316L temperatūras diapazons: no kriogēnas līdz paaugstinātas temperatūras mehāniskā veiktspēja

316L nerūsējošais tēraudsir viens no inženierzinātnēs visplašāk izmantotajiem austenīta nerūsējošajiem tēraudiem, kas novērtēts tā izturības pret koroziju, metināmības un daudzpusības dēļ ekstremālos temperatūras apstākļos. No sašķidrinātās dabasgāzes kriogēnās uzglabāšanas -162 grādu temperatūrā līdz siltummaiņiem, kas darbojas virs 600 grādiem, 316L demonstrē ievērojamu mehānisko stabilitāti.

Šajā rakstā ir sniegta visaptveroša 316L temperatūras veiktspējas analīze, aptverot kriogēno izturību, telpas -temperatūras sākotnējās īpašības, paaugstinātas-temperatūras izturības samazināšanos, šļūdes darbību, sensibilizācijas pretestību un pakāpju salīdzinājumus. Visi dati atsaucas uz ASTM A240, ASME BPVC VIII sadaļu un ASM rokasgrāmatas avotiem, lai atbalstītu inženiertehniskos lēmumus un materiālu izvēli.

Kāds ir 316L nerūsējošā tērauda darba temperatūras diapazons?

316L nerūsējošais tērauds efektīvi darbojas no -253 grādiem (kriogēns, šķidrā ūdeņraža temperatūra) līdz aptuveni 800 grādiem strukturālai un spiediena saglabāšanai, un līdz 925 grādiem, lai nodrošinātu neregulāru oksidācijas izturību.

Plašais 316 L darbības diapazons izriet no tā centrētās kubiskā (FCC) austenīta kristāla struktūras, kas saglabājas stabila visā temperatūras spektrā. Atšķirībā no ferīta vai martensīta nerūsējošajiem tēraudiem, austenīta šķirnēm zemās temperatūrās netiek pakļauta kaļama -uz-trausla pāreja, saglabājot stingrību līdz kriogēnam līmenim. Augstākajā līmenī 16–18% hroma saturs nodrošina pieliptu hroma oksīda pasīvo slāni, kas ir izturīgs pret oksidāciju līdz 925 grādiem neregulāras darbības gadījumā un 870 grādiem nepārtrauktā darbībā.

Tomēr atšķirība starp oksidācijas robežu un strukturālo robežu ir būtiska. Kamēr oksidācijas pretestība sniedzas līdz 925 grādiem, mehāniskās īpašības ievērojami pasliktinās virs 540 grādiem šļūdes deformācijas dēļ. ASME katlu un spiedtvertņu koda (BPVC) VIII sadaļas lietojumiem maksimālā temperatūra, pie kuras tiek publicēti pieļaujamie spriegumi, ir 800 grādi (1475 grādi F), lai gan praktiskie inženiertehniskie projekti parasti ierobežo konstrukcijas izmantošanu līdz 600 grādiem vai zemāk atkarībā no sprieguma līmeņiem un ekspluatācijas ilguma prasībām.

Uzziņai zemāk esošajā tabulā ir apkopotas praktiskās temperatūras zonas 316L:

Kā 316L darbojas kriogēnā temperatūrā?

316L lieliski darbojas kriogēnās temperatūrās, saglabājot augstu triecienizturību un elastību līdz pat -253 grādiem (šķidrā ūdeņraža temperatūra), padarot to par vēlamo materiālu SDG, šķidrā slāpekļa un šķidrā ūdeņraža sistēmām.

316L kriogēnās veiktspējas atslēga slēpjas tā sejas-centrētā kubiskā (FCC) kristāla struktūrā. FCC metāliem ir vairākas slīdēšanas sistēmas, kas paliek aktīvas jebkurā temperatūrā, kas nozīmē, ka plastiskā deformācija var notikt bez trausliem lūzumiem. Tas krasi kontrastē ar korpusa -centrētu kubisko (BCC) metāliem, piemēram, oglekļa tēraudu un ferīta nerūsējošo tēraudu (piem., 430, 410), kuriem ir kaļamā -uz-trauslā pārejas temperatūra (DBTT), zem kuras krasi samazinās lūzuma izturība.

Kriogēnās temperatūrās 316L uzrāda šādas īpašību izmaiņas:

• Stiepes izturība palielinās par aptuveni 100-150%, salīdzinot ar istabas temperatūras vērtībām, sasniedzot 1290-1450 MPa pie -196 grādiem
• Teces izturība palielinās par aptuveni 100-130%, sasniedzot 550-650 MPa pie -196 grādiem
• Pagarinājums samazinās, bet saglabājas ievērojams 30–40% pie -196 grādiem, salīdzinot ar 50–60% istabas temperatūrā
• Šarpija V-iecirtuma trieciena enerģija saglabājas virs 60 J pie -196 grādiem, salīdzinot ar 150–200+ J istabas temperatūrā

Šī stingrības saglabāšana ir iemesls, kāpēc 316L (un plašāka 316 saime) ir norādīta ASME BPVC VIII sadaļā kriogēno kuģu konstrukcijai, un to plaši izmanto SDG rūpniecībā uzglabāšanas tvertnēm, cauruļvadiem un procesa iekārtām, kas darbojas -162 grādu temperatūrā. Pat šķidrā ūdeņraža temperatūrā (-253 grādi) 316L saglabā pietiekamu stingrību strukturālai lietošanai, ievietojot to starp izvēlētu materiālu grupu, kas apstiprināta ūdeņraža enerģijas infrastruktūrai.

Kas notiek ar 316 L mehāniskajām īpašībām zem{1}}nulles temperatūrā?

Temperatūrai pazeminoties zem apkārtējās vides, 316L stiepes un tecēšanas stiprums ievērojami palielinās, savukārt elastība mēreni samazinās, bet joprojām ir krietni virs pieļaujamās inženiertehniskās robežvērtības, nezaudējot stingrību, kas ir pietiekama, lai izraisītu trauslu lūzumu.

