Fragilització de fase Sigma en acer inoxidable dúplex: corbes de precipitació de temps{0}}Temperatura-

La fase Sigma es forma en acer inoxidable dúplex més ràpid entre aproximadament 700 graus i 900 graus, amb el nas de la corba de precipitació de temps-temperatura-precipitació (TTP) normalment situada al voltant dels 800-850 graus -, el que significa que la banda estreta, no les temperatures més altes o més baixes, és on es produeixen les precipitacions més perjudicials. Una fracció sigma tan petita com entre l'1 i el 3% en volum pot provocar una caiguda severa i desproporcionada de la resistència a l'impacte i la resistència a la corrosió, per la qual cosa controlar el temps passat en aquest interval durant la soldadura i el tractament tèrmic és un requisit estricte de fabricació, no un detall menor del procés.

L'acer inoxidable dúplex guanya la seva reputació - alta resistència i excel·lent resistència al clor - gràcies a una microestructura equilibrada de parts aproximadament iguals d'austenita i ferrita. Aquest equilibri és fràgil a temperatures elevades. Mantinguda massa temps a la finestra de temperatura incorrecta, la fase de ferrita es transforma parcialment en un compost intermetàl·lic anomenat fase sigma, i les propietats més valuoses de l'aliatge es col·lapsen. En aquest article s'explica què és la fase sigma, com és la seva corba de precipitació de temps-temperatura-i què han de fer els fabricants per evitar-ne.

Què és la fase Sigma i per què estabilitza l'acer inoxidable dúplex?

La fase sigma és un compost intermetàl·lic dur i trencadís ric en crom i molibdè que es forma quan la ferrita de l'acer inoxidable dúplex es descompon a una temperatura elevada - i com que elimina el crom i el molibdè de la matriu circumdant, danya alhora la duresa i la resistència a la corrosió.

La fase sigma es forma mitjançant una reacció de tipus eutectoide-en què la ferrita es descompon en fase sigma més austenita secundària. Nuclea preferentment als límits de la fase de ferrita-austenita i als límits del gra de ferrita-- sovint precedits per una fase intermetàl·lica relacionada, que es forma primer als límits de la ferrita-ferrita i després es consumeix a mesura que creix la fase sigma.

Com que la fase sigma és intrínsecament dura i trencadissa, i perquè la seva formació treu el crom i el molibdè fora de la matriu circumdant, crea dos problemes simultàniament: una fase secundària físicament fràgil situada als límits del gra i les regions esgotades de crom/molibdè-al costat que són molt més vulnerables a la corrosió localitzada. Aquest mecanisme de dany dual és el motiu pel qual la fragilitat en fase sigma es tracta com un risc de fabricació crític en lloc d'una curiositat metal·lúrgica cosmètica.

Què mostra una corba de temps-temperatura-precipitació (TTP) per a la fase Sigma?

Una corba TTP representa la temperatura a la qual es manté un aliatge en funció del temps que triga a aparèixer una quantitat determinada de fase sigma, produint una corba característica en forma de C-el "nas" de la qual marca la precipitació més ràpida possible - per a l'acer inoxidable dúplex, que normalment es troba entre 800 i 850 graus.

Els investigadors creen aquestes corbes mantenint mostres recuites de solució-a una sèrie de temperatures fixes i després mesuren quanta fase sigma s'ha format després de diferents temps de retenció, des de minuts fins a més de mil hores. Representada en un eix de temps (escala logarítmica) en funció de la temperatura, la corba resultant s'assembla a una "C" lateral: la precipitació és lenta tant als extrems alts com els baixos del rang de risc, i més ràpida al mig.

Els estudis sobre acer inoxidable dúplex forjat UNS S31803 (2205) han identificat una cinètica màxima de formació sigma-al voltant dels 850 graus, amb treballs TTP publicats que abasten temps de retenció de fins a 1.000 hores i més enllà per caracteritzar completament la corba. El treball independent en graus dúplex de fosa, graus superdúplex i composicions dúplex magres col·loca constantment el nas de la corba en la mateixa banda general de 800-850 graus, tot i que la forma exacta i el temps canvien una mica amb la composició de l'aliatge.

