Πώς το κλάσμα όγκου του διακοκκώδους διαχωρισμού βορίου κάτω από 50 ppm B σε σωλήνωση θήκης θερμαντήρα 316L ελέγχει την ενίσχυση της ολκιμότητας ερπυσμού στους 650 βαθμούς για σέρβις 20.000 ωρών

Επιδράσεις ιχνοστοιχείων στη συνοχή των ορίων κόκκων και στην αντίσταση στη σπηλαίωση

Για ηλεκτρικούς σωλήνες θέρμανσης με επένδυση από ανοξείδωτο χάλυβα 316 λίτρων που λειτουργούν στους 650 C για παρατεταμένες χρονικές περιόδους (20,{3}} ώρες), η προσθήκη ιχνών ποσοτήτων βορίου (συνήθως 20-50 ppm) στο κράμα μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ολκιμότητα ερπυσμού και να επεκτείνει τη διάρκεια ζωής της ρήξης ερπυσμού διαχωρίζοντας τις κόκκους και τις κόκκους. Το βόριο δεν είναι τυπική προσθήκη στο 316L, αλλά μπορεί να είναι υπολειμματικό από σκραπ ή να προστίθεται σκόπιμα σε ορισμένες υψηλές ποιότητες. Ο διαχωρισμός του βορίου στα όρια των κόκκων στις βέλτιστες τιμές (20-30 ppm B) μειώνει τον ρυθμό διάχυσης των ορίων των κόκκων και την έναρξη της σπηλαίωσης ερπυσμού, δίνοντας αυξήσεις στην επιμήκυνση της ρήξης ερπυσμού από 10-15% σε 25-35% και αυξάνει τη διάρκεια ζωής της ρήξης ερπυσμού 30-50%. Πάνω από 50-70 ppm B, η περίσσεια βορίου σχηματίζει εύθραυστα σωματίδια βοριδίου (π.χ. Fe 2 B, Cr 2 B) κοντά στα όρια των κόκκων, μειώνοντας την ολκιμότητα. Ο θετικός αντίκτυπος είναι ελάχιστος κάτω από 15 ppm B. Αυτό το άρθρο ποσοτικοποιεί τη σχέση μεταξύ του περιεχομένου Β, του διαχωρισμού των ορίων των κόκκων και της ολκιμότητας ερπυσμού στις 650 μοίρες για 20.000 ώρες υπηρεσίας.

Μηχανισμός Επαγόμενης από Βόριο Αύξηση στην ολκιμότητα ερπυσμού

Το βόριο είναι ένα μικροσκοπικό διάμεσο στοιχείο που διαχωρίζεται έντονα στα όρια των κόκκων (συντελεστής διαχωρισμού 10-100). Το βόριο στα όρια των κόκκων μειώνει την οριακή διάχυση των κόκκων του χρωμίου και του σιδήρου στους 650 βαθμούς, γεγονός που επιβραδύνει τον ρυθμό πυρήνωσης και ανάπτυξης της κοιλότητας ερπυσμού. Το βόριο βοηθά επίσης τα όρια των κόκκων να συγκρατούνται καλύτερα, καθιστώντας πιο δύσκολη την ανάπτυξη των κοιλοτήτων. Στην ιδανική συγκέντρωση βορίου, η κάλυψη στα όρια των κόκκων είναι σχεδόν μια πλήρης μονοστιβάδα (~0,2-0,5 μονοστιβάδα, που αντιστοιχεί σε 1-2 at% στα όρια των κόκκων). Πάνω από αυτό το όριο, το βόριο γίνεται υπερκορεσμένο και καθιζάνει ως σκληρά εύθραυστα βορίδια (M2B) στα όρια των κόκκων και στα τριπλά σημεία που είναι θέσεις για γρήγορη δημιουργία πυρήνων κοιλότητας.

Ποσοτικοποιημένη συσχέτιση μεταξύ συγκέντρωσης βορίου και ολκιμότητας ερπυσμού στις 650 μοίρες

Ελεγχόμενες προσθήκες βορίου σε 316L (0,015% C, 0,08% Ν, 2,2% Mo, ισορροπία Fe) που αξιολογήθηκαν στους 650 βαθμούς και 80 MPa για έως και 20.000 ώρες έχουν βρεθεί ότι παρουσιάζουν τις ακόλουθες ιδιότητες ερπυσμού.

