Дуплекс микроструктура од нерђајућег челика: 50/50 аустенит-Уравнотеженост ферита и утицај на својства

Дуплексни нерђајући челици су добили име по микроструктури која садржи две различите кристалне фазе - аустенит и ферит - повезане заједно у приближно једнакој пропорцији. Ово није козметички детаљ. Фазни баланс је једина варијабла која одређује да ли дуплекс цев, фитинг или ковање испоручују обећање високе чврстоће у комбинацији са одличном отпорношћу на хлоридну корозију, или уместо тога прерано отказују због кртљења, пуцања или неочекиване корозије.

Овај чланак објашњава како је равнотежа 50/50 пројектована, како се проверава и како тачно обликује механичке и корозионе перформансе на које се ослањају инжењери набавке и дизајна.

Који је идеални однос аустенита{0}}ферита у дуплекс нерђајућем челику?

Металуршки циљ је номинална структура од 50% аустенита / 50% ферита, са комерцијалним спецификацијама које прихватају практичан радни оквир од отприлике 35-65% ферита по запремини.

Дуплекс класе су легиране тако да се, при типичним температурама обраде и рада, термодинамички стабилна структура дели скоро равномерно између -центрираног-кубног (БЦЦ) ферита и-центрираног на лице-кубног (ФЦЦ) аустенита. Ниједна фаза сама по себи не би произвела својство скупа дуплекс челика по којем је познат. Ферит доприноси високој граници течења и отпорности на пуцање корозијом под напоном хлоридом, али је сам по себи склон кртости на ниским{6}}температурама и смањеној жилавости. Аустенит доприноси дуктилности, жилавости и заварљивости, али сам по себи има отприлике упола мању границу течења и подложнији је СЦЦ-индукованом хлоридом. Мешање две фазе у скоро{10}}једнаким фракцијама запремине омогућава свакој да надокнади слабости друге, што је цео комерцијални разлог за одређивање дуплексног квалитета у односу на алтернативу једне{11}}фазе.

Сертификати за млевење и спецификације куповине за дуплекс 2205 (УНС С32205/С31803) обично захтевају 35-65% ферита, док леан дуплек и супер дуплек разреди имају сопствене квалификоване опсеге према АСТМ А923 и применљивом стандарду производа. Очитавање према било којој крајности прихваћеног опсега је још увек „у спецификацији“, али мерљиво помера профил својства према карактеристикама једне фазе, због чега купци који процењују конзистентност топлоте{7}}загревања треба да траже стварни феритни број, а не само пролаз/неуспех у односу на опсег.

Како настаје дуплекс микроструктура током очвршћавања и хлађења?

Дуплекс челик се учвршћује као 100% ферит; аустенит се појављује тек касније, ствара се језгро и расте са граница зрна ферита како се материјал хлади на отприлике 1000-1300 степени.

Овај пут очвршћавања је металуршки разлог зашто се дуплекс челик понаша тако другачије од аустенитних класа, који се делимично или у потпуности очвршћавају као аустенит од самог почетка. Како се растопљени дуплекс челик хлади испод свог солидуса, он формира једнофазну феритну структуру-. Континуирано хлађење кроз феритно-плус-аустенит двофазно поље- дозвољава аустениту да се таложи на границама зрна ферита, а затим да расте према унутра као Видманштетенове летве и интрагрануларна острва. Брзина хлађења кроз овај трансформациони прозор директно одређује колико се аустенита формира пре него што се структура закључа даљим хлађењем или процесом гашења.

Пошто је ова трансформација дифузно-контролисана, хлађење пребрзо кроз критични опсег (што се може десити у танким пресецима, цевима малог-пречника или у зони под утицајем топлоте-у току заваривања) не оставља довољно времена да аустенит настане и расте, што доводи до} структуре богате феритом{3}. Преспоро хлађење или предуго задржавање на погрешној температури може дозволити формирање вишка аустенита или таложење штетних интерметалних фаза као што је сигма фаза, о чему ће се даље говорити. Путеви обраде у млину - топло ваљање, жарење раствором и гашење водом - су намерно секвенцирани да би се контролисала ова трансформација и закључао циљни баланс пре него што производ стигне до купца.

Извор: АСТМ А923-21, Стандардне методе испитивања за откривање штетне интерметалне фазе у кованим дуплексним аустенитним/феритним нерђајућим челицима

Зашто је азот примарна полуга за контролу фазног баланса?

Азот је јак стабилизатор аустенита, а модерни дуплекс типови су намерно легирани са 0,14-0,32% азота посебно да би се одржала равнотежа фаза близу 50/50 и да би се подигла температура на којој се формирају штетни интерметали.

