Degradarea fazei Sigma în oțel inoxidabil duplex: curbele de precipitații de timp{0}}Temperatura-

Faza Sigma se formează în oțel inoxidabil duplex cel mai rapid între aproximativ 700 de grade și 900 de grade, cu vârful curbei de timp{2}}temperatură-precipitație (TTP) situată de obicei în jurul valorii de 800-850 de grade -, ceea ce înseamnă că banda îngustă, nu temperaturile mai ridicate sau mai scăzute, sunt cele mai dăunătoare precipitații rapide. O fracție sigma de 1–3% din volum poate provoca o scădere severă, disproporționată a tenacității la impact și a rezistenței la coroziune, motiv pentru care controlul timpului petrecut în acest interval în timpul sudării și tratamentului termic este o cerință strictă de fabricație, nu un detaliu minor al procesului.

Oțelul inoxidabil duplex își câștigă reputația - rezistență ridicată, rezistență excelentă la clorură - dintr-o microstructură echilibrată din părți aproximativ egale de austenită și ferită. Acest echilibru este fragil la temperaturi ridicate. Menținută prea mult timp în fereastra de temperatură greșită, faza de ferită se transformă parțial într-un compus intermetalic numit faza sigma, iar cele mai valoroase proprietăți ale aliajului se prăbușesc. Acest articol explică ce este faza sigma, cum arată curba sa de precipitație în timp-temperatura-și ce trebuie să facă producătorii pentru a nu ea.

Ce este faza Sigma și de ce fragilizează oțelul inoxidabil duplex?

Faza Sigma este un compus intermetalic dur, fragil, bogat în crom și molibden, care se formează atunci când ferita din oțelul inoxidabil duplex se descompune la temperatură ridicată - și, deoarece îndepărtează cromul și molibdenul din matricea înconjurătoare, dăunează atât durității, cât și rezistenței la coroziune în același timp.

Faza sigma se formează printr-o reacție de tip eutectoid-în care ferita se descompune în fază sigma plus austenită secundară. Se nucleează de preferință la limitele fazei de ferită-austenită și la granițele de ferită-granulele de ferită - adesea precedate de o fază chi intermetală înrudită, care se formează mai întâi la limitele de ferită-ferită și este consumată ulterior pe măsură ce faza sigma crește.

Deoarece faza sigma este în mod intrinsec dură și fragilă și pentru că formarea sa scoate cromul și molibdenul din matricea înconjurătoare, creează două probleme simultan: o fază secundară fragilă din punct de vedere fizic, situată la granițele granulelor și regiunile sărace{0}}crom/molibden de lângă ea, care sunt mult mai vulnerabile la coroziunea localizată. Acest mecanism dublu de deteriorare este motivul pentru care fragilizarea în fază sigma este tratată ca un risc critic de fabricație, mai degrabă decât o curiozitate metalurgică cosmetică.

Ce arată o curbă de timp-Temperatura-precipitație (TTP) pentru faza Sigma?

O curbă TTP arată temperatura la care este menținut un aliaj în raport cu timpul necesar pentru ca o anumită cantitate de fază sigma să apară, producând o curbă caracteristică în formă de C-al cărei „nas” marchează cea mai rapidă precipitație posibilă - pentru oțelul inoxidabil duplex, acel nas se află de obicei în jur de 800-850 de grade .

Cercetătorii construiesc aceste curbe ținând probe de soluție-recoace la o serie de temperaturi fixe, apoi măsurând cât de multă fază sigma s-a format după diferiți timpi de păstrare, de la minute la peste o mie de ore. Trasată pe o axă de timp (scara logaritmică) în funcție de axa de temperatură, curba rezultată seamănă cu un „C” lateral: precipitațiile sunt lente atât la capătul înalt, cât și la cel scăzut al intervalului de risc și cel mai rapid la mijloc.

Studiile asupra oțelului inoxidabil duplex UNS S31803 (2205) forjat au identificat cinetica de formare sigma-de vârf în jurul a 850 de grade, cu lucrări TTP publicate care acoperă timpi de reținere de până la și peste 1.000 de ore pentru a caracteriza pe deplin curba. Lucrarea independentă asupra calităților duplex turnate, calităților super duplex și compozițiilor lean duplex plasează în mod constant nasul curbei în aceeași bandă generală de 800-850 de grade, chiar dacă forma exactă și momentul se schimbă oarecum cu compoziția aliajului.

