Sous quelle combinaison spécifique de granulométrie (ASTM 6 vs 8,5) et de pourcentage de ferrite delta (3 % vs 8 %) la gaine chauffante 347 passe-t-elle de la fissuration par fluage transgranulaire à la fissuration par fluage intergranulaire à 700 degrés sous une contrainte de cerceau de 50 MPa après 10 000 heures

Facteur de transition microstructurale pour la sélection du mode de défaillance par fluage

Pour les tubes de chauffage électriques gainés d'acier inoxydable 347 stabilisés au Nb fonctionnant à 700 degrés sous une contrainte circulaire de 50 MPa pendant 10 000 heures, comme dans les tubes de fours pétrochimiques ou les réchauffeurs de processus à haute température -, le mode dominant de fissuration par fluage (transgranulaire ou intergranulaire) est contrôlé par la combinaison de la taille des grains d'austénite préalable (numéro ASTM G, nombre plus petit=plus grossier grains) et la fraction volumique de ferrite delta. Une fissuration par fluage transgranulaire (à travers les grains), une durée de vie à la rupture plus longue (12 000-15 000 heures) et une plus grande ductilité sont présentées par un matériau à grains fins à faible teneur en ferrite delta (3 %) (ASTM 8.5, diamètre des grains ~ 18 µm). Les matériaux à gros grains (ASTM 6, granulométrie ≈ 45 µm) avec une ferrite delta significative (8 %) présentent des fissures de fluage intergranulaires (le long des joints de grains) avec une durée de vie à la rupture plus courte (6 000 à 9 000 heures) et une ductilité réduite. Le changement se produit à une combinaison critique de taille de grain et de teneur en ferrite. L'étude estime les paramètres microstructuraux précis qui contrôlent le mode de rupture par fluage après 10 000 heures à 700 degrés sous une contrainte circulaire de 50 MPa.

Mécanisme de sélection du mode de fissuration par fluage

La fissuration par fluage dans 347 est provoquée par le glissement des joints de grains et la nucléation des cavités. Les grains fins (plus de limites par unité de volume) répartissent le glissement plus uniformément et réduisent les concentrations de contraintes aux limites individuelles. La ferrite delta sous forme de longerons ou de réseaux donne des cheminements de fissures favorables. Aux faibles granulométries (< 25µm, ASTM 8 or finer), the dense population of grain borders prohibits individual boundaries from generating enough strain for intergranular fracture; damage builds inside grains (transgranular). At coarse grain sizes (>35 µm, ASTM 6 ou plus grossier), le glissement des joints de grains est localisé dans certaines zones et la présence de filonnets de ferrite delta le long des bordures augmente le taux de développement des cavités intergranulaires.

Quantification de la corrélation entre la taille des grains, la ferrite delta et le mode de fluage

Modes de fissuration et durées de rupture pour le traitement thermique contrôlé des tubes 347 (0,45 % Nb, 0,08 % C, 0,50 % Si) pour fournir différentes tailles de grains et ajustements de ferrite delta en fonction de la température de recuit de solution. Test de fluage à 700 degrés, 50 MPa pendant 10 000 heures.

Taille des grains ASTM (G) Diamètre des grains (µm) Fraction volumique de ferrite Delta (%) Morphologie de ferrite Mode de fissuration par fluage dominant Durée de vie à la rupture par fluage à 700 degrés, 50 MPa (heures) Allongement à la rupture (%) après 10 000 h Recommandé pour 10 000 h de service à 700 degrés
8.5 18 2-3 Globulaire isoléTransgranulaire 13 000-16,000 20-25 Oui (optimal)
8.0 22 3-4 Globulaire + cordes courtes Transgranulaire (principalement) 12 000-15,000 18-22 Oui 7.5 27 4-5 Mixte Mixte (trans + inter) 10 000-13,000 15-20 Acceptable
7.0 32 5-6 StringersMixed (intergranulaire dominant) 9 000-11,000 12-16 Marginal 6.5 38 6-7 Stringers interconnectés Intergranulaire 7 500-9,500 8-12 Non recommandé
6.0 45 7-8 Near-continuous network Intergranular (severe) 6,000-8,000 5-10No 5.5 52 8-9 Continuous network Intergranular 5,000-7,000 4-8 No 5.0 60 >9 Ferrite étendue Intergranulaire (prématuré) 4 000-6,000 3-6 Non
Limites de transition spécifiques au service de 10 000 heures

Le tableau ci-dessous montre les permutations exactes de la transition transgranulaire à intergranulaire du mode de fissuration après 10 000 h.

