خستگی در اجزاء فولادهای آستنیتی

فولادهای آستنیتی همانند 316 و 304 به طور نسبتاً وسیعی در بخش‌های سنگین وزن (ضخامت بالاتر از 25 میلی متر) برای لوله ها و مخازن تحت فشار در نیروگاه ها استفاده می‌شود. خستگی حرا رتی این مواد به دلیل رسانایی گرمایی ضعیف و ضریب انبساط گرمایی بالا قابل ملاحظه است. مطالعات زیادی در مورد رفتار خستگی این مواد گزارش شده است. جیمز[1] یکسری مطالعات بنیادی روی رفتار رشد ترک خستگی فولاد 316 جوشکاری شده در دمای بالا انجام داده است[50]. تخریب یا شکست مواد ناشی از سیکل بار گزاری بر روی خستگی موثر است. فرآیند معمولاً به دو مرحله ایجاد ترک و رشد ترک تقسیم می‌شود. ترک‌های خستگی معمولاً از سطح اجزاء در نامنظمی‌های سطح یا ناپیوستگی ها شروع شده و پیش می­روند یا بعد از ایجاد باندهای لغزشی، در مرزدانه ها یا ذرات فاز ثانویه ایجاد می‌شوند. جوانه زنی ترک‌های خستگی در مراحل اولیه سیکل بار گزاری رخ می دهد و عمر خستگی ممکن است برای مرحله رشد سراسری قابل ملاحظه باشد. خستگی دما بالا موضوع پیچیده ای است و با فرآیندهای وابسته به زمان مانند خزش، اکسیداسیون، پیر کرنشی دینامیکی، ناپایداری مکانیکی، تخریب میکرو ساختاری و رسوب سرکار دارد[51].

 

خزش در اجزاء فولادهای آستنیتی

واضح است که وقتی فولادهای فریتی/مارتنزیتی نمی‌توانند مقاومت به خوردگی کافی را ایجاد کنند، فولادهای آستنیتی باید جایگزین فولادهای فریتی و مارتنزیتی در دمای بالا باشد. فولادهای آستنیتی باید همچنین در مواقعی که فولادهای فریتی/مارتنزیتی نمی‌توانند استحکام کافی در دمای بالا را تأمین کنند استفاده شوند[46]. یک مزیت دیگر آستنیت نسبت به زمینه فریت در دمای بالا مبنی بر مقاومت به خزش بالاتر آن از زمینه فریتی است. دلیل آن این است که نفوذ آهن در آستنیت دو برابر کوچک‌تر از فریت است. فولادهای آستینتی عملیات حرارتی شده تجاری، به قدر کافی با مکانیزم‌های استحکام دهی مستحکم می شوند. استحکام دهی توسط رسوب ناشی از کاربید، برای این مورد یکی از مؤثرترین راه ها برای افزایش مقاومت به خزش دما بالا، برای فولادهای آستنیتی مقاوم به دمای بالا است. در دمای بالا بازیابی به سرعت اتفاق می‌افتد، و مکانیزم اصلی استحکام دهی(رسوب دهی کاربیدها) اثراتش را در طول زمان‌های طولانی از دست می‌دهد. در این موارد استحکام دهی توسط اتم‌های بین نشین زمینه مقاومت به خزش را تعیین می‌کند[47].

تردی فولادهای آستنیتی

تردی فاز سیکما و پدیده حساس شدن دو شکل غالب از مکانیزم های تردی هستند که در فولادهای آستنیتی اتفاق می‌افتد. تردی ناشی از حساس شدن اشاره می کند به خوردگی بین دانه ای که ناشی از تهی شدن کروم از نواحی مجاور به مرزدانه است که در بخش قبلی بحث شد. تردی فاز سیکما اثرات قابل مشخصی بر فاز سیکما روی مقاومت به خوردگی و خواص مکانیکی دارد. اثرات فاز سیکما روی خواص خوردگی بسیار شدیدتر از محیط‌های تحت اکسیداسیون است، اما به نظر می‌رسد این مشکل وقتی که فاز سیکما در مرزدانه های رسوب می‌کند شدیدتر شود[43].

خوردگی ناشی از ترک درون دانه ای (IGSCC)

فولادهای آستنیتی به نظر می‌رسد مقاومت به خوردگی عمومی و موضعی خوبی به دلیل محتوای کروم بالا داشته باشند. این خواص یکی از ملاک‌های اساسی برای انتخاب گریدهای آستنیتی برای سرویس در بسیاری از کاربردها است. به هر حال این مقاومت می‌تواند در طول سرویس وقتی فولاد  در معرض محیط‌های خورنده در دمای بالا قرار می‌گیرد، تخریب شود. تخریب می‌تواند ناشی از حساس شدن در مرزدانه و ناحیه اطراف آن در آلیاژ به دلیل تهی شدن از کروم و کاهش غلظت آن از حد بحرانی شود (13.5 wt%).در این صورت مرزدانه ها به خوردگی IGSCC بسیار حساس می‌شوند[31].