316L mehāniskā reakcija uz temperatūras pazemināšanos seko paredzamam modelim, ko nosaka FCC metālu dislokācijas kustības atkarība no temperatūras. Zemākas temperatūras ierobežo dislokāciju kustīgumu, tāpēc ir nepieciešams lielāks spriegums, lai uzsāktu un uzturētu plastisko deformāciju. Tas izpaužas kā palielināts spēks.

Tālāk esošajā tabulā ir parādītas rūdītā 316 L mehāniskās īpašības dažādās zem{1}}nulles temperatūrās:

Piezīme. Vērtības ir reprezentatīvi diapazoni, kas apkopoti no ASM rokasgrāmatas, ASTM un ražotāja datiem. Faktiskās īpašības atšķiras atkarībā no produkta formas, termiskās apstrādes un specifiskā sastāva specifikāciju diapazonā.

Praktiskā nozīme ir tāda, ka dizaineri, kas strādā ar 316 L zem-nulles lietojumos, var paļauties uz lielāku izturību nekā istabas temperatūrā, vienlaikus saglabājot pārliecību, ka materiāls nesabojāsies trauslā veidā. Teces robežas palielināšanās kriogēnās temperatūrās ir īpaši izdevīga spiedtvertņu projektēšanai, jo ASME kods nodrošina paaugstinātus pieļaujamos spriegumus zemākās temperatūrās austenīta nerūsējošajiem tēraudiem.

Vai 316L nerūsējošais tērauds kļūst trausls zemā temperatūrā?

Nē{0}}L nekļūst trausls zemā temperatūrā. Tā -centrētā kubiskā austenīta struktūra novērš kaļamo-uz-trauslo pāreju, kas apdraud ferīta un martensīta tēraudus, kas nozīmē, ka stingrība saglabājas adekvāta pat pie zemākajām temperatūrām, kas ir iespējamas inženiertehniskajā praksē.

Trausls lūzums zemā temperatūrā ir labi{0}}dokumentēta parādība ķermeņa-centrēta kubiskā (BCC) metālos. BCC struktūrās spriegums, kas nepieciešams, lai pārvietotu dislokācijas, strauji palielinās, pazeminoties temperatūrai, savukārt spriegums, kas nepieciešams atomu saišu šķelšanai (lūzumam), paliek relatīvi nemainīgs. Zem kaļamās -uz-trauslās pārejas temperatūras (DBTT) šķelšanās spriegums kļūst mazāks par tecēšanas spriegumu, un materiāls saplīst ar nelielu plastisko deformāciju vai bez tās.

316L centrētā kubiskā (FCC) struktūra pilnībā novērš šo problēmu. FCC metāliem ir 12 slīdēšanas sistēmas, kas paliek aktīvas jebkurā temperatūrā, un Peierls spriegums (režģa pretestība pret dislokācijas kustību) pēc būtības ir zems. Līdz ar to FCC metāliem nav DBTT, un kaļamā lūzuma režīmi saglabājas līdz zemākajai temperatūrai.

To apstiprina Charpy V{0}}nogriezuma testēšana visā temperatūras spektrā. Lai gan BCC tēraudiem ir raksturīga "S-līkne" ar strauju trieciena enerģijas kritumu, 316L trieciena enerģija samazinās tikai mēreni, pazeminoties temperatūrai. Pat pie -196 grādiem tipiskās Charpy vērtības 60–100 J ievērojami pārsniedz 27 J minimumu, kas bieži nepieciešams strukturāliem lietojumiem.

Ir vērts atzīmēt, ka daži metastabili austenīta nerūsējošie tēraudi (tostarp 316L noteiktos apstākļos) var daļēji pārveidoties par martensītu smagas plastiskas deformācijas rezultātā zemā temperatūrā. Šī deformācijas-izraisītā martensīta transformācija var nedaudz samazināt stingrību deformētajā zonā, taču tā parasti ir neliela un neapdraud pareizi izstrādātu komponentu strukturālo integritāti.

Kādas ir 316L telpas temperatūras mehāniskās īpašības?

Istabas temperatūrā atkvēlinātā 316L minimālā stiepes izturība ir 485 MPa, minimālā tecēšanas robeža 170 MPa, minimālais pagarinājums 40% un maksimālā cietība 217 HBW, kā norādīts ASTM A240, un tipiskās vērtības pārsniedz šīs minimālās vērtības.

Telpas temperatūras īpašības kalpo par pamatu visiem inženiertehniskajiem aprēķiniem. ASTM A240/A240M, standarta specifikācija hroma un hroma -niķeļa nerūsējošā tērauda plāksnēm, loksnēm un sloksnēm spiedtvertnēm un vispārējiem lietojumiem, nosaka šādas minimālās prasības UNS S31603 (316L):

Salīdzinoši zemā tecēšanas -pret- stiepes izturības attiecība (aptuveni 0,4–0,45) ir raksturīga atkvēlinātiem austenīta nerūsējošajiem tēraudiem. Tas nozīmē, ka 316L uzrāda ievērojamu darba-cietēšanas spēju, kas ir izdevīga daudzos lietojumos, jo nodrošina drošības rezervi: materiāls var absorbēt enerģiju plastiskās deformācijas rezultātā, pirms tas sasniedz maksimālo stiprību.

316L sastāvs tieši veicina šīs īpašības: 16-18% hroms nodrošina izturību pret koroziju un cieto šķīdumu stiprināšanu; 10–14% niķeļa stabilizē austenīta struktūru; 2–3% molibdēns uzlabo pretkorozijas izturību un veicina cietā šķīduma nostiprināšanos; un zemais oglekļa saturs (maksimums 0,03%) samazina karbīda nokrišņus metināšanas un apkopes laikā, saglabājot izturību pret koroziju karstuma{8}}ietekmētajā zonā.

