Faktory omezené provozní teploty
Typické aplikace, které vyžadují, aby byly duplexní materiály vystaveny podmínkám vysoké teploty, jsou tlakové nádoby, lopatky ventilátorů/oběžná kola nebo pračky výfukových plynů.Požadavky na vlastnosti materiálu se mohou pohybovat od vysoké mechanické pevnosti po odolnost proti korozi. Chemické složení jakostí diskutovaných v tomto článku je uvedeno v tabulce 1.
Spinodální rozklad
Spinodální rozklad (také nazývaný demixing nebo historicky jako 475 °C-křehnutí) je druh fázového oddělení ve feritické fázi, ke kterému dochází při teplotách kolem 475 °C.Nejvýraznějším efektem je změna mikrostruktury způsobující vznik α´ fáze, která má za následek křehnutí materiálu.To zase omezuje výkon konečného produktu.
Obrázek 1 ukazuje diagram teplotního časového přechodu (TTT) pro studované duplexní materiály, se spinodálním rozkladem reprezentovaným v oblasti 475 °C.Je třeba poznamenat, že tento TTT diagram představuje pokles houževnatosti o 50 %, měřeno testováním rázové houževnatosti na vzorcích Charpy-V, což je obvykle akceptováno jako indikátor křehnutí.V některých aplikacích může být přijatelný větší pokles houževnatosti, který mění tvar TTT diagramu.Proto rozhodnutí stanovit konkrétní maximální OT závisí na tom, co je považováno za přijatelnou úroveň zkřehnutí, tj. snížení houževnatosti pro konečný produkt.Je třeba zmínit, že historicky byly TTT-grafy také vytvářeny pomocí nastaveného prahu, jako je 27J.
Vysoce legované třídy
Obrázek 1 ukazuje, že nárůst legujících prvků od třídy LDX 2101 směrem k jakosti SDX 2507 vede k rychlejší rychlosti rozkladu, zatímco chudý duplex vykazuje zpožděný začátek rozkladu.Vliv legujících prvků, jako je chrom (Cr) a nikl (Ni) na spinodální rozklad a křehnutí, ukázaly předchozí výzkumy.5–8 Tento efekt je dále ilustrován na obrázku 2. Ukazuje, že spinodální rozklad se zvyšuje, když teplota se zvýší z 300 na 350 °C a je rychlejší u výše legované třídy SDX 2507 než u méně legované DX 2205.
Toto porozumění může být klíčové pro pomoc zákazníkům při rozhodování o maximálním OT, který je vhodný pro jejich vybranou třídu a aplikaci.
Stanovení maximální teploty
Jak bylo uvedeno výše, maximální OT pro duplexní materiál lze nastavit podle přijatelného poklesu rázové houževnatosti.Typicky se používá OT odpovídající hodnotě 50% snížení houževnatosti.
OT závisí na teplotě a čase
Sklon konce křivek v TTT diagramu na obrázku 1 ukazuje, že spinodální rozklad nenastává pouze při jedné prahové teplotě a zastaví se pod touto úrovní.Spíše se jedná o konstantní proces, kdy jsou duplexní materiály vystaveny provozním teplotám nižším než 475 °C.Je však také jasné, že v důsledku nižších rychlostí difúze nižší teploty znamenají, že rozklad začne později a bude probíhat mnohem pomaleji.Proto použití duplexního materiálu při nižších teplotách nemusí způsobovat problémy po léta nebo dokonce desetiletí.V současnosti však existuje tendence nastavit maximální OT bez ohledu na dobu expozice.Klíčovou otázkou proto je, jaká kombinace teploty a času by se měla použít k rozhodnutí, zda je použití materiálu bezpečné nebo ne?Herzman et al.10 toto dilema pěkně shrnují: „…Použití pak bude omezeno na teploty, kde je kinetika demixování tak nízká, že k němu během projektované technické životnosti produktu nedojde…“.
Vliv svařování
Většina aplikací používá ke spojování součástí svařování.Je dobře známo, že mikrostruktura svaru a jeho chemie se liší od základního materiálu 3 .V závislosti na přídavném materiálu, technice svařování a parametrech svařování se mikrostruktura svarů většinou liší od sypkého materiálu.Mikrostruktura je normálně hrubší, což zahrnuje také vysokoteplotní tepelně ovlivněnou zónu (HTHAZ), která ovlivňuje spinodální rozklad ve svařencích.Variace mikrostruktury mezi objemem a svařencem je zde recenzované téma.
