Tekijät rajoittavat käyttölämpötiloja
Tyypillisiä sovelluksia, jotka vaativat dupleksimateriaalien altistumista korkeille lämpötiloille, ovat paineastiat, tuulettimen siivet/siipipyörät tai pakokaasupesurit.Materiaaliominaisuuksia koskevat vaatimukset voivat vaihdella korkeasta mekaanisesta lujuudesta korroosionkestävyyteen. Tässä artikkelissa käsiteltyjen laatujen kemiallinen koostumus on lueteltu taulukossa 1.
Spinodaalinen hajoaminen
Spinodaalinen hajoaminen (kutsutaan myös demixingiksi tai historiallisesti 475 °C-haurastukseksi) on eräänlainen faasien erottuminen ferriittisessä faasissa, joka tapahtuu noin 475 °C:n lämpötiloissa.Selkein vaikutus on mikrorakenteen muutos, joka aiheuttaa α´-faasin muodostumisen, joka johtaa materiaalin haurastumiseen.Tämä puolestaan rajoittaa lopputuotteen suorituskykyä.
Kuvassa 1 on esitetty lämpötila-aikamuutos (TTT) -diagrammi tutkituille dupleksimateriaaleille, spinodaalisen hajoamisen ollessa edustettuna alueella 475 °C.On huomattava, että tämä TTT-kaavio edustaa 50 %:n sitkeyden laskua Charpy-V-näytteiden iskusitkeystesteillä mitattuna, mikä yleensä hyväksytään haurautta osoittavaksi.Joissakin sovelluksissa suurempi sitkeys voi olla hyväksyttävää, mikä muuttaa TTT-kaavion muotoa.Siksi päätös tietyn enimmäismäärän asettamisesta riippuu siitä, mitä pidetään hyväksyttävänä haurauden tasona, ts. sitkeyden heikkenemisenä lopputuotteelle.On syytä mainita, että historiallisesti TTT-graafit tuotettiin myös tietyllä kynnysarvolla, kuten 27J.
Korkeammat seostetut lajit
Kuva 1 osoittaa, että seosaineiden lisääntyminen LDX 2101 -lajista SDX 2507 -laatuun johtaa nopeampaan hajoamisnopeuteen, kun taas laihassa duplexissa hajoamisen alkaminen viivästyy.Seosalkuaineiden, kuten kromin (Cr) ja nikkelin (Ni) vaikutus spinodaaliseen hajoamiseen ja haurastumiseen on osoitettu aikaisemmissa tutkimuksissa.5–8 Tätä vaikutusta havainnollistetaan tarkemmin kuvassa 2. Se osoittaa, että spinodaalinen hajoaminen lisääntyy lämpötilan noustessa. nostetaan 300:sta 350 °C:seen ja on nopeampi korkeammin seostetulle SDX 2507:lle kuin vähemmän seostetulle DX 2205:lle.
Tämä ymmärrys voi olla ratkaisevan tärkeää auttaessaan asiakkaita päättämään suurimmasta OT:sta, joka sopii heidän valitsemaansa laatuun ja sovellukseen.
Maksimilämpötilan määrittäminen
Kuten aiemmin mainittiin, maksimi OT duplex-materiaalille voidaan asettaa iskunkestävyyden hyväksyttävän laskun mukaan.Tyypillisesti otetaan käyttöön OT, joka vastaa arvoa 50 % sitkeysvähennystä.
