Сигма фазна кртост у дуплекс нерђајућем челику: Време{0}}Температура-Криве падавина

Сигма фаза се најбрже формира у дуплекс нерђајућем челику између отприлике 700 степени и 900 степени, са кривом временске -температуре- падавина (ТТП) која се обично налази око 800–850 степени - што значи да се у уском појасу, а не при вишим или најнижим температурама, најчешће дешавају брзе пре-температуре. Сигма фракција од само 1-3% запремине може да изазове озбиљан, несразмеран пад ударне жилавости и отпорности на корозију, због чега је контрола времена проведеног у овом опсегу током заваривања и топлотне обраде строги захтев за производњу, а не мањи детаљ процеса.

Дуплексни нерђајући челик своју репутацију - високе чврстоће, одличне отпорности на хлорид - стиче захваљујући уравнотеженој микроструктури приближно једнаких делова аустенита и ферита. Та равнотежа је крхка на повишеној температури. Предуго држана у погрешном температурном прозору, феритна фаза се делимично трансформише у интерметално једињење звано сигма фаза, а највреднија својства легуре колабирају. Овај чланак објашњава шта је сигма фаза, како изгледа њена временска {{5}температура{6}}крива падавина и шта произвођачи треба да ураде да би је избегли.

Шта је Сигма фаза и зашто оштећује дуплекс нерђајући челик?

Сигма фаза је тврдо, крто интерметално једињење богато хромом и молибденом које се формира када се ферит у дуплекс нерђајућем челику распада на повишеној температури - и пошто одстрањује хром и молибден из околне матрице, истовремено оштећује и жилавост и отпорност на корозију.

Сигма фаза се формира реакцијом еутектоидног-типа у којој се ферит разлаже у сигма фазу плус секундарни аустенит. Нуклеира првенствено на границама феритних-аустенитних фаза и феритних-граница зрна ферита - којима често претходи сродна интерметална, цхи фаза, која се прво формира на границама ферита-ферита, а касније се троши како расте сигма фаза.

Пошто је сигма фаза суштински тврда и ломљива, и зато што њено формирање извлачи хром и молибден из околне матрице, она истовремено ствара два проблема: физички крхку секундарну фазу која се налази на границама зрна и регионе који су осиромашени хромом/молибденом{0}} поред ње и који су далеко више отпорни на корозију. Овај двоструки механизам оштећења је разлог зашто се крхкост сигма фазе третира као критични ризик производње, а не као козметички металуршки куриозитет.

Шта показује временска -температура- крива падавина (ТТП) за сигма фазу?

ТТП крива приказује температуру на којој се легура одржава у односу на то колико је времена потребно да се појави одређена количина сигма фазе, стварајући карактеристичну криву у облику Ц- чији 'нос' означава најбрже могуће падавине - за дуплекс нерђајући челик, а тај нос се обично налази на око 800–850 степени.

Истраживачи праве ове криве тако што држе узорке{0}}жарене раствором на низу фиксних температура, а затим мере колико се сигма фазе формирало након различитих времена држања, од минута до преко хиљаду сати. Приказана на временској (логоскали) у односу на температурну ос, резултујућа крива подсећа на бочну „Ц“: падавине су споре и на високом и на ниском крају опсега ризика, а најбрже у средини.

Студије о кованом УНС С31803 (2205) дуплекс нерђајућем челику су идентификовале вршну кинетику сигма{2}}формирања око 850 степени, са објављеним ТТП радом који обухвата време задржавања до и више од 1000 сати да би се у потпуности окарактерисала крива. Независни рад на ливеним дуплекс класама, супер дуплекс класама и леан дуплек композицијама доследно поставља врх кривине у исту општу траку од 800–850 степени, иако се тачан облик и време донекле померају са саставом легуре.

Који температурни опсег је најопаснији за формирање сигма фазе?

Практична опасна зона се простире на отприлике 700 степени до 950 степени у дуплекс и супер дуплекс степену, са појединачном најопаснијом температуром - најбржим падавинама - која се стално извештава око 800–850 степени.

Изван овог појаса, слика се мења: испод отприлике 700 степени, дифузија је довољно спора да формирање сигме постаје веома споро, мада продужено излагање то и даље може дозволити, а одвојени, нижи-механизам кртости на нижим температурама - 475 степен кртости од спинодалног разлагања3} уместо тога постаје релевантнији ризик {{3} ферит постаје {релевантнији ризик. Изнад отприлике 950–1000 степени, сигма фаза постаје термодинамички мање стабилна и тежи да се поново раствори у матрици, што је основа за жарење раствора као корективну топлотну обраду.

Колико је мала сигма фаза потребна да изазове проблем?

Изузетно мала количина - која се обично наводи само од 1% до 3% запремине - је довољна да изазове значајан, несразмеран пад ударне жилавости, што је оно што контролу сигма фазе чини необично строгом у поређењу са многим другим металуршким дефектима.