Quin rang de temperatures és més perillós per a la formació de la fase Sigma?

La zona de perill pràctica abasta aproximadament entre 700 i 950 graus en graus dúplex i superdúplex, amb la temperatura més perillosa - la precipitació més ràpida - constantment informada al voltant dels 800-850 graus .

Fora d'aquesta banda, la imatge canvia: per sota d'uns 700 graus, la difusió és prou lenta perquè la formació de sigma es torni molt lenta, tot i que l'exposició prolongada encara ho pot permetre, i un mecanisme de fragilitat per temperatura - 475 separat i més baixa per la descomposició espinodal de la ferrita - és el risc més rellevant. Per sobre d'aproximadament 950-1000 graus, la fase sigma es torna termodinàmicament menys estable i tendeix a dissoldre's de nou a la matriu, que és la base per al recuit de la solució com a tractament tèrmic correctiu.

Quina poca fase de Sigma es necessita per causar un problema?

Una quantitat notablement petita - citada habitualment entre un 1% i un 3% en volum - és suficient per provocar una caiguda considerable i desproporcionada de la resistència a l'impacte, que és el que fa que el control de fase sigma sigui inusualment estricte en comparació amb molts altres defectes metal·lúrgics.

Aquest és el detall que més sorprèn als enginyers nous en l'acer inoxidable dúplex: la fase sigma no necessita acumular una gran fracció abans que esdevingui perillosa. Diversos estudis independents sobre l'acer inoxidable dúplex 2205 informen que els continguts de sigma en els dígits baixos en volum ja són suficients per provocar un col·lapse de duresa marcat, i que les corbes d'energia d'impacte segueixen de prop amb la forma de la corba de precipitació sigma en si - el mateix rang de 800-850 graus que precipita el sigma més ràpid després de l'impacte més baix que produeix la resistència. A mesura que el temps de retenció i el contingut de sigma augmenten encara més, la duresa continua degradant-se, però la caiguda més pronunciada i conseqüent es produeix aviat, a fraccions que una inspecció visual casual es podria perdre fàcilment.

La fase Sigma també fa mal a la resistència a la corrosió o només a la duresa?

Tots dos. La precipitació en fase sigma redueix de manera mesurable el potencial de picadura i augmenta la susceptibilitat a la corrosió intergranular i per picadura, perquè l'esgotament de crom- i molibdè-al voltant de cada partícula sigma soscava la pel·lícula passiva exactament on més es necessita.

La conseqüència de la corrosió se segueix directament de com es forma la fase sigma: a mesura que el crom i el molibdè es difonen a la partícula sigma en creixement, la matriu immediatament circumdant s'esgota localment en els mateixos elements que estabilitzen la pel·lícula d'òxid passiu. Les proves electroquímiques d'acer inoxidable dúplex envellit mostren que el potencial de picat disminueix a mesura que augmenta el contingut de sigma, amb la regió passiva que s'estreny i, finalment, es torna inestable a les fraccions sigma més altes.

S'ha demostrat que les fosses es nucleen preferentment en aquestes -zones esgotades de crom que envolten les partícules sigma, i les escales de gravetat amb la quantitat i la distribució de sigma presents - partícules sigma gruixudes i concentrades solen ser més perjudicials que la mateixa fracció de volum finament dispersa. En resum, un component pot fallar una prova de corrosió exactament a la mateixa regió-soldada o afectada per calor on també fallaria una prova d'impacte.

Per què la soldadura posa l'acer inoxidable dúplex en risc de la fase Sigma?

La zona afectada per la calor-al costat d'una soldadura passa inevitablement a través de la banda de perill de 700 a 950 graus tant durant l'escalfament com durant el refredament, i les múltiples passades de soldadura o el refredament lent entre passades poden acumular prou temps en aquesta banda per precipitar la fase sigma perjudicial fins i tot quan cap passada sembla òbviament sobreescalfada.

