Sigma faza krtosti u Duplex nehrđajućem čeliku: krivulje vremena-temperature-taloženja

Sigma faza se u dupleksnom nehrđajućem čeliku najbrže formira između otprilike 700 stupnjeva i 900 stupnjeva, s vrhom vremenske-temperaturne-krivulje oborine (TTP) koja se obično nalazi oko 800–850 stupnjeva - što znači da je uski pojas, a ne više ili niže temperature, mjesto gdje dolazi do najbrže, najštetnije taloženje. Sigma frakcija od samo 1–3% po volumenu može uzrokovati ozbiljan, nerazmjeran pad u udarnoj žilavosti i otpornosti na rupičastu koroziju, zbog čega je kontrola vremena provedenog u ovom rasponu tijekom zavarivanja i toplinske obrade strogi zahtjev za proizvodnju, a ne manji detalj procesa.

Duplex nehrđajući čelik stekao je svoju reputaciju - visoke čvrstoće, izvrsne otpornosti na kloride - zbog uravnotežene mikrostrukture približno jednakih dijelova austenita i ferita. Ta je ravnoteža krhka na povišenoj temperaturi. Predugo držana u pogrešnom temperaturnom rasponu, feritna faza se djelomično pretvara u intermetalni spoj koji se naziva sigma faza, a najvrjednija svojstva legure propadaju. Ovaj članak objašnjava što je sigma faza, kako izgleda njena vremenska-temperaturna-krivulja padalina i što proizvođači moraju učiniti da je izbjegnu.

Što je sigma faza i zašto krti dupleks nehrđajući čelik?

Sigma faza je tvrd, krhki intermetalni spoj bogat kromom i molibdenom koji nastaje kada se ferit u dupleks nehrđajućem čeliku raspada na povišenoj temperaturi - i budući da skida krom i molibden s okolne matrice, istovremeno oštećuje i žilavost i otpornost na koroziju.

Sigma faza nastaje reakcijom eutektoidnog-tipa u kojoj se ferit raspada u sigma fazu plus sekundarni austenit. Ponajprije nukleira na granicama ferit-austenitnih faza i feritnih-granica feritnih zrna - kojima često prethodi srodna intermetalna, chi faza, koja se prvo formira na granicama feritnih-ferita, a kasnije se troši kako raste sigma faza.

Budući da je sigma faza suštinski tvrda i lomljiva i budući da njezino formiranje izvlači krom i molibden iz okolne matrice, stvara dva problema istovremeno: fizički lomljivu sekundarnu fazu koja se nalazi na granicama zrna i područja -osiromašena kromom/molibdenom koja su daleko osjetljivija na lokaliziranu koroziju. Ovaj dvostruki mehanizam oštećenja je razlog zašto se krtost sigma faze tretira kao kritični proizvodni rizik, a ne kao kozmetička metalurška zanimljivost.

Što pokazuje krivulja vremena-temperature-oborine (TTP) za sigma fazu?

TTP krivulja iscrtava temperaturu na kojoj se legura drži u odnosu na to koliko je vremena potrebno da se pojavi određena količina sigma faze, stvarajući karakterističnu krivulju u obliku slova C- čiji 'nos' označava najbrže moguće taloženje - za dupleks nehrđajući čelik, taj vrh se obično nalazi oko 800–850 stupnjeva.

Istraživači grade ove krivulje držeći uzorke-otopljene otopinom na nizu fiksnih temperatura, zatim mjereći koliko se sigma faze formiralo nakon različitih vremena držanja, od minuta do više od tisuću sati. Iscrtana na osi vremena (logaritamska skala) u odnosu na temperaturu, dobivena krivulja nalikuje bočnom "C": oborina je spora i na visokom i na niskom kraju raspona rizika, a najbrža u sredini.

Studije o kovanom UNS S31803 (2205) dvostrukom nehrđajućem čeliku identificirale su vršnu kinetiku sigma-formiranja oko 850 stupnjeva, s objavljenim TTP radom koji obuhvaća vremena držanja do i više od 1000 sati kako bi se u potpunosti opisala krivulja. Nezavisni rad na lijevanim dupleks tipovima, super dupleks tipovima i lean duplex sastavima dosljedno postavlja vrh krivulje u isti opći pojas od 800–850 stupnjeva, čak iako se točan oblik i vrijeme donekle pomiču sa sastavom legure.