شکل ‏4‑10 میزان تخلیه مرزدانه های از کروم برای فولاد 304S که در دمای 700 درجه سانتی‌گراد در طول سرویس حساس شده است را نشان می‌دهد. واضح است که افزایش زمان  عملیات حرارتی تا 100 ساعت، نشان از تخلیه قابل توجه کروم از مرزدانه ها دارد.

 

رسوب سختی در فولادهای آستنیتی

در فولادهای آستنیتی، ذرات فاز ثانویه مختلف می‌تواند در دانه ها یا روی مرزدانه رسوب کند. دو گروه اصلی از رسوبات وجود دارد کاربیدها، نیتریدها، بورایدها مانند M₂₃C₆، Ti(C,N) و ترکیبات بین فلزی مانند سیگما، اتا، شی و لاوس تقسیم می‌شوند. درحالیکه رسوب سختی یکی از عوامل اصلی استحکام دهی در مورد فولادهای آستنیتی است، رسوب سختی می‌تواند اثرات ناخواسته ای نیز داشته باشد[22].برای مثال، رسوب سختی استحکام را می‌تواند کاهش دهد و انواع اصلی آن در اینجا بحث می‌شود.

جدایش مرزدانه¬ای در فولادهای آستنیتی

جدایش اتم‌های ناخالص در مرزدانه های آستنیت می‌تواند به طور قابل ملاحظه­ای حالت شیمیایی مرزدانه را تغییر دهد و بدین گونه خواص فیزیکی و شیمیایی فولاد آستنیتی را تغییر دهد. جدایش به خاطر گرما می‌تواند به دو دلیل رخ دهد. جدایش تعادلی در دماهای بالا رخ می‌دهد و سرعت آن به جاهای خالی یا نفوذ بستگی دارد. جدایش تعادلی با یک پوشش تک لایه در فصل مشترک ناحیه جدایش مشخص می‌شود. پهنای آن نسبت به غلظت مشخص می‌شود که نسبت بین غلظت جدایش در فصل مشترک و غلظت در دانه است و این نسبت وضعیت تعادل گرمایی را مشخص می‌کند. در مقابل جدایش غیر تعادلی (NES) به خاطر وجود غلظت غیر تعادلی جاهای خالی در زمینه بوجود می­ایند که نیاز دارند آزاد شوند اگر تعادل دوباره برقرار شود[17]. این شرایط توسط فصل مشترک در دانه­ها مثل مرزدانه ها تأمین می‌شود که همانند یک سینک برای جذب عیوب، مثل جاهای خالی عمل می‌کند و این باعث می‌شود تنش‌های مربوطه کاهش یابند. در نتیجه گرادیان غلظتی بین دانه و مرزدانه برقرار می‌شود. در این حالت، عیوب نقطه ای ممکن است با اتم‌های محلول یا اتم‌های ناخالصی واکنش دهند و مجتمع‌های قابل مهاجرتی را شکل دهند و این مجتمع‌های قابل حرکت به انتقال اتم‌های جدایش نسبت داده می‌شوند. جمعیت چنین مجتمع‌هایی ممکن است در شرایط اولیه در فاصله چند میکرومتری از سینک ایجاد شوند و در نتیجه [1]NES (جدایش غیر تعادلی) با پهنای جدایش در فصل مشترک مشخص می‌شود[18].

مکانیزم استحکام دهی در فولادهای آستنیتی

در اصطلاح کلی هر عاملی که بتواند مانع حرکت نابجایی‌ها شود و بدین گونه تغییر فرم پلاستیکی را کاهش دهد، موجب افزایش استحکام مواد می‌شود. در فولادهای آستنیتی چون هیچ تغییر فازی در طول عملیات حرارتی رخ نمی‌دهد، قابل سخت شدن با عملیات حرارتی نیستند.آن‌ها می‌توانند با مکانیزم‌های دیگری که می‌تواند برای بقیه فولادها نیز استفاده شود مستحکم می‌شوند.استحکام دهی توسط ایجاد محلول جامد یکی از مهم‌ترین مکانیزم‌های استحکام دهی است[10].

