Faktor tempoh operasi terhad
Aplikasi biasa yang memerlukan bahan dupleks terdedah kepada keadaan suhu tinggi ialah bekas tekanan, bilah kipas/pendesak atau penyental gas ekzos.Keperluan untuk sifat bahan boleh terdiri daripada kekuatan mekanikal yang tinggi kepada rintangan kakisan. Komposisi kimia gred yang dibincangkan dalam artikel ini disenaraikan dalam Jadual 1.
Penguraian spinodal
Penguraian spinodal (juga dinamakan demixing atau mengikut sejarah sebagai 475 °C-embrittlement) ialah sejenis pemisahan fasa dalam fasa ferit, yang berlaku pada suhu kira-kira 475 °C.Kesan yang paling ketara ialah perubahan dalam struktur mikro, menyebabkan pembentukan fasa α´, yang mengakibatkan pereputan bahan.Ini, seterusnya, mengehadkan prestasi produk akhir.
Rajah 1 menunjukkan gambar rajah peralihan masa suhu (TTT) untuk bahan dupleks yang dikaji, dengan penguraian spinodal diwakili dalam kawasan 475 °C.Perlu diingatkan bahawa gambar rajah TTT ini mewakili penurunan keliatan sebanyak 50% yang diukur dengan ujian keliatan hentaman pada spesimen Charpy-V, yang biasanya diterima sebagai menunjukkan kemerosotan.Dalam sesetengah aplikasi pengurangan keliatan yang lebih besar mungkin boleh diterima, yang mengubah bentuk rajah TTT.Oleh itu, keputusan untuk menetapkan OT maksimum tertentu bergantung pada apa yang dianggap sebagai tahap kerosakkan yang boleh diterima iaitu pengurangan keliatan untuk produk akhir.Perlu dinyatakan bahawa secara sejarah graf TTT juga dihasilkan menggunakan ambang yang ditetapkan, seperti 27J.
Gred aloi yang lebih tinggi
Rajah 1 menunjukkan bahawa peningkatan unsur mengaloi daripada gred LDX 2101 ke arah gred SDX 2507 membawa kepada kadar penguraian yang lebih cepat, manakala dupleks tanpa lemak menunjukkan permulaan penguraian yang tertangguh.Kesan unsur mengaloi seperti kromium (Cr) dan nikel (Ni) ke atas penguraian dan pereputan spinodal telah ditunjukkan oleh penyiasatan sebelumnya.5–8 Kesan ini diilustrasikan selanjutnya dalam Rajah 2. Ia menunjukkan bahawa penguraian spinodal meningkat apabila suhu ditingkatkan daripada 300 kepada 350 °C dan lebih pantas untuk gred aloi SDX 2507 yang lebih tinggi berbanding DX 2205 yang kurang aloi.
Pemahaman ini boleh menjadi penting dalam membantu pelanggan memutuskan OT maksimum yang sesuai untuk gred dan aplikasi pilihan mereka.
Menentukan suhu maksimum
Seperti yang dinyatakan sebelum ini, OT maksimum untuk bahan dupleks boleh ditetapkan mengikut kejatuhan keliatan impak yang boleh diterima.Biasanya, OT yang sepadan dengan nilai pengurangan keliatan 50% diguna pakai.
OT bergantung pada suhu & masa
Cerun pada ekor lengkung dalam rajah TTT dalam Rajah 1 menunjukkan bahawa penguraian spinodal tidak berlaku hanya pada satu suhu ambang dan berhenti di bawah paras tersebut.Sebaliknya, ia adalah proses yang berterusan apabila bahan dupleks terdedah kepada suhu operasi di bawah 475 °C.Walau bagaimanapun juga jelas bahawa, disebabkan oleh kadar resapan yang lebih rendah, suhu yang lebih rendah bermakna penguraian akan bermula kemudian dan berjalan dengan lebih perlahan.Oleh itu, menggunakan bahan dupleks pada suhu yang lebih rendah mungkin tidak menyebabkan masalah selama bertahun-tahun malah berdekad-dekad.Namun pada masa ini terdapat kecenderungan untuk menetapkan OT maksimum tanpa mengambil kira masa pendedahan.Oleh itu, persoalan utama ialah kombinasi suhu-masa yang harus digunakan untuk memutuskan sama ada selamat untuk menggunakan bahan atau tidak?Herzman et al.10 meringkaskan dilema ini dengan baik: “…Penggunaan kemudiannya akan dihadkan kepada suhu di mana kinetik penyahpaduan adalah sangat rendah sehingga ia tidak akan berlaku semasa hayat teknikal produk yang direka bentuk…”.
