Dvostruka mikrostruktura od nerđajućeg čelika: 50/50 austenit-Uravnoteženost ferita i uticaj na svojstva

Dupleksni nehrđajući čelici su dobili svoje ime po mikrostrukturi koja sadrži dvije različite kristalne faze - austenit i ferit - povezane zajedno u približno jednakom omjeru. Ovo nije kozmetički detalj. Fazni balans je jedina varijabla koja određuje da li dupleks cijev, fiting ili kovanje isporučuju obećanje visoke čvrstoće u kombinaciji s odličnom otpornošću na koroziju klorida, ili umjesto toga prerano otkazuju zbog krtljenja, pucanja ili neočekivane korozije.

Ovaj članak objašnjava kako je ravnoteža 50/50 dizajnirana, kako se provjerava i kako točno oblikuje mehaničke i korozijske performanse na koje se oslanjaju inženjeri nabavke i dizajna.

Koji je idealni omjer austenita-ferita u dupleksnom nehrđajućem čeliku?

Metalurški cilj je nominalna struktura od 50% austenita / 50% ferita, sa komercijalnim specifikacijama koje prihvataju praktičan radni okvir od otprilike 35-65% ferita po zapremini.

Dupleksne vrste su legirane tako da se, pri tipičnim temperaturama obrade i rada, termodinamički stabilna struktura dijeli skoro ravnomjerno između -centriranog-kubnog (BCC) ferita i -centriranog-kubnog (FCC) austenita. Nijedna faza sama po sebi ne bi proizvela svojstvo skupa dupleks čelika po kojem je poznat. Ferit doprinosi visokoj granici tečenja i otpornosti na pucanje hloridnim naponom, ali je sam po sebi sklon krtosti na niskim{6}}temperaturama i smanjenoj žilavosti. Austenit doprinosi duktilnosti, žilavosti i zavarljivosti, ali sam po sebi ima otprilike upola manju granicu tečenja i osjetljiviji je na klorid{8}}induciran SCC. Kombiniranje dviju faza u skoro{10}}jednakim frakcijama zapremine omogućava svakoj da nadoknadi slabosti druge, što je cjelokupno komercijalno obrazloženje za određivanje dupleksnog kvaliteta u odnosu na jednu-faznu alternativu.

Certifikati za mljevenje i specifikacije kupovine za duplex 2205 (UNS S32205/S31803) obično zahtijevaju 35-65% ferita, dok lean duplex i super duplex razredi imaju svoje kvalifikovane opsege prema ASTM A923 i primjenjivom standardu proizvoda. Očitavanje prema bilo kojoj krajnosti prihvaćenog opsega je još uvijek "u specifikaciji", ali mjerljivo pomiče profil svojstva prema karakteristikama jedne faze, zbog čega kupci koji ocjenjuju konzistenciju topline-zagrijanja trebaju tražiti stvarni feritni broj, a ne samo prolaz/neuspjeh u odnosu na raspon.

Kako nastaje dupleks mikrostruktura tokom skrućivanja i hlađenja?

Dupleksni čelik se stvrdnjava kao 100% ferit; austenit se pojavljuje tek nakon toga, stvara se jezgro i raste sa granica zrna ferita kako se materijal hladi za otprilike 1000-1300 stepeni.

Ovaj put stvrdnjavanja je metalurški razlog zašto se dupleks čelik ponaša tako drugačije od austenitnih razreda, koji se od samog početka djelimično ili u potpunosti stvrdnjavaju kao austenit. Kako se rastopljeni dupleks čelik hladi ispod svog solidusa, on formira jednofaznu feritnu strukturu-. Kontinuirano hlađenje kroz ferit-plus-austenit dvije-fazno polje omogućava austenitu da se taloži na granicama zrna ferita i zatim raste prema unutra kao Widmanstätten letve i intragranularna ostrva. Brzina hlađenja kroz ovaj prozor transformacije direktno određuje koliko se austenita formira prije nego što se struktura zaključa daljnjim hlađenjem ili procesom gašenja.