Περιεκτικότητα σε βόριο (ppm) Όριο κόκκων Διαχωρισμός βορίου (εκτιμώμενη αναλογία μονοστοιβάδας) M_2_B Κλάσμα όγκου βοριδίου (%) Επιμήκυνση ρήξης ερπυσμού σε 650 μοίρες , 80 MPa (%) Διάρκεια ζωής ρήξης ερπυσμού (ώρες) Σχετική διάρκεια ρήξης (B{{3}) Δωρεάν σέρβις0, Συνιστάται 0 Base 650 μοίρες 0 (B-δωρεάν) 0 0 12-18 8,000-12,000 1.00× Αποδεκτό 5-10 0.1-0.2 0 15-20 10,000-14,000 1.10-1.20× Αποδεκτό 10-15 0.2-0.3 0 18-24 11,000-15,000 1.20-1.35-× Ναι {2}{0}Ναι,{0}<0.01 25-32 14,000-18,000 1.50-1.60× Best 25-30 0.5-0.7 0.01-0.02 24-30 13,000-17,000 1.40-1.55× Yes 30-40 0.7-0.9 0.02-0.05 20-26 12,000-15,000 1.20-1.35× Acceptable 40-50 0.9-1.0 (near monolayer) 0.05-0.10 16-22 10,000-13,000 1.00-1.20× Marginal 50-70 Fully saturated 0.10-0.20 12-18 8,000-11,000 0.80-1.00× Not recommended 70-10
Επίδραση Αζώτου στον Διαχωρισμό Βορίου

Το άζωτο ανταγωνίζεται το βόριο για τις θέσεις διαχωρισμού στα όρια των κόκκων. Ο αποτελεσματικός διαχωρισμός του βορίου μειώνεται με την αύξηση του αζώτου.

Περιεκτικότητα σε άζωτο (ppm) Ιδανικό εύρος βορίου για μέγιστη ολκιμότητα ερπυσμού (ppm) Επιμήκυνση ρήξης ερπυσμού σε ιδανική αναλογία B (%) Συνιστάται<200 20-30 28-35 >0.10 200-400 25-35 25-30 0.08-0.12 400-600 30-40 22-28 0.06-0.08 600-800 35-50 (less effective) 18-24 0.05-0.07 >800 Δεν συνιστάται<18 N/A Practical Recommendations for 650°C Boron-Enhanced 316L

Η βέλτιστη ολκιμότητα ερπυσμού των θερμαντικών υλικών 316L για 20.000 ώρες σέρβις στις 650 μοίρες επιτυγχάνεται στα ακόλουθα επίπεδα βορίου.

Επιθυμητή διάρκεια ζωής στους 650 μοίρες (ώρες) Πιθανή περιοχή βορίου (ppm) Βόριο για αποφυγή ευθραυστότητας (μέγ.) (ppm) Ελάχιστο άζωτο (ppm) Αναμενόμενη διάρκεια ζωής ερπυσμού (ώρες) 10,000 10-30 50<600 10,000-15,000 15,000 15-25 40 <500 12,000-18,000 20,000 20-25 30 <400 15,000-18,000 25,000 20-25 25 <300 16,000-20,000
Επαλήθευση και διαχωρισμός περιεχομένου βορίου

There are three ways purchasers looking for boron-enhanced 316L can confirm it. First is chemical analysis (ICP or GDMS) for total boron content: acceptability 20-30 ppm. The second is secondary ion mass spectroscopy (SIMS) or Auger electron spectroscopy (AES) to measure grain boundary boron segregation (needs fracture in vacuum). Acceptance: covering of grain boundaries is 0.4-0.7 monolayer. 3. creep screening test: 650°C, 80 MPa; time to 1% strain >2,000 hours and elongation >25% αποδεκτό.

Συμπέρασμα: Βελτιστοποίηση βορίου για ζωή ερπυσμού 20.000 ωρών στους 650 βαθμούς

Η προσθήκη 20-30 ppm βορίου σε θερμαντικές θήκες 316 λίτρων από ανοξείδωτο χάλυβα στις 650 μοίρες διαχωρίζει τα όρια των κόκκων, αυξάνοντας την επιμήκυνση ρήξης ερπυσμού από 12-18% σε 25-32% και τη διάρκεια ζωής της ρήξης κατά 30-50% (από 8,00 ώρες 12.000-18.000 ώρες). Αλλά κάτω από 15 ppm το όφελος είναι μικρό. Η περίσσεια βορίου πάνω από 50-70 ppm δημιουργεί εύθραυστα οριακά βορίδια κόκκων (M 2 B) που μειώνουν την ολκιμότητα και τη μακροζωία. Εάν ένας μηχανικός ορίζει περιβλήματα 316 λίτρων για 20.000 ώρες σέρβις στις 650 μοίρες, θα πρέπει να απαιτεί μια ρυθμιζόμενη προσθήκη βορίου 20-30 ppm και ένα όριο αζώτου<400-500 ppm. The approach proposed here links boron concentration and grain boundary segregation to creep ductility and rupture life at 650°C, enabling purchasers to specify boron-optimized 316L that maximises high-temperature creep performance through improved grain boundary cohesion.