OT riippuu lämpötilasta ja ajasta
Kuvan 1 TTT-diagrammin käyrien päissä oleva kaltevuus osoittaa, että spinodaalinen hajoaminen ei tapahdu vain yhdessä kynnyslämpötilassa ja pysähdy sen alle.Pikemminkin kyseessä on jatkuva prosessi, kun dupleksimateriaalit altistetaan alle 475 °C:n käyttölämpötiloille.On kuitenkin myös selvää, että alhaisempien diffuusionopeuksien vuoksi alhaisemmat lämpötilat tarkoittavat, että hajoaminen alkaa myöhemmin ja etenee paljon hitaammin.Siksi duplex-materiaalin käyttäminen alhaisemmissa lämpötiloissa ei välttämättä aiheuta ongelmia vuosiin tai jopa vuosikymmeniin.Silti tällä hetkellä on taipumus asettaa maksimi OT ottamatta huomioon valotusaikaa.Avainkysymys on siksi, mitä lämpötila-aika-yhdistelmää tulisi käyttää päätettäessä, onko materiaalin käyttö turvallista vai ei?Herzman ym.10 tiivistävät tämän dilemman hienosti: "...Käyttö rajoittuu silloin lämpötiloihin, joissa sekoittumisen kinetiikka on niin alhainen, että sitä ei tapahdu tuotteen suunnitellun teknisen käyttöiän aikana...".
Hitsauksen vaikutus
Useimmat sovellukset käyttävät hitsausta komponenttien liittämiseen.On tunnettua, että hitsin mikrorakenne ja sen kemia vaihtelevat perusmateriaalista 3 .Riippuen täyteaineesta, hitsaustekniikasta ja hitsausparametreista, hitsien mikrorakenne on pääosin erilainen kuin bulkkimateriaalin.Mikrorakenne on normaalisti karkeampi, ja tämä sisältää myös korkean lämpötilan lämpövaikutusvyöhykkeen (HTHAZ), joka vaikuttaa spinodaaliseen hajoamiseen hitsauksissa.Mikrorakenteen vaihtelu bulkin ja hitsausten välillä on aihe, jota tarkastellaan täällä.
Rajoittavien tekijöiden yhteenveto
Edelliset kohdat johtavat seuraaviin johtopäätöksiin:
- Kaikki duplex-materiaalit ovat voimassa
spinodaaliseen hajoamiseen noin 475 °C:n lämpötiloissa. - Seospitoisuudesta riippuen odotetaan nopeampaa tai hitaampaa hajoamisnopeutta.Korkeampi Cr- ja Ni-pitoisuus edistää nopeampaa sekoittumista.
- Maksimikäyttölämpötilan asettaminen:
– Käyttöajan ja lämpötilan yhdistelmä on otettava huomioon.
– Hyväksyttävä sitkeyden alenemistaso, eli haluttu lopullinen sitkeys on asetettava - Kun mikrorakennekomponentteja, kuten hitsejä, lisätään, maksimi OT määräytyy heikoimman osan mukaan.
Globaalit standardit
Tätä hanketta varten tarkistettiin useita eurooppalaisia ja amerikkalaisia standardeja.He keskittyivät sovelluksiin paineastioissa ja putkistokomponenteissa.Yleisesti ottaen poikkeama suositeltujen standardien enimmäismäärästä voidaan jakaa eurooppalaiseen ja amerikkalaiseen näkökulmaan.
Eurooppalaiset ruostumattomien terästen materiaalispesifikaatiostandardit (esim. EN 10028-7, EN 10217-7) edellyttävät enintään 250 °C:n OT:ta, koska materiaalin ominaisuudet saavutetaan vain tähän lämpötilaan asti.Lisäksi eurooppalaiset paineastioiden ja putkistojen suunnittelustandardit (EN 13445 ja EN 13480) eivät anna enempää tietoa materiaalistandardeissaan ilmoitetusta maksimaalisesta OT:sta.
Sitä vastoin amerikkalainen materiaalispesifikaatio (esim. ASME SA-240 ASME:n osion II-A) ei sisällä lainkaan kohonneita lämpötilatietoja.Nämä tiedot on sen sijaan annettu ASME:n osiossa II-D, 'Ominaisuudet', joka tukee paineastioiden yleisiä rakennusmääräyksiä, ASME:n osio VIII-1 ja VIII-2 (jälkimmäinen tarjoaa edistyneemmän suunnittelureitin).ASME II-D:ssä suurin OT on nimenomaisesti ilmoitettu 316 °C:ksi useimmille duplex-seoksille.