خواص کلی فولادهای آستنیتی-بخش دوم

رسانایی گرمایی فولادهای آستنیتی حدود دو سوم فولادهای فریتی است. از آنجایی که انتقال گرما از طریق الکترون‌های آزاد انجام می‌شود، ضریب انبساط گرمایی به میزان و تحرک الکترون‌های آزاد بستگی دارد. مقدار و تحرک پذیری بالاتر الکترون‌های آزاد به معنی رسانایی گرمایی بالاتر است. به نظر می‌رسد به دلیل اینکه فولادهای آستنیتی ساختار چگال تر از فولادهای فریتی دارند مقدار الکترون‌های آزاد بیشتری دارند و رسانایی گرمایی آن‌ها بالاتر می­باشد. اما به دلیل فاصله بین اتمی کمتر در آستنیت نیروی جاذبه بین هسته و الکترون‌ها بیشتر است. تأثیر این نیروی جاذبه بالاتر از تأثیر مقدار الکترون‌های آزاد است و موجب می‌شود که رسانایی گرمایی فریت بیشتر از آستنیت باشد[5]. همان طور که رسانایی گرمایی از طریق تأثیرات الکترون‌های آزاد اندازه گیری می‌شود، هر عاملی که بر تحرک پذیری الکترون‌های آزاد تأثیر گذارد بر رسانایی گرمایی تأثیرگذار خواهد بود. برای مثال مرزدانه ها، ذرات فازهای ثانویه و آخال های غیر فلزی در فولاد بر رسانایی گرمایی تأثیرگذار هستند شکل ‏4‑3 وابستگی رسانایی گرمایی بعضی از فولادهای آستنیتی رایج را با توجه به غلظت کربن و نیکل نشان می‌دهد. از شکل ‏4‑3 می‌توان متوجه شد که عناصر آلیاژی به مقدار قابل توجه­ای رسانایی گرمایی را نسبت به آهن خالص کاهش می‌دهند[6].

فولادهای آستینتی مقاومت به اکسیداسیون و خوردگی بالایی به دلیل محتوای کروم و نیکل بالا دارند. مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون به خاطر شکل­گیری لایه اکسیدی محافظ Cr₂O₃ می‌باشد. این لایه در اثر تخریب بلافاصله با تغذیه[1] کروم تشکیل می‌شود. راه های زیادی برای افزایش تغذیه کروم وجود دارد، یکی از آن‌ها افزایش غلظت محتوای کروم است. اما افزایش محتوای کروم موجب بهم خوردن بالانس عناصر پایدار کننده آستینت مانند نیکل می‌شود. کاهش محتوای کربن به دلیل شکل گیری بیشتر کاربید های کروم موجب کاهش مقدار محتوای کروم در زمینه می‌شود (فولادهای کم کربن آستنیتی 304، 316، L304، L316). به هر حال مقدار کم کربن موجب کاهش میزان رسوبات استحکام دهنده می‌شود و استحکام خزشی را کاهش می‌دهند. فولادهای پر کربن برای اجزاء سوپرهیترها استفاده می‌شود. عناصر Ti، Nb می‌تواند به فولاد اضافه شود تا کاربیدهای آنها را شکل دهد تا بتوان مقدار کربن آلیاژ را کاهش دهد بدون اینکه رسوبات استحکام دهنده کاهش یابند (همانند فولادهای 321 و 347). بهبود تغذیه کروم می‌تواند با پالایش مرزدانه تغییر کند[7]. با ریزدانه کردن آلیاژ مساحت مرزدانه در آلیاژ بیشتر شده و از آنجایی که نفوذ در مرزدانه سریع‌ترمی­شود، کروم می‌تواند سریع‌تر نفوذ کند و سریع‌تر به نقاطی که لایه محافظ تخریب شده دارند برسد.

بهبود در مقاومت به خوردگی فولاد 347HFG ریزدانه که از نوع آلیاژ 347 است به دلیل همین ریزدانه شدن می‌باشد. با وجود مقاومت به خوردگی عالی، خوردگی شدید می‌تواند در یکسری محیط‌ها اتفاق بیفتد. این نوع خوردگی‌ها می‌تواند احتمالاً با اضافه کردن بعضی عناصر آلیاژی کاهش یابد. برای مثال Mo و Cu می‌تواند مقاومت به خوردگی فولاد  آستنیتی را در محیط‌های اسید سولفوریک افزایش دهد. ساختار اتمی FCC آستنیت به شکلی می‌باشد که نابجایی‌ها در آن راحت‌تر جابه‌جا می‌شوند و از این نظر شبکه FCC داکتیل تر از شبکه BCC است[8]. این موضوع همچنین می‌تواند علت نداشتن استحکام تسلیم مشخص برای این مواد را توضیح دهد. برای این مواد تنش تسلیم تعریف شده[2] استفاده می‌شود. فولادهای آستنیتی کاهش تافنس عالی تا دماهای نزدیک به صفر مطلق (273-) دارند و کاهش تافنس در دمای انتقال تردی آن‌ها تند نیست. به هر حال عناصر آلیاژی، ذرات فاز ثانویه و محیط‌های با شرایط سخت می‌تواند بر این خواص به طور قابل توجهی تأثیر بگذارد

---

[1]supply

[2]proof stress

خواص کلی فولادهای آستنیتی-بخش اول

فولادهای آلیاژی آستنیتی چند ریختی هستند، که شامل دانه های آستینتی با اتم‌های جانشین و بین نشین هستند. رسوبات فازهای ثانویه دورن دانه ای در دانه‌ها با مرزدانه ها جدا شده‌اند که می‌تواند ترکیب شیمیایی پیچیده تری از زمینه محلول جامد آستنیت داشته باشند[1].

