Factors limitats temps de funcionament
Les aplicacions típiques que requereixen que els materials dúplex estiguin exposats a condicions d'alta temperatura són els recipients a pressió, les pales/impulsors del ventilador o els depuradors de gasos d'escapament.Els requisits per a les propietats del material poden variar des de l'alta resistència mecànica fins a la resistència a la corrosió. La composició química dels graus que es discuteixen en aquest article es detallen a la taula 1.
Descomposició espinodal
La descomposició espinodal (també anomenada desmescla o, històricament, fragilitat a 475 °C) és un tipus de separació de fases en la fase ferrítica, que es produeix a temperatures d'uns 475 °C.L'efecte més pronunciat és un canvi en la microestructura, provocant la formació de la fase α´, que provoca la fragilitat del material.Això, al seu torn, limita el rendiment del producte final.
La figura 1 mostra el diagrama de transició temporal de temperatura (TTT) per als materials dúplex estudiats, amb la descomposició espinodal representada a la regió de 475 °C.Cal tenir en compte que aquest diagrama TTT representa una disminució de la tenacitat en un 50% mesurada per proves de tenacitat a l'impacte en mostres Charpy-V, que normalment s'accepta com a indicador de fragilitat.En algunes aplicacions pot ser acceptable una major disminució de la tenacitat, que canvia la forma del diagrama TTT.Per tant, la decisió d'establir un OT màxim determinat depèn del que es considera un nivell acceptable de fragilitat, és a dir, la reducció de la duresa del producte final.Cal esmentar que històricament els gràfics TTT també es van produir utilitzant un llindar establert, com ara 27J.
Qualitats d'aliatge superiors
La figura 1 mostra que l'augment dels elements d'aliatge del grau LDX 2101 cap al grau SDX 2507 condueix a una velocitat de descomposició més ràpida, mentre que el dúplex magre mostra un inici de descomposició retardat.L'impacte dels elements d'aliatge com el crom (Cr) i el níquel (Ni) en la descomposició i la fragilitat espinodal ha estat demostrat per investigacions anteriors.5–8 Aquest efecte s'il·lustra més a la figura 2. Mostra que la descomposició espinodal augmenta quan la temperatura s'incrementa de 300 a 350 °C i és més ràpid per al grau d'aliatge superior SDX 2507 que per al DX 2205 menys aliat.
Aquesta comprensió pot ser crucial per ajudar els clients a decidir el màxim OT adequat per al grau i l'aplicació seleccionats.
Determinació de la temperatura màxima
Com s'ha esmentat anteriorment, l'OT màxim per a material dúplex es pot establir segons la caiguda acceptable de la resistència a l'impacte.Normalment, s'adopta l'OT corresponent a un valor de reducció de la duresa del 50%.
OT depèn de la temperatura i el temps
El pendent de les cues de les corbes del diagrama TTT de la figura 1 demostra que la descomposició espinodal no es produeix només a una temperatura llindar i s'atura per sota d'aquest nivell.Més aviat, és un procés constant quan els materials dúplex estan exposats a temperatures de funcionament inferiors als 475 °C.Tanmateix, també està clar que, a causa de les taxes de difusió més baixes, les temperatures més baixes signifiquen que la descomposició començarà més tard i procedirà molt més lentament.Per tant, l'ús de material dúplex a temperatures més baixes pot no causar problemes durant anys o fins i tot dècades.No obstant això, actualment hi ha una tendència a establir un màxim d'OT sense tenir en compte el temps d'exposició.Per tant, la pregunta clau és quina combinació temperatura-temps s'ha d'utilitzar per decidir si és segur utilitzar un material o no?Herzman et al.10 resumeixen bé aquest dilema: "...L'ús es limitarà llavors a temperatures on la cinètica de desmescla sigui tan baixa que no es produirà durant la vida tècnica dissenyada del producte...".
L'impacte de la soldadura
La majoria d'aplicacions utilitzen soldadura per unir components.És ben sabut que la microestructura de la soldadura i la seva química varien del material base 3 .Depenent del material de farciment, la tècnica de soldadura i els paràmetres de soldadura, la microestructura de les soldadures és majoritàriament diferent del material a granel.La microestructura normalment és més gruixuda, i això també inclou la zona afectada per la calor a alta temperatura (HTHAZ), que afecta la descomposició espinodal de les soldadures.La variació de la microestructura entre el volum i les soldadures és un tema que es revisa aquí.