Kā 316L stiepes izturība mainās līdz ar temperatūru?

316L stiepes izturība palielinās par aptuveni 100–150%, temperatūrai nokrītot līdz kriogēnam līmenim, un samazinās par aptuveni 50–60%, temperatūrai paaugstinoties līdz 800 grādiem, ievērojot paredzamu un aptuveni lineāru tendenci katrā virzienā no istabas temperatūras bāzes līnijas.

Stiepes izturības izmaiņas atkarībā no temperatūras nosaka dislokācijas kustības termiski aktivizētais raksturs. Paaugstinātā temperatūrā siltumenerģija palīdz dislokācijām pārvarēt režģa barjeras, samazinot plastiskās deformācijas nepieciešamo spriegumu. Zemā temperatūrā notiek otrādi.

Zemāk esošajā tabulā parādītas atkvēlināta 316L stiepes īpašības visā temperatūras diapazonā:

Piezīme. Vērtības ir reprezentatīvas. Faktiskās īpašības ir atkarīgas no produkta formas, termiskās apstrādes, sastāva un testēšanas metodes. Skatiet materiālu pārbaudes ziņojumus (MTR) par konkrētiem siltumiem.

Projektēšanas nolūkos ASME BPVC VIII sadaļas 1. nodaļa nodrošina pieļaujamās sprieguma vērtības, kas ietver drošības faktorus un ņem vērā gan īstermiņa -spriegošanas īpašības, gan ilgtermiņa{2}}šļūdes īpašības. Šie pieļaujamie spriegumi, kas publicēti ASME II sadaļas D daļas 1.A tabulā attiecībā uz SA{5}}L, ir autoritatīvs avots spiedtvertnes projektēšanai.

Kāda ir 316 l nerūsējošā tērauda maksimālā apkalpošanas temperatūra?

Maksimālā darba temperatūra 316L ir 800 grādi ASME spiedtvertnēm, aptuveni 870 grādi nepārtrauktai oksidācijas izturībai un aptuveni 925 grādi periodiskai oksidācijas pretestībai, lai gan struktūras slodzei virs 540 grādiem ir nepieciešama rūpīga šļūdes analīze.

Lai noteiktu "maksimālo ekspluatācijas temperatūru", ir jānošķir trīs dažādi atteices režīmi: (1) oksidācija, (2) īslaicīga mehāniskā izturība un (3) ilgstoša -šļūdes deformācija.

Oksidācijas izturība: 16–18% hroma saturs 316L veido stabilu Cr2O3 pasīvo slāni, kas efektīvi pretojas oksidācijai. Nepārtrauktai ekspluatācijai oksidācijas robeža ir aptuveni 870 grādi (1600 grādi F), bet neregulārai darbībai – aptuveni 925 grādi (1700 grādi F). Virs šīm temperatūrām oksīda skala kļūst mazāk aizsargājoša un paātrina plaisāšanu.

ASME pieļaujamā sprieguma robeža: ASME BPVC II sadaļas D daļā ir publicētas pieļaujamās sprieguma vērtības SA{0}}L līdz 800 grādiem (1475 grādi F). Šajā temperatūrā pieļaujamais spriegums ir aptuveni 10–11 MPa, kas atspoguļo smagu stiprības samazināšanos un šļūdes jutību. Lai gan tas ir tehniski atļauts, tik zemi pieļaujamie spriegumi reti pieļauj praktisku konstrukcijas projektēšanu šajā temperatūrā.

Šļūdes sākums: šļūdes deformācija kļūst par kontrolējošo konstrukcijas faktoru virs aptuveni 540 grādiem (1000 grādiem F). Šļūde ir laika-atkarīga, paliekoša deformācija, kas rodas ilgstošas ​​spriedzes apstākļos paaugstinātā temperatūrā. Komponentiem, kam nepieciešama izmēru stabilitāte ilgā ekspluatācijas laikā (piemēram, 100 000 stundu), praktiskā augšējā konstrukcijas slodzes robeža parasti ir 540–600 grādi.

Tipiski ASME VIII sadaļas pieļaujamie spriegumi SA{0}}L (aptuveni, tikai atsaucei-vienmēr skatiet pašreizējo ASME izdevumu):

Kā Creep ietekmē 316L paaugstinātā temperatūrā?

Šļūde kļūst par dominējošo deformācijas mehānismu 316L virs aptuveni 540 grādiem, izraisot laika-atkarīgu paliekošu deformāciju ilgstošas ​​spriedzes apstākļos, kas netiek fiksēta parastajā īstermiņa-stiepuma pārbaudē, un ievērojami samazinot pieļaujamo konstrukcijas spriegumu ilgstošai -augstas{5}}temperatūras ekspluatācijai.

Šļūde ir definēta kā pakāpeniska, laika{0}}atkarīga materiāla plastiskā deformācija, kas pakļauta pastāvīgam spriegumam paaugstinātā temperatūrā. Austenīta nerūsējošajiem tēraudiem šļūde kļūst nozīmīga, ja darba temperatūra aptuveni 0,4 reizes pārsniedz kušanas temperatūru (kelvinos). 316 L ar kušanas diapazonu 1370–1400 grādi šis slieksnis ir aptuveni 427 grādi, lai gan praktiskā nozīme parasti tiek atzīmēta virs 540 grādiem.

Slīpēšana notiek trīs posmos:

Primārā (pārejoša) šļūde: sākotnējā straujā deformācija, kas palēninās, jo deformācijas sacietēšana palielina izturību pret turpmāku deformāciju.

Sekundārā (stacionāra{0}}stāvokļa) šļūde: nemainīgs, minimālais šļūdes ātrums, kur deformācijas sacietēšana un atgūšana (termiskā mīkstināšana) atrodas dinamiskā līdzsvarā.

Šis ir garākais posms un pamats lielākajai daļai inženiertehnisko projektu.