Koji temperaturni raspon je najopasniji za formiranje sigma faze?

Praktična opasna zona obuhvaća otprilike 700 stupnjeva do 950 stupnjeva za duplex i super duplex stupnjeve, s najopasnijom temperaturom - najbržom oborinom - koja se stalno prijavljuje oko 800–850 stupnjeva.

Izvan ovog pojasa, slika se mijenja: ispod otprilike 700 stupnjeva, difuzija je dovoljno spora da stvaranje sigma postaje vrlo sporo, iako produljena izloženost to još uvijek može dopustiti, a odvojeni, niži-mehanizam krtosti na nižim temperaturama - 475 stupanj krtosti od spinodalne razgradnje ferita - umjesto toga postaje relevantniji rizik. Iznad otprilike 950-1000 stupnjeva, sigma faza postaje termodinamički manje stabilna i nastoji se otopiti natrag u matricu, što je osnova za žarenje otopine kao korektivnu toplinsku obradu.

Koliko je malo sigma faze potrebno da izazove problem?

Izuzetno mala količina - koja se obično navodi kao niska od 1% do 3% po volumenu - je dovoljna da izazove značajan, neproporcionalan pad udarne žilavosti, što čini kontrolu sigma faze neobično strogom u usporedbi s mnogim drugim metalurškim nedostacima.

Ovo je detalj koji najviše iznenađuje inženjere koji se tek upoznaju s dvostranim nehrđajućim čelikom: sigma faza se ne mora nakupiti u velikom udjelu prije nego što postane opasna. Višestruke neovisne studije o dupleks nehrđajućem čeliku 2205 izvješćuju da je sigma sadržaj u niskim jednoznamenkastim znamenkama po volumenu već dovoljan da izazove izrazito kolaps žilavosti i da krivulje energije udarca blisko prate oblik same sigma krivulje taloženja - isti raspon od 800–850 stupnjeva koji najbrže taloži sigmu također je raspon koji proizvodi najnižu udarnu žilavost nakon starenja. Kako se vrijeme zadržavanja i sigma sadržaj dalje povećavaju, žilavost nastavlja opadati, ali najstrmiji, najposljedičniji pad događa se rano, na djelićima koji bi povremeni vizualni pregled lako mogao propustiti.

Šteti li Sigma faza i otpornosti na koroziju ili samo žilavosti?

Oba. Taloženje sigma faze mjerljivo smanjuje potencijal rupičaste korozije i povećava osjetljivost na interkristalnu i rupičastu koroziju, jer smanjenje kroma- i-molibdena-oko svake sigma čestice potkopava pasivni film točno tamo gdje je najpotrebniji.

Posljedica korozije izravno proizlazi iz toga kako nastaje sigma faza: kako krom i molibden difundiraju u rastuću sigma česticu, neposredno okolna matrica postaje lokalno osiromašena u samim elementima koji stabiliziraju pasivni oksidni film. Elektrokemijsko ispitivanje na starom duplex nehrđajućem čeliku pokazuje pad potencijala pittinga kako raste sigma sadržaj, pri čemu se pasivno područje sužava i na kraju postaje nestabilno pri višim sigma frakcijama.

Pokazalo se da jame prvenstveno nukleiraju u tim -zonama osiromašenim kromom koje okružuju sigma čestice, a ljestvice ozbiljnosti s količinom i distribucijom sigma prisutnih - grube, koncentrirane sigma čestice obično su štetnije od iste volumne frakcije fino raspršene. Ukratko, komponenta može pasti na testu korozije u potpuno istom zavarenom ili toplinski-području gdje bi također pala na testu na udar.

Zašto zavarivanje dovodi dupleks nehrđajući čelik u opasnost od sigma faze?

Zona-zahvaćena toplinom pored zavara neizbježno prolazi kroz opasan pojas od 700–950 stupnjeva tijekom zagrijavanja i hlađenja, a višestruki prolazi zavara ili sporo međuprolazno hlađenje mogu akumulirati dovoljno vremena u tom pojasu da precipitiraju štetnu sigma fazu čak i kada niti jedan prolaz ne izgleda očito pregrijan.