Ce interval de temperatură este cel mai periculos pentru formarea fazei Sigma?

Zona practică de pericol se întinde de la aproximativ 700 de grade până la 950 de grade pe gradele duplex și super duplex, cu temperatura cea mai periculoasă - cea mai rapidă precipitație - raportată în mod constant în jurul valorii de 800-850 de grade .

În afara acestei benzi, imaginea se schimbă: sub aproximativ 700 de grade , difuzia este suficient de lentă încât formarea sigma devine foarte lentă, deși expunerea prelungită poate încă permite acest lucru, iar un risc separat, mai scăzut de fragilizare la temperatură - 475 de la descompunerea spinodale a feritei - devine în schimb riscul mai relevant. Peste aproximativ 950–1000 de grade, faza sigma devine termodinamic mai puțin stabilă și tinde să se dizolve înapoi în matrice, care este baza pentru recoacere a soluției ca tratament termic corectiv.

Cât de mică fază Sigma este nevoie pentru a cauza o problemă?

O cantitate remarcabil de mică - citată în mod obișnuit de la 1% până la 3% din volum - este suficientă pentru a provoca o scădere considerabilă și disproporționată a rezistenței la impact, ceea ce face controlul fazei sigma neobișnuit de strict în comparație cu multe alte defecte metalurgice.

Acesta este detaliul care îi surprinde cel mai mult pe inginerii nou în oțel inoxidabil duplex: faza sigma nu trebuie să se acumuleze într-o fracțiune mare înainte de a deveni periculoasă. Mai multe studii independente asupra oțelului inoxidabil 2205 duplex raportează că conținutul de sigma în cifrele mici în volum sunt deja suficiente pentru a provoca o prăbușire marcată a tenacității și că curbele de energie de impact urmăresc îndeaproape cu forma curbei de precipitații sigma în sine - același interval de 800-850 de grade care precipită sigma cel mai rapid după impactul cel mai scăzut pentru a produce rezistență. Pe măsură ce timpul de reținere și conținutul sigma cresc și mai mult, duritatea continuă să se degradeze, dar cea mai abruptă, cea mai semnificativă scădere are loc devreme, la fracții, o inspecție vizuală obișnuită ar putea rata cu ușurință.

Faza Sigma afectează și rezistența la coroziune sau doar duritatea?

ambele. Precipitația în fază Sigma scade în mod măsurabil potențialul de pitting și crește susceptibilitatea la coroziune intergranulară și pitting, deoarece epuizarea crom- și molibden-din jurul fiecărei particule sigma subminează filmul pasiv exact acolo unde este cel mai necesar.

Consecința coroziunii rezultă direct din modul în care se formează faza sigma: pe măsură ce cromul și molibdenul difuzează în particulele sigma în creștere, matricea imediat înconjurătoare devine local epuizată în chiar elementele care stabilizează filmul de oxid pasiv. Testarea electrochimică pe oțel inoxidabil duplex învechit arată că potențialul de pitting scade pe măsură ce conținutul sigma crește, regiunea pasivă îngustându-se și devenind în cele din urmă instabilă la fracțiile sigma mai mari.

S-a demonstrat că gropile se nucleează preferenţial în aceste zone epuizate de crom-din jurul particulelor sigma, iar scalele de severitate cu atât cantitatea, cât şi distribuţia sigma prezente - particulele sigma grosiere, concentrate sunt de obicei mai dăunătoare decât aceeași fracțiune de volum fin dispersată. Pe scurt, o componentă poate eșua la un test de coroziune exact în aceeași regiune sudată sau afectată de căldură-, unde ar eșua și la un test de impact.

De ce sudarea pune oțelul inoxidabil duplex la riscul fazei Sigma?

Zona afectată de căldură-de lângă o sudură trece în mod inevitabil prin banda de pericol de 700–950 de grade atât în ​​timpul încălzirii, cât și al răcirii, iar trecerile multiple de sudură sau răcirea lentă între treceri pot acumula suficient timp în acea bandă pentru a precipita faza sigma dăunătoare chiar și atunci când nicio trecere nu pare în mod evident supraîncălzită.