Terciārā (paātrinošā) šļūde: strauji paātrināta deformācija, kas izraisa plīsumu, ko izraisa tukšumu veidošanās, graudu robežu slīdēšana un izgriezums.

Reprezentatīvie šļūdes dati par 316L (aptuveni, atsaucei):

Piezīme. Šļūdes dati ievērojami atšķiras atkarībā no graudu izmēra, sastāva, aukstā apstrādes un termiskās apstrādes. Šīs vērtības ir tikai orientējošas. Projektēšanai vienmēr skatiet ASME II sadaļas D daļu vai ražotāja šļūdes līknes.

Praktiskās sekas ir tādas, ka spiedtvertņu un cauruļvadu projektētājiem ir jāizmanto ASME pieļaujamās sprieguma vērtības, kurās jau ir iekļauti šļūdes pārrāvuma dati ar atbilstošām drošības rezervēm. Temperatūrai virs 540 grādiem pieļaujamo spriegumu parasti nosaka šļūdes kritēriji (spriegums, kas rada 1% šļūde 100 000 stundu laikā, vai spriegums, kas izraisa plīsumu 100 000 stundu laikā, dalīts ar drošības faktoriem), nevis īslaicīga -termiņa stiepes izturība.

Kas ir sensibilizācija un kā 316L tai pretojas?

Sensibilizācija ir hroma karbīdu nogulsnēšanās uz graudu robežām, pakļaujot tām 425–815 grādus, kas noārda blakus esošās hroma daļas un samazina izturību pret koroziju. Zemais oglekļa saturs (maksimums 0,03%) ievērojami samazina sensibilizācijas risku salīdzinājumā ar standartu 316, lai gan tas pilnībā nenovērš to.

Kad austenīta nerūsējošais tērauds tiek karsēts sensibilizācijas diapazonā (425–815 grādi / 800–1500 grādi F), ogleklis (kam šajās temperatūrās ir zema šķīdība austenītā) izkliedējas uz graudu robežām un savienojas ar hromu, veidojot hroma karbīdu (Cr23C6). Šie nokrišņi noārda hroma graudu robežas apgabalu zem 10,5% sliekšņa, kas nepieciešams pasivitātei, radot "sensibilizētu" mikrostruktūru, kas ir jutīga pret starpkristālu koroziju.

Apzīmējums "L" 316L norāda, ka ogleklis ir ierobežots līdz 0,03%, salīdzinot ar 0,08% standartā 316. Ja ir pieejams mazāk oglekļa, karbīda nokrišņu daudzums ir ievērojami samazināts. Attiecības regulē hroma samazināšanās vienādojums: mazāks oglekļa saturs nozīmē mazāku un mazāku karbīdu daudzumu, mazāku hroma samazināšanos un šaurāku sensibilizēto zonu.

Tomēr 316L nav imūna. Ilgstoša iedarbība (simtiem līdz tūkstošiem stundu) 425–815 grādu diapazonā, jo īpaši ap laika-temperatūras{5}}sensibilizācijas (TTS) līknes degunu aptuveni 700 grādos, joprojām var izraisīt izmērāmu sensibilizāciju. Sensibilizācijas laiks ir atkarīgs no oglekļa satura, dzesēšanas ātruma sensibilizācijas diapazonā, graudu lieluma un iepriekšējās termiskās vēstures.

Lietojumprogrammām, kurām nepieciešama ilgstoša paaugstinātas temperatūras iedarbība korozīvā vidē, priekšroka var tikt dota 316Ti (stabilizēts ar titānu-) vai 316Cb (stabilizēts ar niobiju-). Šīs kategorijas satur stabilizējošus elementus (Ti vai Nb), kas galvenokārt veido karbīdus, saista oglekli, pirms tas var apvienoties ar hromu.

Vai 316L piedzīvo Sigma fāzes trauslumu augstā temperatūrā?

Jā. 316L var izjust sigmas fāzes trauslumu ilgstošas ​​iedarbības laikā 600–900 grādu leņķī, kas samazina triecienizturību un izturību pret koroziju. Risks ir mazāks nekā augstas-hroma ferīta vai dupleksa pakāpēs, taču tas ir jāņem vērā, ja tiek izmantots ilgtermiņā-augsta{6}}temperatūra.

Sigma fāze ir ciets, trausls, nemagnētisks intermetālisks savienojums ar aptuvenu FeCr sastāvu, kas var veidoties nerūsējošajos tēraudos, kas satur vairāk nekā aptuveni 16–20% hroma. Tas izgulsnējas pie graudu robežām un graudos, lēni atdzesējot vai ilgstoši turot 600–900 grādu diapazonā.

316L 16–18% hroma un 2–3% molibdēna saturs nodrošina apstākļus, kādos var veidoties sigma fāze, lai gan kinētika ir lēnāka nekā dupleksā nerūsējošā tērauda (piemēram, 2205) vai augsta -hroma ferīta tēraudā. 10–14% niķeļa saturs palīdz stabilizēt austenītu un palēnina sigmas veidošanos, taču tas to pilnībā nenovērš.

Sigma fāzes nokrišņu sekas ir šādas:

• Samazināta triecienizturība: Šarpi V{0}}nogriezuma vērtības var samazināties par 50% vai vairāk, ja ir ievērojami sigma nokrišņi.
• Samazināta elastība: pagarinājums samazinās, un lūzuma režīms pāriet uz trauslākām īpašībām.
• Samazināta izturība pret koroziju: Sigma fāze patērē hromu un molibdēnu, noārda matricu un veido galvaniskus pārus.
• Paaugstināta cietība: Sigma fāzes cietība ir aptuveni 68 HRC, palielinot kopējo cietību.
• Sigmas fāzi var izšķīdināt, atkvēlinot šķīdumu 1066–1121 grādos, kam seko ātra dzesēšana (ūdens dzēšana). Tādējādi tiek atjaunota sākotnējā austenīta struktūra un īpašības. Galvenais profilakses pasākums ir samazināt laiku 600–900 grādu diapazonā apstrādes un apkopes laikā un noteikt ātru dzesēšanu šajā diapazonā termiskās apstrādes laikā.