Cada passada de soldadura per arc crea un gradient de temperatura que irradia des de la piscina de soldadura i, en algun lloc d'aquest gradient, el metall base es troba breument dins de l'interval de formació sigma-. És possible que una sola passada ràpida no es mantingui allà el temps suficient per importar. La soldadura de múltiples-passes, l'entrada de calor elevada, el control inadequat de la temperatura entre passades o el refredament lent en seccions gruixudes poden allargar el temps passat a la banda de perill molt més enllà del que permet la corba TTP de l'aliatge abans que aparegui el contingut sigma perjudicial. És per això que els procediments de soldadura per a l'acer inoxidable dúplex especifiquen l'entrada de calor màxima, la temperatura entre passades controlada i - en molts casos - un requisit per a un refredament ràpid a través del rang crític, en lloc de deixar la velocitat de refrigeració a l'atzar.

Amb quina rapidesa la fase Sigma forma realment - minuts o hores?

Al nas de la corba, la fase sigma detectable es pot començar a formar en menys de dues hores, i en algunes composicions colades i altament aliades, en uns 100 minuts o menys - prou ràpid com perquè un refredament lent de la soldadura o un tractament tèrmic post-mal controlat sigui un risc real, no teòric.

Les dades TTP publicades per a l'acer inoxidable dúplex CD3MN colat col·loquen el nas de la corba a aproximadament 800 graus amb una formació de sigma detectable que comença al voltant de 100 minuts de temps de retenció. Els estudis cinètics sobre forjat 2205 informen de la cinètica de transformació més ràpida a 850 graus, amb estudis de caracterització completa que estenen els temps de retenció a més de 1.000 hores per mapejar la corba completa, incloses les taxes de formació molt més lentes a les vores de la banda de perill. La implicació pràctica és asimètrica: la part més ràpida de la corba funciona en una escala de temps d'aproximadament una hora a unes poques hores, que està molt dins del temps que pot passar una soldadura de secció gruixuda o un cicle de forn mal controlat passant per aquest interval de temperatura.

Quina velocitat de refrigeració es requereix després del recuit de la solució per evitar la fase Sigma?

S'informa que velocitats de refredament superiors a aproximadament 0,25 K/s a través de l'interval de formació sigma-suprimeixen la formació de fase sigma durant el refredament continu a partir de la temperatura de recuit de la solució-, és per això que l'extinció d'aigua o el refredament per -aire forçat - no és lent, encara que-el refredament per aire de seccions gruixudes - és una pràctica estàndard per a l'acer inoxidable dúplex.

El recuit de la solució a alta temperatura (normalment per sobre d'aproximadament 1000-1050 graus) dissol qualsevol fase sigma existent i restableix l'equilibri de ferrita-austenita, però el benefici només es conserva si el refredament posterior passa per l'interval de formació-sigma amb prou rapidesa per evitar noves precipitacions. Els estudis de transformació de-refrigerament-contínu construïts juntament amb dades de TTP confirmen que un refredament prou ràpid - amb llindars publicats en l'interval d'aproximadament un quart de grau centígrad per segon - evita una formació significativa de sigma tot i que el mateix material formaria fàcilment sigma si es manté isotèrmicament a la banda de perill. És precisament per això que els components dúplex de-secció gruixuda requereixen un apagat agressiu després del recuit de la solució: la massa sola pot reduir la velocitat de refredament al nucli del component per sota d'aquest llindar, fins i tot quan la superfície es refreda ràpidament.

Com es detecta la fase Sigma en components acabats o en{0}}servei?

L'examen metal·logràfic amb gravat selectiu segueix sent el mètode de referència, però les tècniques no destructives -, inclosos els mètodes magnètics i electroquímics que exploten les diferents propietats de la fase sigma de la ferrita - s'utilitzen cada cop més per seleccionar components sense tallar mostres.

Metal·lografia: les seccions polides amb gravats selectius revelen directament la morfologia i la distribució de la fase sigma i segueixen sent l'estàndard per a la quantificació definitiva de fraccions de volum-.

Proves d'impacte: les proves Charpy són un indicador indirecte fort, ja que les corbes d'energia d'impacte segueixen de prop el contingut sigma en acer inoxidable dúplex envellit.