Resum dels factors limitants
Els apartats anteriors porten a les conclusions següents:
- Tots els materials dúplex estan subjectes
a la descomposició espinodal a temperatures al voltant dels 475 °C. - Depenent del contingut d'aliatge, s'espera una velocitat de descomposició més ràpida o més lenta.Un contingut més alt de Cr i Ni promou una desmescla més ràpida.
- Per configurar la temperatura màxima de funcionament:
– S'ha de considerar una combinació del temps de funcionament i la temperatura.
– S'ha d'establir un nivell acceptable de disminució de la tenacitat, és a dir, un nivell desitjat de tenacitat final - Quan s'introdueixen components microestructurals addicionals, com ara soldadures, l'OT màxim es determina per la part més feble.
Estàndards globals
Per a aquest projecte es van revisar diversos estàndards europeus i americans.Es van centrar en aplicacions en recipients a pressió i components de canonades.En general, la discrepància pel que fa a l'OT màxim recomanat entre els estàndards revisats es pot dividir en un punt de vista europeu i americà.
Les normes europees d'especificació de materials per als acers inoxidables (per exemple EN 10028-7, EN 10217-7) impliquen una OT màxima de 250 °C pel fet que les propietats del material només es proporcionen fins a aquesta temperatura.A més, les normes de disseny europees per a recipients a pressió i canonades (EN 13445 i EN 13480, respectivament) no donen més informació sobre el màxim OT a partir del que es dóna en les seves normes de materials.
En canvi, l'especificació del material nord-americà (per exemple, ASME SA-240 d'ASME secció II-A) no presenta cap dada de temperatura elevada.En canvi, aquestes dades es proporcionen a la secció II-D d'ASME, "Propietats", que admet els codis generals de construcció per a recipients a pressió, secció ASME VIII-1 i VIII-2 (aquest últim ofereix una ruta de disseny més avançada).A ASME II-D, l'OT màxim s'indica explícitament com a 316 °C per a la majoria d'aliatges dúplex.
Per a aplicacions de canonades de pressió, tant les regles de disseny com les propietats del material es donen a ASME B31.3.En aquest codi, es proporcionen dades mecàniques per a aliatges dúplex de fins a 316 °C sense una declaració clara de OT màxim.No obstant això, podeu interpretar la informació per complir amb el que està escrit a ASME II-D i, per tant, l'OT màxim per als estàndards americans és en la majoria dels casos de 316 °C.
A més de la informació màxima d'OT, tant els estàndards nord-americans com europeus impliquen que hi ha un risc de patir fragilitat a temperatures elevades (>250 °C) amb temps d'exposició més llargs, que llavors s'han de tenir en compte tant en la fase de disseny com de servei.
Per a les soldadures, la majoria dels estàndards no fan declaracions fermes sobre l'impacte de la descomposició espinodal.No obstant això, algunes normes (per exemple ASME VIII-1, Taula UHA 32-4) indiquen la possibilitat de realitzar tractaments tèrmics posteriors a la soldadura específics.No són obligatoris ni prohibits, però a l'hora de realitzar-los s'han de dur a terme segons paràmetres preestablerts a la norma.
El que diu la indústria
La informació produïda per diversos altres fabricants d'acer inoxidable dúplex es va revisar per veure què comuniquen sobre els intervals de temperatura dels seus graus.2205 està limitat a 315 °C per ATI, però Acerinox estableix l'OT per al mateix grau a només 250 °C.Aquests són els límits superior i inferior d'OT per al grau 2205, mentre que, entre ells, altres OT es comuniquen per Aperam (300 °C), Sandvik (280 °C) i ArcelorMittal (280 °C).Això demostra la generalització dels màxims OT suggerits només per a un grau que tindran propietats molt comparables de fabricant a fabricant.
El raonament de fons sobre per què un fabricant ha establert un cert OT no sempre es revela.En la majoria dels casos, es basa en un estàndard en particular.Diferents estàndards comuniquen diferents OT, d'aquí la difusió dels valors.La conclusió lògica és que les empreses nord-americanes estableixen un valor més alt a causa de les declaracions de l'estàndard ASME, mentre que les empreses europees estableixen un valor més baix a causa de la norma EN.
Què necessiten els clients?
En funció de l'aplicació final, s'esperen diferents càrregues i exposicions dels materials.En aquest projecte, la fragilitat a causa de la descomposició espinodal va ser de més interès, ja que és molt aplicable als recipients a pressió.
