Incoloy 800 so với 800H so với 800HT: Sự khác biệt về hàm lượng carbon, kích thước hạt và độ bền của dây leo

Giới thiệu

Incoloy 800, 800H và 800HTthuộc cùng một họ hợp kim niken-sắt-crom, được phát triển bởi Special Metals Corporation bắt đầu từ những năm 1950 để mang lại khả năng chịu nhiệt và ăn mòn mà không cần dựa vào hàm lượng niken lớn khiến hợp kim INCONEL 600 trở thành vật liệu khan hiếm chiến lược vào thời điểm đó. Cả ba đều có chung dãy niken, crom và sắt danh nghĩa. Điều tách biệt chúng - và điều mà một kỹ sư xác định hoặc người quản lý mua sắm thực sự cần hiểu - là một tập hợp nhỏ các biện pháp kiểm soát thành phần và luyện kim: hàm lượng carbon, hàm lượng nhôm-cộng với-titan và kích thước hạt đạt được trong quá trình ủ cuối cùng. Cùng với nhau, các biện pháp kiểm soát này xác định mức độ rão và ứng suất{11}}độ bền đứt mà vật liệu có thể mang lại trong nhiều năm sử dụng{12}ở nhiệt độ cao liên tục.

Bài viết này so sánh trực tiếp cả ba loại, sử dụng thành phần hóa học giới hạn và dữ liệu về độ bền-vỡ lâu dài{1}} do Special Metals Corporation công bố trong bản tin kỹ thuật về hợp kim INCOLOY 800 (SMC-046) và hợp kim INCOLOY 800H & 800HT (SMC-047), để người mua có thể so sánh loại chính xác với nhiệt độ sử dụng và tuổi thọ thiết kế chính xác.

Sự khác biệt cơ bản giữa Hợp kim 800, 800H và 800HT là gì?

Cả ba hợp kim đều có chung 30–35% niken / 19–23% crom / 39,5% phút. đế sắt, nhưng 800H và 800HT là phiên bản nâng cấp về mặt luyện kim của 800 - được sản xuất để có cacbon và nhôm chặt hơn-cộng với-giới hạn titan và được ủ-dung dịch ở nhiệt độ cao giúp phát triển cấu trúc hạt thô hơn, đặc biệt là để tăng độ rão và ứng suất-cộng với{10}}độ bền nhiệt độ cao-cao trong thời gian dài.

Tài liệu kỹ thuật riêng của Kim loại Đặc biệt nêu rõ ràng về điểm này: các thành phần cơ bản trong cả ba hợp kim đều giống nhau và các tính chất vật lý và nhiệt của hợp kim (mật độ, độ giãn nở nhiệt, điện trở suất, mô đun đàn hồi) về cơ bản là giống nhau vì phạm vi thành phần tổng thể của chúng trùng nhau. Sự khác biệt quan trọng là về mặt luyện kim chứ không phải về mặt hóa học theo nghĩa rộng - chúng liên quan đến mức độ kiểm soát chặt chẽ của ba thông số cụ thể: hàm lượng carbon, hàm lượng nhôm-cộng với-titan và kích thước hạt cuối cùng.

Do đó, hợp kim 800 thường là lựa chọn-độ bền cao hơn khi chịu tải-ngắn hạn ở nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ vừa phải, trong khi 800H và 800HT là lựa chọn chính xác bất cứ khi nào một bộ phận phải chống lại sự biến dạng phụ thuộc vào thời gian-(leo) trong nhiều năm tiếp xúc liên tục trên khoảng 1.000 độ F (540 độ ).

Hàm lượng carbon khác nhau như thế nào giữa ba loại và tại sao nó lại quan trọng?

Hợp kim 800 cho phép lượng carbon lên tới 0,10% mà không có mức tối thiểu cụ thể; hợp kim 800H cần 0,05–0,10% carbon; và hợp kim 800HT thắt chặt phạm vi đó hơn nữa đến 0,06–0,10% cacbon -, tầng cao hơn, hẹp dần và là đòn bẩy lớn nhất cho độ bền đứt-từ biến trong dòng hợp kim này.

