EN
AR
BG
HR
CS
DA
NL
FI
FR
DE
EL
HI
IT
JA
KO
NO
PL
PT
RO
RU
ES
SV
TL
VI
TH
TR
GA
CY
BE
IS
Стойкасць да паўзучасці нержавеючай сталі: матэрыяльныя абмежаванні для доўгатэрміновых высокатэмпературных канструкцыйных прыкладанняў
Стойкасць да паўзучасці нержавеючай сталі: матэрыяльныя абмежаванні для доўгатэрміновых высокатэмпературных канструкцыйных прыкладанняў
У складаных умовах вытворчасці энергіі, хімічнай перапрацоўкі і авіякосмічнай галіны кампаненты пастаўляюцца высокай тэмпературы і пастаянным напружанням. У гэтых умовах матэрыял можа паступова і пастаянна дэфармавацца, гэта залежны ад часу механізм разбурэння вядомы як пашырваць . Для інжынераў, якія выбіраюць матэрыялы для катлоў, турбін, тэплаабменнікаў і частак печы, разуменне стойкасці нержавеючай сталі да паўзучасці мае клятое значэнне для забеспячэння структурнай цэласнасці на працягу дзесяткаў гадоў эксплуатацыі.
Гэтая артыкул прадастаўляе практычнае кіраўніцтва па паказчыках паўзучасці нержавеючых сталёў, у якім апісаны межы і пытанні, што павінны ўлічвацца пры доўгатэрміновым выкарыстанні пры высокай тэмпературы.
Што такое паўзучасць і чаму яна важная?
Паўзучасць — гэта паступовае, непругое дэфармаванне матэрыялу пад уздзеяннем пастаяннага механічнага напружання ніжэй яго межы пластычнасці пры павышанай тэмпературы. Хуткасць дэфармавання павялічваецца з ростам тэмпературы ці напружання.
Разбурэнне ад паўзучасці адбываецца ў тры класічныя стадыі:
-
Першапачатковая паўзучасць: Пачатковы перыяд змяншэння хуткасці паўзучасці, падчас якога матэрыял падвяргаецца змацненню ад дэфармацыі.
-
Вторасная (стацыянарная) паўзучасць: Перыяд з прымерна сталай, мінімальнай хуткасцю паўзучасці. Гэта самая доўгая фаза і з'яўляецца асновай для большасці дадзеных у праектаванні. Нахіл гэтай лініі — гэта хуткасць паўзучасці .
-
Трэцічная паўзучасць: Хуткае павелічэнне хуткасці паўзучасці, якое прыводзіць да звужэння і, у канчатковым выніку, да трэшчын.
Пры канструяванні важна забяспечыць наступнае:
-
Каб дэфармацыя паўзучасці на працягу праектнага тэрміну службы кампанента заставалася прыдатнай.
-
Каб не перавышаць мацнасць металу пры трывалым разрыве (напружанне, якое выклікае разбурэнне за пэўны час, напрыклад, 100 000 гадзін).
Металаграфія стойкасці да паўзучасці
Стойкасць матэрыялу да паўзучасці вызначаецца не адзіным паказчыкам, а яго мікраскопічнай стабільнасцю пры высокай тэмпературы. Асноўныя механізмы павышэння моцнасці ўключаюць:
-
Змацненне твёрдым растворам: Элементы легіравання, як Малібдэн (Mo) і Вальфрам (W) раствараюцца ў жалезнай матрыцы і цягнуць рух дысколкацыяў, спавольняючы паўзучасць.
-
Выдзяленне карбідаў: Элементы, як Хром (Cr) , Ніёбій (Nb) , і Тытан (Ti) утвараюць стойкія карбіды (напр. NbC, TiC, M₂₃C₆), якія фіксуюць граніцы зернаў і прадухіляюць іх слізг, галоўны механізм паўзучасці.
-
Мікраскопічная стабільнасць: Сплав павінен перашкаджаць росту гэтых выдзеленняў і ўтварэнню шкодных фаз (напрыклад, сігма-фазы) з цягам часу, што можа прывесці да зніжэння элементаў, якія пасільваюць, і ўтворэння ахрупчання.