Budući da je ova transformacija difuzno-kontrolisana, prebrzo hlađenje kroz kritični opseg (kao što se može dogoditi u tankim presjecima, cijevi malog-promjera ili u zoni pod utjecajem topline-u toku zavarivanja) ne ostavlja dovoljno vremena da austenit nastane i raste, što rezultira feritnom strukturom{3}. Presporo hlađenje ili predugo zadržavanje na pogrešnoj temperaturi može dozvoliti formiranje viška austenita ili taloženje štetnih intermetalnih faza kao što je sigma faza, o čemu će se dalje raspravljati. Rute obrade mlinova - vruće valjanje, žarenje otopinom i gašenje vodom - su namjerno sekvencionirani kako bi se kontrolirala ova transformacija i zaključao ciljni balans prije nego što proizvod stigne do kupca.

Izvor: ASTM A923-21, Standardne metode ispitivanja za detekciju štetne intermetalne faze u kovanim dupleksnim austenitnim/feritnim nerđajućim čelicima

Zašto je dušik primarna poluga za kontrolu faznog balansa?

Azot je jak stabilizator austenita, a moderni dupleks tipovi su namerno legirani sa 0,14-0,32% azota posebno da bi se održala ravnoteža faza blizu 50/50 i da bi se podigla temperatura na kojoj se formiraju štetni intermetali.

Legirajući elementi se neravnomjerno dijele između dvije faze. Krom i molibden su feritni stabilizatori i koncentrišu se prvenstveno u feritnoj fazi; Nikal i dušik su stabilizatori austenita i koncentrat u austenitnoj fazi. Azot je neuobičajen među njima po tome što je i moćan stabilizator austenita i čvrsti{2}}učvršćivač rastvora sa veoma visokom difuzijom, što znači da ubrzava formiranje austenita tokom hlađenja, a ne samo čini austenit termodinamički favorizovanim.

Ovaj dvostruki efekat je razlog zašto je prelazak sa prve-dupleksne klase (niski azot) na moderne klase azota-poboljšanih kao što je 2205 bio veliki metalurški napredak: dodaci azota su proširili praktičan prozor{3}}brzine hlađenja preko kojeg se ravnoteža 50/50 i dalje mogla postići- da bi se toplinski nivo još uvijek mogao postići{1} da bi se postigao bolji temperaturni nivo6} ciklusa.

Azot takođe podiže temperaturu na kojoj hrom i molibden difunduju u feritnu fazu da bi formirali krhka intermetalna jedinjenja (sigma i chi faza), efektivno kupujući dodatnu termičku marginu tokom zavarivanja i vruće obrade. Ovo je drugi, nezavisan razlog zašto se sadržaj azota specificira i provjerava na svakoj dupleks toplini, uz njegovu ulogu u faznoj ravnoteži.

Izvor: ASTM A240/A240M, Standardna specifikacija za hrom i hrom-Nikalne ploče, lim i trake od nerđajućeg čelika za posude pod pritiskom

Koje rješenje-Parametri žarenja održavaju ravnotežu 50/50?

Duplex 2205 je rastvor-žaren u opsegu od 1020-1100 stepeni i odmah ugašen vodom-; i temperatura i brzina gašenja su varijable koje nose opterećenje, a ne pogodnosti procesa.

Žarenje otopinom se izvodi na temperaturi dovoljno visokoj da se rastvori bilo koji intermetalni precipitat i -uspostavi ciljni omjer ferita-austenita, a zatim slijedi brzo gašenje kako bi se taj omjer zamrznuo na mjestu prije nego što struktura može pomaknuti tokom sporog hlađenja. Budući da se frakcija ferita povećava sa temperaturom žarenja unutar kvalifikovanog opsega, mlinovi čvrsto kontrolišu temperaturu peći - zamah od čak 20-30 stepeni može pomjeriti sadržaj ferita za nekoliko procentnih poena.

Debljina presjeka je također bitna: teška-zidna cijev i otkovci se sporije hlade u jezgri od tanke ploče, tako da mlinovi prilagođavaju intenzitet gašenja vodom-(gašenje raspršivanjem, miješani rezervoari) kako bi zadržali adekvatnu brzinu hlađenja kroz cijeli poprečni-presjek, a ne samo površinu.