Kesan kimpalan
Kebanyakan aplikasi menggunakan kimpalan untuk menyambung komponen.Adalah diketahui umum bahawa struktur mikro kimpalan dan kimianya berbeza daripada bahan asas 3 .Bergantung pada bahan pengisi, teknik kimpalan dan parameter kimpalan, struktur mikro kimpalan kebanyakannya berbeza dengan bahan pukal.Struktur mikro biasanya lebih kasar, dan ini juga termasuk zon terjejas haba suhu tinggi (HTHAZ), yang memberi kesan kepada penguraian spinodal dalam kimpalan.Variasi struktur mikro antara pukal dan kimpalan adalah topik yang disemak di sini.
Merumuskan faktor pembatas
Bahagian sebelumnya membawa kepada kesimpulan berikut:
- Semua bahan dupleks adalah tertakluk
kepada penguraian spinodal pada suhu sekitar 475 °C. - Bergantung kepada kandungan pengaloian, kadar penguraian yang lebih cepat atau lebih perlahan dijangka.Kandungan Cr dan Ni yang lebih tinggi menggalakkan penyahcampuran yang lebih cepat.
- Untuk menetapkan suhu operasi maksimum:
– Gabungan masa operasi dan suhu mesti dipertimbangkan.
– Tahap penurunan keliatan yang boleh diterima, iaitu, tahap keliatan akhir yang dikehendaki mesti ditetapkan - Apabila komponen mikrostruktur tambahan, seperti kimpalan, diperkenalkan, OT maksimum ditentukan oleh bahagian yang paling lemah.
Piawaian global
Beberapa piawaian Eropah dan Amerika telah disemak untuk projek ini.Mereka memberi tumpuan kepada aplikasi dalam bekas tekanan dan komponen paip.Secara umum, percanggahan berkenaan OT maksimum yang disyorkan antara piawaian yang disemak boleh dibahagikan kepada sudut pandangan Eropah dan Amerika.
Piawaian spesifikasi bahan Eropah untuk keluli tahan karat (cth EN 10028-7, EN 10217-7) membayangkan OT maksimum 250 °C dengan fakta bahawa sifat bahan hanya disediakan sehingga suhu ini.Selain itu, piawaian reka bentuk Eropah untuk kapal tekanan dan paip (masing-masing EN 13445 dan EN 13480) tidak memberikan sebarang maklumat lanjut tentang OT maksimum daripada apa yang diberikan dalam piawaian materialnya.
Sebaliknya, spesifikasi bahan Amerika (cth ASME SA-240 ASME seksyen II-A) tidak menunjukkan sebarang data suhu tinggi sama sekali.Data ini sebaliknya disediakan dalam bahagian ASME II-D, 'Properties', yang menyokong kod pembinaan umum untuk vesel tekanan, bahagian ASME VIII-1 dan VIII-2 (yang terakhir menawarkan laluan reka bentuk yang lebih maju).Dalam ASME II-D, OT maksimum dinyatakan secara eksplisit sebagai 316 °C untuk kebanyakan aloi dupleks.
