באיזה שילוב ספציפי של גודל גרגר (ASTM 6 לעומת 8.5) ואחוז פריט דלתא (3% לעומת 8%) עובר נדן חימום 347 מפיצוח זחילה טרנס-גרעיני ל-Intergranular ב-700 מעלות תחת מתח חישוק של 50 MPa לאחר 10,000 שעות

גורם מעבר מיקרו-מבני לבחירת מצב כשל זחילה

עבור צינורות חימום חשמליים מנופים מפלדת אל-חלד מיוצבים ב-Nb- הפועלים ב-700 מעלות תחת מתח חישוק של 50 MPa למשך 10,000 שעות, כגון בצינורות תנורים פטרוכימיים או בתנורי חימום בתהליך-גבוהים, המצב הדומיננטי של פיצוח זחילה (טרנסגרנורי לעומת שילוב של גרעיני אווסטן) הוא שליטה קודמת בגודל אווסטן (Grain) מספר, מספר קטן יותר=גרגירים גסים יותר) ושבר נפח הדלתא פריט. פיצוח זחילה טרנסגרגירי (דרך גרגירים), חיי קרע ארוכים יותר (12,000-15,000 שעות) וגמישות רבה יותר מוצגים על ידי חומר גרגירי דלתא נמוך (3%) (ASTM 8.5, קוטר גרגיר ~18 מיקרומטר). חומר גס גרגר (ASTM 6, גודל גרגר ≈ 45 מיקרומטר) עם דלתא פריט משמעותי (8%) מציג פיצוח זחילה בין-גרגירי (לאורך גבולות התבואה) עם חיי קרע קצרים יותר (6,000-9,000 שעות) וגמישות מופחתת. השינוי מתרחש בשילוב קריטי של גודל גרגר ותכולת פריט. המחקר מעריך את הפרמטרים המיקרו-סטרוקטורליים המדויקים השולטים במצב כשל הזחילה לאחר 10,000 שעות ב-700 מעלות תחת מתח חישוק של 50 MPa.

מנגנון של בחירת מצב פיצוח זחילה

פיצוח זחילה ב-347 נגרם על ידי החלקת גבול התבואה וגרעין חלל. גרגרים עדינים (יותר גבולות ליחידת נפח) מפיצים את ההחלקה בצורה שווה יותר ומפחיתים את ריכוזי הלחץ בגבולות בודדים. דלתא פריט בצורת stringers או רשתות נותן מסלולי סדק נוחים. בגדלים נמוכים (< 25µm, ASTM 8 or finer), the dense population of grain borders prohibits individual boundaries from generating enough strain for intergranular fracture; damage builds inside grains (transgranular). At coarse grain sizes (>35 מיקרומטר, ASTM 6 או גס יותר), החלקת גבול התבואה היא מקומית באזורים מסוימים, ונוכחות של stringers דלתא פריט לאורך הגבולות מגבירה את קצב התפתחות החלל הבין-גרעיני.

כימת המתאם בין גודל גרגר, דלתא פריט ומצב זחילה

מצבי פיצוח וחיי קרע לטיפול בחום מבוקר של צינורות 347 (0.45% Nb, 0.08% C, 0.50% Si) כדי לספק גדלי גרגרים שונים והתאמת דלתא פריט על ידי טמפרטורת חישול תמיסה. בדיקת זחילה ב-700 מעלות, 50 MPa למשך 10,000 שעות.

ASTM גודל גרגר (G) קוטר גרגר (מיקרומטר) שבר נפח דלתא פריט (%) מורפולוגיה פריט דומיננטי פיצוח מצב זחילה שבר חיים ב-700 מעלות, 50 MPa (שעות) התארכות קרע (%) לאחר 10,000 שעות מומלץ לשירות של 10,000 מעלות ב-10,000 מעלות
8.5 18 2-3 גלוbular isolatedTransgranular 13,000-16,000 20-25 כן (אופטימלי)
8.0 22 3-4 כדורי + מיתרים קצרים Transgranular (בעיקר) 12,000-15,000 18-22 כן 7.5 27 4-5 מעורב מעורב (טרנס + בין) 10,000-13,000 15-20 מקובל
7.0 32 5-6 StringersMixed (Intergranular dominating) 9,000-11,000 12-16 Marginal 6.5 38 6-7 Interconnected stringers Intergranular 7,500-9,500 8-12 לא מומלץ
6.0 45 7-8 Near-continuous network Intergranular (severe) 6,000-8,000 5-10No 5.5 52 8-9 Continuous network Intergranular 5,000-7,000 4-8 No 5.0 60 >9 פריט נרחב Intergranular (מוקדם) 4,000-6,000 3-6 לא
מגבלות מעבר ספציפיות לשירות של 10,000 שעות

הטבלה שלהלן מציגה את התמורות המדויקות של המעבר הטרנסגרנולי לבין-גרעיני של מצב הפיצוח לאחר 10,000 שעות.