Асноўныя характарыстыкі сямейства нержавеючых сталёў
Не ўсе нержавеючыя сталі аднолькава падыходзяць для эксплуатацыі пры высокай тэмпературы. Іх прыдатнасць вызначаецца па крывічнай структуры.
| Тып сталі | Асноўныя маркі | Тыпавы тэмпературны ліміт* | Механізм стойкасці пры паўзучасці | Галоўныя прымененні |
|---|---|---|---|---|
| Аўстэнітны | 304/304H (1.4948) | 870°C (1600°F) | Добрая магутнасць твёрдага раствора (Ni, Cr). 304H мае павышаны ўтрымак вугляроду для павелічэння магутнасці. | Універсальнае прымяненне для абсталявання з высокай стойкасцю да высокай тэмпературы, дэталі пячы. |
| 316/316H (1.4908) | 870°C (1600°F) | Малібден дадае пасіленне твёрдага раствора. | Абсталяванне хімічнага вытворчасці для працы пры высокай тэмпературы. | |
| 321/321H (1.4541) | 870°C (1600°F) | З устойлівай стабілізацыяй з дапамогай тытану для супраціўлення сансытызацыі і забеспячэння стабільнасці карбідаў. | Зварныя канструкцыі, якія падвяргаюцца перыядычнаму награванню. | |
| 347/347H (1.4550) | 870°C (1600°F) | Стабілізаваны ніябем, што забяспечвае высокую трываласць пры доўгатэрміновым вытрыманні. | Трубы перагрэўнага і падгрэўнага пару на электрастанцыях. | |
| Высокапрадукцыйны аўстэнітны | 309/310 | 1150°C (2100°F) | Высокі змест хрома і нікеля забяспечвае выдатную стойкасць да акіслення і стабільнасць. | Трубы выпраменьвальнай печы, гарэлкі, высокатэмпературныя прыстасаванні. |
| 253 MA® (1.4835) | 1150°C (2100°F) | Палепшаны цэрыем для паляпшэння прыліпання акіснай плёнкі і стойкасці да акіслення. | Высокатэмпературная цеплавая апрацоўка. | |
| Ферытычныя і мартэнсітычныя | 410, 420 | 650°C (1200°F) | Ніжэйшая кошт, добрая стойкасць да акіслення да ~650°C. Ніжэйшая пругкасць пры высокай тэмпературы, чым у аўстэнітыкаў. | Лапаткі паравых турбін, шпількі. |
| 446 (1.4762) | 950°C (1740°F) | Высокі ўтрымка хрома забяспечвае адрозную стойкасць да акіслення, але абмежаваную пругкасць пры высокай тэмпературы. | Памерныя напружанні, высокая акісленне асяроддзі. | |
| Адкладанне-цвёрдасці | 17-4 PH (1.4542) | 300°C (570°F) | Высокая мцівасць пры нізкіх тэмпературах, але хутка старэе. Не падыходзіць для працы пры сапраўдных высокіх тэмпературах. | Дэталі, якія патрабуюць высокай мцівасці пры памераным павышэнні тэмпературы. |
-
Тэмпературныя граніцы вызначаюцца для агульнага апір узаемадзеянню аксідацыі ў паветры. Граніцы мцівасці пры паўзучасці звычайна значна ніжэй.
Важныя дадзеныя праектавання: разуменне дапушчальнага напружання
Праектаванне паўзучасці аснова ў доўгатэрміновых выпрабаваннях. Асноўныя параметры, якія прыведзены ў міжнародных стандартах (напрыклад, код котла і ціскавых судоў ASME, частка II, раздзел D, еўрапейскі стандарт EN), уключаюць:
-
Мцівасць пры паўзучасці: Напружанне, якое выклікае пэўную дэфармацыю паўзучасці (напрыклад, 1%) за пэўны час (напрыклад, 100 000 гадзін) пры пэўнай тэмпературы.
