Мікроструктура дуплексної нержавіючої сталі: 50/50 аустеніт-ферит, баланс і вплив властивостей

Дуплексна нержавіюча сталь отримала свою назву завдяки мікроструктурі, що містить дві різні кристалічні фази - аустеніт і ферит -, з’єднані разом у приблизно рівному співвідношенні. Це не косметична деталь. Фазовий баланс є єдиною змінною, яка визначає, чи забезпечує дуплексна труба, фітинг або поковка свою обіцянку високої міцності в поєднанні з чудовою стійкістю до хлоридної корозії, чи замість цього передчасно виходить з ладу через крихкість, розтріскування або неочікувану корозію.

У цій статті пояснюється, як розробляється баланс 50/50, як він перевіряється та як саме він формує механічні та корозійні показники, на які покладаються інженери із закупівель та проектування.

Яке ідеальне співвідношення аустеніту-фериту в дуплексній нержавіючій сталі?

Металургійна ціль — номінальна структура 50% аустеніту/50% фериту, з комерційними специфікаціями, які приймають практичне робоче вікно приблизно 35-65% фериту за об’ємом.

Дуплексні марки сплавляються таким чином, що за типових температур обробки та експлуатації термодинамічно стабільна структура розподіляється майже рівномірно між об’ємно-центрованим-кубічним (BCC) феритом і торцеве-центровано-кубічним (FCC) аустенітом. Жодна фаза сама по собі не дасть набору властивостей дуплексної сталі, якою відома. Ферит забезпечує високу межу міцності та стійкість до хлоридного корозійного розтріскування, але сам по собі він схильний до низько-температурної крихкості та зниженої в’язкості. Аустеніт забезпечує пластичність, ударну в’язкість і зварюваність, але сам по собі має приблизно половину межі текучості та більш сприйнятливий до хлорид-індукованого SCC. Змішування двох фаз у майже{10}}рівних об’ємних частках дозволяє кожній компенсувати слабкі сторони іншої, що є повним комерційним обґрунтуванням визначення дуплексного класу замість однофазної-альтернативи.

Сертифікати заводу та специфікації закупівлі для дуплексу 2205 (UNS S32205/S31803) зазвичай вимагають 35-65% фериту, у той час як сорти економного дуплексу та супердуплексу мають власні кваліфіковані діапазони відповідно до ASTM A923 та відповідного стандарту продукту. Показання в бік будь-якої крайньої межі допустимого діапазону все ще «в специфікації», але воно помітно зміщує профіль властивостей у бік характеристик однієї фази, тому покупці, які оцінюють консистенцію тепла-до тепла, повинні вимагати фактичне число фериту, а не лише відповідність/невідповідність діапазону.

Як формується дуплексна мікроструктура під час затвердіння та охолодження?

Дуплексна сталь твердне як 100% ферит; аустеніт з'являється лише згодом, зароджуючи та зростаючи з меж феритових зерен, коли матеріал охолоджується приблизно на 1000-1300 градусів.

Цей шлях затвердіння є металургійною причиною того, що дуплексна сталь поводиться настільки інакше, ніж аустенітні сорти, які з самого початку затвердіють частково або повністю як аустеніт. Коли розплавлена ​​дуплексна сталь охолоджується нижче свого солідусу, вона утворює одно-фазну феритову структуру. Постійне охолодження через двофазне поле фериту-плюс-аустеніту- дозволяє аустеніту випадати в осад на границях зерен фериту, а потім рости всередину у вигляді планок Відманштеттена та внутрішньозеренних острівців. Швидкість охолодження через це вікно перетворення безпосередньо встановлює, скільки аустеніту утворюється до того, як структура буде зафіксована подальшим охолодженням або процесом гарту.

Оскільки це перетворення є дифузійним-контрольованим, надто швидке охолодження через критичний діапазон (як це може статися в тонких зрізах, трубках малого-діаметра або в зоні-впливу тепла з недостатньою потужністю під час зварювання) не залишає достатньо часу для зародження та зростання аустеніту, що призводить до структури,-багатої феритом. Занадто повільне охолодження або надто тривале витримування при неправильній температурі може призвести до надлишкового утворення аустеніту або випадання шкідливих інтерметалічних фаз, таких як сигма-фаза, які обговорюються нижче. Маршрути обробки на стані - гаряча прокатка, відпал у розчині та загартування водою - навмисно впорядковані для контролю цієї трансформації та фіксації цільового балансу до того, як продукт досягне клієнта.

Джерело: ASTM A923-21, Standard Test Methods for Detecting Detrimental Intermetallic Phase in Wrought Duplex Austenitic/Ferritic Stainless Steels

Чому азот є основним важелем для контролю фазового балансу?

Азот є сильним стабілізатором аустеніту, і сучасні сорти дуплексу навмисно додають 0,14-0,32% азоту спеціально для підтримки фазового балансу близько 50/50 і для підвищення температури, при якій утворюються шкідливі інтерметаліди.