Bản tin của Special Metals lưu ý rằng từ lâu người ta đã công nhận rằng hợp kim carbon 800-cao hơn có đặc tính rão và đứt cao hơn vật liệu carbon-thấp có cùng thành phần danh nghĩa, đó là lý do tại sao công ty bắt đầu nấu chảy đến phạm vi 0,05–0,10% - phần trên của mức tối đa 0,10% được phép đối với hợp kim tiêu chuẩn 800 - trước khi phạm vi đó được chính thức hóa thành cấp riêng của nó. Carbon trong họ hợp kim này kết tủa dưới dạng cacbua crom ở ranh giới hạt khi tiếp xúc với-nhiệt độ cao; được kiểm soát ở cấp độ và kích thước hạt phù hợp, các cacbua này cố định các ranh giới hạt và chống lại sự trượt biên dẫn đến biến dạng leo.

Nguồn: Tập đoàn Kim loại Đặc biệt, Bản tin kỹ thuật hợp kim INCOLOY 800H & 800HT, Số xuất bản SMC-047 (Bảng 1).

Một sắc thái quan trọng đối với người mua: vì trần cacbon của hợp kim 800 (tối đa 0,10%) trùng lặp hoàn toàn với phạm vi 800H và 800HT, nên sức nóng của lon hợp kim trơn 800, chỉ bằng hóa học, đã rơi vào bên trong cửa sổ cacbon 800H. Chỉ riêng hàm lượng carbon không tạo ra nhiệt đủ tiêu chuẩn 800H-, tuy nhiên, - yêu cầu về kích thước hạt được thảo luận dưới đây cũng phải được đáp ứng và xác minh.

Tại sao kích thước hạt lại quan trọng đối với độ bền của dây leo?

Hợp kim 800 không có yêu cầu về kích thước hạt cụ thể, trong khi cả 800H và 800HT đều yêu cầu kích thước hạt trung bình theo tiêu chuẩn ASTM là No. 5 hoặc thô hơn, đạt được bằng cách ủ dung dịch ở 2.100–2.200 độ F (1.150–1.200 độ ) - cấu trúc hạt thô hơn giúp tăng đáng kể khả năng chống rão và đứt gãy do ứng suất ở nhiệt độ cao, với một số chi phí phải trả sau{13}}tiếp xúc sự dẻo dai.

Kích thước hạt và khả năng chống rão được liên kết trực tiếp trong hệ thống hợp kim này vì biến dạng rão ở nhiệt độ cao được điều khiển chủ yếu bằng cách trượt dọc theo ranh giới hạt. Cấu trúc hạt thô hơn có diện tích ranh giới-hạt trên một đơn vị thể tích ít hơn tương ứng, điều này làm giảm các đường có sẵn để trượt ranh giới đó và kết hợp với việc ghim cacbua sẽ làm tăng ứng suất mà một bộ phận có thể chịu trước khi nó biến dạng đến mức không thể chấp nhận được hoặc bị đứt trong một tuổi thọ thiết kế nhất định.

Bản tin của Special Metals nêu cụ thể về cách đạt được điều này trong sản xuất: hợp kim 800H và 800HT được ủ dung dịch ở bước sản xuất cuối cùng ở 2.100–2.200 độ F (1.150–1.200 độ), với thời gian ở nhiệt độ được điều chỉnh theo kích thước phần và đặc tính lò để đạt được kích thước hạt trung bình tối thiểu theo tiêu chuẩn ASTM No{10}}

Bản tin cũng đánh dấu quan điểm lợi nhuận giảm dần và sự đánh đổi-liên quan một cách trực tiếp: nhiệt độ và thời gian phải được kiểm soát để hạn chế sự phát triển của hạt quá mức, vì độ bền rão tăng thêm rất ít khi vượt quá độ thô nhất định, trong khi hạt rất thô làm giảm độ dẻo dai sau khi tiếp xúc với-nhiệt độ cao. Đối với các ứng dụng đòi hỏi phải tạo hình nguội hơn 20% hoặc yêu cầu độ bóng bề mặt mịn, bản tin tương tự khuyên bạn nên đặt hàng vật liệu ở trạng thái-hạt mịn, nhấn mạnh rằng-xử lý hạt thô là một dịch vụ-đánh đổi-cụ thể có chủ ý chứ không phải là một bản nâng cấp phổ biến.