Paineputkisovelluksissa sekä suunnittelusäännöt että materiaaliominaisuudet on annettu ASME B31.3:ssa.Tässä koodissa mekaaniset tiedot tarjotaan dupleksiseoksille 316 °C asti ilman selkeää enimmäismäärää.Siitä huolimatta voit tulkita tiedot ASME II-D:ssä kirjoitetun mukaiseksi, ja siten amerikkalaisten standardien maksimi OT on useimmissa tapauksissa 316 °C.
Enimmäismäärän OT-tietojen lisäksi sekä amerikkalaiset että eurooppalaiset standardit viittaavat siihen, että on olemassa riski haurastumisesta korkeissa lämpötiloissa (>250 °C) pidemmillä altistusajoilla, mikä tulee ottaa huomioon sekä suunnittelu- että huoltovaiheessa.
Hitsien osalta useimmat standardit eivät anna mitään varmaa lausuntoa spinodaalisen hajoamisen vaikutuksesta.Jotkut standardit (esim. ASME VIII-1, taulukko UHA 32-4) kuitenkin osoittavat mahdollisuuden suorittaa tiettyjä hitsauksen jälkeisiä lämpökäsittelyjä.Nämä eivät ole pakollisia eivätkä kiellettyjä, mutta niitä suoritettaessa ne tulee suorittaa standardissa ennalta asetettujen parametrien mukaisesti.
Mitä teollisuus sanoo
Useiden muiden ruostumattoman duplex-teräksen valmistajien tuottamia tietoja tarkasteltiin, jotta nähtiin, mitä ne kertovat laatujensa lämpötila-alueista.ATI on rajoittanut 2205:n 315 °C:een, mutta Acerinox asettaa OT:n samalle laadulle vain 250 °C:seen.Nämä ovat luokan 2205 ylä- ja alarajat, kun taas niiden välissä muut OT-arvot ilmoittavat Aperam (300 °C), Sandvik (280 °C) ja ArcelorMittal (280 °C).Tämä osoittaa, että vain yhdelle laatuluokalle ehdotettujen enimmäismäärien levinneisyys on laaja, ja sillä on hyvin vertailukelpoiset ominaisuudet eri valmistajilta.
Taustaperusteluja sille, miksi valmistaja on asettanut tietyn OT:n, ei aina paljasteta.Useimmissa tapauksissa tämä perustuu yhteen tiettyyn standardiin.Eri standardit viestivät eri OT:t, mistä johtuu arvojen hajonta.Looginen johtopäätös on, että amerikkalaiset yritykset asettavat korkeamman arvon ASME-standardin lausuntojen vuoksi, kun taas eurooppalaiset yritykset asettavat alhaisemman arvon EN-standardin vuoksi.
Mitä asiakkaat tarvitsevat?
Lopullisesta sovelluksesta riippuen on odotettavissa erilaisia materiaalien kuormituksia ja altistumisia.Tässä projektissa spinodaalisen hajoamisen aiheuttama haurastuminen oli eniten kiinnostavaa, koska se soveltuu hyvin paineastioihin.
On kuitenkin olemassa useita sovelluksia, jotka altistavat duplex-laadut vain keskisuurille mekaanisille kuormituksille, kuten pesurit11–15.Toinen pyyntö koski puhaltimien lapoja ja juoksupyöriä, jotka ovat alttiina väsymiskuormitukselle.Kirjallisuus osoittaa, että spinodaalinen hajoaminen käyttäytyy eri tavalla, kun siihen kohdistetaan väsymiskuormitus15.Tässä vaiheessa käy selväksi, että näiden sovellusten enimmäismäärää ei voida asettaa samalla tavalla kuin paineastioiden.
Toinen pyyntöluokka koskee vain korroosioon liittyviä sovelluksia, kuten laivojen pakokaasupesureita.Näissä tapauksissa korroosionkestävyys on tärkeämpää kuin OT-rajoitus mekaanisessa kuormituksessa.Molemmat tekijät vaikuttavat kuitenkin lopputuotteen toimintaan, mikä on otettava huomioon maksimi-OT:ta ilmoitettaessa.Tämäkin tapaus eroaa kahdesta edellisestä tapauksesta.
