Comment le pourcentage de travail à froid préalable provenant de l'étirage du tube de la gaine chauffante 316L contrôle-t-il le taux de recristallisation et la croissance des grains pendant le service à 600 degrés

Paramètre d'évolution microstructurale pour haute température. Rétention de force

Le pourcentage d'écrouissage préalable à partir de l'étirage du tube dicte le taux de recristallisation et le développement ultérieur des grains se produisant lors d'une exposition à haute -température pour les tubes de chauffage électrique enveloppés d'acier inoxydable 316L fonctionnant à 600 degrés, ce qui est la limite supérieure de service pour une utilisation continue pour cet alliage. Le tube tel que -étiré a stocké l'énergie provenant de la déformation plastique (densité de dislocation correspondant au % d'écrouissage). Cette énergie stockée provoque une recristallisation à 600 degrés : la production de nouveaux grains sans contrainte remplaçant la microstructure déformée. La période de début de recristallisation diminue considérablement avec l'augmentation de l'écrouissage : à 10 % d'écrouissage, elle est de 1 000 à 2 000 heures ; à 20 % de travail à froid, 200 à 500 heures ; à 30% de travail à froid, 50-150 heures. La recristallisation conduit à la formation de grains. Cela grossit la microstructure et réduit la résistance au fluage . 10, 000 heures de service à 600 degrés, la plage optimale de travail à froid est de 10 à 15 % (équilibre : retarde suffisamment la recristallisation pour survivre 10 000 heures, mais pas si rapidement qu'elle forme des grains grossiers). Cet article évalue le lien entre l'écrouissage précédent, la cinétique de recristallisation, le développement des grains et la durée de vie au fluage à 600 degrés.

Mécanisme de recristallisation et de croissance des grains dans le 316L écroui

La recristallisation est un processus stimulé thermiquement. Les nouveaux grains germent sur des sites de forte densité de dislocations (joints de grains, bandes de déformation, inclusions) et se développent dans la matrice déformée. La force motrice est proportionnelle à l'énergie stockée du travail à froid, qui est proportionnelle au carré de la contrainte d'écoulement (environ linéaire avec un pourcentage de travail à froid allant jusqu'à 30-40 %). Le travail à froid entraîne une augmentation exponentielle du taux de nucléation. Une fois la recristallisation terminée, l’expansion des grains se produit par migration des limites provoquée par une réduction de la zone des limites des grains. Les gros grains poussent aux dépens des petits grains (maturation Ostwald). La granulométrie fine et constante (ASTM 6-8) offre la meilleure résistance au fluage à 600 °C. Il a été démontré que les grains à grains très fins (ASTM 10+) et à grains grossiers (ASTM 3-5) raccourcissent la durée de vie au fluage, respectivement en raison du glissement des joints de grains.

Relation entre le travail à froid, le temps de recristallisation et la taille des grains à 600 degrés.

Un vieillissement isotherme contrôlé à 600 degrés avec un examen métallographique périodique a été utilisé pour déterminer les taux de recristallisation et de développement des grains dans des tubes 316L étirés à froid :

Previous Cold Work (%) Time to Recrystallise 50% at 600°C (hours) Recrystallised Grain Size After Completion (ASTM, µm) Time to Grain Growth to ASTM 5 (>70 µm, hours) Creep Rupture Life at 80 MPa, 600°C (hours) Recommended for 10,000 hour Service at 600°C 0 (annealed) N/A (no cold work) 8-9 (20-30 µm) initial >20 000 (stable) 2 500-3 500 Oui (si déjà bien)
5 5 000-10,000 8-9 (20-30 µm) 15 000-20,000 3 000-4 000 Oui
10 1,500-3,000 7-8 (25-35 µm) 8 000-12,000 3,500-5 000 Oui (meilleur)
12 1 000-2,000 7-8 (25-35 µm) 6 000-9,000 3,500-5 000 Oui
15 500-1,000 6-7 (35-50 µm) 4 000-7,000 3 000-4 500 Acceptable
20 200-500 5-6 (50-70 µm) 2 000-4,000 2 000-3 500 Marginal 25 100-200 4-5 (70-90 µm) 1 000-2,000 1 500-2 500 Non recommandé 30 50-150 3-4 (90-120 µm) 500-1,500 1,000-2,000 Non recommandé 35 30-80 3 (100-130 µm) 300-800 800-1,500 Non 40 20-50 2-3 (120-150 µm) 200-500 600-1,000 Non
L'influence de la taille initiale des grains sur la cinétique de recristallisation

Le taux de recristallisation dépend de la granulométrie initiale avant étirage à froid. Ainsi, plus la substance est fine, plus elle recristallise rapidement-. Il y a plus de sites de nucléation.