Svaki prolaz elektrolučnog zavarivanja stvara temperaturni gradijent koji zrači iz zavarene kupke, a negdje duž tog gradijenta osnovni metal nakratko se nalazi unutar sigma-raspona formiranja. Jedno brzo prolaženje možda neće ostati dovoljno dugo da bi bilo važno. Više{3}}zavarivanje, veliki unos topline, neadekvatna kontrola međuprolazne temperature ili sporo hlađenje u debelim presjecima mogu produžiti vrijeme provedeno u opasnom pojasu daleko iznad onoga što dopušta TTP krivulja legure prije nego što se pojavi štetan sigma sadržaj. Zbog toga postupci zavarivanja dupleksnog nehrđajućeg čelika određuju maksimalni unos topline, kontroliranu međuprolaznu temperaturu i - u mnogim slučajevima - zahtjev za brzim hlađenjem kroz kritični raspon, umjesto da brzinu hlađenja prepuštaju slučaju.

Koliko brzo se sigma faza zapravo formira - minuta ili sati?

Na vrhu krivulje, detektabilna sigma faza može se početi formirati za manje od dva sata, a u nekim lijevanim i visokolegiranim sastavima, unutar otprilike 100 minuta ili manje - dovoljno brzo da sporo hlađenje zavara ili nepropisno kontrolirana toplinska obrada nakon-zavarivanja predstavlja stvarni, a ne teoretski rizik.

Objavljeni TTP podaci za lijevani CD3MN duplex nehrđajući čelik postavljaju vrh krivulje na približno 800 stupnjeva s vidljivim sigma formiranjem koje počinje oko 100 minuta vremena zadržavanja. Kinetičke studije na kovanom 2205 izvješćuju o najbržoj kinetici transformacije na 850 stupnjeva, s potpunim studijama karakterizacije koje produljuju vrijeme zadržavanja na više od 1000 sati za mapiranje kompletne krivulje, uključujući mnogo sporije stope formiranja na rubovima opasnog pojasa. Praktična implikacija je asimetrična: najbrži dio krivulje radi na vremenskoj skali od otprilike jednog sata do nekoliko sati, što je prilično unutar vremena koje zavareni -deblji presjek ili nepropisno kontrolirani ciklus peći mogu provesti prolazeći kroz taj temperaturni raspon.

Koja je brzina hlađenja potrebna nakon žarenja otopine da bi se izbjegla sigma faza?

Prijavljeno je da brzine hlađenja veće od otprilike 0,25 K/s kroz sigma-raspon formiranja potiskuju stvaranje sigma faze tijekom kontinuiranog hlađenja od temperature-žarenja u otopini, zbog čega je kaljenje vodom ili prisilno{3}}hlađenje zrakom - ne sporo, još uvijek-hlađenje zrakom debelih presjeka - standardna praksa za dupleks nehrđajući čelik.

Žarenje u otopini na visokoj temperaturi (obično iznad otprilike 1000–1050 stupnjeva) otapa bilo koju postojeću sigma fazu i poništava ravnotežu austenit-ferita, no korist je sačuvana samo ako naknadno hlađenje prođe kroz raspon sigma-formiranja dovoljno brzo da spriječi novo taloženje. Kontinuirano -hlađenje-studije transformacije izgrađene zajedno s TTP podacima potvrđuju da dovoljno brzo hlađenje - s objavljenim pragovima u rasponu od otprilike četvrtine stupnja Celzijusa u sekundi - izbjegava značajno stvaranje sigme iako bi isti materijal lako formirao sigmu ako se drži izotermno u opasnom pojasu. To je upravo razlog zašto dupleks komponente debelog{10}}presjeka zahtijevaju agresivno kaljenje nakon žarenja u otopini: sama masa može usporiti brzinu hlađenja u jezgri komponente ispod ovog praga čak i kada se površina brzo hladi.

Kako se otkriva Sigma faza u gotovim ili-komponentama u upotrebi?

Metalografsko ispitivanje sa selektivnim jetkanjem ostaje referentna metoda, ali se nedestruktivne tehnike - uključujući magnetske i elektrokemijske metode koje iskorištavaju različita svojstva sigma faze od ferita - sve više koriste za pregled komponenti bez rezanja uzoraka.

Metalografija: polirani presjeci sa selektivnim jetkanjem izravno otkrivaju morfologiju i distribuciju sigma faze i ostaju standard za konačnu kvantifikaciju volumenskih-frakcija.

Ispitivanje udarom: Charpyjevo ispitivanje snažan je neizravan pokazatelj, budući da krivulje energije udara pomno prate sigma sadržaj u starom dupleks nehrđajućem čeliku.

