Сигма фаза на крехкост в дуплексна неръждаема стомана: време-температура-криви на утаяване

Сигма фазата се формира в дуплексна неръждаема стомана най-бързо между приблизително 700 градуса и 900 градуса, като носът на кривата на времето-температура-утаяване (TTP) обикновено се намира около 800–850 градуса -, което означава, че тясната лента, а не по-високите или по-ниските температури, е мястото, където се случва най-бързото и най-вредно утаяване. Сигма фракция, малка като 1–3% по обем, може да причини сериозен, непропорционален спад в якостта на удар и устойчивостта на точкова корозия, поради което контролирането на времето, прекарано в този диапазон по време на заваряване и топлинна обработка, е строго изискване за производство, а не незначителен детайл от процеса.

Дуплексната неръждаема стомана печели репутацията си - с висока якост, отлична устойчивост на хлорид - от балансирана микроструктура от приблизително равни части аустенит и ферит. Този баланс е крехък при повишена температура. Задържана твърде дълго в грешен температурен прозорец, феритната фаза частично се трансформира в интерметално съединение, наречено сигма фаза, и най-ценните свойства на сплавта се сриват. Тази статия обяснява какво представлява сигма фазата, как изглежда нейната времева-температурна-крива на утаяване и какво трябва да направят производителите, за да не я правят.

Какво е сигма фаза и защо прави крехка дуплексна неръждаема стомана?

Сигма фазата е твърдо, крехко интерметално съединение, богато на хром и молибден, което се образува, когато феритът в дуплексната неръждаема стомана се разлага при повишена температура - и тъй като отделя хром и молибден от заобикалящата матрица, уврежда едновременно здравината и устойчивостта на корозия.

Сигма фазата се образува чрез реакция от евтектоиден -тип, при която феритът се разлага на сигма фаза плюс вторичен аустенит. Заражда се за предпочитане при границите на ферит-аустенитната фаза и феритните-граници на феритните зърна -, често предшествани от свързана интерметална, чи фаза, която се образува първо при феритните-феритни граници и по-късно се изразходва с нарастването на сигма фазата.

Тъй като сигма фазата е присъщо твърда и крехка и тъй като нейното образуване изтегля хром и молибден от заобикалящата матрица, тя създава два проблема едновременно: физически крехка вторична фаза, разположена по границите на зърната, и бедни на хром/молибден-области до нея, които са много по-уязвими на локализирана корозия. Този механизъм за двойно увреждане е причината крехкостта на сигма фазата да се третира като критичен производствен риск, а не като козметичен металургичен любопитство.

Какво показва кривата на време-температура-валеж (TTP) за сигма фаза?

TTP крива начертава температурата, при която се поддържа дадена сплав, спрямо това колко време е необходимо, за да се появи дадено количество сигма фаза, създавайки характерна C-образна крива, чийто „нос“ маркира възможно най-бързото утаяване - за дуплексна неръждаема стомана, този нос обикновено е около 800–850 градуса.

Изследователите изграждат тези криви, като държат образци,-закалени с разтвор при поредица от фиксирани температури, след което измерват колко сигма фаза се е образувала след различни времена на задържане, от минути до над хиляда часа. Начертана на времева (логаритмична скала) спрямо оста на температурата, получената крива прилича на странично "C": валежите са бавни както при високия, така и при ниския край на рисковия диапазон и най-бързи в средата.

Проучвания върху кована дуплексна неръждаема стомана UNS S31803 (2205) идентифицираха пикова кинетика на сигма-формиране около 850 градуса, като публикуваната работа на TTP обхваща времена на задържане до и след 1000 часа, за да се характеризира напълно кривата. Самостоятелната работа върху лети дуплексни класове, супер дуплексни класове и слаби дуплексни композиции последователно поставя носа на кривата в същата обща лента от 800–850 градуса, въпреки че точната форма и времето се променят донякъде със състава на сплавта.