Kaiken kaikkiaan, kun asiakasta neuvotaan sopivasta maksimaalisesta OT:sta hänen duplex-laadulleen, sovelluksen tyyppi on erittäin tärkeä arvon asettamisessa.Tämä osoittaa entisestään, kuinka monimutkainen on asettaa yksittäinen OT arvolle, koska ympäristöllä, jossa materiaalia käytetään, on merkittävä vaikutus haurastumisprosessiin.
Mikä on duplexin maksimi käyttölämpötila?
Kuten mainittiin, maksimi käyttölämpötila määräytyy spinodaalisen hajoamisen erittäin alhaisen kinetiikan ansiosta.Mutta miten mitataan tämä lämpötila ja mitä "matala kinetiikka" tarkalleen ottaen tarkoittaa?Vastaus ensimmäiseen kysymykseen on helppo.Olemme jo todenneet, että sitkeysmittauksia tehdään yleisesti hajoamisnopeuden ja -edistyksen arvioimiseksi.Tämä on asetettu useimpien valmistajien noudattamiin standardeihin.
Toinen kysymys siitä, mitä tarkoitetaan alhaisella kinetiikalla ja arvolla, jolle asetamme lämpötilarajan, on monimutkaisempi.Tämä johtuu osittain siitä, että maksimilämpötilan rajaehdot kootaan sekä maksimilämpötilasta (T) itsestään että käyttöajasta (t), jonka aikana tätä lämpötilaa ylläpidetään.Tämän Tt-yhdistelmän vahvistamiseksi voidaan käyttää erilaisia tulkintoja "matalimmasta" sitkeydestä:
• Historiallisesti asetettu alaraja, jota voidaan soveltaa hitsauksiin, on 27 joulea (J)
• Standardien sisällä enimmäkseen 40J on asetettu rajaksi.
• 50 %:n lasku alkusitkeydessä käytetään usein myös alarajan asettamiseen.
Tämä tarkoittaa, että lausunnon enimmäismäärästä OT:n on perustuttava vähintään kolmeen sovittuun olettamukseen:
• Lopputuotteen lämpötila-aika-altistus
• Hyväksyttävä lujuuden vähimmäisarvo
• Lopullinen käyttöalue (vain kemia, mekaaninen kuormitus kyllä/ei jne.)
Yhdistetty kokeellinen tieto
Laajan kokeellisten tietojen ja standardien tutkimuksen jälkeen on voitu laatia suosituksia neljälle tarkasteltavalle duplex-laadulle, katso taulukko 3. On huomattava, että suurin osa tiedoista on saatu laboratoriokokeista, jotka on suoritettu 25 °C:n lämpötilan askelin. .
On myös huomattava, että näissä suosituksissa viitataan vähintään 50 %:iin RT:ssä jäljellä olevasta sitkeydestä.Kun taulukossa on "pidempi aika", mitään merkittävää RT:n laskua ei ole dokumentoitu.Lisäksi hitsaus on testattu vain -40 °C:ssa.Lopuksi on huomattava, että DX 2304:lle on odotettavissa pidempi valotusaika, kun otetaan huomioon sen korkea sitkeys 3 000 tunnin testauksen jälkeen.Kuitenkin, missä määrin altistumista voidaan lisätä, on tarkistettava lisätesteillä.
On kolme tärkeää huomioitavaa:
• Nykyiset havainnot osoittavat, että jos hitsejä on, OT laskee noin 25 °C.
• Lyhytaikaiset piikit (kymmeniä tunteja T=375 °C:ssa) ovat hyväksyttäviä DX 2205:lle. Koska DX 2304 ja LDX 2101 ovat heikommin seostettuja laatuja, myös vertailukelpoiset lyhytaikaiset lämpötilapiikit ovat hyväksyttäviä.
• Kun materiaali haurastuu hajoamisen vuoksi, 550 – 600 °C:ssa DX 2205:ssä ja 500 °C:ssa SDX 2507:ssä 1 tunnin mittainen lämpökäsittely auttaa palauttamaan sitkeyden 70 %.
Postitusaika: 04.02.2023