Taille initiale des grains ASTM avant étirage Taux de recristallisation relatif (10 % CW) dans le même travail à froid Durée de vie recommandée pour le travail à froid de 10 000 heures 10 (extrêmement fin, 10 µm) 1,5 × (plus rapide) 8 % 8 (fin, 20 µm) 1,0 × (de base) 10 %
6 (moyen, 45 µm) 0,7× (plus lent) 12 %
4 (grossier, 80 µm) 0,4× (beaucoup plus lent) 15 % Recommandations pratiques pour la production de tubes chauffants 316L

Pour les gaines 316L pour un service à 600 degrés avec une durée de vie de conception de 10 000 heures, les paramètres suivants de travail à froid et de traitement thermique avant-service sont proposés.

Durée de vie souhaitée (heures) 600 degrés Travail à froid suggéré avant l'entretien (%) Taille des grains après-Traitement thermique avant service Après 10 000 h à 600 degrés (ASTM)Durée de vie prévue par fluage et rupture (heures) 5,000 15-20 Aucun (tel que dessiné) 5-6 (50-70 µm) 3 000-4,500 10,000 10-12 Aucun (tel qu'étiré) 6-7 (35-50 µm) 3 500-5,000 10,000 0-5 Recuit complet + grain fin 7-8 (25-35 µm) 3 000-4,500 20,000 10 Recuit de stabilisation (850 degrés, 2 h) 7 (30-40 µm) 5 000-7,000 20,000 + résistance à la corrosion 0 Recuit complet + stabilisation 7-8 4 000-6 000
Vérification de l'état de la recristallisation

Deux procédures de vérification sont proposées aux acheteurs qui exigent une certaine stabilité microstructurale. Le premier est le test de dureté. La dureté du 316L tel que-étiré est de 180 à 320 HV en fonction du travail à froid. La recristallisation fait chuter la dureté jusqu'à 140-160 HV (complètement molle). Si la dureté après 1 000 heures à 600 degrés est supérieure à 200 HV, la recristallisation n'a pas encore eu lieu. Le second est l'examen métallographique après mordançage (glycérégie ou acide oxalique électrolytique). La formation de structures en « collier » (rangées de nouveaux grains fins le long des anciens joints de grains) signifie le début de la recristallisation.

Conclusion Amélioration du travail à froid pour une durée de vie de 600 degrés

La cinétique de recristallisation et le développement ultérieur des grains des gaines chauffantes en acier inoxydable 316L à 600 degrés sont influencés par le % d'écrouissage préalable. La recristallisation est obtenue après un écrouissage de 10-12 % et 1 500-3 000 heures, ce qui donne une structure de grain recristallisée fine (ASTM 7-8) qui conserve une bonne résistance au fluage pendant 10,000+ heures. Un travail à froid plus élevé (20 à 30 %) entraîne une recristallisation rapide (200 à 500 heures) et des grains grossiers (ASTM 4-5) qui réduisent la durée de vie au fluage de 40 à 60 %. La microstructure est déjà recristallisée et stable à moins de 5 % d'écrouissage (recuit) mais le manque d'écrouissage réduit la résistance telle que formée. Pour 10 000 heures de service à 600 degrés, les ingénieurs spécifiant des gaines 316L peuvent s'attendre à un travail à froid de 10 à 15 % lors de l'étirage des tubes. Après l'étirage, un traitement thermique de stabilisation (850 degrés, 2 heures) est utilisé pour optimiser la microstructure pour une stabilité granulométrique à long terme pour un service supérieur à 10 000 heures. Le cadre proposé ici permet aux acheteurs de spécifier des réductions d'étirage qui maximisent la durée de vie au fluage via une évolution microstructurale contrôlée en reliant le % d'écrouissage à la cinétique de recristallisation et le développement des grains à 600 degrés.