-
Мцівасць пры разрыве ад напружання (σ_R): Напружанне, якое выклікае адказ у пэўны час (напр. 100 000 гадзін або ~11,4 гадоў) пры пэўнай тэмпературы. Гэта асноўны ліміт праектавання.
Прыклад: параўнанне 100 000-гадзіннага разрыўнага ціску (прыблізныя значэнні)
| Клас | 600°C (1112°F) | 700°C (1292°F) |
|---|---|---|
| 304H | ~100 МПа | ~35 МПа |
| 316H | ~120 МПа | ~40 МПа |
| 347H | ~130 МРа | ~45 МРа |
Гэтыя дадзеныя паказваюць, што пры праектаваным тэрміне эксплуатацыі 100 000 гадзін пры 700 °C кампанента, вырабленая з 347H, можа вытрымаць на 28% больш стрэсу, чым тая, што зробленая з 304H, без парушэння цэласнасці.
Практычныя пытанні прымянення
-
Акісленне супраць палзучасці: Адрозніваць патрэбу ў супрацоўка аксідацыі (забяспечваецца высокім змесцівам Cr) і максімальны запас пругкасці (забяспечваецца Mo, Nb, Ti і стабільнай мікрасруктурай). Марка 446 мае высокую стойкасць да акіслення, але поганую пругкасць.
-
Абазначэнне "H": Класы, як 304 H і 316 H мáюць кантраваны павышаны ўтрымак вугляроду (0,04-0,10%). Гэта неабходна для фармавання патрэбнай трываласці пры высокай тэмпературы праз утворэнне карбідаў. Выкарыстанне нізкавугляродных класаў (напрыклад, 304L) у канструкцыях, якія працуе пры высокай тэмпературы, можа прывесці да познага выхаду з ладу.
-
Дэградацыя мікраскруктуры: Нават правільна падабраныя класы могуць выйсці з ладу з цягам часу. Звяртайце ўвагу на:
-
Ахрыпласць фазы Сігма: Можа ўзнікнуць у ферытычных і аўстынітных класах пры тэмпературах ад ~600-980°C, што рэзка зніжае пластычнасць.
-
Згрубленне карбідаў: Праз тысячы гадзін дробныя змацаваныя карбіды могуць злівацца і стаць менш эфектыўнымі для фіксацыі дыслокацыяў.
-
-
Вытворчасць і зварванне: Зварванне можа стварыць зоны, падрыхтаваныя да пашкоджанняў паўзучасці (напрыклад, трэшчыны тыпу IV у зонах, якія паўплывалі на падзенне тэмпературы). Паслязварнае цеплавое апрацоўванне (PWHT) часта з'яўляецца ключавым для аднаўлення аднолькавай, стабільнай мікрасруктуры.
Вывад: выбар правільнай ступені
Выбар няржавеючай сталі для пашкоджанняў паўзучасці пры высокай тэмпературы з'яўляецца кампрамісам паміж тэмпературай, напружаннямі, праектным тэрмінам службы і навакольным асяроддзем.
-
Для агульных мэт да ~650°C: 304H з'яўляецца распаўсюджаным выбарам.
-
Для вышэйшых напружанняў або тэмператураў да ~750°C: 316H (для каразіі) або 321H/347H (для оптымальнай трываласці пры паўзучасці) з'яўляюцца лепшымі.
-
Для экстрэмальных акалічных асяроддзяў да 1150°C: 310 або спецыяльныя сплавы, як 253MA® выбіраюцца, часта для мэнш нагрузкаваных прыкладанняў.
-
Для высоканапружаных прыкладанняў каля 700°C і вышэй: Жараўстойкія сплавы на нікелевай аснове (напрыклад, Inconel 617, Haynes 230) звычайна перавышаюць магчымасці нержавеючай сталі.
У канчатковым выніку поспех праектавання залежыць ад выкарыстання пацверджаных доўгатэрміновых дадзеных пра паўзучасць і разрыў пад напружаннем з адпаведных міжнародных кодаў, што дазваляе забяспечыць надзейную і бяспечную працу выбранай маркі нержавеючай сталі на працягу ўсяго праектаванага тэрміну яе службы.
