شکنندگی فاز سیگما در فولاد ضد زنگ دوبلکس: زمان-دما-منحنی های بارش

فاز سیگما در فولاد ضد زنگ دوبلکس سریع‌ترین شکل را بین 700 درجه تا 900 درجه دارد، با منحنی بارندگی زمان-دما- (TTP) معمولاً در حدود 800 تا 850 درجه - قرار دارد، به این معنی که نوار باریک، نه در جایی که بیشترین دماهای پیش از پیری بیشتر یا پایین‌تر رخ می‌دهد. یک کسری سیگما به کوچکی 1 تا 3 درصد حجمی می تواند باعث کاهش شدید و نامتناسب چقرمگی ضربه و مقاومت در برابر خوردگی حفره ای شود، به همین دلیل است که کنترل زمان صرف شده در این محدوده در طول جوشکاری و عملیات حرارتی یک الزام دقیق ساخت است، نه جزییات جزئی فرآیند.

Sigma Phase Embrittlement in Duplex Stainless Steel

فولاد ضد زنگ دوبلکس شهرت خود را - استحکام بالا و مقاومت عالی در برابر کلرید - از ریزساختار متعادلی از قطعات تقریبا مساوی آستنیت و فریت به دست آورده است. این تعادل در دمای بالا شکننده است. فاز فریت که برای مدت طولانی در پنجره دمای اشتباه نگه داشته می شود، تا حدی به یک ترکیب بین فلزی به نام فاز سیگما تبدیل می شود و با ارزش ترین خواص آلیاژ فرو می ریزد. این مقاله توضیح می‌دهد که فاز سیگما چیست، منحنی بارش زمان-دما- چگونه به نظر می‌رسد، و سازندگان برای دور ماندن از آن چه کاری باید انجام دهند.

فاز سیگما یک ترکیب بین فلزی سخت و شکننده و غنی از کروم و مولیبدن است که وقتی فریت در فولاد ضد زنگ دوبلکس در دمای بالا - تجزیه می‌شود و چون کروم و مولیبدن را از ماتریکس اطراف جدا می‌کند، هم‌زمان به چقرمگی و هم مقاومت به خوردگی آسیب می‌رساند.

فاز سیگما از طریق واکنشی از نوع یوتکتوئیدی- که در آن فریت به فاز سیگما به اضافه آستنیت ثانویه تجزیه می‌شود، شکل می‌گیرد. ترجیحاً در مرزهای فریت-مرزهای فاز آستنیت و فریت-مرزهای دانه فریت - اغلب قبل از یک فاز بین فلزی مرتبط، که ابتدا در مرزهای فریت-فریت تشکیل می‌شود و بعداً به‌عنوان فاز سیگما مصرف می‌شود، هسته می‌گیرد.

از آنجایی که فاز سیگما ذاتاً سخت و شکننده است و چون تشکیل آن کروم و مولیبدن را از ماتریکس اطراف بیرون می‌کشد، به طور همزمان دو مشکل ایجاد می‌کند: یک فاز ثانویه فیزیکی شکننده که در مرز دانه‌ها قرار دارد، و کروم/مولیبدن{0}}مناطق تخلیه‌شده در کنار آن پوسیدگی‌پذیرتر هستند. این مکانیسم آسیب دوگانه به این دلیل است که شکنندگی فاز سیگما به‌جای یک کنجکاوی متالورژی زیبایی، به‌عنوان یک خطر حیاتی ساخت در نظر گرفته می‌شود.

یک منحنی TTP دمایی را که یک آلیاژ در آن نگه داشته می‌شود بر حسب مدت زمانی که طول می‌کشد تا یک فاز سیگما ظاهر شود، ترسیم می‌کند و یک منحنی C شکل{0}}که دماغه آن سریع‌ترین بارندگی ممکن را برای فولاد ضد زنگ دوبلکس نشان می‌دهد، آن دماغه معمولاً در حدود 800-850 درجه است.

What Does a Time-Temperature-Precipitation TTP Curve Show for Sigma Phase

محققان این منحنی‌ها را با نگه داشتن نمونه‌های بازپخت شده محلول در یک سری دماهای ثابت می‌سازند، سپس میزان فاز سیگما را پس از زمان‌های نگهداری مختلف، از دقیقه تا بیش از هزار ساعت، اندازه‌گیری می‌کنند. منحنی به دست آمده بر روی یک زمان (مقیاس ورود) نسبت به محور دما ترسیم شده است، منحنی حاصل شبیه یک طرفه "C" است: بارش در هر دو انتهای بالا و پایین دامنه خطر آهسته است و در وسط سریعترین است.