Легуючі елементи нерівномірно розподіляються між двома фазами. Хром і молібден є феритними стабілізаторами і концентруються переважно у феритовій фазі; нікель і азот є стабілізаторами аустеніту і концентруються в аустенітній фазі. Азот незвичайний серед них тим, що він одночасно є потужним стабілізатором аустеніту та підсилювачем-твердого розчину з дуже високою дифузією, тобто він прискорює утворення аустеніту під час охолодження, а не просто робить аустеніт термодинамічно сприятливим.

Цей подвійний ефект пояснюється тим, чому перехід від дуплексних марок першого-покоління (з низьким вмістом азоту) до сучасних марок-з посиленням азоту, таких як 2205, став великим металургійним прогресом: додавання азоту розширило практичне вікно-швидкості охолодження, у якому все ще можна було досягти балансу 50/50, роблячи марку набагато толерантнішою до реальних-млинових і зварювальних термічних циклів.

Азот також підвищує температуру, при якій хром і молібден дифундують у феритову фазу з утворенням окрихких інтерметалічних сполук (сигма- та хі-фази), ефективно купуючи додатковий термічний запас під час зварювання та гарячої обробки. Це друга, незалежна причина, через яку вміст азоту вказується та перевіряється на кожному дуплексному нагріванні, поряд із його роллю у фазовому балансі.

Джерело: ASTM A240/A240M, стандартні специфікації для хрому та хром-нікелевої пластини, листа та стрічки з нержавіючої сталі для посудин під тиском

Які-параметри відпалу рішення забезпечують баланс 50/50?

Duplex 2205 піддається розчину-відпалу в діапазоні 1020-1100 градусів і негайного-гартування водою; як температура, так і швидкість гасіння є змінними, що несуть навантаження, а не зручністю процесу.

Відпал у розчині виконується за достатньо високої температури, щоб розчинити будь-які інтерметалічні виділення та-відновити цільове співвідношення фериту-аустеніту, а потім слідує швидке гартування, щоб заморозити це співвідношення, перш ніж структура може дрейфувати під час повільного охолодження. Оскільки частка фериту збільшується з температурою відпалу в межах кваліфікованого діапазону, млини суворо контролюють температуру в печі - коливання навіть на 20-30 градусів може змінити вміст фериту на кілька відсотків.

Товщина профілю також має значення: важкі-труби та поковки повільніше охолоджуються в серцевині, ніж тонкі плити, тому млини регулюють-інтенсивність загартування водою (загартування розпиленням, резервуари з перемішуванням), щоб підтримувати адекватну швидкість охолодження в усьому поперечному-перерізі, а не лише на поверхні.

Повільне або переривчасте охолодження до 700-900 градусів є особливою небезпечною зоною для випадання сигма-фази, інтерметалічної сполуки, яка швидко утворюється за цих температур і серйозно погіршує як міцність, так і стійкість до корозії навіть у невеликих кількостях. Ось чому-відпалений дуплексний продукт має бути загартований, а не-охолоджений повітрям, і чому будь-який наступний термічний вплив у цьому діапазоні -, включаючи погано виконаний ремонт зварювання чи неконтрольований цикл-зняття напруги, розглядається як металургійний ризик, а не як звичайний етап процесу.

Що відбувається, коли фазовий баланс зміщується з 50/50?

Надлишок фериту змінює в'язкість і зварюваність на міцність і стійкість до SCC; надлишок аустеніту змінює міцність і стійкість до точкової корекції на пластичність і в’язкість - жоден із екстремальних показників не забезпечує збалансованої продуктивності, для якої визначено марку.

Оскільки хром, молібден і азот розподіляються між двома фазами нерівномірно, зсув у фракції фази також є зсувом локальної хімії кожної фази, а отже, і її індивідуальних властивостей, що посилює ефект. Практичні наслідки відхилення від кваліфікованого діапазону підсумовані нижче.

Джерело: IMOA Practical Guidelines for the Fabrication of Duplex Stainless Steels; ASTM A923-21

Як фазовий баланс перетворюється на механічні властивості?

Правильно збалансована дуплексна структура забезпечує приблизно вдвічі більшу мінімальну межу текучості стандартної аустенітної нержавіючої сталі за порівнянної або кращої пластичності, що дозволяє створювати тонші секції за еквівалентного номінального тиску.

Механізм зміцнення простий: сам по собі ферит за своєю суттю міцніший за аустеніт у композиціях з нержавіючої сталі, а дрібно-зерниста, взаємно закріплена дво-фазна структура додає додаткового зміцнення на межах фаз, що перевищує те, що кожна фаза показала б окремо. У наведеній нижче таблиці порівнюються мінімальні властивості ASTM A240 для дуплексу 2205 з аустенітною нержавіючої сталі 316L і супердуплексу 2507.

Джерело: мінімальні вимоги до механічних властивостей ASTM A240/A240M і ASTM A789/A789M

Як фазовий баланс впливає на стійкість до корозії?

Оскільки легуючі елементи розподіляються між двома фазами нерівномірно, корозійна стійкість дуплексної сталі залежить від того, що обидві фази незалежно досягають належного-рівня опору -, збалансована структура гарантує, що жодна фаза не стане слабкою ланкою.