Какъв температурен диапазон е най-опасен за образуване на сигма фаза?

Практическата опасна зона обхваща приблизително 700 градуса до 950 градуса за дуплексни и супер дуплексни степени, като единствената най-опасна температура - най-бързият валеж - постоянно се отчита около 800–850 градуса.

Извън тази лента картината се променя: под приблизително 700 градуса дифузията е достатъчно бавна, така че образуването на сигма става много бавно, въпреки че продължителната експозиция все още може да го позволи, а отделен, по-ниско-температурен механизъм за крехкост - 475 степен на крехкост от спинодално разлагане на ферита - вместо това става по-релевантният риск. Над приблизително 950–1000 градуса, сигма фазата става термодинамично по-малко стабилна и има тенденция да се разтваря обратно в матрицата, което е основата за отгряване на разтвора като коригираща термична обработка.

Колко малка сигма фаза е необходима, за да причини проблем?

Забележително малко количество -, обикновено цитирано от 1% до 3% по обем -, е достатъчно, за да причини значителен, непропорционален спад в якостта на удар, което прави контрола на сигма фазата необичайно строг в сравнение с много други металургични дефекти.

Това е детайлът, който най-много изненадва инженерите, които са нови за дуплексната неръждаема стомана: сигма фазата не трябва да се натрупва в голяма част, преди да стане опасна. Множество независими проучвания върху дуплексна неръждаема стомана 2205 съобщават, че съдържанието на сигма в ниските едноцифрени цифри по обем вече е достатъчно, за да предизвика подчертано сриване на якостта и че кривите на енергията на удара следват тясно формата на самата крива на сигма утаяване - същият диапазон от 800–850 градуса, който най-бързо утаява сигма, също е диапазонът, който произвежда най-ниската якост на удар след стареене. Тъй като времето на задържане и сигма съдържанието се увеличават допълнително, якостта продължава да се влошава, но най-стръмното, най-последователно спадане се случва рано, на части случайна визуална проверка може лесно да бъде пропусната.

Сигма фазата също вреди ли на устойчивостта на корозия или само на здравината?

И двете. Утаяването на сигма фаза измеримо понижава потенциала за питинг и повишава чувствителността към междукристална и питинг корозия, тъй като изчерпването на хром- и молибден-около всяка сигма частица подкопава пасивния филм точно там, където е най-необходим.

Последиците от корозия следват пряко от това как се образува сигма фазата: тъй като хромът и молибденът дифундират в нарастващата сигма частица, непосредствено заобикалящата матрица се изчерпва локално в самите елементи, които стабилизират пасивния оксиден филм. Електрохимичните тестове върху остаряла дуплексна неръждаема стомана показват спад на потенциала на питинг с повишаване на сигма съдържанието, като пасивната област се стеснява и в крайна сметка става нестабилна при по-високи сигма фракции.

Доказано е, че ямките се зараждат предимно в тези зони с-изчерпване на хром, заобикалящи сигма частиците, и скалите на сериозност както с количеството, така и с разпределението на присъстващите сигма - груби, концентрирани сигма частици обикновено са по-вредни от същата обемна фракция, фино диспергирана. Накратко, даден компонент може да се провали при тест за корозия в точно същата заварена или термично-засегната област, където също не би издържал тест за удар.

Защо заваряването излага дуплексната неръждаема стомана на риск от сигма фаза?

Зоната-засегната от топлина до заваръчния шев неизбежно преминава през опасната лента от 700–950 градуса както по време на нагряване, така и по време на охлаждане, а многократните заваръчни проходи или бавното междупроходно охлаждане могат да натрупат достатъчно време в тази лента, за да предизвикат увреждаща сигма фаза, дори когато нито един проход не изглежда очевидно прегрят.