Sporo ili prekinuto hlađenje do 700-900 stepeni je specifična opasna zona za taloženje sigma{3}}faze, intermetalno jedinjenje koje se brzo formira na ovim temperaturama i ozbiljno degradira i žilavost i otpornost na koroziju čak i u malim količinama. Zbog toga-žaljeni dupleks proizvod mora biti ugašen, a ne hlađen zrakom-, i zašto se svako naknadno izlaganje toploti u ovom opsegu - uključujući loše izvedenu popravku zavara ili nekontrolirani ciklus otklanjanja naprezanja{7}}tretira kao korak metalurškog procesa, a ne kao rutinski.

Šta se dešava kada se fazni balans pomeri sa 50/50?

Višak ferita umanjuje žilavost i zavarljivost za snagu i otpornost na SCC; višak austenita umanjuje snagu i otpornost na udubljenje radi duktilnosti i žilavosti - niti jedan ekstrem ne daje uravnotežene performanse za koje je klasa specificirana.

Budući da se hrom, molibden i dušik neravnomjerno dijele između dvije faze, pomak u frakciji faze je također pomak u lokalnoj hemiji svake faze, a time i njenih pojedinačnih svojstava, što pojačava efekat. Praktične posljedice odstupanja od kvalifikovanog raspona su sažete u nastavku.

Izvor: IMOA praktične smjernice za proizvodnju dupleks nehrđajućeg čelika; ASTM A923-21

Kako se fazni balans pretvara u mehanička svojstva?

Pravilno izbalansirana dupleksna struktura daje otprilike dvostruko veću minimalnu granicu tečenja od standardnog austenitnog nehrđajućeg čelika uz uporedivu ili bolju duktilnost, omogućavajući tanje dijelove s ekvivalentnim tlakom.

Mehanizam jačanja je jednostavan: sam ferit je inherentno jači od austenita u nehrđajućim sastavima, a fino-zrnasta, međusobno vezana dvofazna struktura dodaje dodatno jačanje na granicama faza izvan onoga što bi bilo koja faza pokazala sama. Tabela ispod upoređuje minimalna svojstva ASTM A240 za duplex 2205 sa 316L austenitnim nerđajućim i super duplex 2507.

Izvor: ASTM A240/A240M i ASTM A789/A789M minimalni zahtjevi za mehanička svojstva

Kako ravnoteža faza utiče na otpornost na koroziju?

Budući da se legirajući elementi neravnomjerno dijele između dvije faze, otpornost na koroziju u dupleks čeliku zavisi od toga da obje faze nezavisno dostignu adekvatan nivo otpornosti{0}}otpornosti -, uravnotežena struktura osigurava da ni jedna faza ne postane slaba karika.

Krom i molibden, dva elementa koja su najodgovornija za otpornost na taloženje, oba favorizuju feritnu fazu, dok azot - također daje jaku otpornost na taloženje-doprinositelj - austenita. Dobro-dizajnirana dupleksna kompozicija je izbalansirana tako da svaka faza pojedinačno dostigne adekvatan broj ekvivalenta otpornosti na točenje (PREN=%Cr + 3.3×%Mo + 16×%N), umjesto da se oslanja na veliku masu-prosječnu PREN koja maskira lokalno slabu fazu. Zbog toga je sadržaj azota određen kao raspon, a ne samo kao minimum: premalo azota ostavlja austenitnu fazu nedovoljno-legiranom radi otpornosti na točenje čak i ako je feritna faza dobro zaštićena.

Potpuna usporedba odabira kvaliteta prema PREN-u za usluge klorida i morske vode pokrivena je u EETA-inom super dupleksnom članku S32750 naspram S32760 i 254SMO poređenju morske vode; oba objašnjavaju kako se PREN formula proteže dalje od dupleksnih ocjena do super-austenitnih alternativa.

Izvor: PREN formula prema zajedničkoj industrijskoj konvenciji NACE/ASTM; ASTM A240/A789 granice hemijskog sastava

Kako se provjerava ravnoteža faza u proizvodnji i QC?

Sadržaj ferita i odsustvo štetnih intermetala verifikovani su merenjem magnetnim feriskopom za rutinski QC i metalografskim brojanjem tačaka ili analizom slike za sudijsko i kvalifikaciono testiranje, regulisano ASTM A923 i ASTM E562/E1245.