Fiecare trecere de sudare cu arc creează un gradient de temperatură care radiază din bazinul de sudură și undeva de-a lungul acestui gradient, metalul de bază se află pentru scurt timp în intervalul de formare sigma-. Este posibil ca o singură trecere rapidă să nu zăbovească acolo suficient de mult încât să conteze. Sudarea cu mai multe treceri, aportul ridicat de căldură, controlul inadecvat al temperaturii între treceri sau răcirea lentă în secțiuni groase pot prelungi timpul petrecut în banda de pericol cu ​​mult peste ceea ce permite curba TTP a aliajului înainte de apariția conținutului sigma dăunător. Acesta este motivul pentru care procedurile de sudare pentru oțel inoxidabil duplex specifică aportul maxim de căldură, temperatura controlată între treceri și - în multe cazuri - o cerință pentru o răcire rapidă în intervalul critic, mai degrabă decât să lase rata de răcire la voia întâmplării.

Cât de repede formează faza Sigma de fapt - minute sau ore?

La vârful curbei, faza sigma detectabilă poate începe să se formeze în mai puțin de două ore, iar în unele compoziții turnate și puternic aliate, în aproximativ 100 de minute sau mai puțin - suficient de rapid încât o răcire lentă a sudurii sau un tratament termic post-sudură controlat necorespunzător reprezintă un risc real, nu teoretic.

Datele TTP publicate pentru oțelul inoxidabil duplex CD3MN turnat plasează vârful curbei la aproximativ 800 de grade, cu formarea sigma detectabilă începând cu aproximativ 100 de minute de timp de păstrare. Studiile cinetice pe forjat 2205 raportează cea mai rapidă cinetică de transformare la 850 de grade, cu studii de caracterizare completă extinzând timpii de reținere la peste 1.000 de ore pentru a mapa curba completă, inclusiv ratele de formare mult mai lente la marginile benzii de pericol. Implicația practică este asimetrică: cea mai rapidă parte a curbei funcționează pe o scară de timp de aproximativ o oră până la câteva ore, ceea ce se încadrează în intervalul de timp pe care o sudură de-secțiune groasă sau un ciclu de cuptor controlat necorespunzător îl poate petrece trecând prin acel interval de temperatură.

Ce viteză de răcire este necesară după recoacerea soluției pentru a evita faza Sigma?

Viteze de răcire mai mari de aproximativ 0,25 K/s în intervalul de formare sigma-suprimă formarea fazei sigma în timpul răcirii continue de la temperatura de recoacere a soluției-, motiv pentru care stingerea cu apă sau răcirea forțată cu-aer - nu lentă, încă-răcirea cu aer a secțiunilor groase din oțel inoxidabil este o practică {{6} duplex.

Recoacere cu soluție la temperatură înaltă (de obicei peste aproximativ 1000–1050 de grade) dizolvă orice fază sigma existentă și resetează echilibrul feritei-austenitei, dar beneficiul este păstrat numai dacă răcirea ulterioară trece prin intervalul de formare sigma- suficient de repede pentru a preveni noi precipitații. Studiile continue de-răcire-transformare realizate împreună cu datele TTP confirmă că răcirea suficient de rapidă - cu praguri publicate în intervalul de aproximativ un sfert de grad Celsius pe secundă - evită formarea semnificativă de sigma, chiar dacă același material ar forma cu ușurință sigma dacă este ținut izotermic în banda de pericol. Acesta este motivul pentru care componentele duplex cu secțiune groasă-necesită călire agresivă după recoacere cu soluție: masa singură poate încetini viteza de răcire la miezul componentei sub acest prag, chiar și atunci când suprafața se răcește rapid.

Cum este detectată faza Sigma în componentele terminate sau în{0}}serviciul?

Examinarea metalografică cu gravare selectivă rămâne metoda de referință, dar tehnicile nedistructive -, inclusiv metode magnetice și electrochimice care exploatează proprietățile distincte ale fazei sigma față de ferită - sunt din ce în ce mai folosite pentru a verifica componentele fără tăierea probelor.

Metalografie: secțiunile lustruite cu gravatori selectivi dezvăluie morfologia și distribuția fazei sigma în mod direct și rămân standardul pentru cuantificarea definitivă a fracțiilor de volum-.

