19382

2190 دكتري

دكتري

مهندسي مواد

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

1402

چهارده، 104 ص. : مصور، جدول

1403/02/04

كتابنامه

مهندسي متالورژي و مواد

مهندسي مواد

1403/02/05

23028452

فولادهاي زنگ‌نزن آستنيتي HP داراي مقاومت عالي در برابر اكسيداسيون، كربوراسيون و خزش در دماي بالا هستند. اين دسته از فولادهاي مقاوم به حرارت كه حاوي مقادير بالاي نيكل و كروم مي‌باشند اغلب در ساخت لوله‌هاي ريفرمر در صنايع پتروشيمي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. از اين لوله‌ها عموماً براي فرايند تبديل گازها (مخلوطي از هيدروكربن‌ها) و بخار آب به يك گاز غني از هيدروژن استفاده مي‌كنند. اين آلياژها پس از قرارگيري در دماهاي بالاتر از 840 درجه سانتي‌گراد و مدت زمان طولاني تحت تأثير آسيب‌هاي خزشي و ديگر مكانيزم‌هاي تخريب قرار مي‌گيرند. در اين پژوهش تأثير عناصر ميكروآلياژي بر ريزساختارهاي ريختگي و پيرشده لوله‌هاي گريز از مركز HP-Nb مورد مطالعه قرار گرفت. نتايج نشان داد كه ساختار ريختگي حاوي كاربيدهاي يوتكتيك در فضاهاي بين‌دندريتي در زمينه آستنيتي است در حالي كه در نمونه پيرشده تغييرات ريزساختاري مهمي نظير رشد كاربيدهاي اوليه، رسوبات ريز كاربيدهاي ثانويه M23C6، جدايش سيليسيم در مرزدانه‌هاي بين‌دندريتي و انتقال كاربيدهاي MC به فاز G رخ داد. رسوب كاربيدهاي يوتكتيك در مرزدانه‌ها نقش مهمي را در كنترل تغيير شكل خزشي فولادهاي HP-Nb ايفا مي‌كند. بر اساس آناليز تخريب صورت‌گرفته بر روي لوله‌هاي ريفرمر، فرايند خستگي حرارتي - مكانيكي منجر به آسيب‌هاي ريزساختاري نظير حفرات خزشي در مجاورت رسوبات كاربيدي و در مرزدانه‌هاي آستنيت شده‌است. تصاوير ميكروسكوپي الكتروني، مبيّن اشاعه ترك در امتداد كاربيدهاي به‌هم‌پيوسته Cr23C6 مي‌باشد. جوانه‌زني حفرات تحت تأثير لغزش مرزدانه‌اي رخ داده است و وابستگي زيادي به ريخت ريزساختار دارد به گونه‌اي كه لوله حاوي تيتانيم به دليل تشكيل كاربيدهاي ريزتر و مجزا از هم و همچنين پايداري فازي بالاتر نسبت به نمونه فاقد تيتانيم، از استحكام خزشي بالاتري برخوردار بود. پس از آناليز تخريب لوله‌ها، چهار لوله با افزودني‌هاي مختلف از ميكروعناصر آلياژي به روش گريز از مركز توليد شد. لوله‌هاي ريختگي از جنبه‌هاي ريزساختاري، خواص مكانيكي، شكست‌نگاري و همچنين رفتار خزشي مورد ارزيابي قرارگرفت. تيتانيم باعث ريزتر شدن و انفصال كاربيدهاي يوتكتيك در مرز دانه‌هاي آستنيت شد. افزودن همزمان تيتانيم و زيركونيوم منجر به تشكيل يك سري كاربيدها و كربونيتريدها در زمينه شد. توزيع رسوبات ZrO2 به طور يكنواخت در زمينه امكان جوانه‌زني ناهمگن را براي انجماد فولاد مذاب ميسر ساخت. با توجه به نقش اين رسوبات در جوانه‌زني ناهمگن، پايداري حرارتي بالاتر و متوقف كردن حركت نابجايي‌ها، استحكام تنش گسيختگي تا حدود 5/1 برابر نسبت به لوله HP-Nb افزايش يافت. نيتروژن نيز ضمن كاهش فاصله بين بازوي دندريت‌ها، ريخت كاربيدهاي يوتكتيك را از حالت رشته‌اي به حالت مغزي‌شكل تغيير داد. افزودن زيركونيوم و نيتروژن در طي فرايند ريخته‌گري يك اثر هم‌افزايي همراه با تيتانيم به دست آورد. اين نتايج مرتبط با تغييرات ريزساختاري در طول پيرسازي است به گونه‌اي كه توزيع رسوبات ثانويه بسيار ريزتر و بيشتر، همراه با پايداري حرارتي بالاتر حاصل شد. بهترين رفتار خزشي در لوله حاوي مقادير اندك تيتانيم، زيركونيوم و نيتروژن مشاهده شد به گونه‌اي كه استحكام تنش گسيختگي تا حدود 2 برابر نسبت به لوله HP-Nb افزايش يافت.

HP austenitic stainless steels have excellent resistance to oxidation, carburization and high temperature creep. This category of heat-resistant steels, which contain high amounts of nickel and chromium, are often used in the manufacture of reformer pipes in the petrochemical industry. These tubes are generally used for the process of converting gases (a mixture of hydrocarbons) and water vapor into a hydrogen-rich gas. These alloys are affected by creep damage and other degradation mechanisms after exposure to temperatures higher than 840°C for a long time. In this research, the effect of microalloying elements on cast and aged microstructures of HP-Nb centrifugal tubes was studied. The results showed that the casting structure contains eutectic carbides in the interdendritic spaces in the austenitic context, while in the aged sample, important microstructural changes occurred such as the growth of primary carbides, the deposits of secondary carbides M23C6, the segregation of silicon in the interdendritic grain boundaries and the transfer of MC carbides to the G phase. The precipitation of eutectic carbides in the grain boundaries plays an important role in controlling the creep deformation of HP-Nb steels. Based on the analysis of the damage done on the reformer pipes, the thermal-mechanical fatigue process has led to microstructural damage such as creep holes in the vicinity of carbide deposits and in the grain boundaries of austenite. Electron microscopic images show the crack propagation along the connected Cr23C6 carbides. Germination of holes has occurred under the influence of grain boundary sliding and is highly dependent on the shape of the microstructure so that the tube containing titanium had a higher creep strength due to the formation of finer and separate carbides as well as higher phase stability compared to the sample without titanium. After analyzing the degradation of tubes, four pipes with different additives of alloy microelements were produced by centrifugal method. Titanium caused finer and separation of eutectic carbides in the grain boundary of austenite. The simultaneous addition of titanium and zirconium led to the formation of a series of carbides and carbonitrides in the field. The uniform distribution of ZrO2 deposits in the field enables heterogeneous nucleation for the solidification of molten steel. Due to the role of these deposits in heterogeneous nucleation, higher thermal stability and stopping the movement of dislocations, the rupture stress strength increased by about 1.5 times compared to HP-Nb tube. Nitrogen, while reducing the distance between the arms of dendrites, changed the shape of eutectic carbides from stringy to brain-shaped. The addition of zirconium and nitrogen during the casting process achieved a synergistic effect with titanium. These results are related to microstructural changes during aging in such a way that the distribution of secondary precipitation is much finer and more, along with higher thermal stability. The best creep behavior was observed in the pipe containing small amounts of titanium, zirconium, and nitrogen, so that the strength of the rupture stress increased by about 2 times compared to the HP-Nb tube.

عباس بهرامي , عبدالمجيد اسلامي

رحمت اله عمادي , بهزاد نيرومند , بهمن ميرزاخاني