Легирајући елементи се неравномерно деле између две фазе. Хром и молибден су феритни стабилизатори и концентришу се првенствено у феритној фази; никл и азот су стабилизатори аустенита и концентрат у аустенитној фази. Азот је неуобичајен међу њима по томе што је и моћан стабилизатор аустенита и чврсти-ојачавач раствора са веома високом дифузијом, што значи да убрзава формирање аустенита током хлађења, а не да само чини аустенит термодинамички фаворизованим.

Овај двоструки ефекат је разлог зашто је прелазак са прве{0}}дуплексне класе (ниски азот) на модерне класе азота-побољшаних као што је 2205 био велики металуршки напредак: додаци азота су проширили практичан прозор-брзине хлађења преко којег се равнотежа 50/50 и даље може постићи- да би се постигао бољи температурни ниво{1} како би се постигао бољи температурни ниво6} циклуса.

Азот такође подиже температуру на којој хром и молибден дифундују у феритну фазу да би формирали крхка интерметална једињења (сигма и цхи фаза), ефективно купујући додатну термичку маргину током заваривања и топлоте обраде. Ово је други, независан разлог зашто је садржај азота специфициран и верификован на свакој дуплекс топлоти, поред његове улоге у фазној равнотежи.

Извор: АСТМ А240/А240М, Стандардна спецификација за хром и хром-Никл плоча, лим и трака од нерђајућег челика за посуде под притиском

Које решење{0}}параметри жарења одржавају равнотежу 50/50?

Дуплек 2205 је раствор-жаљен у опсегу од 1020-1100 степени и одмах угашен водом-; и температура и брзина гашења су варијабле које носе оптерећење, а не погодности процеса.

Жарење раствора се изводи на температури која је довољно висока да се раствори било који интерметални преципитат и поново-успостави циљни однос ферита-аустенита, а затим следи брзо гашење да би се тај однос замрзнуо на месту пре него што структура може да се помери током спорог хлађења. Пошто се фракција ферита повећава са температуром жарења унутар квалификованог опсега, млинови чврсто контролишу температуру пећи - замах од чак 20-30 степени може да помери садржај ферита за неколико процентних поена.

Дебљина пресека је такође битна: тешка-зидна цев и отковци се спорије хладе у језгру од танке плоче, тако да млинови прилагођавају интензитет гашења водом-(гашење распршивањем, резервоари са мешањем) да би задржали адекватну брзину хлађења кроз цео попречни- пресек, а не само површину.

Споро или прекинуто хлађење до 700-900 степени је посебна опасна зона за таложење сигма-фазе, интерметално једињење које се брзо формира на овим температурама и озбиљно деградира и жилавост и отпорност на корозију чак и у малим количинама. Због тога -зажарен дуплекс производ мора да се угаси, а не да се хлади ваздухом-, и зашто се свако накнадно излагање топлоти у овом опсегу - укључујући лоше обављену поправку завара или неконтролисани циклус отклањања напона{7}} – третира као металуршки ризик, а не као рутински процес.

Шта се дешава када се фазни баланс помери са 50/50?

Вишак ферита умањује жилавост и заварљивост за снагу и отпорност на СЦЦ; вишак аустенита умањује снагу и отпорност на удубљење ради дуктилности и жилавости - ни један екстрем не даје избалансиране перформансе за које је одређена класа.

Пошто се хром, молибден и азот неравномерно деле између две фазе, промена у фракцији фазе је такође промена у локалној хемији сваке фазе, а самим тим и њених појединачних својстава, што доприноси ефекту. Практичне последице одступања од квалификованог опсега су сумиране у наставку.

Извор: ИМОА Працтицал Гуиделинес фор тхе Фабрицатион оф Дуплек Стаинлесс Стеелс; АСТМ А923-21

Како се фазни баланс претвара у механичка својства?

Правилно избалансирана дуплекс структура даје отприлике дупло већу минималну границу течења од стандардног аустенитног нерђајућег челика уз упоредиву или бољу дуктилност, омогућавајући тање пресеке са еквивалентним притиском.

Механизам јачања је једноставан: сам ферит је инхерентно јачи од аустенита у нерђајућим композицијама, а фино-зрнаста, међусобно везана двофазна структура додаје додатно јачање на границама фаза изнад онога што би било која фаза показала сама. Табела испод упоређује минимална својства АСТМ А240 за дуплекс 2205 са 316Л аустенитним нерђајућим и супер дуплексом 2507.

Извор: АСТМ А240/А240М и АСТМ А789/А789М минимални захтеви за механичка својства

Како равнотежа фаза утиче на отпорност на корозију?

Пошто се легирајући елементи неравномерно деле између две фазе, отпорност на корозију дуплекс челика зависи од тога да обе фазе независно достигну адекватан ниво отпорности-отпорности -, уравнотежена структура обезбеђује да ниједна фаза не постане слаба карика.

