Factorii limitează temperaturile de funcționare
Aplicațiile tipice care necesită ca materialele duplex să fie expuse la condiții de temperatură ridicată sunt recipientele sub presiune, palele ventilatorului/rotoarele sau epuratoarele de gaze de eșapament.Cerințele pentru proprietățile materialului pot varia de la rezistență mecanică ridicată la rezistență la coroziune. Compoziția chimică a claselor discutate în acest articol este enumerată în tabelul 1.
Descompunerea spinodale
Descompunerea spinodală (denumită și demixare sau, istoric, fragilizare la 475 °C) este un tip de separare a fazelor în faza feritică, care are loc la temperaturi de aproximativ 475 °C.Efectul cel mai pronunțat este o modificare a microstructurii, determinând formarea fazei α´, care are ca rezultat fragilizarea materialului.Acest lucru, la rândul său, limitează performanța produsului final.
Figura 1 prezintă diagrama de tranziție în timp a temperaturii (TTT) pentru materialele duplex studiate, cu descompunerea spinodală reprezentată în regiunea de 475 °C.Trebuie remarcat faptul că această diagramă TTT reprezintă o scădere a tenacității cu 50% măsurată prin testarea tenacității la impact asupra specimenelor Charpy-V, care este de obicei acceptată ca indicând fragilizarea.În unele aplicații, poate fi acceptabilă o scădere mai mare a tenacității, ceea ce modifică forma diagramei TTT.Prin urmare, decizia de a stabili un anumit OT maxim depinde de ceea ce este considerat a fi un nivel acceptabil de fragilizare, adică reducerea tenacității produsului final.Trebuie menționat că, din punct de vedere istoric, graficele TTT au fost produse și folosind un prag stabilit, cum ar fi 27J.
Cale de aliaje superioare
Figura 1 arată că creșterea elementelor de aliere de la gradul LDX 2101 către gradul SDX 2507 duce la o rată de descompunere mai rapidă, în timp ce duplexul slab prezintă un început întârziat al descompunerii.Impactul elementelor de aliere, cum ar fi cromul (Cr) și nichelul (Ni) asupra descompunerii și fragilizării spinodale a fost demonstrat de investigațiile anterioare.5–8 Acest efect este ilustrat în continuare în Figura 2. Arată că descompunerea spinodale este crescută atunci când temperatura este crescută de la 300 la 350 °C și este mai rapidă pentru SDX 2507 de calitate superioară aliată decât pentru DX 2205 mai puțin aliat.
Această înțelegere poate fi crucială pentru a ajuta clienții să decidă asupra maximului OT care este potrivit pentru gradul și aplicația selectate.
Determinarea temperaturii maxime
După cum sa menționat anterior, OT maximă pentru materialul duplex poate fi setat în funcție de scăderea acceptabilă a durității la impact.În mod obișnuit, se adoptă OT-ul corespunzător unei valori de reducere a tenacității cu 50%.
OT depinde de temperatură și timp
Panta din cozile curbelor din diagrama TTT din Figura 1 demonstrează că descompunerea spinodală nu are loc doar la un prag de temperatură și se oprește sub acest nivel.Mai degrabă, este un proces constant atunci când materialele duplex sunt expuse la temperaturi de funcționare sub 475 °C.Este totuși, de asemenea, clar că, datorită ratelor de difuzie mai scăzute, temperaturile mai scăzute înseamnă că descompunerea va începe mai târziu și va continua mult mai lent.Prin urmare, utilizarea materialului duplex la temperaturi mai scăzute ar putea să nu cauzeze probleme timp de ani sau chiar decenii.Cu toate acestea, în prezent, există tendința de a seta un OT maxim fără a lua în considerare timpul de expunere.Întrebarea cheie este, prin urmare, ce combinație de temperatură-timp ar trebui utilizată pentru a decide dacă este sigur să utilizați un material sau nu?Herzman et al.10 rezumă frumos această dilemă: „... Utilizarea va fi apoi limitată la temperaturi în care cinetica de demixare este atât de scăzută încât nu va apărea pe durata de viață tehnică proiectată a produsului...”.
Impactul sudurii
Majoritatea aplicațiilor folosesc sudarea pentru a îmbina componente.Este bine cunoscut faptul că microstructura sudurii și chimia sa variază de la materialul de bază 3 .În funcție de materialul de umplutură, tehnica de sudare și parametrii de sudare, microstructura sudurilor este în mare parte diferită de materialul în vrac.Microstructura este în mod normal mai grosieră și aceasta include și zona afectată de căldură la temperatură înaltă (HTHAZ), care afectează descompunerea spinodale în sudurile.Variația microstructurii între vrac și sudură este un subiect revizuit aici.