Mètodes magnètics i electromagnètics: com que la fase sigma és no-magnètica mentre que la ferrita és ferromagnètica, la seva formació canvia de manera mesurable la resposta magnètica del material, permetent enfocaments de cribratge no destructius.

Proves electroquímiques: la polarització potenciodinàmica pot detectar la caiguda del potencial de picadura associada a l'esgotament de crom i molibdè relacionat amb sigma-, proporcionant una pantalla indirecta però sensible basada en corrosió-.

Per als components fabricats crítics, una combinació d'enfocaments - en comptes de qualsevol prova única - ofereix la imatge més fiable, ja que la pèrdua de duresa, la susceptibilitat a la corrosió i el contingut sigma observat directament no sempre es mouen en un mateix pas a fraccions sigma molt baixes.

Què haurien de fer els fabricants per evitar la fragilització de la fase Sigma?

Controleu l'entrada de calor i la temperatura d'interpass durant la soldadura, refredeu-vos ràpidament en l'interval de 700 a 950 graus després de qualsevol exposició a altes-temperaturas i verifiqueu el resultat amb proves d'impacte en lloc de confiar només en la inspecció visual.

Especifiqueu i apliqueu els límits màxims de temperatura entre passades i d'entrada de calor a l'especificació del procediment de soldadura, ja que aquests controlen directament quant de temps la zona afectada per la calor-permaneix a la banda de perill.

Utilitzeu un refredament ràpid - extinció d'aigua o un refredament-per aire forçat segons correspongui al gruix de la secció - després del recuit de la solució o qualsevol cicle tèrmic d'alta-temperatura, en comptes de permetre un refredament lent i tranquil-d'aire.

Teniu en compte explícitament el gruix de la secció: els components gruixuts es refreden més lentament al seu nucli i poden necessitar un apagat més agressiu per aconseguir la mateixa velocitat de refrigeració efectiva que les seccions primes.

Exigir proves d'impacte Charpy als registres de qualificació de procediments i, si és pràctic, a les soldadures de producció, ja que la pèrdua de tenacitat és un dels indicadors més sensibles de la formació incipient de sigma.

Quan les condicions de servei impliquin exposició repetida o prolongada a prop de la banda de perill, avalueu la pròpia selecció d'aliatge - algunes composicions dúplex i estratègies d'aliatge retarden la formació de sigma amb més eficàcia que d'altres.

Preguntes freqüents

A quina temperatura es forma la fase sigma més ràpidament a l'acer inoxidable dúplex?

La majoria dels estudis de precipitació de temps-temperatura-publicats situen la formació de sigma més ràpida - el "nas" de la corba - al voltant de 800-850 graus , tot i que el valor exacte canvia lleugerament amb la composició de l'aliatge.

Quanta fase sigma és perillosa?

Sorprenentment poc. Diversos estudis informen d'una pèrdua considerable de duresa de les fraccions sigma en el rang d'aproximadament un 1% a un 3% en volum, molt abans que la fase sigui fàcil de detectar sense un examen metal·logràfic.

La fase sigma afecta la resistència a la corrosió o només la duresa mecànica?

Tots dos. La formació de fase sigma esgota el crom i el molibdè de la matriu circumdant, cosa que redueix de manera mesurable el potencial de picat i augmenta la susceptibilitat a la corrosió intergranular i per picat, a més de reduir la duresa de l'impacte.

Es pot eliminar la fase sigma un cop s'ha format?

Sí, generalment mitjançant el recuit de la solució a una temperatura prou alta (normalment per sobre d'aproximadament 1000-1050 graus) seguit d'un refredament ràpid, que dissol la fase sigma de nou a la matriu i restaura la microestructura equilibrada - sempre que el refredament posterior sigui prou ràpid per evitar la reforma.

Per què la soldadura és la causa més comuna de fase sigma al camp?

Com que la -zona afectada per la calor al voltant de qualsevol soldadura passa inevitablement a través de l'interval de temperatura de formació-sigma durant l'escalfament i el refredament, i la soldadura multi-passada o l'entrada de calor elevada poden acumular prou temps en aquest interval per precipitar un contingut sigma perjudicial.