Dejavniki omejene delovne temp
Tipične aplikacije, ki zahtevajo, da so dupleksni materiali izpostavljeni visokim temperaturam, so tlačne posode, lopatice/tekači ventilatorjev ali pralniki izpušnih plinov.Zahteve za lastnosti materiala lahko segajo od visoke mehanske trdnosti do odpornosti proti koroziji. Kemična sestava razredov, obravnavanih v tem članku, je navedena v tabeli 1.
Spinodalna razgradnja
Spinodalna razgradnja (imenovana tudi demixing ali zgodovinsko krhkost pri 475 °C) je vrsta ločevanja faz v feritni fazi, ki se pojavi pri temperaturah okoli 475 °C.Najbolj izrazit učinek je sprememba mikrostrukture, ki povzroči nastanek α´ faze, kar ima za posledico krhkost materiala.To pa omejuje zmogljivost končnega izdelka.
Slika 1 prikazuje diagram temperaturnega časovnega prehoda (TTT) za proučevane dupleksne materiale, pri čemer je spinodalni razpad predstavljen v območju 475 °C.Opozoriti je treba, da ta diagram TTT predstavlja zmanjšanje žilavosti za 50 %, izmerjeno s preskusom udarne žilavosti na vzorcih Charpy-V, kar se običajno sprejme kot znak krhkosti.V nekaterih aplikacijah je lahko sprejemljivo večje zmanjšanje žilavosti, kar spremeni obliko diagrama TTT.Zato je odločitev o določitvi določenega najvišjega OT odvisna od tega, kaj se šteje za sprejemljivo stopnjo krhkosti, tj. zmanjšanje žilavosti končnega izdelka.Treba je omeniti, da so bili v preteklosti grafi TTT izdelani tudi z uporabo nastavljenega praga, kot je 27J.
Višje legirane stopnje
Slika 1 prikazuje, da povečanje legirnih elementov od razreda LDX 2101 proti razredu SDX 2507 vodi do hitrejše stopnje razgradnje, medtem ko vitki dupleks kaže zapozneli začetek razgradnje.Vpliv legirnih elementov, kot sta krom (Cr) in nikelj (Ni), na spinodalno razgradnjo in krhkost so pokazale prejšnje raziskave.5–8 Ta učinek je nadalje prikazan na sliki 2. Prikazuje, da se spinodalna razgradnja poveča, ko temperatura se poveča s 300 na 350 °C in je hitrejša pri višje legiranem razredu SDX 2507 kot pri manj legiranem DX 2205.
To razumevanje je lahko ključnega pomena za pomoč strankam pri odločitvi o največjem OT, ki je primeren za njihov izbrani razred in uporabo.
Določanje najvišje temperature
Kot je bilo že omenjeno, se lahko najvišji OT za dupleksni material nastavi glede na sprejemljiv padec udarne žilavosti.Običajno se sprejme OT, ki ustreza vrednosti 50 % zmanjšanja žilavosti.
OT je odvisen od temperature in časa
Naklon v repih krivulj v diagramu TTT na sliki 1 dokazuje, da se spinodalna razgradnja ne pojavi samo pri eni mejni temperaturi in se ustavi pod to ravnjo.Namesto tega gre za stalen proces, ko so dupleksni materiali izpostavljeni delovnim temperaturam pod 475 °C.Jasno pa je tudi, da zaradi nižjih stopenj difuzije nižje temperature pomenijo, da se bo razgradnja začela pozneje in potekala veliko počasneje.Zato uporaba dupleksnega materiala pri nižjih temperaturah morda ne bo povzročala težav leta ali celo desetletja.Vendar trenutno obstaja težnja, da se določi najvišji OT brez upoštevanja časa izpostavljenosti.Ključno vprašanje je torej, kakšno kombinacijo temperature in časa je treba uporabiti za odločitev, ali je uporaba materiala varna ali ne?Herzman et al.10 lepo povzemajo to dilemo: »…Uporaba bo nato omejena na temperature, kjer je kinetika razmešanja tako nizka, da do nje ne bo prišlo v načrtovani tehnični življenjski dobi izdelka…«.
Vpliv varjenja
Večina aplikacij uporablja varjenje za spajanje komponent.Dobro je znano, da se mikrostruktura zvara in njegova kemija razlikujeta od osnovnega materiala 3 .Glede na dodajni material, varilno tehniko in varilne parametre se mikrostruktura zvarov večinoma razlikuje od sipkega materiala.Mikrostruktura je običajno bolj groba in to vključuje tudi visokotemperaturno toplotno prizadeto območje (HTHAZ), ki vpliva na spinodalno razgradnjo v zvarih.Sprememba mikrostrukture med razsutim in zvarjenim materialom je tema, ki jo obravnavamo tukaj.