Всяко преминаване на електродъгово заваряване създава температурен градиент, излъчващ се от заваръчната вана, и някъде по протежение на този градиент основният метал за кратко остава в диапазона на сигма-образуване. Едно бързо преминаване може да не се задържи там достатъчно дълго, за да има значение. Много{3}}заваряването, високото внасяне на топлина, неадекватният контрол на температурата между проходите или бавното охлаждане в дебели участъци могат да удължат времето, прекарано в опасната лента, далеч над това, което позволява кривата на TTP на сплавта, преди да се появи вредното сигма съдържание. Ето защо процедурите за заваряване на дуплексна неръждаема стомана уточняват максимална входяща топлина, контролирана междупроходна температура и - в много случаи - изискване за бързо охлаждане през критичния диапазон, вместо да оставят скоростта на охлаждане на случайността.

Колко бързо всъщност се образува сигма фазата - минути или часове?

В горната част на кривата откриваемата сигма фаза може да започне да се образува за доста по-малко от два часа, а в някои отливки и високолегирани състави, в рамките на приблизително 100 минути или по-малко - достатъчно бързо, че бавното охлаждане на заваръчния шев или неправилно контролираната термична обработка след-заваряване е реален, а не теоретичен риск.

Публикуваните данни за TTP за лята CD3MN дуплексна неръждаема стомана поставят върха на кривата на приблизително 800 градуса с откриваемо образуване на сигма, започващо около 100 минути време на задържане. Кинетичните изследвания на ковано 2205 съобщават за най-бързата кинетика на трансформация при 850 градуса, с пълни проучвания за характеризиране, които удължават времето на задържане до над 1000 часа, за да картографират пълната крива, включително много по-бавните скорости на образуване в краищата на опасната лента. Практическото значение е асиметрично: най-бързата част от кривата работи във времева скала от приблизително един час до няколко часа, което е доста в рамките на времето, което може да прекара дебел-заваръчен профил или неправилно контролиран цикъл на пещ, преминавайки през този температурен диапазон.

Каква скорост на охлаждане е необходима след отгряване на разтвора, за да се избегне сигма фаза?

Съобщава се, че скоростите на охлаждане, по-бързи от приблизително 0,25 K/s през сигма-обхвата на образуване, потискат образуването на сигма фаза по време на непрекъснато охлаждане от температурата на-отгряване в разтвор, поради което закаляването с вода или принудителното{3}}въздушно охлаждане - не е бавно, все още-въздушно охлаждане на дебели профили - е стандартна практика за дуплексна неръждаема стомана.

Отгряването на разтвора при висока температура (обикновено над приблизително 1000–1050 градуса) разтваря всяка съществуваща сигма фаза и нулира баланса на аустенит-ферита, но ползата се запазва само ако последващото охлаждане преминава през обхвата на сигма-образуване достатъчно бързо, за да се предотврати ново утаяване. Непрекъснато{5}}охлаждане-проучвания за трансформация, изградени заедно с данни от TTP, потвърждават, че достатъчно бързото охлаждане - с публикувани прагове в диапазона от приблизително четвърт градус Целзий за секунда - избягва значимо образуване на сигма, въпреки че същият материал лесно би образувал сигма, ако се държи изотермично в опасната зона. Ето защо дуплексните-компоненти с дебела секция изискват агресивно охлаждане след отгряване в разтвор: масата сама по себе си може да забави скоростта на охлаждане в сърцевината на компонента под този праг, дори когато повърхността се охлажда бързо.

Как се открива фазата на Sigma в завършени или-компоненти в експлоатация?

Металографското изследване със селективно ецване остава референтният метод, но неразрушителните техники -, включително магнитни и електрохимични методи, които използват отличителните свойства на сигма фазата от ферит -, все повече се използват за скриниране на компоненти без изрязване на проби.

Металография: полирани срезове със селективни ецващи средства разкриват директно морфологията и разпределението на сигма фазата и остават стандарт за окончателно количествено определяне на обемните-фракции.

Тестване на удар: Тестването на Шарпи е силен индиректен индикатор, тъй като кривите на енергията на удара проследяват внимателно съдържанието на сигма в остаряла дуплексна неръждаема стомана.