Shrnutí limitujících faktorů
Předchozí části vedou k následujícím závěrům:
- Všechny duplexní materiály jsou předmětem
k spinodálnímu rozkladu při teplotách kolem 475 °C. - V závislosti na obsahu legování se očekává rychlejší nebo pomalejší rychlost rozkladu.Vyšší obsah Cr a Ni podporuje rychlejší rozmixování.
- Chcete-li nastavit maximální provozní teplotu:
– Je třeba zvážit kombinaci doby provozu a teploty.
– Musí být nastavena přijatelná úroveň snížení houževnatosti, tj. požadovaná úroveň konečné houževnatosti - Když jsou zavedeny další mikrostrukturální komponenty, jako jsou svary, maximální OT je určeno nejslabší částí.
Globální standardy
Pro tento projekt bylo přezkoumáno několik evropských a amerických norem.Zaměřili se na aplikace v tlakových nádobách a potrubních komponentech.Obecně lze rozpor ohledně doporučeného maximálního OT mezi revidovanými standardy rozdělit na evropské a americké stanovisko.
Evropské normy pro materiálové specifikace pro nerezové oceli (např. EN 10028-7, EN 10217-7) uvádějí maximální OT 250 °C tím, že vlastnosti materiálu jsou poskytovány pouze do této teploty.Kromě toho evropské konstrukční normy pro tlakové nádoby a potrubí (EN 13445, resp. EN 13480) neposkytují žádné další informace o maximální OT z toho, co je uvedeno v jejich materiálových normách.
Naproti tomu americká materiálová specifikace (např. ASME SA-240 ASME sekce II-A) neuvádí žádné údaje o zvýšené teplotě.Tato data jsou místo toho poskytnuta v ASME sekci II-D, „Vlastnosti“, která podporuje obecné konstrukční předpisy pro tlakové nádoby, ASME sekce VIII-1 a VIII-2 (poslední jmenovaný nabízí pokročilejší návrhový postup).V ASME II-D je maximální OT výslovně uvedeno jako 316 °C pro většinu duplexních slitin.
Pro aplikace tlakového potrubí jsou jak pravidla návrhu, tak vlastnosti materiálu uvedeny v ASME B31.3.V tomto kódu jsou uvedeny mechanické údaje pro duplexní slitiny do 316 °C bez jasného uvedení maximální OT.Přesto můžete informace interpretovat tak, aby vyhovovaly tomu, co je napsáno v ASME II-D, a proto je maximální OT pro americké normy ve většině případů 316 °C.
Kromě informací o maximálním OT, jak americké, tak evropské normy naznačují, že existuje riziko zkřehnutí při zvýšených teplotách (>250 °C) a delších dobách expozice, které by pak mělo být zohledněno jak ve fázi návrhu, tak ve fázi provozu.
U svarů většina norem neuvádí žádná pevná prohlášení o dopadu spinodálního rozkladu.Některé normy (např. ASME VIII-1, tabulka UHA 32-4) však uvádějí možnost provádět specifické tepelné zpracování po svařování.Ty nejsou vyžadovány ani zakázány, ale při jejich provádění by měly být prováděny podle předem nastavených parametrů v normě.
Co říká průmysl
Informace vytvořené několika dalšími výrobci duplexní nerezové oceli byly přezkoumány, abychom viděli, co sdělují ohledně teplotních rozsahů pro jejich třídy.2205 je limitován ATI na 315 °C, ale Acerinox nastavuje OT pro stejnou třídu pouze na 250 °C.Toto jsou horní a dolní limity OT pro jakost 2205, zatímco mezi nimi další OT komunikují Aperam (300 °C), Sandvik (280 °C) a ArcelorMittal (280 °C).To demonstruje rozšíření navrhovaných maximálních OT pouze pro jednu jakost, která bude mít velmi srovnatelné vlastnosti od výrobce k výrobci.
Důvody, proč výrobce nastavil určité OT, nejsou vždy odhaleny.Ve většině případů je to založeno na jednom konkrétním standardu.Různé standardy komunikují různé OT, a proto se hodnoty rozprostírají.Logickým závěrem je, že americké společnosti nastavují vyšší hodnotu kvůli prohlášením v normě ASME, zatímco evropské společnosti nastavují hodnotu nižší kvůli normě EN.
Co zákazníci potřebují?