Kā 316L var salīdzināt ar 304L, 316H un 316Ti ekstremālos temperatūras apstākļos?

316L piedāvā vislabāko līdzsvaru starp izturību pret koroziju, metināmību un kriogēno izturību starp 316 saimes variantiem, bet 316H nodrošina izcilu augstas -temperatūras izturību, 316Ti nodrošina labāku sensibilizācijas pretestību ilgstošai paaugstinātai temperatūrai, un 304L ir ekonomiski izdevīgāks pret molibdēnu.

Katrs 316/304 saimes variants ir izstrādāts tā, lai novērstu konkrētus veiktspējas ierobežojumus, galvenokārt izmantojot oglekļa satura kontroli un stabilizējošus elementu papildinājumus.

316 l pret . 304L: abas ir zemas-oglekļa austenīta kategorijas. Kritiskā atšķirība ir 2–3% molibdēna 316 L, kas uzlabo punktveida un plaisu korozijas izturību (īpaši hlorīdu vidē) un nedaudz uzlabo augstas -temperatūras izturību. 304L ir piemērota daudziem viegli kodīgiem un vidēji paaugstinātas temperatūras lietojumiem, taču to nevajadzētu izmantot, ja hlorīda punktveida veidošanās ir risks. To temperatūras diapazoni ir līdzīgi, taču 316L ir priekšroka jūras, ķīmiskās un termiskās izmantošanas vajadzībām, kur korozija rada bažas.

316 L pret . 316H: 316H ir lielāks oglekļa saturs (0,04–0,10%) nekā 316 L (maks. 0,03%). Paaugstināts ogleklis nodrošina lielāku stiepes un šļūdes izturību augstās -temperatūras apstākļos, izmantojot cieto šķīdumu un karbīda stiprināšanu. . 316H ir ieteicamā pakāpe lietojumiem virs 500 grādiem, kur galvenā problēma ir mehāniskā izturība un ekspluatācijas vide nav īpaši kodīga. Tomēr 316H ir jutīgāks pret sensibilizāciju, un korozijai nepieciešama pēc{13}}metināšanas šķīduma atkausēšana.

316L pret . 316Ti: 316Ti satur titānu (minimālais saturs 5 × C), kas galvenokārt veido TiC, novēršot hroma karbīda nogulsnēšanos. Tas nodrošina izcilu izturību pret sensibilizāciju ilgstošas ​​ekspozīcijas laikā 425–815 grādos vai lēnas dzesēšanas laikā šajā diapazonā. 316Ti ir vēlams lietojumiem, kas saistīti ar ilgstošu paaugstinātas temperatūras apkalpošanu korozīvā vidē. Tomēr titāna karbonitrīda ieslēgumu dēļ 316Ti ir nedaudz zemāka izturība nekā 316L kriogēnās temperatūrās.

316 L pret . 316 (standarta): Standarts 316 (0,08% maks. C) piedāvā nedaudz augstāku telpas-temperatūras izturību nekā 316 L, taču tas ir vairāk pakļauts sensibilizācijai metināšanas un paaugstinātas temperatūras pakalpojumu laikā. Lielākajai daļai mūsdienu lietojumu priekšroka tiek dota 316L, jo tam ir izcila -metinātā izturība pret koroziju.

Kādas termiskās izplešanās īpašības piemīt 316L?

316L vidējais termiskās izplešanās koeficients ir 16,0 µm/m- grādi pie 20–100 grādiem, palielinoties līdz aptuveni 18,5 µm/m- grādiem pie 20–600 grādiem, kas ir aptuveni par 50% augstāks nekā oglekļa tēraudam, un tam ir jābūt termiski cikliskam savienojumam.

Austenīta nerūsējošā tērauda relatīvi augstā termiskā izplešanās ir FCC kristāla struktūras īpašība. FCC metāliem parasti ir lielāka termiskā izplešanās nekā BCC metāliem kristāla režģa simetrijas un blīvējuma dēļ. 316L gadījumā tas nozīmē, ka 1 metra garuma plāksne palielināsies par 16 mm, ja temperatūra paaugstinās par 1000 grādiem (izmantojot koeficientu 20–100 grādi), salīdzinot ar aptuveni 12 mm oglekļa tēraudam.

Reprezentatīvie termiskās izplešanās koeficienti 316L:

Inženiertehniskās nozīmes ietver: (1) atbilstošu izplešanās cilpu vai silfonu nodrošināšanu cauruļvadu sistēmās, (2) kompensācijas savienojumu izmantošanu apšuvuma plākšņu sistēmās, (3) rūpīgu termiskās spriedzes apsvēršanu atšķirīgās metinātās šuvēs (piemēram, 316L pret oglekļa tēraudu) un (4) diferenciālas izplešanās pielaidi bultskrūvju savienojumos un konstrukciju savienojumos, kas pakļauti temperatūras izmaiņām.

Vai 316L ir piemērots termiskai riteņbraukšanai?

Jā. 316L ir piemērots izmantošanai termiskajā ciklā, jo tā ir stabila austenīta struktūra, fāzu pārveidojumi termiskā cikla laikā nenotiek, laba termiskā noguruma izturība un lieliska elastība. Tomēr augstākam termiskās izplešanās koeficientam ir nepieciešama rūpīga projektēšana, lai pārvaldītu izmēru izmaiņas un termiskos spriegumus.

Siltuma cikliskums izraisa cikliskus termiskos spriegumus, izmantojot divus mehānismus: (1) diferenciālu izplešanos starp komponenta virsmu un iekšpusi ātras sildīšanas/dzesēšanas laikā un (2) ierobežojumu -izraisītus spriegumus, ja izplešanos ierobežo struktūra vai atšķirīgi materiāli. Daudzu ciklu laikā šie spriegumi izraisa termiskā noguruma plaisāšanu.