Magnetske i elektromagnetske metode: budući da sigma faza nije-magnetična dok je ferit feromagnetičan, njegovo formiranje mjerljivo mijenja magnetski odgovor materijala, omogućujući pristupe nedestruktivnog pregleda.

Elektrokemijsko ispitivanje: potenciodinamička polarizacija može detektirati pad potencijala pitinga povezan sa sigma-deplecijom kroma i molibdena, pružajući neizravan, ali osjetljiv-zaslon temeljen na koroziji.

Za kritične proizvedene komponente, kombinacija pristupa - umjesto bilo kojeg pojedinačnog testa - daje najpouzdaniju sliku, budući da gubitak žilavosti, osjetljivost na koroziju i izravno promatrani sigma sadržaj ne kreću se uvijek u korak s vrlo niskim sigma frakcijama.

Što proizvođači trebaju učiniti kako bi spriječili krtost u sigma fazi?

Kontrolirajte ulaz topline i međuprolaznu temperaturu tijekom zavarivanja, brzo ohladite u rasponu od 700–950 stupnjeva nakon izlaganja visokoj-temperaturi i provjerite rezultat ispitivanjem udarca umjesto da se oslanjate samo na vizualni pregled.

Odredite i nametnite maksimalnu međuprolaznu temperaturu i ograničenja unosa topline u specifikaciji postupka zavarivanja, budući da oni izravno kontroliraju koliko dugo se zona pod utjecajem topline zadržava u opasnom pojasu.

Koristite brzo hlađenje - gašenje vodom ili prisilno-zračno hlađenje prema debljini presjeka - nakon žarenja u otopini ili bilo kojeg toplinskog ciklusa visoke-temperature, umjesto da dopustite sporo, mirno-hlađenje zrakom.

Izričito uzmite u obzir debljinu presjeka: debele komponente sporije se hlade u svojoj jezgri i možda će trebati agresivnije kaljenje kako bi se postigla ista učinkovita brzina hlađenja kao i tanki dijelovi.

Zahtijevati Charpyjevo ispitivanje udarom na evidenciji o kvalifikaciji postupka i, gdje je praktično, na proizvodnim zavarima, budući da je gubitak žilavosti jedan od najosjetljivijih pokazatelja početnog stvaranja sigma.

Tamo gdje radni uvjeti uključuju ponovljeno ili produljeno izlaganje blizu opasnog pojasa, procijenite sam odabir legure - neki dvostruki sastavi i strategije legiranja odgađaju stvaranje sigma učinkovitije od drugih.

Često postavljana pitanja

Na kojoj se temperaturi sigma faza najbrže formira u dupleks nehrđajućem čeliku?

Većina objavljenih studija vremena-temperature-oborine postavlja najbrže stvaranje sigme - 'nos' krivulje - oko 800-850 stupnjeva, iako se točna vrijednost malo pomiče sa sastavom legure.

Koliko je sigma faza opasna?

Iznenađujuće malo. Višestruke studije izvješćuju o značajnom gubitku žilavosti od sigma frakcija u rasponu od otprilike 1% do 3% po volumenu, mnogo prije nego što fazu postane lako uočiti bez metalografskog ispitivanja.

Utječe li sigma faza na otpornost na koroziju ili samo na mehaničku žilavost?

Oba. Formiranje sigma faze iscrpljuje krom i molibden iz okolne matrice, što mjerljivo smanjuje potencijal rupičaste korozije i povećava osjetljivost na interkristalnu i rupičastu koroziju, uz smanjenje udarne žilavosti.

Može li se sigma faza ukloniti nakon što se formira?

Da, općenito putem žarenja u otopini na dovoljno visokoj temperaturi (obično iznad otprilike 1000-1050 stupnjeva ) nakon čega slijedi brzo hlađenje, koje otapa sigma fazu natrag u matricu i vraća uravnoteženu mikrostrukturu - pod uvjetom da je naknadno hlađenje dovoljno brzo da spriječi reformaciju.

Zašto je zavarivanje najčešći uzrok sigma faze na terenu?

Budući da zona-zahvaćene toplinom oko bilo kojeg zavara neizbježno prolazi kroz sigma{1}}temperaturni raspon formiranja tijekom zagrijavanja i hlađenja, a više-zavarivanje ili veliki unos topline mogu akumulirati dovoljno vremena u tom rasponu da precipitiraju štetni sigma sadržaj.