Nguồn: Special Metals Corporation, bản tin kỹ thuật hợp kim INCOLOY 800H & 800HT, Số xuất bản SMC-047 (Bảng 1 và Luyện kim - Phần Thực hành Cơ bản).

Phạm vi kích thước-hạt đặc biệt (mịn hơn hoặc thô hơn) - ASTM 1–5 cho tấm và ống/ống, và ASTM 2–5 cho tấm - cũng có thể được thỏa thuận cho các đơn đặt hàng cụ thể, vì vậy, người mua có sự kết hợp bất thường giữa các yêu cầu về tạo hình và dịch vụ nên chỉ định rõ ràng kích thước hạt trong đơn đặt hàng thay vì giả sử mặc định tiêu chuẩn ASTM 5-hoặc thô hơn.

Cấp độ nhôm-+{1}}Titan khác nhau như thế nào giữa 800H và 800HT?

Hợp kim 800 và 800H đều cho phép 0,30–1,20% nhôm kết hợp với titan, nhưng hợp kim 800HT hạn chế phạm vi kết hợp đó ở mức hẹp hơn, cao hơn 0,85–1,20% - điều khiển thứ ba, cùng với kích thước cacbon và hạt, mà Kim loại Đặc biệt sử dụng để đẩy độ bền đứt gãy-của 800HT lên trên 800H.

Các bản tin của Special Metals trực tiếp mô tả điều này như một chiến lược có chủ ý: công ty duy trì hàm lượng nhôm và titan ở phần trên của phạm vi quy định cho quá trình sản xuất 800H của riêng mình, đặc biệt vì làm như vậy sẽ tạo ra đặc tính rão và ứng suất-cao hơn so với vật liệu 800H của đối thủ cạnh tranh chỉ đáp ứng các yêu cầu tối thiểu. Thay vì để-phạm vi cao hơn đó làm ưu tiên nội bộ, Special Metals đã chính thức hóa nó thành cấp độ hóa học-bị hạn chế, riêng biệt - 800HT - với sàn và trần 0,85–1,20% Al+Ti bắt buộc, cộng với phạm vi carbon 0,06–0,10% và nhiệt độ ủ dung dịch tối thiểu 2.100 độ F (1.149 độ )-được mô tả ở trên.

Vì cửa sổ hóa học 800HT nằm hoàn toàn bên trong cửa sổ 800H nên mọi nhiệt lượng tạo ra theo yêu cầu 800HT cũng tự động đáp ứng các yêu cầu 800H -, đó là lý do tại sao vật liệu 800HT thường xuyên được chứng nhận kép-cho cả UNS N08811 và UNS N08810. Điều ngược lại là không đúng: vật liệu 800H thông thường không thể được chứng nhận là 800HT trừ khi nó đáp ứng độc lập các yêu cầu về kích thước hạt, Al+Ti và cacbon chặt chẽ hơn.

So sánh thành phần đầy đủ: Hợp kim 800 so với 800H so với 800HT

Ba loại này chỉ khác nhau về kích thước cacbon, nhôm, titan và hạt - mọi nguyên tố thành phần giới hạn khác (niken, crom, sắt, mangan, lưu huỳnh, silicon, đồng) đều được chỉ định giống hệt nhau trên cả ba loại.

Nguồn: Tập đoàn kim loại đặc biệt, bản tin kỹ thuật hợp kim INCOLOY 800H & 800HT, Số xuất bản SMC-047, Bảng 1 - Giới hạn thành phần hóa học cho hợp kim INCOLOY 800, 800H và 800HT.

Hợp kim nào có độ bền đứt-cao nhất?

Hợp kim 800HT mang lại độ bền đứt gãy-dài hạn{2}}cao nhất trong ba loại, tiếp theo là 800H; hợp kim trơn 800 không được Kim loại đặc biệt khuyên dùng cho các ứng dụng yêu cầu đặc tính chống rão tối ưu, đặc biệt là trên 1.500 độ F (816 độ ).