Хром и молибден, два елемента која су најодговорнија за отпорност на таложење, оба фаворизују феритну фазу, док азот - такође има јак допринос отпорности на тому-допринос - аустенита. Добро-дизајниран дуплекс састав је избалансиран тако да свака фаза појединачно достигне адекватан број еквивалентног отпора на точење (ПРЕН=%Цр + 3.3×%Мо + 16×%Н), уместо да се ослања на велики масовни-просечни ПРЕН који маскира локално слабу фазу. Због тога је садржај азота одређен као опсег, а не само као минимум: премало азота оставља аустенитну фазу недовољно-легираном за отпорност на тому чак и ако је феритна фаза добро заштићена.

Потпуно поређење избора квалитета заснованог на ПРЕН-у за услуге хлорида и морске воде покривено је у ЕЕТА-ином супер дуплексном чланку С32750 наспрам С32760 и 254СМО поређењу морске воде; оба објашњавају како се формула ПРЕН протеже даље од дуплексних оцена до супер-аустенитних алтернатива.

Извор: ПРЕН формула по НАЦЕ/АСТМ заједничкој индустријској конвенцији; АСТМ А240/А789 границе хемијског састава

Како се проверава фазни баланс у производњи и квалитету?

Садржај ферита и одсуство штетних интерметалика се верификује мерењем магнетним ферископом за рутински КЦ и металографским бројањем тачака или анализом слике за судијско и квалификационо тестирање, регулисано АСТМ А923 и АСТМ Е562/Е1245.

АСТМ А923 дефинише три методе тестирања, од којих свака циља на другачији начин отказивања. Метода А је поступак металографског нагризања-и-инспекције за детекцију интерметалних фаза при малом увећању. Метод Б је тест отпорности на удар по Шарпију који се користи као практичан екран, пошто се кртост интерметалне-фазе јасно показује као смањена енергија удара. Метода Ц је тест корозије са гвожђем{7}}хлоридом (засновано на АСТМ Г48) који детектује осетљивост на питтинг узроковану зонама осиромашеним хромом- и молибденом-у близини интерметалних талога.

Материјал може да прође хемију и процену{0}}процента ферита и да и даље не успе у Методи Ц ако се формира мали запремински део сигма фазе, због чега купци који специфицирају критичне дуплекс компоненте за хлоридну услугу треба експлицитно да захтевају АСТМ А923 тестирање уместо да претпостављају да је укључено у стандардну сертификацију за млин.

За рутинску{0}}верификацију процента ферита током производње, млинови обично користе магнетни феритскоп за његову брзину, унакрсну{1}}проверавају периодично са АСТМ Е562 ручним бројањем тачака или АСТМ Е1245 аутоматизованом анализом слике на полираном и угравираном металографском пресеку - две методе које се односе на деструктивно очитавање када су стандарди за дисферно очитавање који остају квалификовање новог поступка топлотне обраде.

Како заваривање ремети равнотежу фаза у зони{0}}захваћеној топлотом?

Зона -захваћена топлотом шава рутински се поново-учвршћује и поново загрева пребрзо за реформисање природног аустенита, тако да поступци дуплексног заваривања намерно спајају додатни метал са никлом да би се успоставила равнотежа уместо да се ослањају на оригиналну хемију основног метала.

Током заваривања, ХАЗ у близини линије за фузију се накратко загрева изнад температуре-жарења раствора, а затим се хлади много брже од обраде у млину - типично ваздушног-хлађења у мирним условима околине уместо гашења водом. Ово брзо, неконтролисано хлађење фаворизује формирање ферита и може да помери садржај ферита ХАЗ до 70-90% у неконтролисаном завару, далеко изван опсега квалификованог основног метала, са одговарајућим губитком жилавости и отпорности на корозију управо тамо где је спој структурно најрањивији.

Стандардно ублажавање је двоструко. Прво, додатни метали за дуплексно заваривање (ЕР2209 за 2205, на пример) су формулисани са отприлике 2,5-4% више никла од одговарајућег основног метала, тако да чак и уз брзо ХАЗ хлађење, довољно језгра аустенита да се сам метал шава врати у прихватљиву равнотежу. Друго, поступци заваривања контролишу унос топлоте и међупролазну температуру унутар квалификованог прозора - пренизак унос топлоте умањује ХАЗ времена потребног за било какву реформацију аустенита, док превисок унос топлоте доводи у опасност таложење сигма-фазе на страни термичког циклуса са споријим хлађењем. Вишепролазно заваривање повећава овај ризик, пошто сваки следећи пролаз поново загрева претходни ХАЗ, што ВПС квалификацију са тестирањем прихватања АСТМ А923 чини стандардним захтевом за дуплексне заваре под притиском, а не опционом провером.