مطالعات روی فولاد ضد زنگ دوبلکس UNS S31803 (2205) اوج سیگما{2}}سینتیک تشکیل را در حدود 850 درجه شناسایی کرده است، با کار منتشر شده TTP که زمان نگهداری تا 1000 ساعت و بیشتر از آن را در بر می گیرد تا منحنی را به طور کامل مشخص کند. کار مستقل روی گریدهای دوبلکس ریخته گری، گریدهای سوپر دوبلکس و ترکیبات دوبلکس ناب به طور مداوم دماغه منحنی را در همان نوار کلی 800-850 درجه قرار می دهد، حتی اگر شکل دقیق و زمان بندی تا حدودی با ترکیب آلیاژ تغییر کند.

منطقه خطر عملی تقریباً بین 700 درجه تا 950 درجه در سطوح دوبلکس و فوق دوبلکس گسترش می‌یابد، با خطرناک‌ترین دما - سریع‌ترین بارندگی - که به طور مداوم در حدود 800-850 درجه گزارش شده است.

آلیاژ / اساس مطالعه	محدوده بارش گزارش شده	سریعترین دما (بینی) گزارش شده است
2205 (UNS S31803)، ساخته شده	700-900 درجه	~850 درجه
CD3MN، بازیگران دوبلکس	700-900 درجه	~800 درجه (بینی در ~100 دقیقه)
2507 سوپر دوبلکس	750-950 درجه	~850 درجه (تا ~ 18٪ کسر سطح)
خانواده های فولاد ضد زنگ عمومی (بازبینی داده ها)	گسترده و وابسته به آلیاژ-	800-850 درجه

در خارج از این باند، تصویر تغییر می‌کند: در زیر حدود 700 درجه، انتشار به اندازه‌ای آهسته است که تشکیل سیگما بسیار کند می‌شود، هرچند قرار گرفتن طولانی‌مدت همچنان می‌تواند اجازه دهد، و یک مکانیزم شکنندگی دمایی پایین‌تر - 475 درجه شکنندگی ناشی از تجزیه نخاعی فریت به‌جای آن بیشتر می‌شود. بالاتر از تقریباً 1000-950 درجه، فاز سیگما از نظر ترمودینامیکی پایدارتر می‌شود و تمایل به حل شدن دوباره در ماتریس دارد، که اساس آنیل کردن محلول به عنوان یک عملیات حرارتی اصلاحی است.

مقدار بسیار کمی - که معمولاً از 1% تا 3% حجمی ذکر می‌شود - برای ایجاد افت قابل‌توجه و نامتناسب در چقرمگی ضربه کافی است، که همان چیزی است که کنترل فاز سیگما را در مقایسه با بسیاری از عیوب متالورژیکی دیگر سخت‌تر می‌کند.

این همان جزئیاتی است که اکثر مهندسان تازه وارد فولاد ضد زنگ دوبلکس را شگفت زده می کند: فاز سیگما قبل از اینکه خطرناک شود نیازی به تجمع در بخش زیادی ندارد. مطالعات مستقل چندگانه روی فولاد ضد زنگ دوبلکس 2205 گزارش می‌دهند که محتویات سیگما در اعداد تک رقمی کم حجم از قبل برای ایجاد فروپاشی چقرمگی مشخص کافی است و منحنی‌های انرژی ضربه نزدیک به شکل منحنی بارش سیگما می‌شوند - همان محدوده 800 تا 850 درجه که سریع‌ترین گستره ضربه را پس از پایین‌ترین ضربه ایجاد می‌کند. پیری با افزایش بیشتر زمان نگهداری و محتوای سیگما، چقرمگی همچنان کاهش می‌یابد، اما شدیدترین و مهم‌ترین افت در اوایل اتفاق می‌افتد، در کسری که یک بازرسی بصری گاه به گاه به راحتی از دست می‌دهد.