ASTM A923 definira tri metode testiranja, od kojih svaka cilja na drugačiji način kvara. Metoda A je metalografska procedura-i-inspekcije za detekciju intermetalnih faza pri malom uvećanju. Metoda B je Charpyjev test udarne žilavosti koji se koristi kao praktičan ekran, budući da se krtost u intermetalnoj-fazi jasno pokazuje kao smanjena energija udara. Metoda C je test korozije sa željeznim{7}}kloridom (zasnovano na ASTM G48) koji otkriva osjetljivost na pitting uzrokovanu zonama osiromašenim hromom- i molibdenom-u susjedstvu intermetalnih taloga.

Materijal može proći hemiju i provjeru postotka ferita{0}}i dalje ne uspjeti u metodi C ako je formiran mali volumenski dio sigma faze, zbog čega kupci koji specificiraju kritične dupleks komponente za hloridnu uslugu trebaju eksplicitno zatražiti ASTM A923 testiranje umjesto da pretpostavljaju da je uključeno u standardnu ​​certifikaciju za mlin.

Za rutinsku{0}}provjeru postotka ferita tokom proizvodnje, mlinovi obično koriste magnetni feritskop za njegovu brzinu, unakrsnu-provjeru periodično u odnosu na ASTM E562 ručno brojanje tačaka ili ASTM E1245 automatsku analizu slike na poliranoj i ugraviranoj metalografskoj sekciji -, dvije metode destruktivnog očitavanja koje se odnose na disferne standarde kada ostaju standardi za disferno očitavanje kvalificiranje novog postupka toplinske obrade.

Kako zavarivanje narušava fazni balans u zoni{0}}zahvaćenoj toplinom?

Zona -zahvaćena toplinom šava rutinski se ponovo-učvršćuje i ponovno zagrijava prebrzo za reformaciju prirodnog austenita, tako da postupci dupleksnog zavarivanja namjerno spajaju dodatni metal sa niklom kako bi se uspostavila ravnoteža umjesto da se oslanjaju na originalnu hemiju osnovnog metala.

Tokom zavarivanja, HAZ u blizini linije fuzije se nakratko zagrijava iznad temperature-žarenja otopine, a zatim se hladi mnogo brže od obrade u mlinu - tipično zračnog-hlađenja u mirnim ambijentalnim uvjetima umjesto gašenja vodom. Ovo brzo, nekontrolirano hlađenje pogoduje formiranju ferita i može pogurati sadržaj ferita HAZ do 70-90% u nekontroliranom zavaru, daleko izvan kvalifikovanog raspona osnovnih metala, uz odgovarajući gubitak žilavosti i otpornosti na koroziju upravo tamo gdje je spoj strukturno najranjiviji.

Standardno ublažavanje je dvostruko. Prvo, dodatni metali za dupleksno zavarivanje (ER2209 za 2205, na primjer) su formulisani sa otprilike 2,5-4% više nikla od odgovarajućeg osnovnog metala, tako da čak i uz brzo HAZ hlađenje, dovoljno austenitnih jezgara da se sam metal šava vrati u prihvatljivu ravnotežu. Drugo, postupci zavarivanja kontroliraju unos topline i međuprolaznu temperaturu unutar kvalificiranog prozora - prenizak unos topline umanjuje HAZ vremena potrebnog za bilo kakvu reformaciju austenita, dok previsok unos topline dovodi u opasnost taloženje sigma- faze na strani termičkog ciklusa sa sporijim hlađenjem. Višeprolazno zavarivanje povećava ovaj rizik, budući da svaki sljedeći prolaz ponovno zagrijava prethodni HAZ, čineći WPS kvalifikaciju sa testiranjem prihvatljivosti ASTM A923 standardnim zahtjevom za dupleksne tlačne zavare, a ne opcionom provjerom.

Izvor: AWS D1.6/D1.6M i ASME Sekcija IX kvalifikaciona praksa postupka dupleksnog zavarivanja

Kako se Duplex 2205 i Super Duplex 2507 porede u fazi-kontrole balansa?

Oba razreda ciljaju na isti 35-65% feritni prozor, ali veći sadržaj hroma, molibdena i azota 2507 sužava praktičnu marginu obrade, čineći kontrolu ravnoteže faze-zahtjevnijom - i konsekventnijom kada se propusti.

Super duplex 2507 je legiran za znatno veći PREN od standardnog duplexa 2205, što znači da je dostupno proporcionalno više hroma i molibdena za pokretanje intermetalne-faze ako je hlađenje presporo. U praksi, ovo daje 2507 uži siguran prozor-brzine hlađenja i unosa topline- tokom obrade mlinovima i zavarivanja u polju u poređenju sa 2205, iako su oba razreda kvalifikovana u odnosu na isti nominalni raspon ferita.