Če povzamemo omejevalne dejavnike
Prejšnji razdelki vodijo do naslednjih zaključkov:
- Predmet so vsi dupleksni materiali
do spinodalne razgradnje pri temperaturah okoli 475 °C. - Odvisno od vsebnosti zlitin se pričakuje hitrejša ali počasnejša stopnja razgradnje.Višja vsebnost Cr in Ni spodbuja hitrejše razmešanje.
- Za nastavitev najvišje delovne temperature:
– Upoštevati je treba kombinacijo časa delovanja in temperature.
– Nastaviti je treba sprejemljivo stopnjo zmanjšanja žilavosti, tj. želeno stopnjo končne žilavosti - Ko so uvedene dodatne mikrostrukturne komponente, kot so zvari, je največji OT določen z najšibkejšim delom.
Globalni standardi
Za ta projekt je bilo pregledanih več evropskih in ameriških standardov.Osredotočili so se na aplikacije v tlačnih posodah in komponentah cevovodov.Na splošno lahko neskladje glede priporočenega največjega OT med pregledanimi standardi razdelimo na evropsko in ameriško stališče.
Evropski standardi za specifikacijo materialov za nerjavna jekla (npr. EN 10028-7, EN 10217-7) predvidevajo največjo OT 250 °C zaradi dejstva, da so lastnosti materiala zagotovljene le do te temperature.Poleg tega evropski standardi načrtovanja za tlačne posode in cevovode (EN 13445 oziroma EN 13480) ne dajejo nobenih dodatnih informacij o največjem OT od tega, kar je navedeno v njihovih standardih za materiale.
Nasprotno pa ameriška specifikacija materiala (npr. ASME SA-240 iz oddelka II-A ASME) sploh ne predstavlja nobenih podatkov o povišani temperaturi.Ti podatki so namesto tega navedeni v razdelku ASME II-D, 'Lastnosti', ki podpira splošne konstrukcijske kode za tlačne posode, ASME razdelka VIII-1 in VIII-2 (slednji ponujata naprednejšo pot načrtovanja).V ASME II-D je največja OT izrecno navedena kot 316 °C za večino dupleksnih zlitin.
Za aplikacije tlačnih cevovodov so pravila za načrtovanje in lastnosti materiala podani v ASME B31.3.V tej kodi so podani mehanski podatki za dupleksne zlitine do 316 °C brez jasne navedbe največjega OT.Kljub temu lahko informacije razlagate tako, da so v skladu s tem, kar je zapisano v ASME II-D, in tako je največja OT za ameriške standarde v večini primerov 316 °C.
Poleg informacij o maksimalnem OT ameriški in evropski standardi nakazujejo, da obstaja tveganje krhkosti pri povišanih temperaturah (>250 °C) pri daljših časih izpostavljenosti, kar je treba upoštevati tako v fazi projektiranja kot v servisni fazi.
Za zvare večina standardov ne daje trdnih izjav o vplivu spinodalne razgradnje.Vendar pa nekateri standardi (npr. ASME VIII-1, tabela UHA 32-4) kažejo na možnost izvedbe posebnih toplotnih obdelav po varjenju.Te niso niti obvezne niti prepovedane, vendar jih je treba pri izvajanju izvajati po prednastavljenih parametrih v standardu.
Kaj pravi industrija
Informacije, ki jih je pripravilo več drugih proizvajalcev dupleksnega nerjavečega jekla, smo pregledali, da bi ugotovili, kaj sporočajo glede temperaturnih razponov za njihove razrede.2205 je ATI omejil na 315 °C, vendar Acerinox nastavi OT za isti razred na samo 250 °C.To sta zgornja in spodnja meja OT za kvaliteto 2205, medtem ko druge OT vmes sporočajo Aperam (300 °C), Sandvik (280 °C) in ArcelorMittal (280 °C).To dokazuje široko razširjenost predlaganih najvišjih OT samo za eno stopnjo, ki bo imela zelo primerljive lastnosti od proizvajalca do proizvajalca.
Razlaga ozadja, zakaj je proizvajalec nastavil določen OT, ni vedno razkrita.V večini primerov to temelji na enem posebnem standardu.Različni standardi sporočajo različne OT, od tod tudi širjenje vrednosti.Logičen sklep je, da ameriška podjetja zaradi navedb v standardu ASME postavljajo višjo vrednost, evropska podjetja pa nižjo vrednost zaradi standarda EN.
Kaj potrebujejo stranke?
Glede na končno uporabo se pričakujejo različne obremenitve in izpostavljenosti materialov.V tem projektu je bila najbolj zanimiva krhkost zaradi spinodalne razgradnje, saj je zelo uporabna za tlačne posode.