Rezumarea factorilor limitatori
Secțiunile anterioare conduc la următoarele concluzii:
- Toate materialele duplex sunt supuse
la descompunerea spinodală la temperaturi în jur de 475 °C. - În funcție de conținutul de aliaj, este de așteptat o viteză de descompunere mai rapidă sau mai lentă.Conținutul mai mare de Cr și Ni promovează o demixare mai rapidă.
- Pentru a seta temperatura maximă de funcționare:
– Trebuie luată în considerare o combinație a timpului de funcționare și a temperaturii.
– Trebuie setat un nivel acceptabil de scădere a tenacității, adică un nivel dorit de duritate finală - Când sunt introduse componente microstructurale suplimentare, cum ar fi sudurile, OT maximă este determinată de partea cea mai slabă.
Standarde globale
Pentru acest proiect au fost revizuite mai multe standarde europene și americane.S-au concentrat pe aplicații în vase sub presiune și componente de conducte.În general, discrepanța cu privire la OT maxim recomandat între standardele revizuite poate fi împărțită într-un punct de vedere european și american.
Standardele europene de specificații ale materialelor pentru oțel inoxidabil (de exemplu EN 10028-7, EN 10217-7) implică o OT maximă de 250 °C prin faptul că proprietățile materialului sunt asigurate numai până la această temperatură.Mai mult decât atât, standardele europene de proiectare pentru recipiente sub presiune și conducte (EN 13445 și, respectiv, EN 13480) nu oferă alte informații despre OT maxim din ceea ce este dat în standardele lor de materiale.
În schimb, specificația americană a materialului (de exemplu, ASME SA-240 din ASME secțiunea II-A) nu prezintă deloc date de temperatură ridicată.Aceste date sunt furnizate în schimb în ASME secțiunea II-D, „Proprietăți”, care acceptă codurile generale de construcție pentru recipientele sub presiune, ASME secțiunea VIII-1 și VIII-2 (acesta din urmă oferă o cale de proiectare mai avansată).În ASME II-D, OT maximă este menționat în mod explicit ca 316 °C pentru majoritatea aliajelor duplex.
Pentru aplicațiile de conducte sub presiune, atât regulile de proiectare, cât și proprietățile materialului sunt date în ASME B31.3.În acest cod, sunt furnizate date mecanice pentru aliajele duplex până la 316 °C fără o declarație clară a OT maximă.Cu toate acestea, puteți interpreta informațiile pentru a respecta ceea ce este scris în ASME II-D și, astfel, OT maximă pentru standardele americane este în majoritatea cazurilor de 316 °C.
În plus față de informațiile OT maxime, atât standardele americane, cât și cele europene presupun că există riscul de fragilizare la temperaturi ridicate (>250 °C) la timpi de expunere mai lungi, care trebuie luate în considerare atât în faza de proiectare, cât și în faza de service.
Pentru suduri, majoritatea standardelor nu fac nicio declarație fermă cu privire la impactul descompunerii spinodale.Cu toate acestea, unele standarde (de exemplu ASME VIII-1, Tabelul UHA 32-4) indică posibilitatea de a efectua tratamente termice specifice post-sudare.Acestea nu sunt nici solicitate, nici interzise, dar atunci când le sunt efectuate, acestea trebuie efectuate conform parametrilor prestabiliți în standard.
Ce spune industria
Informațiile produse de alți câțiva producători de oțel inoxidabil duplex au fost revizuite pentru a vedea ce comunică aceștia cu privire la intervalele de temperatură pentru gradele lor.2205 este limitat la 315 °C de către ATI, dar Acerinox setează OT pentru același grad la doar 250 °C.Acestea sunt limitele superioare și inferioare OT pentru gradul 2205, în timp ce între ele alte OT sunt comunicate de Aperam (300 °C), Sandvik (280 °C) și ArcelorMittal (280 °C).Acest lucru demonstrează răspândirea maximă a OT sugerate doar pentru un singur grad, care va avea proprietăți foarte comparabile de la producător la producător.
Raționamentul de fundal cu privire la motivul pentru care un producător a stabilit un anumit OT nu este întotdeauna dezvăluit.În cele mai multe cazuri, aceasta se bazează pe un anumit standard.Diferitele standarde comunică diferite OT, de unde răspândirea în valori.Concluzia logica este ca firmele americane stabilesc o valoare mai mare datorita afirmatiilor din standardul ASME, in timp ce companiile europene stabilesc o valoare mai mica datorita standardului EN.
De ce au nevoie clienții?
În funcție de aplicarea finală, sunt așteptate diferite sarcini și expuneri ale materialelor.În acest proiect, fragilizarea datorată descompunerii spinodale a fost de cel mai mare interes, deoarece este foarte aplicabilă vaselor sub presiune.