Zbog toga specifikacije za proizvodnju super dupleksa obično nameću strože međuprolazne-ograničenja temperature i češću ASTM A923 verifikaciju nego standardni dupleks rad - cilj je u principu identičan, ali je tolerancija greške manja.

EETA-ino namjensko poređenje S32750 u odnosu na S32760 pokriva kompozicione razlike između ovih super dupleksnih klasa - uključujući pristup baziran na volframu-PREN-W koji koristi S32760 - sa svim detaljima za kupce koji ocjenjuju ekstremne hloridne ili kisele usluge.

Duplex Phase-Provjera stanja

Potvrda ravnoteže faze na dupleks narudžbini zahtijeva pet provjera: sastav, procenat ferita, ASTM A923 ispitivanje, zapis termičke obrade i kvalifikacija postupka zavarivanja.

Proverite da je sadržaj azota unutar navedenog opsega u izveštaju o ispitivanju mlina, a ne samo hrom/molibden/nikl.

Zatražite stvarni prijavljeni postotak ferita (ne samo izjavu o uspješnom/neuspjelom) u odnosu na okvir od 35-65% ili uži raspon naveden u specifikaciji kupovine.

Potvrdite da je testiranje ASTM A923 (Metoda A, B ili C kako je navedeno) obavljeno i prošlo, posebno za hloridne ili kisele usluge.

Pregledajte -temperaturu žarenja otopine i metodu gašenja zabilježene na certifikatu toplinske obrade radi dosljednosti sa kvalifikovanom procedurom.

Za zavarene sklopove, potvrdite da je WPS/PQR koristio odgovarajući metal za punjenje (npr. ER2209 za 2205) i da je ostao unutar kvalifikovanih granica-ulaza topline i međuprolazne-temperature.

Za projekte na moru ili kisele{0}}usluge, potvrdite usklađenost sa NORSOK M-630/M-601 ili NACE MR0175/ISO 15156 pored osnovnih zahtjeva ASTM.

Često postavljana pitanja

P: Da li je dupleks nerđajući čelik uvek tačno 50% ferita i 50% austenita?

O: Br. "50/50" opisuje nominalni cilj dizajna, ali kvalifikovani proizvodni materijal obično spada u okvir od 35-65% ferita u zavisnosti od razreda i specifikacije. Stvarni sadržaj ferita specifične topline je prijavljen u izvještaju o ispitivanju mlina.

P: Može li se sadržaj ferita prilagoditi nakon što je materijal proizveden?

O: Samo kroz ciklus pune-razrješenja-žarenja i ponovnog gašenja, koji resetuje ravnotežu, ali se mora ponovo kvalifikovati. Sadržaj ferita ne može se značajno prilagoditi hladnim radom, mašinskom obradom ili laganim termičkim tretmanima.

P: Da li zavarivanje uvijek smanjuje žilavost dupleks nerđajućeg čelika?

O: Ne ako je postupak zavarivanja pravilno kvalificiran. Višelegirani dodatni metal i kontrolirani unos topline vraćaju prihvatljivu ravnotežu faza u metalu šava; glavni rizik je u HAZ-u iu loše kontrolisanim sekvencama više prolaza.

P: Zašto neki certifikati za dupleks mlin navode sadržaj ferita, a drugi ne?

O: Izvještavanje o sadržaju ferita obično je vođeno specifikacijom kupovine. Kupci kojima je potrebna kritična usluga sa hloridom ili kiselom kiselinom treba da navedu ASTM A923 ispitivanje i izveštavanje o feritu eksplicitno u narudžbini, a ne da pretpostavljaju da je automatski uključeno.

P: Da li je veći procenat ferita uvijek lošiji za otpornost na koroziju?

O: Ne mora nužno da sam ferit - nosi veći sadržaj hroma i molibdena i dobro je otporan na hlorid SCC. Rizik od korozije dolazi posebno od taloženja intermetalne-faze (sigma/chi), koje može pratiti stanje bogato feritima-ili sporo hlađenje, a ne iz umjereno feritne-bogate ali intermetalne-strukture.