Ово је детаљ који највише изненађује инжењере који су нови у дуплекс нерђајућем челику: сигма фаза не мора да се акумулира до великог дела пре него што постане опасна. Више независних студија о дуплекс нерђајућем челику 2205 показује да је садржај сигме у малим једноцифреним цифрама по запремини већ довољан да изазове значајан колапс жилавости, и да криве енергије удара прате облик саме криве сигма падавина - исти опсег од 800–850 степени који изазива најнижи опсег сигме који производи и најбржи домет након удара. Како се време задржавања и садржај сигме даље повећавају, жилавост наставља да деградира, али најстрмији, најпоследичнији пад се дешава рано, на фракцијама које повремени визуелни преглед лако може да промаши.

Да ли Сигма фаза такође утиче на отпорност на корозију или само на чврстину?

И једно и друго. Таложење у сигма фази мерљиво смањује потенцијал питтинг и повећава подложност интергрануларној и питтинг корозији, јер недостатак хрома- и молибдена- око сваке сигма честице подрива пасивни филм управо тамо где је најпотребнији.

Последица корозије директно следи из тога како се формира сигма фаза: како хром и молибден дифундују у растућу сигма честицу, непосредно околна матрица постаје локално исцрпљена у самим елементима који стабилизују пасивни оксидни филм. Електрохемијско испитивање на остарјелом дуплекс нерђајућем челику показује опадање потенцијала питтинга како се садржај сигма повећава, са сужавањем пасивног региона и на крају постаје нестабилан на вишим сигма фракцијама.

Показало се да се јаме првенствено стварају у овим зонама осиромашеним хромом- које окружују сигма честице, а скале озбиљности са количином и дистрибуцијом присутне сигме - грубе, концентрисане сигма честице су обично штетније од фино диспергованог истог запреминског удела. Укратко, компонента може да падне на тесту корозије у потпуно истом завареном или топлотно{3}}захваћеном региону где би такође пала на тесту удара.

Зашто заваривање доводи дуплекс нерђајући челик у опасност од Сигма фазе?

Зона{0}}захваћена топлотом поред завара неизбежно пролази кроз опасан опсег од 700–950 степени током загревања и хлађења, а вишеструки пролази завара или споро међупролазно хлађење могу да акумулирају довољно времена у том опсегу да изазову штетну сигма фазу чак и када ниједан пролаз не изгледа очигледно прегрејан.

Сваки пролаз електролучног заваривања ствара температурни градијент који зрачи из завареног базена, а негде дуж тог градијента, основни метал се накратко налази у опсегу сигма{0}}формирања. Један брзи пролаз можда неће остати тамо довољно дуго да би био важан. Заваривање у више-пролаза, висока улазна топлота, неадекватна контрола температуре међупролаза или споро хлађење у дебелим деловима могу продужити време проведено у опасном опсегу далеко изнад онога што дозвољава ТТП крива легуре пре него што се појави штетни сигма садржај. Због тога процедуре заваривања за дуплекс нерђајући челик одређују максималан унос топлоте, контролисану међупролазну температуру и - у многим случајевима - захтев за брзо хлађење кроз критични опсег, уместо да препуштају брзину хлађења случају.

Колико брзо Сигма фаза заправо формира - минута или сати?

На врху криве, детектива сигма фаза може да почне да се формира за мање од два сата, а код неких ливених и високо легираних композиција, у року од отприлике 100 минута или мање - довољно брзо да споро хлађење завара или непрописно контролисана накнадна-термичка обрада завара представља стварни, а не теоретски ризик.

Објављени ТТП подаци за ливени ЦД3МН дуплекс нерђајући челик постављају врх кривине на приближно 800 степени са детективним формирањем сигме која почиње око 100 минута времена држања. Кинетичке студије на кованом 2205 извештавају о најбржој кинетици трансформације на 850 степени, са студијама пуне карактеризације које продужавају време задржавања на преко 1.000 сати да би се мапирала комплетна крива, укључујући много спорије стопе формирања на ивицама опасног појаса. Практична импликација је асиметрична: најбржи део криве ради у временској скали од отприлике једног сата до неколико сати, што је прилично унутар времена које заварени-пресек или неправилно контролисан циклус пећи могу провести пролазећи кроз тај температурни опсег.

Која је брзина хлађења потребна након жарења раствора да би се избегла Сигма фаза?

Извештава се да брзине хлађења веће од отприлике 0,25 К/с кроз опсег сигма-формирања потискују формирање сигма фазе током непрекидног хлађења са температуре раствора-жарења, због чега је гашење водом или принудно-хлађење ваздухом - није споро, још увек{5}}је стандардна пракса хлађења ваздуха без чврстог челика{6} за дебели челик.