Untuk aplikasi paip tekanan, kedua-dua peraturan reka bentuk dan sifat bahan diberikan dalam ASME B31.3.Dalam kod ini, data mekanikal disediakan untuk aloi dupleks sehingga 316 °C tanpa pernyataan OT maksimum yang jelas.Walau bagaimanapun, anda boleh mentafsir maklumat untuk mematuhi apa yang ditulis dalam ASME II-D, dan dengan itu, OT maksimum untuk piawaian Amerika adalah dalam kebanyakan kes 316 °C.
Sebagai tambahan kepada maklumat OT maksimum, kedua-dua piawaian Amerika dan Eropah menyiratkan terdapat risiko menghadapi kemerosotan pada suhu tinggi (>250 °C) pada masa pendedahan yang lebih lama, yang kemudiannya harus dipertimbangkan dalam kedua-dua fasa reka bentuk dan perkhidmatan.
Untuk kimpalan, kebanyakan piawaian tidak membuat sebarang kenyataan tegas tentang kesan penguraian spinodal.Walau bagaimanapun, sesetengah piawaian (cth ASME VIII-1, Jadual UHA 32-4) menunjukkan kemungkinan untuk melakukan rawatan haba selepas kimpalan tertentu.Ini tidak diperlukan atau dilarang, tetapi apabila melaksanakannya, ia harus dilakukan mengikut parameter yang telah ditetapkan dalam standard.
Apa yang dikatakan industri
Maklumat yang dihasilkan oleh beberapa pengeluar keluli tahan karat dupleks lain telah disemak untuk melihat perkara yang mereka sampaikan berkenaan julat suhu untuk gred mereka.2205 dihadkan pada 315 °C oleh ATI, tetapi Acerinox menetapkan OT untuk gred yang sama pada hanya 250 °C.Ini ialah had OT atas dan bawah untuk gred 2205, manakala di antaranya OT lain disampaikan oleh Aperam (300 °C), Sandvik (280°C) dan ArcelorMittal (280 °C).Ini menunjukkan penyebaran OT maksimum yang dicadangkan hanya untuk satu gred yang akan memiliki sifat yang sangat setanding dari pengilang ke pengilang.
Alasan latar belakang mengapa pengeluar telah menetapkan OT tertentu tidak selalu didedahkan.Dalam kebanyakan kes, ini adalah berdasarkan satu standard tertentu.Piawaian yang berbeza menyampaikan OT yang berbeza, oleh itu penyebaran nilai.Kesimpulan logiknya ialah syarikat Amerika menetapkan nilai yang lebih tinggi disebabkan oleh kenyataan dalam piawaian ASME, manakala syarikat Eropah menetapkan nilai yang lebih rendah disebabkan oleh piawaian EN.
Apa yang pelanggan perlukan?
Bergantung pada aplikasi akhir, pelbagai beban dan pendedahan bahan dijangka.Dalam projek ini, kerapuhan akibat penguraian spinodal adalah yang paling menarik kerana ia sangat sesuai untuk bejana tekanan.
Walau bagaimanapun, terdapat pelbagai aplikasi yang mendedahkan gred dupleks kepada beban mekanikal sederhana sahaja, seperti penyental11–15.Permintaan lain adalah berkaitan dengan bilah kipas dan pendesak, yang terdedah kepada beban keletihan.Kesusasteraan menunjukkan bahawa penguraian spinodal berkelakuan berbeza apabila beban keletihan dikenakan15.Pada peringkat ini, menjadi jelas bahawa OT maksimum bagi aplikasi ini tidak boleh ditetapkan dengan cara yang sama seperti untuk bekas tekanan.
Satu lagi kelas permintaan adalah untuk aplikasi berkaitan kakisan sahaja, seperti penyental gas ekzos marin.Dalam kes ini, rintangan kakisan adalah lebih penting daripada had OT di bawah beban mekanikal.Walau bagaimanapun, kedua-dua faktor memberi kesan kepada operasi produk akhir, yang perlu dipertimbangkan apabila menunjukkan OT maksimum.Sekali lagi, kes ini berbeza dengan dua kes sebelum ini.