Taille des grains (ASTM) Delta ferrite critique pour la transition de mode (%, 10 000 heures) Mode de défaillance égal ou supérieur à la ferrite critique Ferrite maximale recommandée pour la taille des grains
9 (fin, 15 µm) 8-9 % Intergranulaire au-dessus de 8 % 7 % 8,5 (18 µm) 6-7 % Intergranulaire au-dessus de 6-7 % 5 %
8 (22 µm) 5-6 % Intergranulaire > 5 % 4 % 7,5 (27 µm) 4-5 % Intergranulaire > 4 % 3 %
7 (32 µm) 3-4 % Intergranulaire sur 3 % 2,5 % 6,5 (38 µm) 2,5-3 % Intergranulaire sur 2,5 % 2 %
2% 6 (45 µm) 1.5% Intergranular >2%
Recommandations pratiques pour un service à 700 degrés avec mode de défaillance transgranulaire (ductile)

Pour 347 éléments chauffants enrobés présentant une fissuration par fluage transgranulaire (plus de ductilité, durée de vie plus longue) après 10 000 heures à 700 degrés, contrainte circonférentielle de 50 MPa, les exigences microstructurales suivantes sont pertinentes.

Mode de rupture par fluage souhaité Taille de grain ASTM cible Ferrite Delta cible (%) Durée de vie de rupture du traitement thermique requise (heures prévues)
Transgranulaire (meilleure ductilité) 8,5-9<3 Solution anneal 1,040°C + high Ni (10.5%) 15,000-18,000
Transgranulaire (acceptable) 8-8.5 3-4 Recuit en solution 1 050 degrés, chimie conventionnelle 12 000-15 000
Mixte (bon pour diverses applications) 7.5-8 4-5 Recuit en solution 1 060 degrés 10 000-13 000
Intergranulaire (à éviter)<7 >5 High temperature anneal (>1 080 degrés)<9,000
Post-vérification du mode Creep du service

Le mode de fissuration est indiqué par l'inspection métallographique d'une section longitudinale gravée provenant d'un appareil de chauffage fonctionnant à 700 degrés. Les fractures transgranulaires pénètrent à travers les grains (droites, aiguës, souvent sans ramification). Les fissures intergranulaires (dentelées, ramifiées) se propagent le long des joints de grains. Nous pouvons mesurer la taille des grains précédents et la teneur en ferrite delta sur le même échantillon.

Conclusion : Optimisation de la taille des grains et de la ferrite pour la fracture par fluage ductile

Par exemple, la fissuration par fluage des gaines chauffantes en acier inoxydable 347 à 700 degrés sous une contrainte circulaire de 50 MPa après 10 000 heures passe de transgranulaire (ductile, durée de vie plus longue) à intergranulaire (fragile, durée de vie plus courte) lorsqu'une certaine combinaison de granulométrie d'austénite antérieure et de fraction volumique de ferrite delta est atteinte. Le matériau à grains fins-(ASTM 8,5, 18 µm) peut contenir jusqu'à 6-7 % de ferrite delta avant de commencer à se briser de manière intergranulaire. Pour les matériaux à gros grains (ASTM 6, 45 µm), une teneur en ferrite delta inférieure à 2 % est nécessaire pour éviter les fissures intergranulaires. Pour garantir une fissuration transgranulaire, une plus grande ductilité et une durée de vie plus longue au fluage, pour un service de 10 000 heures à 700 degrés, 347 gaines doivent être spécifiées avec une granulométrie fine (ASTM 8-9) et une ferrite à faible delta (2-4 %). Le cadre présenté ici relie la taille des grains et le pourcentage de ferrite delta à la transition entre les modes de fissuration par fluage transgranulaire et intergranulaire, permettant aux acheteurs de spécifier le traitement thermique et la chimie pour maximiser la durée de vie de rupture par fluage et la ductilité pour un service à haute température à long terme.