V závislosti na konečné aplikaci se očekávají různá zatížení a expozice materiálů.V tomto projektu byl největší zájem o křehkost způsobenou spinodálním rozkladem, protože je velmi použitelná u tlakových nádob.
Existují však různé aplikace, které vystavují duplexní třídy pouze střednímu mechanickému zatížení, jako jsou pračky11–15.Další požadavek se týkal lopatek ventilátoru a oběžných kol, které jsou vystaveny únavovému zatížení.Literatura ukazuje, že spinodální rozklad se při působení únavového zatížení chová odlišně15.V této fázi je zřejmé, že maximální OT těchto aplikací nelze nastavit stejným způsobem jako u tlakových nádob.
Další třída požadavků se týká pouze aplikací souvisejících s korozí, jako jsou například pračky lodních výfukových plynů.V těchto případech je odolnost proti korozi důležitější než omezení OT při mechanickém zatížení.Oba faktory však ovlivňují fungování konečného produktu, což je třeba vzít v úvahu při uvádění maximální OT.Tento případ se opět liší od dvou předchozích případů.
Celkově vzato, když se zákazníkovi radí o vhodném maximálním OT pro jeho jakost duplexu, typ aplikace je životně důležitý při stanovení hodnoty.To dále ukazuje složitost nastavení jediného OT pro třídu, protože prostředí, ve kterém je materiál nasazen, má významný dopad na proces křehnutí.
Jaká je maximální provozní teplota pro duplex?
Jak již bylo zmíněno, maximální provozní teplota je dána velmi nízkou kinetikou spinodálního rozkladu.Jak ale změříme tuto teplotu a co přesně je „nízká kinetika“?Odpověď na první otázku je snadná.Již jsme uvedli, že měření houževnatosti se běžně provádějí pro odhad rychlosti a postupu rozkladu.To je stanoveno v normách, kterými se řídí většina výrobců.
Druhá otázka, co se myslí nízkou kinetikou a hodnotou, na kterou nastavujeme teplotní hranici, je složitější.Částečně je tomu tak proto, že okrajové podmínky maximální teploty jsou sestaveny jak ze samotné maximální teploty (T), tak z provozní doby (t), po kterou je tato teplota udržována.K ověření této kombinace Tt lze použít různé interpretace „nejnižší“ houževnatosti:
• Spodní hranice, která je nastavena historicky a lze ji použít pro svary, je 27 Joulů (J)
• V rámci norem je většinou nastaveno 40J jako limit.
• 50% snížení počáteční houževnatosti se také často používá k nastavení spodní hranice.
To znamená, že prohlášení o maximální OT musí být založeno na alespoň třech dohodnutých předpokladech:
• Expozice konečného produktu v závislosti na teplotě
• Přijatelná minimální hodnota houževnatosti
• Konečná oblast použití (pouze chemie, mechanické zatížení ano/ne atd.)
Sloučené experimentální znalosti
Po rozsáhlém průzkumu experimentálních dat a standardů bylo možné sestavit doporučení pro čtyři posuzované duplexní třídy, viz tabulka 3. Je třeba si uvědomit, že většina dat pochází z laboratorních experimentů prováděných s teplotními kroky 25 °C .
Je třeba také poznamenat, že tato doporučení odkazují na alespoň 50 % houževnatosti zbývající při teplotě místnosti.Pokud je v tabulce uvedeno „delší časové období“, nebyl dokumentován žádný významný pokles RT.Navíc byl svar testován pouze při -40 °C.Nakonec je třeba poznamenat, že u DX 2304 se předpokládá delší doba expozice, vzhledem k její vysoké houževnatosti po 3000 hodinách testování.Do jaké míry lze expozici zvýšit, je však nutné ověřit dalším testováním.
Je třeba si uvědomit tři důležité body:
• Současná zjištění naznačují, že pokud jsou přítomny svary, OT se sníží asi o 25 °C.
• Krátkodobé špičky (desítky hodin při T=375 °C) jsou přijatelné pro DX 2205. Protože DX 2304 a LDX 2101 jsou méně legované třídy, měly by být přijatelné i srovnatelné krátkodobé teplotní špičky.
• Když materiál zkřehne v důsledku rozkladu, zmírňující tepelné zpracování při 550 – 600 °C pro DX 2205 a 500 °C pro SDX 2507 po dobu 1 hodiny pomáhá obnovit houževnatost o 70 %.
Čas odeslání: Únor-04-2023