie áno/nie atď.)
Zlúčené experimentálne poznatky
Po rozsiahlom prieskume experimentálnych údajov a noriem bolo možné zostaviť odporúčania pre štyri skúmané duplexné triedy, pozri tabuľku 3. Je potrebné uznať, že väčšina údajov pochádza z laboratórnych experimentov vykonaných s teplotnými krokmi po 25 °C .
Treba tiež poznamenať, že tieto odporúčania odkazujú na aspoň 50 % húževnatosti zostávajúcej pri RT.Keď je v tabuľke uvedené „dlhšie časové obdobie“, nebolo zaznamenané žiadne významné zníženie pri RT.Okrem toho bol zvar testovaný iba pri -40 °C.Nakoniec je potrebné poznamenať, že pre DX 2304 sa predpokladá dlhší čas expozície vzhľadom na jeho vysokú húževnatosť po 3 000 hodinách testovania.Do akej miery je však možné expozíciu zvýšiť, sa musí overiť ďalším testovaním.
Treba poznamenať tri dôležité body:
• Súčasné zistenia naznačujú, že ak sú prítomné zvary, OT sa zníži asi o 25 °C.
• Krátkodobé špičky (desiatky hodín pri T=375 °C) sú prijateľné pre DX 2205. Keďže DX 2304 a LDX 2101 sú triedy s nižšou legovaním, mali by byť prijateľné aj porovnateľné krátkodobé teplotné špičky.
• Keď materiál skrehne v dôsledku rozkladu, zmierňujúce tepelné spracovanie pri 550 – 600 °C pre DX 2205 a 500 °C pre SDX 2507 počas 1 hodiny pomáha obnoviť húževnatosť o 70 %.
Čas odoslania: Feb-04-2023