این مرزدانه ها با توجه به ترکیب شیمیایی، تاریخچه عملیات حرارتی و شرایط سرویس معمولاً محل تجمع ذرات فاز ثانویه هستند. شکل ‏4‑1ساختار کلی یک فولاد 309 اصلاح شده را بعد از آزمایش خزش نشان می‌دهد.مرزدانه های آستنیتی به طور واضح مشخص هستند.بدین گونه خواص فیزیکی و شیمیایی فولادهای آستنیتی بستگی به مشخصات آستنیت، طبیعت مرزدانه ها و خواص رسوبات مختلف دارد. هر اتم در آستنیت حدود یک درصد حجم کمتری را اشغال می‌کند. به همین خاطر آستنیت FCC چگال تر از فریت BCC است. بزرگ‌ترین مکان‌های بین نشین در ساختار بلورین آستنیت بزرگ‌تر از فریت است. به همین خاطر آستنیت می‌تواند اتم‌های بین نشین خالص بیشتری را در خود حل کند.به طور مثال حلالیت کربن در آستینت حدود 40 برابر فریت در دمای 753 درجه سانتی‌گراد است.به طور مشابه، حلالیت نیتروژن در آستنیت 20 برابر فریت در دمای 590 درجه سانتی‌گراد است.این تفاوت تأثیر زیادی بر عملیات حرارتی فولادهای آستینت و فریت و تأثیر مقدار عناصر بین نشین  بر میزان استحکام بخشی آن‌ها دارد.چگالی بیشتر ساختار آستینت FCC موجب نفوذپذیری کمتر هر دو عناصر محلول بین نشین و جانشین می‌شود[2].

بدین گونه انتظار می‌رود فرآیند رسوب سختی در آستنیت نسبت به فریت کمتر تحت کنترل نفوذ است. ضریب انبساط گرمایی CTE برای فولاد آستنیتی حدود 50% بیشتر از فولاد فریت/مارتنزیت است. ضریب انبساط گرمایی معمولاً با افزایش باندهای انرژی افزایش می‌یابد و باندهای انرژی به فعل و انفعال[1] اتم‌هایی که در حالت جامد قرار گرفته‌اند و فاصله بین اتم‌ها بستگی دارد. هر چه این فعل و انفعال بیشتر باشد انرژی باند بیشتر است[3]. به عبارت دیگر باندهای کوتاه‌تر انرژی باند بیشتری دارند. در مورد فولاد، باندهای اصلی بین اتم‌های آهن است پس طبیعت فعل و انفعال در مورد همه فولادهای آستنیت، فریت و مارتنزیت مشابه است. بدین گونه انرژی باندها به طول باندها بستگی دارد. طول باندها می‌تواند از طریق اندازه گیری مراکز دواتم کنار هم تقریب زده شود. بدین گونه انرژی باند با کاهش فاصله بین اتم‌ها افزایش می‌یابد. همان طور که قبلاً اشاره شد فولاد آستنیتی FCC چگال تر از فولاد فریتی است و از این‌رو ضریب انبساط گرمایی بالاتری دارد. اما استحکام باند می‌تواند از طریق اضافه کردن عناصر آلیاژ تغییر کند و بدین گونه می‌توان ضریب انبساط گرمایی را کاهش داد. شکل ‏4‑2 ضریب انبساط گرمایی بعضی از فولادهای آستنیتی رایج را نشان می‌دهد. به طور کلی ضریب انبساط گرمایی با افزایش Ni کاهش می‌یابد[4].

---

[1]interaction

آلیاژ های بکار رفته در راکتور های قدرت

در این قسمت آلیاژهای پرحجم مورد استفاده در ساخت راکتور را در چهار بخش دسته­بندی کرده و موارد مصرف هر کدام از آلیاژها در قسمت‌های مختلف تشریح می­گردد.

1-1-      بخش اول: آلیاژهای پرحجم مورد استفاده در اجزای مختلف مولد بخار با توجه به موارد مصرف هر کدام

1- آلیاژ 10GN2MFA یکی از آلیاژهای پر مصرف در ساخت مولد بخار می­باشد با توجه به اینکه کلکتورها از جنس این آلیاژ می­باشند و این کلکتورها استوانه­های بزرگی با ارتفاع mm 4970 می­باشند. علاوه بر این در قسمت‌های مختلف راکتور از این آلیاژ استفاده می­شود که در ادامه به موارد مصرفی آن در قسمت‌های مختلف ذکر خواهد گردید.