Vendar pa obstajajo različne aplikacije, ki izpostavljajo dupleksne kvalitete samo srednjim mehanskim obremenitvam, kot so pralniki11–15.Druga zahteva se je nanašala na lopatice in tekače ventilatorjev, ki so izpostavljeni utrujajočim obremenitvam.Literatura kaže, da se spinodalna razgradnja obnaša drugače, ko se uporabi obremenitev zaradi utrujenosti15.Na tej stopnji postane jasno, da največjega OT teh aplikacij ni mogoče nastaviti na enak način kot za tlačne posode.
Drugi razred zahtev je samo za aplikacije, povezane s korozijo, kot so pralniki izpušnih plinov za plovila.V teh primerih je odpornost proti koroziji pomembnejša od omejitve OT pod mehansko obremenitvijo.Vendar oba dejavnika vplivata na delovanje končnega izdelka, kar je treba upoštevati pri navedbi najvišjega OT.Tudi ta primer se razlikuje od prejšnjih dveh primerov.
Na splošno je pri svetovanju stranki glede ustreznega najvišjega OT za njihov dvostranski razred ključnega pomena pri določanju vrednosti vrsta aplikacije.To dodatno dokazuje zapletenost določanja enega samega OT za kakovost, saj ima okolje, v katerem je uporabljen material, pomemben vpliv na proces krhkosti.
Kakšna je najvišja delovna temperatura za duplex?
Kot že omenjeno, je najvišja delovna temperatura določena z zelo nizko kinetiko spinodalne razgradnje.Toda kako izmerimo to temperaturo in kaj točno je "nizka kinetika"?Odgovor na prvo vprašanje je enostaven.Navedli smo že, da se meritve žilavosti običajno izvajajo za oceno hitrosti in napredka razgradnje.To je določeno v standardih, ki jih upošteva večina proizvajalcev.
Drugo vprašanje, kaj pomeni nizka kinetika in vrednost, pri kateri nastavimo temperaturno mejo, je bolj zapleteno.To je delno zato, ker so mejni pogoji najvišje temperature sestavljeni iz same najvišje temperature (T) in časa delovanja (t), v katerem se ta temperatura vzdržuje.Za potrditev te kombinacije Tt je mogoče uporabiti različne interpretacije "najnižje" žilavosti:
• Spodnja meja, ki je postavljena zgodovinsko in se lahko uporablja za zvare, je 27 Joulov (J)
• Znotraj standardov je kot omejitev večinoma določeno 40J.
• Za določitev spodnje meje se pogosto uporablja tudi 50-odstotno zmanjšanje začetne žilavosti.
To pomeni, da mora izjava o največjem OT temeljiti na vsaj treh dogovorjenih predpostavkah:
• Temperaturno-časovna izpostavljenost končnega izdelka
• Najnižja sprejemljiva vrednost žilavosti
• Končno področje uporabe (samo kemija, mehanske obremenitve da/ne itd.)
Združeno eksperimentalno znanje
Po obsežni raziskavi eksperimentalnih podatkov in standardov je bilo mogoče sestaviti priporočila za štiri pregledovane stopnje dupleksa, glej tabelo 3. Priznati je treba, da je večina podatkov ustvarjenih iz laboratorijskih poskusov, izvedenih s temperaturnimi koraki 25 °C. .
Prav tako je treba opozoriti, da se ta priporočila nanašajo na vsaj 50 % preostale žilavosti pri RT.Kadar je v tabeli navedeno "daljše časovno obdobje", ni dokumentirano nobeno pomembno zmanjšanje pri RT.Poleg tega je bil zvar testiran samo pri -40 °C.Nazadnje je treba omeniti, da se za DX 2304 pričakuje daljši čas izpostavljenosti, glede na njegovo visoko žilavost po 3000 urah testiranja.Vendar je treba z nadaljnjim testiranjem preveriti, v kolikšni meri je izpostavljenost mogoče povečati.
Upoštevati je treba tri pomembne točke:
• Trenutne ugotovitve kažejo, da se OT zniža za približno 25 °C, če so prisotni zvari.
• Kratkotrajni skoki (več deset ur pri T=375 °C) so sprejemljivi za DX 2205. Ker sta DX 2304 in LDX 2101 nižja legirana razreda, bi morali biti sprejemljivi tudi primerljivi kratkoročni skoki temperature.
• Ko je material krhek zaradi razgradnje, blažilna toplotna obdelava pri 550 – 600 °C za DX 2205 in 500 °C za SDX 2507 za 1 uro pomaga obnoviti žilavost za 70 %.
Čas objave: 4. februarja 2023