316L labi darbojas termiskajā riteņbraukšanā vairāku iemeslu dēļ:

Bez fāzes transformācijas: atšķirībā no ferīta-martensīta tēraudiem (kas var tikt pārveidoti), 316L austenīta struktūra ir stabila, izvairoties no tilpuma-izmaiņu-izraisītās spriedzes.

Augsta elastība: 50-60% pagarinājums istabas temperatūrā nodrošina lielisku deformācijas izmitināšanas spēju, ļaujot materiālam absorbēt termiskos deformācijas bez plaisāšanas.

Laba darba-cietēšanas spēja: cikliskā plastiskā deformācija palielina vietējo izturību, pateicoties darba sacietēšanai, palēninot noguruma plaisu rašanos.

Zema tecēšanas-pret-stiepes attiecība: plašā robeža starp tecību un stiepes izturību nodrošina lielu plastmasas zonu sprieguma pārdalīšanai.

Galvenie dizaina apsvērumi attiecībā uz termisko cikliskumu ar 316L ir šādi: ierobežojumu samazināšana līdz minimumam, lai nodrošinātu brīvu izplešanos, izvairīšanās no asiem stūriem un iegriezumiem, kas koncentrē spriegumu, pilnas -iekļūšanas metinājumu izmantošana, lai novērstu sprieguma paaugstinājumus saknēs, un atbilstošas ​​siltumizolācijas nodrošināšana, lai samazinātu siltuma gradientus. Smagiem termiskiem cikliem (ātra sildīšana/dzesēšana ar lielām temperatūras svārstībām) Inconel 625 vai Incoloy 800HT var nodrošināt izcilu veiktspēju.

Kāda termiskā apstrāde optimizē 316L temperatūras veiktspējai?

Šķīduma atkausēšana 1010–1120 grādu temperatūrā, kam seko ātra dzesēšana (smagākām sekcijām dzesēšana ar ūdeni, plānām sekcijām dzesēšana ar gaisu) ir ieteicamā 316L termiskā apstrāde, radot viendabīgu austenīta struktūru, kas maksimāli palielina izturību pret koroziju, stingrību un mehāniskās īpašības visā temperatūras diapazonā.

Šķīduma atkvēlināšana pilda trīs kritiskas funkcijas: (1) karbīdu un sigmas fāzes izšķīdināšana, kas var būt izveidojusies iepriekšējās apstrādes vai apkopes laikā, (2) austenīta struktūras homogenizācija, novēršot segregāciju, un (3) aukstās apstrādes vai metināšanas atlikušo spriegumu mazināšana.

316L termiskās apstrādes procedūra ir šāda:

• Austenitizācijas temperatūra: 1010–1120 grādi (1850–2050 grādi F), visbiežāk ieteicamā 1066–1121 grāds.
• Mērcēšanas laiks: aptuveni 1 stunda uz 25 mm (1 collas) biezuma, ar vismaz 30 minūtēm.
• Dzesēšanas metode: būtiska ir ātra dzesēšana. Ūdens dzēšana ir ieteicama sekcijām, kas biezākas par 3 mm. Gaisa dzesēšana var būt pieņemama plānām sekcijām (loksne, plāna plāksne), kur dzesēšanas ātrums 425–815 grādu sensibilizācijas diapazonā ir pietiekami ātrs.
• Atmosfēra: spilgta atkausēšana ūdeņraža vai disociēta amonjaka atmosfērā novērš oksidēšanos. Gaisa atkausēšanai nepieciešama turpmāka kodināšana, lai noņemtu oksīda nogulsnes.

Kritiskais aspekts ir dzesēšanas ātrums sensibilizācijas diapazonā (425–815 grādi). Lēna dzesēšana šajā diapazonā var izraisīt karbīda nokrišņus, daļēji liedzot zemā-oglekļa sastāva priekšrocības. Šī iemesla dēļ krāsns dzesēšanu nekādā gadījumā nedrīkst izmantot 316L.

Sprieguma samazināšana zemākā temperatūrā (piemēram, 400–600 grādi) dažkārt tiek izmantota pēc metināšanas vai formēšanas, taču tas ir jāpieiet piesardzīgi. Lai gan tas mazina atlikušo spriegumu, tas apdraud sensibilizāciju (425–815 grādu diapazons) un var samazināt izturību pret koroziju. Ja ir nepieciešama stresa mazināšana, priekšroka tiek dota pilnai šķīduma atkausēšanai.

Kādi standarti regulē 316L temperatūras veiktspēju?

316L temperatūras veiktspēju regulē starptautisku standartu sistēma, tostarp ASTM A240 (materiāla specifikācija), ASME BPVC VIII sadaļa/II sadaļa D daļa (spiedientvertnes konstrukcija un pieļaujamie spriegumi), ASME B31.3 (procesa cauruļvadi), EN 10088 (Eiropas materiālu standarts) un ASME B16.5 (mehāniskās prasības, sprieguma prasības katram atlokiem un konstrukcijai).

Standarti nodrošina materiālu konsekvenci, dizaina drošību un atbilstību normatīvajiem aktiem. Galvenie standarti un to darbības jomas ir:

ASTM A240/A240M: definē ķīmisko sastāvu, mehānisko īpašību minimumus un termiskās apstrādes prasības 316L plāksnēm, loksnēm un sloksnēm. UNS apzīmējums: S31603.

ASME SA-240: ASME materiāla specifikācija, gandrīz identiska ASTM A240, taču pieņemta lietošanai ASME koda spiedtvertnēs un katlos.

ASME BPVC VIII sadaļa, 1. nodaļa: nodrošina spiedtvertņu projektēšanas noteikumus, tostarp formulas, kas atsaucas uz II sadaļas D daļas pieļaujamajām sprieguma vērtībām.