هر دو بارش فاز سیگما به طور قابل اندازه گیری پتانسیل حفره ای را کاهش می دهد و حساسیت به خوردگی بین دانه ای و حفره ای را افزایش می دهد، زیرا کاهش کروم- و مولیبدن-در اطراف هر ذره سیگما، لایه غیرفعال را دقیقاً در جایی که بیشتر مورد نیاز است تضعیف می کند.

Does Sigma Phase Also Hurt Corrosion Resistance or Just Toughness

پیامد خوردگی مستقیماً از نحوه شکل‌گیری فاز سیگما ناشی می‌شود: با انتشار کروم و مولیبدن در ذرات سیگما در حال رشد، ماتریکس بلافاصله اطراف به صورت موضعی در همان عناصری که لایه اکسید غیرفعال را تثبیت می‌کنند، تخلیه می‌شود. آزمایش الکتروشیمیایی بر روی فولاد ضد زنگ دوبلکس کهنه نشان می‌دهد که با افزایش محتوای سیگما، با افزایش محتوای سیگما، ناحیه غیرفعال باریک شده و در نهایت در بخش‌های سیگما بالاتر ناپایدار می‌شود.

نشان داده شده است که گودال‌ها ترجیحاً در این مناطق{0}کروم تخلیه شده اطراف ذرات سیگما، هسته‌دار می‌شوند، و مقیاس‌های شدت با مقدار و توزیع سیگما موجود - ذرات سیگما درشت و متمرکز معمولاً آسیب‌رسان‌تر از همان کسر حجمی ریز پراکنده هستند. به طور خلاصه، یک جزء می‌تواند دقیقاً در همان منطقه جوش‌خورده یا گرما{3}}که در آزمایش ضربه نیز شکست می‌خورد، در تست خوردگی شکست بخورد.

گرما{0}}منطقه تحت تأثیر در کنار یک جوش به ناچار از نوار خطر 700 تا 950 درجه در حین گرمایش و سرمایش عبور می‌کند، و عبور جوش‌های متعدد یا خنک‌سازی بین‌گذری آهسته می‌تواند زمان کافی را در آن باند جمع کند تا فاز سیگمای مخرب را رسوب دهد، حتی زمانی که هیچ گذری آشکارا بیش از حد گرم به نظر نمی‌رسد.

هر پاس جوشکاری قوسی یک گرادیان دمایی ایجاد می‌کند که از حوضچه جوش به بیرون تابش می‌کند، و در جایی در امتداد آن گرادیان، فلز پایه برای مدت کوتاهی در محدوده شکل‌گیری سیگما- قرار می‌گیرد. یک پاس سریع ممکن است آنقدر طولانی نباشد که اهمیت داشته باشد. جوشکاری چند پاس، حرارت ورودی بالا، کنترل دمای بینگذر ناکافی، یا خنک شدن آهسته در مقاطع ضخیم، هر کدام می توانند زمان سپری شده در باند خطر را قبل از اینکه به محتوای سیگما آسیب برساند، بسیار فراتر از آنچه که منحنی TTP آلیاژ اجازه می دهد، افزایش دهد. به همین دلیل است که روش‌های جوشکاری فولاد ضد زنگ دوبلکس حداکثر گرمای ورودی، دمای بین‌گذری کنترل‌شده و - در بسیاری از موارد - الزامی برای خنک‌سازی سریع در محدوده بحرانی، به جای واگذاری سرعت خنک‌سازی به شانس، مشخص می‌شود.

در انتهای منحنی، فاز سیگمای قابل تشخیص می‌تواند در کمتر از دو ساعت شروع به شکل‌گیری کند، و در برخی از ترکیب‌های ریخته‌گری شده و بسیار آلیاژی، در عرض تقریباً ۱۰۰ دقیقه یا کمتر - به اندازه‌ای سریع که خنک شدن آهسته جوش یا عملیات حرارتی پس از جوشکاری کنترل نشده-یک خطر واقعی و نه تئوری باشد.