Kim loại Đặc biệt tuyên bố rõ ràng rằng hợp kim 800H và 800HT có độ bền rão và đứt cao hơn đáng kể so với hợp kim 800 và hợp kim 800 thường không được sử dụng khi cần phải có đặc tính chống rão tối ưu - 800H hoặc 800HT. Xếp hạng này đặc biệt áp dụng cho thời gian tải dài-, nhiệt độ-cao; ở nhiệt độ phòng và trong thời gian{10}}tiếp xúc ngắn, hợp kim 800 thực sự có thể cho thấy độ bền kéo cao hơn 800H hoặc 800HT, vì điều kiện ủ-hạt thô,{15}}nhiệt độ-cao của 800H/800HT đánh đổi một số độ bền-ngắn hạn để có được khả năng chống rão-dài hạn.

Bảng bên dưới mô phỏng các giá trị độ bền đứt 10.000-, 30.000-, 50.000- tiêu biểu của Kim loại Đặc biệt và 100.000 giờ cho hợp kim 800H và 800HT, được coi là một tập dữ liệu duy nhất trong bản tin của nhà sản xuất vì cả hai loại đều có chung mục tiêu kích thước hạt ủ dung dịch; Hóa học cacbon và Al+Ti chặt chẽ hơn của 800HT nâng cao vị trí của nó trong phạm vi ứng suất này và được phản ánh riêng biệt trong ứng suất thiết kế cho phép của ASME (được thảo luận trong phần tiếp theo).

Nguồn: Special Metals Corporation, bản tin kỹ thuật về hợp kim INCOLOY 800H & 800HT, Số xuất bản SMC-047, Bảng 7 - Giá trị độ bền đứt đại diện cho hợp kim INCOLOY 800H/800HT.

Đọc thực tế: cường độ đứt gãy giảm mạnh khi nhiệt độ tăng và tuổi thọ thiết kế tăng lên, đó chính xác là điều mà cơ chế đứt gãy-leo dự đoán. Một bộ phận được thiết kế để có tuổi thọ sử dụng 100.000-giờ (khoảng 11,4{15}}năm) ở nhiệt độ 1.600 độ F (870 độ ) chỉ có thể chịu được khoảng 2,5 ksi (17 MPa) - so với 3,5 ksi ở cùng nhiệt độ trong thời gian thiết kế là 10.000{17}}giờ. Đây là lý do tại sao việc khớp đúng loại và giá trị ứng suất thiết kế-tuổi thọ chính xác với nhiệt độ vận hành thực tế là trọng tâm của thiết kế thiết bị an toàn, tuân thủ mã trong dòng hợp kim này và tại sao chỉ cần đọc một số "nhiệt độ tối đa" trên biểu dữ liệu không phải là cơ sở thiết kế phù hợp cho dịch vụ giới hạn độ rão.

So sánh các áp lực trong thiết kế trường hợp mã ASME như thế nào?

Hợp kim 800HT (Trường hợp mã ASME 1987) có ứng suất thiết kế tối đa cho phép cao hơn hợp kim 800H (Trường hợp mã ASME 1325) trong phạm vi dịch vụ 1.100–1.650 độ F, đây là hậu quả trực tiếp, mã-được công nhận của hóa học cacbon và Al+Ti chặt chẽ hơn của 800HT và là lý do thực tế khiến nhiều người mua chỉ định 800HT ngay cả khi 800H sẽ đáp ứng mức tối thiểu yêu cầu.

Theo Mã nồi hơi và bình áp lực ASME, ứng suất thiết kế của hợp kim 800 dành cho kết cấu Phần I và Phần VIII, Phân khu 1 được liệt kê trực tiếp trong Phần II, Phần D và dịch vụ bao phủ lên tới 1.500 độ F (816 độ). Ứng suất thiết kế của Hợp kim 800H cũng được liệt kê trong Phần II, Phần D và được giải quyết thêm theo Mã trường hợp 1325 (đến 1.500 độ F/816 độ ) và Trường hợp mã 1983 cho Dịch vụ Phần VIII, Phân khu 1 lên đến 1.800 độ F (982 độ ).

Ứng suất tối đa cho phép của hợp kim 800HT, được quy định trong Code Case 1987, rõ ràng là cao hơn 800H trong phạm vi 1.100–1.650 độ F và vật liệu được chứng nhận là 800HT tự động đáp ứng tất cả các yêu cầu 800H -, đó là lý do tại sao 800HT thường được gắn nhãn kép{11}}cho cả UNS N08811 và UNS N08810 trên chứng chỉ nhà máy.