Secara keseluruhannya, apabila menasihati pelanggan tentang OT maksimum yang sesuai untuk gred dupleks mereka, jenis aplikasi adalah amat penting dalam menetapkan nilai.Ini seterusnya menunjukkan kerumitan menetapkan OT tunggal untuk gred, kerana persekitaran di mana bahan itu digunakan mempunyai kesan yang ketara ke atas proses pengelasan.
Apakah suhu operasi maksimum untuk dupleks?
Seperti yang dinyatakan, suhu operasi maksimum ditetapkan oleh kinetik penguraian spinodal yang sangat rendah.Tetapi bagaimana kita mengukur suhu ini dan apakah sebenarnya "kinetik rendah"?Jawapan kepada soalan pertama adalah mudah.Kami telah menyatakan bahawa pengukuran keliatan biasanya dilakukan untuk menganggarkan kadar dan kemajuan penguraian.Ini ditetapkan dalam piawaian yang diikuti oleh kebanyakan pengeluar.
Soalan kedua, tentang apakah yang dimaksudkan dengan kinetik rendah dan nilai di mana kita menetapkan sempadan suhu adalah lebih kompleks.Ini adalah sebahagiannya kerana keadaan sempadan suhu maksimum disusun daripada kedua-dua suhu maksimum (T) itu sendiri dan masa operasi (t) di mana suhu ini dikekalkan.Untuk mengesahkan gabungan Tt ini, pelbagai tafsiran tentang keliatan "terendah" boleh digunakan:
• Sempadan bawah, yang ditetapkan mengikut sejarah dan boleh digunakan untuk kimpalan ialah 27 Joule (J)
• Dalam piawaian kebanyakannya 40J ditetapkan sebagai had.
• Pengurangan 50% dalam keliatan awal juga kerap digunakan untuk menetapkan sempadan bawah.
Ini bermakna pernyataan mengenai OT maksimum mestilah berdasarkan sekurang-kurangnya tiga andaian yang dipersetujui:
• Pendedahan suhu-masa produk akhir
• Nilai keliatan minimum yang boleh diterima
• Bidang akhir aplikasi (kimia sahaja, beban mekanikal ya/tidak dsb.)
Pengetahuan eksperimen yang digabungkan
Berikutan tinjauan meluas data dan piawaian eksperimen adalah mungkin untuk menyusun syor untuk empat gred dupleks yang sedang disemak, lihat Jadual 3. Perlu diakui bahawa kebanyakan data dicipta daripada eksperimen makmal yang dilakukan dengan langkah suhu 25 °C .
Perlu juga diperhatikan bahawa pengesyoran ini merujuk kepada sekurang-kurangnya 50% daripada keliatan yang tinggal di RT.Apabila dalam jadual "tempoh masa yang lebih lama" ditunjukkan tiada penurunan ketara pada RT telah didokumenkan.Selain itu, kimpalan hanya diuji pada -40 °C.Akhir sekali, perlu diingatkan bahawa masa pendedahan yang lebih lama dijangkakan untuk DX 2304, memandangkan keliatannya yang tinggi selepas 3,000 jam ujian.Walau bagaimanapun, sejauh mana pendedahan boleh ditingkatkan mesti disahkan dengan ujian lanjut.
Terdapat tiga perkara penting yang perlu diberi perhatian:
• Penemuan semasa menunjukkan bahawa jika kimpalan ada, OT berkurangan kira-kira 25 °C.
• Pancang jangka pendek (berpuluh jam pada T=375 °C) boleh diterima untuk DX 2205. Memandangkan DX 2304 dan LDX 2101 adalah gred aloi yang lebih rendah, pancang suhu jangka pendek yang setanding harus diterima juga.
• Apabila bahan hancur akibat penguraian, rawatan haba tebatan pada 550 – 600 °C untuk DX 2205 dan 500 °C untuk SDX 2507 selama 1 jam membantu memulihkan keliatan sebanyak 70%.
Masa siaran: Feb-04-2023