داده های منتشر شده TTP برای فولاد ضد زنگ دوبلکس ریخته گری CD3MN، دماغه منحنی را در حدود 800 درجه با تشکیل سیگما قابل تشخیص که حدود 100 دقیقه از زمان نگهداری شروع می شود، قرار می دهد. مطالعات جنبشی روی 2205 فرفورژه، سریع‌ترین سینتیک تبدیل را در 850 درجه گزارش می‌کند، با مطالعات مشخص‌سازی کامل زمان‌های نگه‌داری بیش از 1000 ساعت برای ترسیم منحنی کامل، از جمله نرخ‌های بسیار کندتر شکل‌گیری در لبه‌های نوار خطر. مفهوم عملی نامتقارن است: سریع‌ترین بخش منحنی در مقیاس زمانی تقریباً یک ساعت تا چند ساعت عمل می‌کند، که به خوبی در زمانی است که یک بخش ضخیم- یا یک چرخه کوره کنترل‌شده نامناسب می‌تواند از آن محدوده دما عبور کند.

سرعت خنک‌سازی سریع‌تر از تقریباً 0.25 K/s در محدوده شکل‌گیری سیگما-برای سرکوب تشکیل فاز سیگما در حین خنک‌سازی مداوم از دمای بازپخت محلول{2}} گزارش شده است، به همین دلیل است که خنک کردن آب یا اجباری{3}}خنک کردن هوا - آهسته نیست، هنوز هم برای بخش dulex ضخیم است. فولاد ضد زنگ

What Cooling Rate Is Required After Solution Annealing to Avoid Sigma Phase

بازپخت محلول در دمای بالا (معمولاً بالای 1000-1050 درجه) هر فاز سیگمای موجود را حل می کند و تعادل فریت آستنیت را بازنشانی می کند، اما مزیت آن تنها در صورتی حفظ می شود که سرد شدن بعدی از محدوده تشکیل سیگما به اندازه کافی سریع عبور کند تا از بارش جدید جلوگیری شود. مطالعات تبدیل مداوم-خنک‌سازی- که در کنار داده‌های TTP ساخته شده‌اند، تأیید می‌کنند که خنک‌سازی به اندازه کافی سریع - با آستانه‌های منتشر شده در محدوده تقریباً یک چهارم درجه سانتی‌گراد در ثانیه - از تشکیل سیگما معنی‌دار جلوگیری می‌کند، حتی اگر همان ماده به آسانی باند سیگما را در ایزوترم نگه دارد. دقیقاً به همین دلیل است که اجزای دوبلکس ضخیم{10}}پس از بازپخت محلول نیاز به خاموش کردن شدید دارند: جرم به تنهایی می‌تواند سرعت خنک‌سازی را در هسته قطعه زیر این آستانه کاهش دهد، حتی زمانی که سطح به سرعت سرد می‌شود.

بررسی متالوگرافی با حکاکی انتخابی روش مرجع باقی می‌ماند، اما تکنیک‌های غیرمخرب - از جمله روش‌های مغناطیسی و الکتروشیمیایی که از ویژگی‌های متمایز فاز سیگما از فریت - استفاده می‌کنند، به طور فزاینده‌ای برای غربال کردن اجزا بدون برش نمونه‌ها استفاده می‌شوند.

متالوگرافی: مقاطع صیقلی شده با اچ های انتخابی مورفولوژی و توزیع فاز سیگما را مستقیماً نشان می دهند و استانداردی برای اندازه گیری حجم{0}}قطعی باقی می مانند.

تست ضربه: تست چارپی یک شاخص غیر مستقیم قوی است، زیرا منحنی های انرژی ضربه به دقت محتوای سیگما را در فولاد ضد زنگ دوبلکس قدیمی دنبال می کنند.

روش های مغناطیسی و الکترومغناطیسی: چون فاز سیگما غیر مغناطیسی است در حالی که فریت فرومغناطیسی است، تشکیل آن به طور قابل اندازه گیری پاسخ مغناطیسی ماده را تغییر می دهد و رویکردهای غربالگری غیرمخرب را امکان پذیر می کند.

آزمایش الکتروشیمیایی: پلاریزاسیون پتانسیودینامیکی می‌تواند افت پتانسیل حفره‌ای مرتبط با کاهش کروم و مولیبدن مرتبط با سیگما را شناسایی کند و صفحه‌ای مبتنی بر خوردگی غیرمستقیم اما حساس{1}} ارائه دهد.

برای اجزای ساخته شده حیاتی، ترکیبی از رویکردهای - به جای هر آزمایش منفرد - قابل اعتمادترین تصویر را ارائه می‌دهد، زیرا از دست دادن چقرمگی، حساسیت به خوردگی و محتوای سیگما که مستقیماً مشاهده می‌شود، همیشه در کسرهای سیگما بسیار کم در همان گام حرکت نمی‌کنند.