• Hợp kim 800 (N08800) - Phần I / Phần VIII, Div. 1 & 2 ứng suất thiết kế theo ASME II Phần D; dịch vụ tới 1.500 độ F (816 độ).
• Hợp kim 800H (N08810) - Trường hợp mã ASME 1325 (đến 1.500 độ F/816 độ ) và Trường hợp mã 1983 cho dịch vụ Phần VIII, Div. 1 đến 1.800 độ F (982 độ ).
• Hợp kim 800HT (N08811) - Trường hợp mã ASME 1987 (bản sửa đổi mới nhất); ứng suất cho phép cao hơn 800H từ 1.100–1.650 độ F; cũng được bao phủ tới 1.800 độ F (982 độ ) thông qua các giá trị Code Case 1983.

Một biên bản mua sắm đáng được gắn cờ một cách trung thực: hồ sơ lịch sử cho thấy những ứng suất cho phép này đã di chuyển trước đó và có thể di chuyển trở lại. Theo tài khoản riêng của Kim loại Đặc biệt, khi Hội đồng Tài sản Kim loại ASME phân tích lại dữ liệu đứt gãy 800H gộp từ 87 lần gia nhiệt và 1.052 điểm dữ liệu trên nhiều nhà sản xuất - bao gồm cả vật liệu yếu hơn nhiệt độ của chính Kim loại Đặc biệt - ứng suất thiết kế 800H cho phép của Bộ luật đã được điều chỉnh giảm xuống ở mức 1.100–1.500 độ F (593–816 độ ) phạm vi. Tình tiết đó chính xác là lý do tại sao 800HT tồn tại dưới dạng cấp hóa học riêng biệt,{17}chặt chẽ hơn: nó cho phép Kim loại đặc biệt tiếp tục cung cấp ứng suất thiết kế cao hơn mà vật liệu của chính nó có thể hỗ trợ, được hỗ trợ bởi dữ liệu của chính nó, độc lập với bản sửa đổi gộp 800H.

Khi nào bạn nên chỉ định hợp kim 800 so với 800H so với 800HT?

Chỉ định hợp kim trơn 800 cho dịch vụ chống ăn mòn nói chung- và chịu nhiệt-dưới khoảng 1.500 độ F (816 độ ) trong đó độ rão không phải là điều kiện thiết kế chi phối; chỉ định 800H làm cấp cơ sở ở bất cứ nơi nào độ bền-đứt từ biến chi phối tuổi thọ thiết kế trên phạm vi đó; và chỉ định 800HT trong đó ứng dụng chứng minh ứng suất thiết kế cho phép cao hơn và chứng nhận UNS kép - thường là các thành phần ranh giới-nhiệt độ cao nhất,{11}}áp suất tuổi thọ{12}}thiết kế{12}}dài nhất{13}}.

Giỏ, khay và đồ đạc bằng hợp kim 800 -; bộ trao đổi nhiệt và đường ống trong môi trường chứa axit nitric-axit hoặc clorua-trong đó khả năng chống chịu ứng suất-nứt ăn mòn quan trọng hơn tuổi thọ của dây leo; vỏ bọc bộ phận làm nóng bằng điện-.

Hợp kim 800H - ống xúc tác cải cách hơi nước/hydrocarbon, ống đối lưu, bím tóc và ống góp đầu ra; ống nứt và đối lưu ethylene; ống bức xạ, ống giảm âm và bình cổ cong trong lò xử lý nhiệt; máy tạo hơi nước và ống quá nhiệt.

Hợp kim 800HT - cùng các ứng dụng lò luyện và cải cách quan trọng-như 800H, được chỉ định thay vì 800H khi tính toán thiết kế cần ứng suất cho phép Code Case 1987 cao hơn hoặc khi người mua muốn có chứng nhận kép N08810/N08811 để có tính linh hoạt trên nhiều thông số kỹ thuật của dự án.