Tanmateix, hi ha diverses aplicacions que només exposen els graus dúplex a càrregues mecàniques mitjanes, com ara els fregadors11–15.Una altra petició estava relacionada amb les pales del ventilador i els impulsors, que estan exposats a càrregues de fatiga.La literatura mostra que la descomposició espinodal es comporta de manera diferent quan s'aplica una càrrega de fatiga15.En aquesta etapa, queda clar que l'OT màxim d'aquestes aplicacions no es pot establir de la mateixa manera que per als recipients a pressió.
Una altra classe de sol·licituds és només per a aplicacions relacionades amb la corrosió, com ara els depuradors de gasos d'escapament marins.En aquests casos, la resistència a la corrosió és més important que la limitació OT sota una càrrega mecànica.No obstant això, ambdós factors incideixen en el funcionament del producte final, que s'ha de tenir en compte a l'hora d'indicar l'OT màxim.De nou, aquest cas difereix dels dos casos anteriors.
En general, quan s'informa a un client de l'OT màxim adequat per al seu grau dúplex, el tipus d'aplicació és de vital importància a l'hora de fixar el valor.Això demostra encara més la complexitat d'establir un únic OT per a un grau, ja que l'entorn en què es desplega el material té un impacte significatiu en el procés de fragilització.
Quina és la temperatura màxima de funcionament del dúplex?
Com s'ha esmentat, la temperatura màxima de funcionament es determina per la molt baixa cinètica de la descomposició espinodal.Però, com mesurem aquesta temperatura i què és exactament la "cinètica baixa"?La resposta a la primera pregunta és fàcil.Ja hem dit que les mesures de duresa es realitzen habitualment per estimar la velocitat i el progrés de la descomposició.Això s'estableix en els estàndards seguits per la majoria de fabricants.
La segona pregunta, sobre què s'entén per cinètica baixa i el valor al qual establim un límit de temperatura és més complexa.Això és en part perquè les condicions límit de la temperatura màxima es compilen tant a partir de la temperatura màxima (T) com del temps de funcionament (t) durant el qual es manté aquesta temperatura.Per validar aquesta combinació de Tt, es poden utilitzar diverses interpretacions de la duresa "més baixa":
• El límit inferior, que s'estableix històricament i que es pot aplicar a les soldadures és de 27 Joules (J)
• Dins dels estàndards majoritàriament s'estableix com a límit 40J.
• La reducció del 50% de la duresa inicial també s'aplica amb freqüència per establir el límit inferior.
Això vol dir que una declaració sobre OT màxim s'ha de basar en almenys tres supòsits acordats:
• Exposició temperatura-temps del producte final
• El valor mínim acceptable de tenacitat
• Camp d'aplicació final (només química, càrrega mecànica sí/no, etc.)
Coneixement experimental fusionat
Després d'una extensa enquesta de dades i estàndards experimentals, ha estat possible recopilar recomanacions per als quatre graus dúplex que s'estan revisant, vegeu la taula 3. Cal reconèixer que la majoria de les dades es creen a partir d'experiments de laboratori realitzats amb passos de temperatura de 25 °C. .
També cal tenir en compte que aquestes recomanacions fan referència a almenys el 50% de la tenacitat que queda a RT.Quan a la taula s'indica "període de temps més llarg" no s'ha documentat cap disminució significativa de la RT.A més, la soldadura només s'ha provat a -40 °C.Finalment, cal tenir en compte que es preveu un temps d'exposició més llarg per al DX 2304, tenint en compte la seva alta duresa després de 3.000 hores de proves.No obstant això, fins a quin punt es pot augmentar l'exposició s'ha de verificar amb més proves.
Hi ha tres punts importants a tenir en compte:
• Les troballes actuals indiquen que si hi ha soldadures, l'OT es redueix uns 25 °C.
• Els pics a curt termini (desenes d'hores a T=375 °C) són acceptables per al DX 2205. Com que DX 2304 i LDX 2101 són graus d'aliatge inferior, també haurien de ser acceptables pics de temperatura comparables a curt termini.
• Quan el material es fragilitza a causa de la descomposició, el tractament tèrmic de mitigació a 550 – 600 °C per a DX 2205 i 500 °C per a SDX 2507 durant 1 hora ajuda a recuperar la tenacitat en un 70%.
Hora de publicació: 04-feb-2023