Жарење раствора на високој температури (обично изнад отприлике 1000–1050 степени) раствара било коју постојећу сигма фазу и ресетује равнотежу аустенита-ферита, али корист је сачувана само ако накнадно хлађење прође кроз опсег сигма-формирања довољно брзо да спречи нове преципитације. Континуалне студије трансформације-хлађења- изграђене уз ТТП податке потврђују да довољно брзо хлађење - са објављеним праговима у опсегу од отприлике четвртине степена Целзијуса у секунди - избегава значајно формирање сигме иако би исти материјал лако формирао сигму ако би се држао у изотермној зони. Управо због тога дуплекс компоненте дебелог{10}}просека захтевају агресивно гашење након жарења раствором: сама маса може успорити брзину хлађења у језгру компоненте испод овог прага чак и када се површина брзо хлади.

Како се детектује Сигма фаза у готовим или у{0}}услужним компонентама?

Металографско испитивање са селективним јеткањем остаје референтна метода, али се недеструктивне технике - укључујући магнетне и електрохемијске методе које користе различите особине сигма фазе од ферита - све више користе за екранизацију компоненти без сечења узорака.

Металографија: полирани пресеци са селективним нагризањима откривају морфологију и дистрибуцију сигма фазе директно и остају стандард за дефинитивну квантификацију запреминских{0}}фракција.

Испитивање удара: Цхарпи тестирање је снажан индиректни индикатор, пошто криве енергије удара блиско прате садржај сигме у остарјелом дуплекс нерђајућем челику.

Магнетне и електромагнетне методе: пошто сигма фаза није-магнетна, док је ферит феромагнетна, њено формирање мерљиво мења магнетни одговор материјала, омогућавајући недеструктивне приступе скринингу.

Електрохемијско тестирање: потенциодинамичка поларизација може да открије пад потенцијала питинга повезан са смањењем количине хрома и молибдена у вези са сигма-осигурањем, пружајући индиректан, али осетљив екран заснован на корозији-.

За критичне произведене компоненте, комбинација приступа - уместо било ког појединачног теста - даје најпоузданију слику, пошто се губитак жилавости, подложност корозији и директно посматрани садржај сигме не крећу увек узастопно при веома малим сигма фракцијама.

Шта фабрикатори треба да ураде да спрече кртост Сигма фазе?

Контролишите улазну топлоту и температуру међупролаза током заваривања, брзо се охладите у опсегу од 700–950 степени након било каквог излагања високој-температури и проверите резултат тестирањем на удар уместо да се ослањате само на визуелну инспекцију.

Одредите и примените максималну међупролазну температуру и ограничења уноса топлоте у спецификацији поступка заваривања, јер они директно контролишу колико дуго зона{0}}захваћена топлотом остаје у опасном опсегу.

Користите брзо хлађење - гашење водом или принудно-хлађење ваздухом у зависности од дебљине пресека - после жарења раствора или било ког топлотног циклуса на високим{3}}има, уместо да дозвољавате споро, мирно-хлађење ваздухом.

Изричито узмите у обзир дебљину пресека: дебеле компоненте се спорије хладе у свом језгру и можда ће требати агресивније гашење да би се постигла иста ефективна брзина хлађења као и танки делови.

Захтевати Цхарпи испитивање утицаја на евиденцију о квалификацији поступка и, где је то практично, на производним завареним спојевима, пошто је губитак жилавости један од најосетљивијих индикатора почетног формирања сигме.

Тамо где услови рада укључују поновљено или продужено излагање у близини опасног опсега, процените саму селекцију легуре - неке дуплекс композиције и стратегије легирања одлажу формирање сигме ефикасније од других.

Често постављана питања

На којој температури се сигма фаза најбрже формира у дуплекс нерђајућем челику?

Већина објављених студија времена{0}}температуре{1}}падавина поставља најбрже формирање сигме - на 'нос' криве - око 800–850 степени, иако се тачна вредност благо помера са саставом легуре.

Колико је сигма фаза опасна?

Изненађујуће мало. Више студија извештава о значајном губитку жилавости од сигма фракција у опсегу од отприлике 1% до 3% по запремини, много пре него што фаза постане лако уочљива без металографског прегледа.

Да ли сигма фаза утиче на отпорност на корозију или само на механичку жилавост?

И једно и друго. Формирање сигма фазе исцрпљује хром и молибден из околне матрице, што мерљиво смањује потенцијал питтинг и повећава осетљивост на међугрануларну и питтинг корозију, поред смањења ударне жилавости.

Може ли се сигма фаза уклонити када се формира?

Да, генерално кроз жарење раствора на довољно високој температури (обично изнад отприлике 1000–1050 степени), праћено брзим хлађењем, које раствара сигма фазу назад у матрицу и обнавља уравнотежену микроструктуру - под условом да је накнадно хлађење довољно брзо да спречи реформисање.

Зашто је заваривање најчешћи узрок сигма фазе на терену?

Пошто зона{0}}захваћена топлотом око било ког шава неизбежно пролази кроз температурни опсег сигма-формације током загревања и хлађења, а заваривање са више-пролаза или унос велике топлоте могу да акумулирају довољно времена у том опсегу да изазову штетни садржај сигме.