Trong thực tế, hầu hết các nhà máy ngày nay đều sản xuất vật liệu hợp kim 800H theo tính chất hóa học và kích thước hạt đủ chặt để cũng đủ tiêu chuẩn là 800HT và-chứng nhận kép cho cả hai số UNS trên báo cáo thử nghiệm nhà máy - vì vậy người mua phải luôn kiểm tra kết quả hóa học và kích thước hạt-MTR thực tế so với Bảng 1 ở trên thay vì giả sử đơn hàng "800H" danh nghĩa tự động mang áp lực thiết kế ở mức 800HT-.

Câu hỏi thường gặp

Q: Incoloy 800HT có phải chỉ là cấp cao hơn 800H không?

A: Không hẳn là một họ hợp kim riêng biệt. - 800Thành phần của HT là tập hợp con hạn chế của 800H, luôn nằm trong giới hạn của 800H. Điểm khác biệt là 800HT yêu cầu hàm lượng cacbon hẹp hơn (0,06–0,10% so với. 0.05–0,10%) và nhôm cao hơn-cộng với-titan (0,85–1,20% so với. 0.30–1,20%), cộng với quá trình ủ dung dịch tối thiểu 2.100 độ F (1.149 độ ) và ứng suất cao hơn mang lại thiết kế cho phép ASME theo Mã trường hợp 1987.

Q: Hợp kim 800H có thể thay thế cho 800HT trong dự án chỉ định 800HT không?

A: Không, không tự động. Vật liệu hợp kim 800HT luôn đáp ứng các yêu cầu 800H nên có thể được chứng nhận-kép, nhưng điều ngược lại không được đảm bảo - vật liệu 800H thông thường chỉ đủ tiêu chuẩn là 800HT nếu thành phần hóa học thực tế và kích thước hạt của nó đáp ứng độc lập các giới hạn 800HT chặt chẽ hơn. Báo cáo thử nghiệm nhà máy phải được kiểm tra.

Q: Liệu kích thước hạt thô hơn có làm cho 800H và 800HT nhìn chung yếu hơn không?

A: Không - đó là sự đánh đổi có chủ ý-theo hướng ngược lại với ý nghĩa "yếu hơn" thường ngụ ý. Hạt thô hơn (ASTM No. 5 hoặc thô hơn) cải thiện độ bền-từ biến và ứng suất-dài hạn ở nhiệt độ cao, đây chính là đặc tính mà các loại này được thiết kế. Sự đánh đổi-là độ dẻo dai giảm đi sau khi-tiếp xúc với nhiệt độ cao và độ bền nhiệt độ-phòng{10}}ngắn hạn thấp hơn so với hợp kim-hạt mịn 800, chứ không phải là điểm yếu tổng thể.

Q: Nhiệt độ dịch vụ tối đa cho mỗi cấp là bao nhiêu?

A: Theo ASME Phần I và Phần VIII, Phân khu 1, hợp kim 800 được phép ở nhiệt độ 1.500 độ F (816 độ). Hợp kim 800H cũng được liệt kê ở mức 1.500 độ F (816 độ ) theo Mã trường hợp 1325, với dịch vụ Phần VIII, Phân khu 1 được mở rộng đến 1.800 độ F (982 độ ) theo Mã trường hợp 1983. Ứng suất của Hợp kim 800HT Mã 1987 bao gồm cùng phạm vi 1.100–1.650 độ F như 800H, ở các giá trị cho phép cao hơn, với Dịch vụ 1.800 độ F (982 độ ) cũng được giải quyết thông qua Code Case 1983.

Q: Tại sao cả ba hợp kim về cơ bản đều có khả năng chống ăn mòn như nhau?

A: Bởi vì niken, crom và sắt - các nguyên tố chi phối khả năng chống oxy hóa, khả năng chống cacbon hóa và khả năng chống lại ứng suất clorua-nứt ăn mòn - được chỉ định giống hệt nhau trên cả ba loại. Sự khác biệt về thành phần giữa 800, 800H và 800HT chỉ giới hạn ở cacbon, nhôm và titan, chúng ảnh hưởng đến các đặc tính cơ học và từ biến hơn là hành vi ăn mòn nói chung.

bài viết liên quan

Hợp kim INCONEL 600 so với Hợp kim INCOLOY 800 cho các bộ phận lò nung

SMR và hợp kim niken: Chọn hợp kim 800H/617/690 cho dịch vụ lớp lò phản ứng-

Hướng dẫn cơ bản về Inconel 625