ASME BPVC II sadaļa, D daļa: satur pieļaujamās sprieguma tabulas. Attiecībā uz SA-240 316L spriegumi tiek publicēti no -29 grādiem līdz 800 grādiem ar piezīmēm, kas norāda, kuras vērtības kontrolē stiepes izturība pret šļūde.

ASME B31.3: procesa cauruļvadu kods, kas nodrošina pieļaujamās sprieguma vērtības un konstrukcijas prasības cauruļvadu sistēmām. Publicē pieļaujamos spriegumus 316L līdz 800 grādiem.

EN 10088-2: Eiropas standarts nerūsējošā tērauda plāksnēm, loksnēm un sloksnēm. Apzīmējums: X2CrNiMo17-12-2 (1.4404) vai X2CrNiMo18-14-3 (1.4435).

ASME B16.5: atloku un atloku stiprinājumu standarts, kas atsaucas uz temperatūras rādītājiem atloku materiāliem, tostarp 316L.

Inženieriem vienmēr ir jāiepazīstas ar šo standartu pašreizējo izdevumu, jo pieļaujamās sprieguma vērtības un projektēšanas noteikumi tiek periodiski atjaunināti. Vietējās jurisdikcijas prasības var arī paredzēt īpašus kodu izdevumus.

Secinājums

316L nerūsējošais tērauds piedāvā unikāli plašu darba temperatūras diapazonu no -253 grādiem (kriogēns šķidrais ūdeņradis) līdz 800 grādiem (ASME spiedtvertnes ierobežojums) un 925 grādiem (intermitējoša oksidācija). Tā seju centrētā kubiskā austenīta struktūra novērš trauslumu zemā temperatūrā, savukārt 16-18% hroma saturs nodrošina oksidācijas izturību paaugstinātā temperatūrā.

Zemais oglekļa saturs samazina sensibilizāciju, un šķīduma atkausēšana atjauno optimālās īpašības pēc termiskās apstrādes. Lietojumiem virs 540 grādiem šļūde kļūst par kontrolējošo konstrukcijas faktoru, un priekšroka var tikt dota 316H vai stabilizētām kategorijām. Kriogēnajiem pakalpojumiem 316L ir viens no uzticamākajiem un ekonomiski izdevīgākajiem pieejamajiem materiāliem. Pareiza materiālu izvēle, termiskā apstrāde un ASME/ASTM standartu ievērošana nodrošina optimālu veiktspēju visā temperatūras spektrā.

Bieži uzdotie jautājumi

316L nerūsējošais tērauds efektīvi darbojas no -253 grādiem (kriogēns, šķidrais ūdeņradis) līdz aptuveni 800 grādiem strukturālai lietošanai un līdz 925 grādiem, lai nodrošinātu periodisku oksidācijas izturību. ASME spiedtvertnēm maksimālā temperatūra, pie kuras tiek publicēti pieļaujamie spriegumi, ir 800 grādi.

Q2: Vai 316L nerūsējošais tērauds kļūst trausls zemā temperatūrā?

Nē. 316L virsmas-centrēta kubiskā (FCC) austenīta kristāla struktūra nepakļaujas elastīgai-uz-trauslai pārejai. Šarpija V-iecirtuma trieciena enerģija saglabājas virs 60 J pat pie -196 grādiem, salīdzinot ar 150-200+ J istabas temperatūrā. Tas padara 316L piemērotu kriogēniem lietojumiem, tostarp LNG, šķidrā slāpekļa un šķidrā ūdeņraža pakalpojumiem.

Q3: Kāda ir maksimālā apkalpošanas temperatūra 316L?

ASME spiedtvertņu lietojumiem 316L ir paredzēts 800 grādiem. Tikai attiecībā uz izturību pret oksidēšanu ir pieņemama nepārtraukta darbība līdz 870 grādiem un periodiska darbība līdz 925 grādiem. Tomēr šļūdes deformācija būtiski ierobežo konstrukciju izmantošanu virs 540 grādiem, un praktiskie dizaini parasti paliek šajā slieksnī vai zem tā ilgstošai darbībai.

Q4: Kā 316L atšķiras ar 316H augstā temperatūrā?

316H ir lielāks oglekļa saturs (0,04-0,10%) nekā 316 L (0,03% maks.), nodrošinot lielāku stiepes un šļūdes izturību augstā temperatūrā, pateicoties karbīda stiprināšanai. . 316H ir priekšroka konstrukcijām, kuru temperatūra pārsniedz 500 grādi, savukārt 316L ir priekšroka metinātām konstrukcijām, kur ir kritiska sensibilizācijas vide.

Q5: Vai 316L ir piemērots kriogēniem lietojumiem?

Jā. 316L tiek plaši izmantots kriogēnās sistēmās, tostarp SDG uzglabāšanā pie -162 grādiem, šķidrā slāpekļa -196 grādiem un pat šķidrā ūdeņraža uzglabāšanā pie -253 grādiem. Austenīta FCC struktūra saglabā stingrību bez pārejas no kaļamā uz trauslumu, un tecēšanas robeža faktiski palielinās zemākā temperatūrā.

Q6: Kāds ir ASME pieļaujamais spriegums 316L 400 grādu leņķī?

ASME VIII sadaļas pieļaujamais spriegums SA{0}}L pie 400 grādiem ir aptuveni 90 MPa. Pie 600 grādiem tas samazinās līdz aptuveni 48 MPa, bet pie 800 grādiem - līdz aptuveni 10 MPa. Šīs vērtības nosaka stiepes izturība zemākā temperatūrā un šļūdes pārrāvuma kritēriji augstākās temperatūrās. Vienmēr pārbaudiet atbilstību pašreizējam ASME BPVC izdevumam.

7. jautājums: vai 316L cieš no sensibilizācijas?