Магнитни и електромагнитни методи: тъй като сигма фазата не е -магнитна, докато феритът е феромагнитен, образуването му измеримо променя магнитния отговор на материала, позволявайки подходи за неразрушително скриниране.

Електрохимично изпитване: потенциодинамичната поляризация може да открие спада в потенциала на питинг, свързан със сигма{0}}свързаното изчерпване на хром и молибден, осигурявайки индиректен, но чувствителен корозионен-екран.

За критични произведени компоненти, комбинация от подходи -, а не всеки отделен тест - дава най-надеждната картина, тъй като загубата на якост, податливостта на корозия и пряко наблюдаваното сигма съдържание не винаги се движат в синхрон при много ниски сигма фракции.

Какво трябва да направят производителите, за да предотвратят крехкостта на сигма фазата?

Контролирайте входящата топлина и междупроходната температура по време на заваряване, охлаждайте бързо в диапазона от 700–950 градуса след всяко излагане на висока-температура и проверете резултата с изпитване на удар, вместо да разчитате само на визуална проверка.

Посочете и наложете границите на максималната междинна температура и входящата топлина в спецификацията на процедурата за заваряване, тъй като те директно контролират колко време зоната, засегната от топлина-, остава в опасната лента.

Използвайте бързо охлаждане - водно охлаждане или принудително-охлаждане с въздух, както е подходящо за дебелината на сечението - след отгряване на разтвора или който и да е термичен цикъл с висока-температура, вместо да позволявате бавно, неподвижно-въздушно охлаждане.

Отчитайте изрично дебелината на секцията: дебелите компоненти се охлаждат по-бавно в сърцевината си и може да се нуждаят от по-агресивно охлаждане, за да постигнат същата ефективна скорост на охлаждане като тънките секции.

Изисквайте изпитване на удар на Шарпи върху записите за квалификация на процедурата и, когато е практично, върху производствените заварки, тъй като загубата на якост е един от най-чувствителните индикатори за начално образуване на сигма.

Когато работните условия включват многократно или продължително излагане близо до опасната лента, оценете самия избор на сплав - някои дуплексни състави и стратегии за легиране забавят образуването на сигма по-ефективно от други.

Често задавани въпроси

При каква температура сигма фазата се образува най-бързо в дуплексна неръждаема стомана?

Повечето публикувани проучвания за време-температура-валежи определят най-бързото образуване на сигма - „носа“ на кривата - около 800–850 градуса, въпреки че точната стойност леко се измества със състава на сплавта.

Колко сигма фаза е опасна?

Изненадващо малко. Множество проучвания съобщават за значителна загуба на якост от сигма фракции в диапазона от приблизително 1% до 3% по обем, много преди фазата да стане лесна за забелязване без металографско изследване.

Сигма фазата влияе ли на устойчивостта на корозия или само на механичната издръжливост?

И двете. Образуването на сигма фаза изчерпва хрома и молибдена от заобикалящата матрица, което измеримо понижава потенциала на питинг и повишава податливостта на междукристална и питинг корозия, в допълнение към намаляването на ударната якост.

Може ли сигма фазата да бъде премахната, след като се образува?

Да, обикновено чрез отгряване в разтвор при достатъчно висока температура (обикновено над приблизително 1000–1050 градуса), последвано от бързо охлаждане, което разтваря сигма фазата обратно в матрицата и възстановява балансираната микроструктура -, при условие че последващото охлаждане е достатъчно бързо, за да предотврати реформирането.

Защо заваряването е най-честата причина за сигма фаза в областта?

Тъй като засегнатата-засегната от топлина зона около всяка заварка неизбежно преминава през сигма{1}}температурния диапазон на образуване по време на нагряване и охлаждане, а много-заваряването или високото подаване на топлина може да натрупа достатъчно време в този диапазон, за да утаи вредното сигма съдържание.