Testarea de impact: Testarea Charpy este un indicator indirect puternic, deoarece curbele de energie de impact urmăresc îndeaproape conținutul sigma din oțelul inoxidabil duplex învechit.

Metode magnetice și electromagnetice: deoarece faza sigma este ne-magnetică, în timp ce ferita este feromagnetică, formarea acesteia modifică în mod măsurabil răspunsul magnetic al materialului, permițând abordări de screening nedistructive.

Testare electrochimică: polarizarea potențiodinamică poate detecta scăderea potențialului de pitting asociată cu epuizarea cromului și molibdenului legată de sigma-, oferind un ecran indirect, dar sensibil, bazat pe coroziune-.

Pentru componentele fabricate critice, o combinație de abordări -, mai degrabă decât orice test unic -, oferă cea mai fiabilă imagine, deoarece pierderea de duritate, susceptibilitatea la coroziune și conținutul sigma observat direct nu se mișcă întotdeauna în trepte la fracții sigma foarte scăzute.

Ce ar trebui să facă producătorii pentru a preveni fragilizarea fazei Sigma?

Controlați intrarea de căldură și temperatura între treceri în timpul sudării, răciți rapid în intervalul 700-950 de grade după orice expunere la temperatură ridicată-și verificați rezultatul cu teste de impact, în loc să vă bazați doar pe inspecția vizuală.

Specificați și aplicați limitele maxime de temperatură între treceri și aport de căldură în specificația procedurii de sudare, deoarece acestea controlează direct cât timp rămâne zona afectată de căldură-în banda de pericol.

Utilizați răcirea rapidă - stingerea cu apă sau răcirea forțată-aerului, după caz, în funcție de grosimea secțiunii - după recoacere cu soluție sau orice ciclu termic cu temperatură înaltă-, în loc să permiteți răcirea lentă, neliniștită-aerului.

Luați în considerare în mod explicit grosimea secțiunii: componentele groase se răcesc mai lent la miezul lor și pot avea nevoie de o călire mai agresivă pentru a obține aceeași viteză de răcire efectivă ca și secțiunile subțiri.

Solicitați testarea de impact Charpy pe înregistrările de calificare a procedurii și, acolo unde este practic, pe sudurile de producție, deoarece pierderea de duritate este unul dintre cei mai sensibili indicatori ai formării incipiente a sigma.

Acolo unde condițiile de funcționare implică expunere repetată sau prelungită în apropierea benzii de pericol, evaluați în sine selecția aliajului - unele compoziții duplex și strategii de aliere întârzie formarea sigma mai eficient decât altele.

Întrebări frecvente

La ce temperatură se formează faza sigma cel mai rapid în oțelul inoxidabil duplex?

Cele mai publicate studii de timp-temperatura-precipitații plasează cea mai rapidă formare de sigma - „nasul” curbei - în jur de 800–850 de grade , deși valoarea exactă se modifică ușor cu compoziția aliajului.

Cât de mult faza sigma este periculoasă?

Surprinzător de puțin. Mai multe studii raportează pierderi considerabile de duritate din fracțiile sigma în intervalul de aproximativ 1% până la 3% din volum, cu mult înainte ca faza să devină ușor de observat fără examinare metalografică.

Faza sigma afectează rezistența la coroziune sau doar duritatea mecanică?

ambele. Formarea fazei Sigma epuizează cromul și molibdenul din matricea înconjurătoare, ceea ce scade în mod măsurabil potențialul de pitting și crește susceptibilitatea la coroziune intergranulară și pitting, în plus față de reducerea tenacității la impact.

Faza sigma poate fi eliminată odată ce s-a format?

Da, în general, prin recoacere a soluției la temperatură suficient de ridicată (de obicei peste aproximativ 1000–1050 de grade) urmată de răcire rapidă, care dizolvă faza sigma înapoi în matrice și restabilește microstructura echilibrată - cu condiția ca răcirea ulterioară să fie suficient de rapidă pentru a preveni reformarea.

De ce este sudarea cea mai frecventă cauză a fazei sigma în domeniu?

Deoarece zona afectată de căldură-din jurul oricărei sudură trece inevitabil prin intervalul de temperatură de formare sigma-în timpul încălzirii și răcirii, iar sudarea cu mai multe treceri sau aportul de căldură mare poate acumula suficient timp în acest interval pentru a precipita conținutul sigma dăunător.