316L zemais oglekļa saturs (0,03% max) ievērojami samazina sensibilizācijas risku salīdzinājumā ar standarta 316 (0,08% max C). Tomēr ilgstoša iedarbība 425-815 grādu diapazonā joprojām var izraisīt nelielu hroma karbīda nogulsnēšanos pie graudu robežām. Stipri korozīvām vidēm paaugstinātā temperatūrā 316Ti (stabilizēts ar titānu) ir labāka izvēle.

Q8: Kāds ir 316L termiskās izplešanās koeficients?

Vidējais termiskās izplešanās koeficients 316L ir 16,0 µm/m- grādu pie 20-100 grādiem, palielinoties līdz aptuveni 18,5 µm/m-grādos pie 20-600 grādiem. Tas ir par aptuveni 50% augstāks nekā oglekļa tērauds, un tas ir jāpielāgo termiskajam ciklam, atšķirīgiem metāla savienojumiem un ierobežotām konstrukcijām.

Q9: Kas ir sigma fāzes trauslums 316L?

Sigmas fāze ir ciets, trausls intermetālisks savienojums (FeCr), kas ilgstošas ​​iedarbības laikā 600–900 grādu temperatūrā var izgulsnēties 316 litros. Tas samazina triecienizturību par 50% vai vairāk un samazina izturību pret koroziju. Šķīduma atkausēšana 1066-1121 grādos, kam seko ātra dzesēšana, izšķīdina sigmas fāzi un atjauno īpašības.

Q10: Kāda ir 316L tecēšanas robeža istabas temperatūrā?

Atkvēlināta 316L minimālā tecēšanas robeža (0,2% nobīde) istabas temperatūrā ir 170 MPa uz ASTM A240 ar tipiskām vērtībām 205–290 MPa. Minimālā stiepes izturība ir 485 MPa, ar tipiskām vērtībām 515-690 MPa. Minimālais pagarinājums ir 40%, parasti 50-60%.

11. jautājums: Vai 316L var izmantot termocikla lietojumiem?

Jā. 316L labi darbojas mērenā termiskā cikla apstākļos, jo tai ir stabila austenīta struktūra (bez fāzu pārvērtībām), augsta elastība (50-60% pagarinājums) un laba darba-cietēšanas spēja. Tomēr dizaineriem ir jāņem vērā augstāks termiskās izplešanās koeficients salīdzinājumā ar oglekļa tēraudu un jāizvairās no spriedzi koncentrējošām īpašībām.

Q12: Kāda termiskā apstrāde ir ieteicama 316L?

316L ir jāatkausē šķīdumā 1 010–1 120 grādu temperatūrā (parasti 1 066–1 121 grādi), kam seko ātra dzesēšana (biezākām sekcijām dzesēšana ar ūdeni, plānām sekcijām – gaisa dzesēšana). Tas izšķīdina karbīdus un sigmas fāzi, homogenizē struktūru, mazina atlikušos spriegumus un palielina izturību pret koroziju un mehāniskās īpašības.

Q13: Kā šļūde ietekmē 316L paaugstinātā temperatūrā?

Šļūde kļūst nozīmīga 316L virs aptuveni 540 grādiem. Pie 600 grādiem spriegums 1% šļūdei 10 000 stundu laikā ir aptuveni 80-100 MPa. Pie 700 grādiem tas samazinās līdz aptuveni 25-35 MPa. ASME pieļaujamie spriegumi jau ietver šļūdes pārrāvuma datus ar drošības rezervēm spiedtvertņu konstrukcijai.

14. jautājums. Kāda ir Šarpija V{1}}nogriezuma trieciena enerģija 316 l pie -196 grādiem?

316L parasti uzrāda Charpy V-nogriezuma trieciena enerģiju 60-100 J pie -196 grādiem (šķidrā slāpekļa temperatūra), salīdzinot ar 150-200+ J istabas temperatūrā. Šī stingrības saglabāšana ir galvenā priekšrocība salīdzinājumā ar ferīta un martensīta nerūsējošo tēraudu, kam šajā temperatūrā var būt gandrīz nulles trieciena enerģija.

Q15: Kādi standarti regulē 316L temperatūras veiktspēju?

Galvenie standarti ietver ASTM A240 (plākšņu, lokšņu, lentes materiālu specifikācija), ASME SA-240 un ASME BPVC VIII sadaļa (spiedientvertnes dizains), ASME B31.3 (procesa cauruļvadi) un EN 10088 (Eiropas standarts). ASME II sadaļas D daļā ir publicētas pieļaujamās sprieguma vērtības no -29 grādiem līdz 800 grādiem. Vienmēr skatiet spēkā esošo piemērojamo standartu izdevumu.

16. jautājums. Kā 316L ir salīdzinājumā ar Inconel 625 lietošanai augstā temperatūrā?

Inconel 625 (supersakausējums, kura pamatā ir niķelis{1}}) piedāvā daudz izcilu veiktspēju augstā-temperatūrā, izmantojamo izturību līdz 980+ un izcilu šļūdes pretestību. Tomēr Inconel 625 ir ievērojami dārgāks nekā 316L. Lietojumiem, kas pārsniedz 700 grādus vai kur nepieciešama īpaša izturība pret koroziju, Inconel 625 ir vēlamā izvēle. Temperatūrai līdz 540 grādiem 316 l ir rentabls risinājums.

Q17: Vai 316L var izmantot siltummaiņa caurulēm?

Jā. 316L parasti izmanto siltummaiņu caurulēm ķīmijas, naftas ķīmijas un jūras lietojumos līdz aptuveni 540 grādiem. Tā izturība pret koroziju, siltumvadītspēja un metināmība padara to piemērotu korpusa-un-cauruļu un plākšņu siltummaiņiem. Augstākām temperatūrām vai agresīvākiem materiāliem var būt nepieciešams Incoloy 800HT vai Inconel 625.