Извор: АВС Д1.6/Д1.6М и АСМЕ Одељак ИКС квалификациона пракса поступка дуплексног заваривања

Како се Дуплек 2205 и Супер Дуплек 2507 упоређују у фази-контроле баланса?

Обе класе циљају на исти 35-65% феритног прозора, али већи садржај хрома, молибдена и азота у моделу 2507 сужава практичну маргину обраде, чинећи контролу равнотеже фазе{3}}захтевнијом – и последичнијом када се пропусти.

Супер дуплек 2507 је легиран за знатно већи ПРЕН од стандардног дуплекса 2205, што значи да је доступно пропорционално више хрома и молибдена за покретање формирања интерметалне-фазе ако је хлађење преспоро. У пракси, ово даје 2507 ужи безбедни прозор-брзине хлађења и уноса топлоте- током обраде у млиновима и заваривања у пољу у поређењу са 2205, иако су обе класе квалификоване у односу на исти номинални опсег ферита.

Због тога спецификације за производњу супер дуплекса обично намећу строже међупролазне-ограничења температуре и чешћу АСТМ А923 верификацију него стандардни дуплекс рад - циљ је у принципу идентичан, али је толеранција грешке мања.

ЕЕТА-ино наменско поређење С32750 са С32760 покрива композиционе разлике између ових супер дуплексних класа - укључујући приступ базиран на волфраму-ПРЕН-В који користи С32760 - са свим детаљима за купце који процењују екстремне хлоридне или киселе услуге.

Дуплек Пхасе-Провера стања

Потврда равнотеже фазе на дуплекс наруџбини захтева пет провера: састав, проценат ферита, АСТМ А923 испитивање, запис топлотне обраде и квалификацију поступка заваривања.

Проверите да ли је садржај азота у оквиру наведеног опсега у извештају о испитивању млина, а не само хром/молибден/никл.

Затражите стварни пријављени проценат ферита (не само изјаву о пролазном/неуспешном) у односу на прозор од 35-65% или ужи опсег наведен у спецификацији куповине.

Потврдите да је тестирање АСТМ А923 (Метода А, Б или Ц како је наведено) обављено и прошло, посебно за хлоридне или киселе услуге.

Прегледајте температуру{0}}температуре жарења раствора и метод гашења забележене на сертификату о топлотној обради да ли су у складу са квалификованом процедуром.

За заварене склопове, потврдите да је ВПС/ПКР користио одговарајући метал за пуњење (нпр. ЕР2209 за 2205) и да је остао у границама квалификоване температуре-улаза топлоте и међупролаза-.

За пројекте на мору или киселе{0}}услуге, потврдите усаглашеност са НОРСОК М-630/М-601 или НАЦЕ МР0175/ИСО 15156 поред основних АСТМ захтева.

Често постављана питања

П: Да ли је дуплекс нерђајући челик увек тачно 50% ферита и 50% аустенита?

О: Бр. „50/50“ описује номинални циљ дизајна, али квалификовани производни материјал обично спада у оквир од 35-65% ферита у зависности од степена и спецификације. Стварни садржај ферита специфичне топлоте је пријављен у извештају о испитивању млина.

П: Може ли се садржај ферита прилагодити након што је материјал произведен?

О: Само кроз потпуни циклус-решења-осветљења и поновног гашења, који ресетује равнотежу, али мора да буде поново квалификован. Садржај ферита се не може смислено прилагодити хладним радом, машинском обрадом или лаганим термичким третманима.

П: Да ли заваривање увек смањује жилавост дуплекс нерђајућег челика?

О: Не ако је поступак заваривања правилно квалификован. Прекомерно легирани додатни метал и контролисан унос топлоте враћају прихватљиву равнотежу фаза у металу шава; главни ризик је у ХАЗ-у и у лоше контролисаним секвенцама више пролаза.

П: Зашто неки сертификати за дуплекс млин наводе садржај ферита, а други не?

О: Извештавање о садржају ферита је обично вођено спецификацијом куповине. Купци којима је потребна критична услуга са хлоридом или киселом киселином треба експлицитно да наведу АСТМ А923 тестирање и извештавање о фериту у наруџбини уместо да претпостављају да је то аутоматски укључено.

П: Да ли је већи проценат ферита увек лошији за отпорност на корозију?

О: Не мора нужно да сам ферит - носи већи садржај хрома и молибдена и добро је отпоран на хлорид СЦЦ. Ризик од корозије долази посебно од таложења интерметалне-фазе (сигма/цхи), које може да прати стање богато феритом-или споро хлађење, а не умерено богате феритима-али без интерметалних-структура.