Cu toate acestea, există diverse aplicații care expun tipurile duplex doar la sarcini mecanice medii, cum ar fi scruberele11–15.O altă solicitare a fost legată de palele ventilatorului și rotoarele, care sunt expuse la sarcini de oboseală.Literatura de specialitate arată că descompunerea spinodale se comportă diferit atunci când se aplică o sarcină de oboseală15.În această etapă, devine clar că OT-ul maxim al acestor aplicații nu poate fi setat în același mod ca pentru recipientele sub presiune.
O altă clasă de solicitări este doar pentru aplicații legate de coroziune, cum ar fi epuratoarele marine de gaze de eșapament.În aceste cazuri, rezistența la coroziune este mai importantă decât limitarea OT sub o sarcină mecanică.Cu toate acestea, ambii factori influențează funcționarea produsului final, care trebuie luat în considerare atunci când se indică OT maxim.Din nou, acest caz diferă de cele două cazuri anterioare.
În general, atunci când informează un client cu privire la OT maximă potrivită pentru gradul său duplex, tipul de aplicație este de o importanță vitală în stabilirea valorii.Acest lucru demonstrează și mai mult complexitatea stabilirii unui singur OT pentru o notă, deoarece mediul în care este desfășurat materialul are un impact semnificativ asupra procesului de fragilizare.
Care este temperatura maximă de funcționare pentru duplex?
După cum sa menționat, temperatura maximă de funcționare este stabilită de cinetica foarte scăzută a descompunerii spinodale.Dar cum măsurăm această temperatură și ce sunt exact „cinetica scăzută”?Răspunsul la prima întrebare este ușor.Am afirmat deja că măsurătorile de tenacitate sunt efectuate în mod obișnuit pentru a estima viteza și progresul descompunerii.Acest lucru este stabilit în standardele urmate de majoritatea producătorilor.
A doua întrebare, despre ce se înțelege prin cinetică scăzută și valoarea la care stabilim o limită de temperatură este mai complexă.Acest lucru se datorează parțial deoarece condițiile limită ale temperaturii maxime sunt compilate atât din temperatura maximă (T) în sine, cât și din timpul de funcționare (t) peste care această temperatură este susținută.Pentru a valida această combinație Tt, pot fi folosite diverse interpretări ale durității „cea mai scăzută”:
• Limita inferioară, care este stabilită istoric și poate fi aplicată pentru suduri este de 27 Jouli (J)
• În cadrul standardelor, cea mai mare parte 40J este stabilită ca limită.
• Scăderea cu 50% a tenacității inițiale este de asemenea aplicată frecvent pentru a stabili limita inferioară.
Aceasta înseamnă că o declarație privind OT maximă trebuie să se bazeze pe cel puțin trei ipoteze convenite:
• Expunerea la temperatură-timp a produsului final
• Valoarea minimă acceptabilă a tenacităţii
• Domeniul final de aplicare (doar chimie, sarcină mecanică da/nu etc.)
Cunoștințe experimentale îmbinate
În urma unui studiu amplu al datelor experimentale și al standardelor, a fost posibilă compilarea recomandărilor pentru cele patru grade duplex supuse analizei, a se vedea tabelul 3. Trebuie recunoscut faptul că majoritatea datelor sunt create din experimente de laborator efectuate cu trepte de temperatură de 25 °C. .
De asemenea, trebuie remarcat faptul că aceste recomandări fac referire la cel puțin 50% din duritatea rămasă la RT.Când în tabel este indicată „perioada mai lungă de timp” nu a fost documentată o scădere semnificativă a RT.În plus, sudura a fost testată doar la -40 °C.În cele din urmă, trebuie remarcat faptul că se anticipează un timp de expunere mai lung pentru DX 2304, având în vedere rezistența sa ridicată după 3.000 de ore de testare.Cu toate acestea, în ce măsură expunerea poate fi crescută trebuie verificată prin teste suplimentare.
Există trei puncte importante de reținut:
• Constatările actuale indică faptul că, dacă sunt prezente suduri, OT scade cu aproximativ 25 °C.
• Picurile pe termen scurt (zeci de ore la T=375 °C) sunt acceptabile pentru DX 2205. Deoarece DX 2304 și LDX 2101 sunt tipuri de aliaje mai mici, ar trebui să fie acceptabile și vârfurile de temperatură pe termen scurt comparabile.
• Când materialul este fragilizat din cauza descompunerii, tratamentul termic de atenuare la 550 – 600 °C pentru DX 2205 și 500 °C pentru SDX 2507 timp de 1 oră ajută la recuperarea tenacității cu 70%.
Ora postării: 04-feb-2023