Jakie szkodliwe fazy łatwo wytrącają się w stali duplex w określonych zakresach temperatur

Stal nierdzewna typu duplex (DSS) jest szeroko stosowany w sektorach naftowo-gazowym, chemicznym i inżynierii morskiej ze względu na jego wysoką wytrzymałość i doskonałą odporność na korozję. Jednakże wysoka wydajność DSS opiera się na precyzyjnie zrównoważonej mikrostrukturze austenitu (γ) i ferrytu (δ). Kiedy DSS jest wystawiony na działanie lub działa przez dłuższy czas w określonych zakresach temperatur, faza ferrytowa rozkłada się, wytrącając różne „szkodliwe fazy”. Wydzielenia te poważnie pogarszają wytrzymałość mechaniczną i odporność na korozję materiału, stwarzając poważne zagrożenie dla niezawodności zastosowań inżynieryjnych.

1. Zabójca kruchości: wytrącanie faz σ i χ

Ze wszystkich szkodliwych faz faza σ jest niewątpliwie najbardziej znaną i destrukcyjną.

Zakres temperatury opadów: Faza σ wytrąca się głównie w temperaturze od 600°C do 950°C, a kinetyka wytrącania osiąga szczyt w temperaturze od 800°C do 880°C.

Skład chemiczny: Faza σ jest związkiem międzymetalicznym bogatym w chrom (Cr) i molibden (Mo). Powstaje w wyniku rozkładu ferrytu δ lub reakcji rozkładu eutektoidów na granicy faz pomiędzy ferrytem δ i austenitem γ.

Wpływ na wydajność: Wytrącanie fazy σ ma dwojaki wpływ na właściwości inżynieryjne DSS. Po pierwsze, sama faza σ jest fazą twardą i kruchą. Jego obecność gwałtownie zmniejsza udarność materiału, czyniąc go podatnym na kruche pękanie w niskich temperaturach lub w warunkach koncentracji naprężeń. Po drugie, podczas opadów faza σ zużywa znaczne ilości Cr i Mo z otaczającej matrycy ferrytowej δ, w wyniku czego obszary otaczające fazę σ są zubożone w Cr i Mo. Te zubożone obszary znacznie zmniejszają odporność na korozję, stając się podatnymi na korozję wżerową i międzykrystaliczną.

Faza Chi jest także związkiem międzymetalicznym bogatym w Cr i Mo, który zwykle tworzy się w podobnym zakresie temperatur jak faza σ (700°C do 900°C). Jednakże faza χ zazwyczaj wytrąca się preferencyjnie jako faza metastabilna na początku starzenia, dopiero później przekształcając się w bardziej stabilną fazę σ. Jej negatywny wpływ na właściwości jest podobny jak fazy σ, powodując kruchość i zmniejszenie odporności na korozję.

2. Kruchość w temperaturze 475°C: ukryte zagrożenie w niskich temperaturach

Oprócz fazy σ w obszarach o wysokiej temperaturze, stal nierdzewna duplex podlega również strefie niebezpiecznej w niższych temperaturach, znanej jako kruchość 475°C.

Zakres temperatur opadów: Zjawisko to występuje w temperaturze od 350°C do 550°C, ze szczytowym natężeniem około 475°C.

Mikromechanizm: W tym zakresie temperatur faza ferrytu delta ulega rozkładowi spinodalnemu, rozkładając się na dwie struktury ferrytowe w nanoskali: fazę α bogatą w chrom (bogatą w Cr α′) i fazę α ubogą w chrom (ubogą w Cr α).

Wpływ na wydajność: To rozdzielenie faz w skali nano znacznie zwiększa twardość i wytrzymałość materiału, ale gwałtownie zmniejsza jego udarność. Chociaż ta kruchość w niskiej temperaturze jest mniej dotkliwa i wszechobecna niż wytrącanie fazy σ na odporność na korozję, bogata w chrom faza α′ może również prowadzić do zwiększonej podatności na korozję w niektórych mediach. Warto zauważyć, że rozkład spinodalny zazwyczaj wymaga długiego okresu starzenia, ale kinetyka wytrącania może być przyspieszona w materiale obrabianym na zimno.

3. Węgloazotki i austenit wtórny

Oprócz wspomnianych powyżej pierwotnych osadów, w pewnych warunkach mogą tworzyć się inne szkodliwe fazy:

Węgliki i azotki: W temperaturze od 550°C do 750°C mogą wytrącać się węgliki chromu (Cr23​C6​) lub azotki. Chociaż zawartość węgla (C) w nowoczesnym DSS jest zazwyczaj utrzymywana na bardzo niskim poziomie (≤0,03%), osady te mogą nadal tworzyć się na granicach ziaren, zużywając Cr i stwarzając ryzyko korozji międzykrystalicznej.

Austenit wtórny (γ2​): Podczas wytrącania fazy σ rozkład ferrytu δ jednocześnie tworzy bogaty w nikiel austenit wtórny (γ2​). Chociaż sama γ2​ nie jest bezpośrednio szkodliwą fazą, mechanizm jej powstawania jest ściśle powiązany z wytrącaniem się fazy σ. Jego obecność sygnalizuje rozkład ferrytu δ, pośrednio sygnalizując pogorszenie właściwości materiału.