粒径 (ASTM 6 対 8.5) とデルタフェライト割合 (3% 対 8%) の特定の組み合わせにより、10,000 時間後に 50 MPa フープ応力下で 700 度での 3​​47 ヒーター シースが粒内クリープ亀裂から粒界クリープ亀裂に転移します。

クリープ破壊モード選択のための微細構造遷移係数

石油化学炉管や高温プロセスヒーターなど、50 MPa のフープ応力下で 700 度で 10,000 時間動作する Nb- 安定化 347 ステンレス鋼シース電熱管の場合、クリープ亀裂の支配的なモード（粒内対粒界）は、旧オーステナイト粒度（ASTM G 番号、小さい番号）の組み合わせによって制御されます。=粗粒）とデルタフェライト体積分率。低デルタフェライト (3%) 微粒材料 (ASTM 8.5、粒径 ~18 μm) によって、粒内クリープ亀裂 (結晶粒内)、より長い破断寿命 (12,000-15,000 時間)、およびより優れた延性が示されます。デルタフェライト (8%) が多く含まれる粗粒材料 (ASTM 6、粒径 ≈ 45 µm) は、粒界クリープ亀裂 (粒界に沿った) を示し、破断寿命 (6,000 ～ 9,000 時間) が短くなり、延性が低下します。この変化は、粒径とフェライト含有量の重要な組み合わせで発生します。この研究では、50 MPa のフープ応力下、700 度で 10,000 時間後のクリープ破壊モードを制御する正確な微細構造パラメータを推定しています。

クリープ亀裂モード選択の仕組み

347 のクリープ亀裂は、粒界の滑りと空洞の核生成によって引き起こされます。微細な粒子 (単位体積あたりの境界が多い) により、滑りがより均一に分散され、個々の境界での応力集中が軽減されます。ストリンガーまたはネットワークの形のデルタフェライトは、有利な亀裂ルートを提供します。粒度が低い場合 (< 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 またはそれより粗い）、粒界の滑りは一部のゾーンに局在し、境界に沿ったデルタ フェライト ストリンガーの存在により粒界空洞の発達速度が増加します。

結晶粒径、デルタフェライト、クリープモード間の相関関係の定量化

347 チューブ (0.45% Nb、0.08% C、0.50% Si) の制御された熱処理での亀裂モードと破断寿命。さまざまな粒径と溶体化焼きなまし温度によるデルタ フェライト調整が提供されます。 700度、50MPaで10,000時間のクリープ試験。

ASTM 粒径 (G) 粒径 (µm) デルタフェライト体積分率 (%) フェライト形態 優勢クリープ亀裂モード 700 度、50 MPa でのクリープ破断寿命 (時間) 破断伸び (%) 10000 時間後 10.000 時間の使用を推奨 700 度での使用
8.5 18 2-3 球状孤立粒状 13,000-16、000 20-25 はい (最適)
8.0 22 3-4 球状 + 短いストリンガー 粒内 (主に) 12,000-15、000 18-22 あり 7.5 27 4-5 混合 混合 (トランス + インター) 10,000-13、000 15-20 許容可能
7.0 32 5-6 ストリンガー混合（粒界支配） 9,000-11、000 12-16 限界 6.5 38 6-7 相互接続ストリンガー 粒間 7,500-9、500 8-12 推奨されません
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 多量のフェライト粒界 (早期) 4,000-6、000 3-6 いいえ
10,000 時間のサービス固有の移行制限

以下の表は、10,000 時間後の亀裂モードの粒内から粒間への遷移の正確な順列を示しています。

粒径 (ASTM) モード遷移の臨界デルタフェライト (%、10,000 時間) 臨界フェライト以上の故障モード 粒径に推奨される最大フェライト
9 (微細、15 μm) 8-9% 8% を超える粒界 7% 8.5 (18 μm) 6-7% 6-7% を超える粒界 5%
8 (22 μm) 5-6% 粒界 > 5% 4% 7.5 (27 μm) 4-5% 粒界 > 4% 3%
7 (32 µm) 3-4% 3% を超える粒界 2.5% 6.5 (38 µm) 2.5-3% 2.5% を超える粒界 2%
2% 6 (45 µm) 1.5% Intergranular >2%
粒内 (延性) 破壊モードでの 700 度使用に関する実際的な推奨事項

700 度、50 MPa フープ応力で 10,000 時間後に粒内クリープ亀裂 (延性が高く、寿命が長い) が発生した 347 ケース入りヒーターの場合、次の微細構造要件が関連します。

望ましいクリープ破壊モード 目標 ASTM 粒径 目標デルタ フェライト (%) 必要な熱処理 破断寿命 (予想時間)
粒内 (最高の延性) 8.5-9<3 Solution anneal 1,040°C + high Ni (10.5%) 15,000-18,000
粒内 (許容可能) 8-8.5 3-4 溶体化処理 1,050 度、従来の化学処理 12,000～15,000
混合 (さまざまな用途に適しています) 7.5-8 4-5 溶体化焼鈍 1,060 度 10,000-13,000
粒界（回避）<7 >5 High temperature anneal (>1,080度）<9,000
-サービスクリープモード後の検証

亀裂のモードは、700 度で動作させたヒーターからエッチングされた縦断面の金属組織学的検査によって示されます。粒内破壊は粒子を貫通します (分岐せずに直線的、鋭角であることが多い)。粒界亀裂（ギザギザ、枝分かれ）が粒界に沿って広がります。同じサンプルで以前の結晶粒径とデルタフェライト含有量を測定できます。

結論: 延性クリープ破壊に対する粒径とフェライトの最適化

たとえば、347 ステンレス鋼ヒーター シースの 50 MPa フープ応力下、700 度での 10,000 時間後のクリープ亀裂は、旧オーステナイト粒径とデルタ フェライト体積分率の特定の組み合わせに達すると、粒内 (延性、長寿命) から粒間 (脆性、短寿命) に変化します。細粒材料（ASTM 8.5、18 µm）は、粒界で粉砕し始める前に最大 6{22}}7% のデルタフェライトを吸収する可能性があります。粗粒材料 (ASTM 6、45 μm) の場合、粒界亀裂を避けるためにデルタフェライトは 2% 未満である必要があります。 700 度で 10,000 時間使用する場合、粒内亀裂、より高い延性、より長いクリープ寿命を確保するには、347 シースを微細な粒径 (ASTM 8 ～ 9) と低デルタ フェライト (2 ～ 4%) で指定する必要があります。ここで紹介するフレームワークは、粒径とデルタフェライトの割合を粒内クリープ亀裂モードと粒界クリープ亀裂モードの間の遷移に関連付けており、購入者が熱処理と化学的性質を指定して、長期高温使用におけるクリープ破断寿命と延性を最大化できるようにします。