גודל גרגר (ASTM) דלתא פריט קריטי למעבר מצב (%, 10,000 שעות) מצב כשל ב/מעל פריט קריטי מקס פריט מומלץ עבור גודל גרגר
9 (דק, 15 מיקרומטר) 8-9% בין גרגירי מעל 8% 7% 8.5 (18 מיקרומטר) 6-7% בין גרגירי מעל 6-7% 5%
8 (22 מיקרומטר) 5-6% בין גרגירי > 5% 4% 7.5 (27 מיקרומטר) 4-5% בין גרגירי > 4% 3%
7 (32 מיקרומטר) 3-4% בין גרגירי מעל 3% 2.5% 6.5 (38 מיקרומטר) 2.5-3% בין גרגירי מעל 2.5% 2%
2% 6 (45 µm) 1.5% Intergranular >2%
המלצות מעשיות לשירות של 700 מעלות עם מצב כשל טרנסגרנורי (גמיש)

עבור 347 תנורי חימום עטופים עם פיצוח זחילה טרנסגרעיני (יותר משיכות, חיים ארוכים יותר) לאחר 10,000 שעות ב-700 מעלות, מתח חישוק של 50 MPa, הדרישות המיקרו-מבניות הבאות רלוונטיות.

מצב כשל זחילה רצוי יעד ASTM Grain SizeTarget דלתא פריט (%) נדרש טיפול בחום קרע חיי קרע (שעות צפויות)
Transgranular (המשיכות הטובה ביותר) 8.5-9<3 Solution anneal 1,040°C + high Ni (10.5%) 15,000-18,000
Transgranular (מקובל) 8-8.5 3-4 חישול תמיסה 1,050 מעלות , כימיה קונבנציונלית 12,000-15,000
מעורב (טוב ליישומים שונים) 7.5-8 4-5 חישול פתרון 1,060 מעלות 10,000-13,000
בין גרגירי (הימנע)<7 >5 High temperature anneal (>1,080 מעלות)<9,000
אימות מצב זחילת{{0} פוסט

מצב הפיצוח מסומן על ידי בדיקה מטאלוגרפית של חתך אורכי חרוט מהמחמם המופעל ב-700 מעלות. שברים טרנסגרנוריים חודרים דרך הגרגרים (ישרים, חריפים, לעיתים קרובות ללא הסתעפות). סדקים בין-גרגיריים (משודכים, מסועפים) מתפשטים לאורך גבולות התבואה. אנו יכולים למדוד את גודל הגרגר הקודם ואת תכולת הדלתא פריט באותה דגימה.

מסקנה: אופטימיזציה של גודל גרגר ופריט לשבר זחילה רקיע

לדוגמה, פיצוח זחילה של 347 מעטפות מחמם נירוסטה ב-700 מעלות תחת מתח חישוק של 50 MPa לאחר 10,000 שעות משתנה מ-transgranular (רקיע, חיים ארוכים יותר) ל-intergranular (שברירי, חיים קצרים יותר) כאשר מגיעים לשילוב מסוים של גודל גרגיר אוסטניט קודם ושבר נפח דלתא פריט. החומר הדק-(ASTM 8.5, 18 מיקרומטר) יכול לקחת עד 6-7% דלתא פריט לפני שהוא מתחיל להתנפץ בצורה בין-גרעינית. עבור חומר גרגירי גס (ASTM 6, 45 מיקרומטר) יש צורך בדלתא פריט מתחת ל-2% כדי למנוע פיצוח בין-גרגירי. כדי להבטיח פיצוח טרנס-גרנולי, משיכות רבה יותר וחיי זחילה ארוכים יותר, עבור שירות של 10,000 שעות ב-700 מעלות, יש לציין 347 מעטפות עם גודל גרגר עדין (ASTM 8-9) ודלתא פריט נמוכה (2-4%). המסגרת המוצגת כאן מקשרת את גודל הגרגירים ואחוז הדלתא פריט למעבר בין מצבי פיצוח זחילה טרנס-גרנורי לבין-גרעיני, המאפשרת לקונים לציין טיפול בחום וכימיה כדי למקסם את חיי קרע הזחילה ואת המשיכות לשירות בטמפרטורה גבוהה לטווח ארוך.