حرارت ورودی و دمای بین پاسی را در حین جوشکاری کنترل کنید، پس از قرار گرفتن در معرض دمای بالا، به سرعت در محدوده 700-950 درجه خنک شوید، و نتیجه را با آزمایش ضربه به جای تکیه بر بازرسی بصری، تأیید کنید.

What Should Fabricators Do to Prevent Sigma Phase Embrittlement

حداکثر دمای بین پاسی و محدودیت های ورودی گرما را در مشخصات روش جوشکاری مشخص و اعمال کنید، زیرا این محدودیت ها مستقیماً مدت زمان ماندن گرما{0}}منطقه تحت تأثیر در باند خطر را کنترل می کنند.

پس از بازپخت محلول یا هر چرخه حرارتی با درجه حرارت بالا، به جای اجازه خنک کردن هوای آرام و آرام، از خنک کننده سریع - خاموش کردن آب یا خنک کننده هوای اجباری- متناسب با ضخامت بخش - استفاده کنید.

ضخامت بخش را به صراحت در نظر بگیرید: اجزای ضخیم در هسته خود آهسته تر خنک می شوند و ممکن است برای دستیابی به سرعت خنک کنندگی موثری مانند مقاطع نازک به خاموش کردن تهاجمی بیشتری نیاز داشته باشند.

نیاز به تست ضربه Charpy در سوابق صلاحیت رویه و در صورت عملی، در جوش های تولیدی، زیرا از دست دادن چقرمگی یکی از حساس ترین شاخص های تشکیل سیگما اولیه است.

در مواردی که شرایط سرویس شامل قرار گرفتن در معرض مکرر یا طولانی مدت در نزدیکی باند خطر است، انتخاب آلیاژ خود را ارزیابی کنید - برخی از ترکیبات دوبلکس و استراتژی های آلیاژی تشکیل سیگما را موثرتر از سایرین به تاخیر می اندازند.

فاز سیگما در فولاد ضد زنگ دوبلکس در چه دمایی سریع‌ترین شکل را دارد؟

بیشتر مطالعات بارندگی زمانی{0}}دما-سریع‌ترین شکل‌گیری سیگما - دماغه منحنی - را در حدود 800-850 درجه قرار می‌دهند، اگرچه مقدار دقیق با ترکیب آلیاژ کمی تغییر می‌کند.

چقدر فاز سیگما خطرناک است؟

به طرز شگفت انگیزی کم است. مطالعات متعدد، کاهش چقرمگی قابل‌توجهی را از بخش‌های سیگما در محدوده تقریباً 1 تا 3 درصد حجمی گزارش می‌کنند، قبل از اینکه فاز بدون بررسی متالوگرافی به راحتی قابل تشخیص باشد.

آیا فاز سیگما بر مقاومت خوردگی یا فقط چقرمگی مکانیکی تأثیر می گذارد؟

هر دو تشکیل فاز سیگما، کروم و مولیبدن را از ماتریکس اطراف تخلیه می کند، که به طور قابل توجهی پتانسیل حفره شدن را کاهش می دهد و حساسیت خوردگی بین دانه ای و حفره ای را افزایش می دهد، علاوه بر کاهش چقرمگی ضربه.

آیا فاز سیگما پس از تشکیل قابل حذف است؟

بله، عموماً از طریق بازپخت محلول در دمای به اندازه کافی بالا (معمولاً بالاتر از حدود 1000-1050 درجه) و به دنبال آن خنک‌سازی سریع، که فاز سیگما را در ماتریس حل می‌کند و ریزساختار متعادل را بازیابی می‌کند، مشروط بر اینکه خنک‌کردن بعدی به اندازه کافی سریع باشد تا از اصلاح جلوگیری کند.

چرا جوشکاری شایع ترین علت فاز سیگما در میدان است؟

از آنجا که گرما-منطقه تحت تأثیر در اطراف هر جوشی ناگزیر از محدوده دمای تشکیل سیگما-در طول گرمایش و سرمایش می‌گذرد، و جوشکاری چند پاسی یا گرمای ورودی بالا می‌تواند زمان کافی را در آن محدوده برای رسوب محتوای مخرب سیگما جمع کند.