Хром і молібден, два елементи, які найбільше відповідають за стійкість до точкової корекції, сприяють феритовій фазі, тоді як азот - також є сильним фактором-стійкості до точкової корекції - — аустеніту. Добре-продумана дуплексна композиція збалансована таким чином, що кожна фаза окремо досягає відповідного еквівалентного числа опору пітінгу (PREN=%Cr + 3.3×%Mo + 16×%N), а не покладатися на високе-середнє значення PREN, яке маскує локально слабку фазу. Ось чому вміст азоту вказано як діапазон, а не лише як мінімум: надто мало азоту залишає аустенітну фазу під -легованою точковою стійкістю, навіть якщо феритова фаза добре захищена.

Повне порівняння PREN-вибору класу для хлоридів і морської води описано в статті EETA про супердуплекс S32750 проти S32760 і порівняння морської води 254SMO; обидва пояснюють, як формула PREN поширюється за межі дуплексних марок до супер{4}}аустенітних альтернатив.

Джерело: формула PREN відповідно до загальногалузевої конвенції NACE/ASTM; Обмеження хімічного складу ASTM A240/A789

Як перевіряється фазовий баланс у виробництві та контролі якості?

Вміст фериту та відсутність шкідливих інтерметалів перевіряються вимірюванням магнітним ферископом для звичайного контролю якості та металографічним підрахунком точок або аналізом зображень для суддівського та кваліфікаційного тестування відповідно до ASTM A923 та ASTM E562/E1245.

ASTM A923 визначає три методи випробування, кожен з яких націлений на різний режим відмови. Метод A — це процедура металографічного травлення-і-інспектування для виявлення інтерметалічних фаз за малого збільшення. Метод B – це випробування на ударну в’язкість за Шарпі, яке використовується як практичний екран, оскільки крихкість інтерметалічної-фази чітко проявляється як зменшена енергія удару. Метод C — це випробування на корозію-заліза-хлоридом (на основі ASTM G48), яке виявляє схильність до точкової коррозії, спричинену - та молібден-зонами, які прилягають до інтерметалічних виділень.

Матеріал може пройти перевірку масового хімічного складу й відсоткового вмісту-фериту, але все одно не пройти метод С, якщо утворилася невелика об’ємна частка сигма-фази, тому покупці, які вказують критичні дуплексні компоненти для хлоридної служби, повинні вимагати випробування ASTM A923 явно, а не припускати, що це входить до стандартної сертифікації заводу.

Для звичайної перевірки ферит-відсоткового вмісту під час виробництва заводи зазвичай використовують магнітний ферископ для визначення його швидкості, перехресну{1}}перевірку періодично перевіряють відповідно до ASTM E562 ручного підрахунку точок або ASTM E1245 автоматизованого аналізу зображення на полірованому та витравленому металографічному зрізі - два руйнівних методи, які залишаються стандартом для суддів, коли показання ферископа суперечливі або коли кваліфікація нової процедури термічної обробки.

Як зварювання порушує фазовий баланс у зоні-термічного впливу?

Зона -термічного впливу зварного шва регулярно повторно-твердіє та знову нагрівається занадто швидко для відновлення природного аустеніту, тому процедури дуплексного зварювання навмисно додають присадковий метал нікелем, щоб відновити баланс, а не покладаються на оригінальний хімічний склад основного металу.

Під час зварювання ЗТВ, що прилягає до лінії плавлення, короткочасно нагрівається вище температури-відпалу розчину, а потім охолоджується набагато швидше, ніж обробка в стані - зазвичай повітря-охолодження в тихих умовах навколишнього середовища, а не загартування водою. Це швидке, неконтрольоване охолодження сприяє утворенню фериту та може підштовхнути вміст фериту ЗТВ до 70-90% у неконтрольованому зварюванні, що значно виходить за межі кваліфікованого діапазону основного металу, з відповідною втратою міцності та корозійної стійкості саме там, де з’єднання структурно найбільш вразливе.

Стандартне пом'якшення подвійне. По-перше, присадки для дуплексного зварювання (наприклад, ER2209 для 2205) мають приблизно на 2,5-4% більше нікелю, ніж відповідний основний метал, так що навіть при швидкому охолодженні HAZ утворюється достатня кількість зародків аустеніту, щоб повернути сам метал зварного шва до прийнятного балансу. По-друге, процедури зварювання контролюють підведення тепла та міжпрохідну температуру в межах кваліфікованого вікна - надто низьке підведення тепла зменшує ЗТВ у часі, необхідному для будь-якого реформування аустеніту, тоді як надто високе підведення тепла створює ризик випадання сигма-фази на стороні термічного циклу з повільнішим охолодженням. Багатопрохідне зварювання збільшує цей ризик, оскільки кожен наступний прохід повторно нагріває попередню ЗТВ, що робить кваліфікацію WPS за допомогою приймального випробування ASTM A923 стандартною вимогою для дуплексного зварювання тиском, а не додатковою перевіркою.

Джерело: AWS D1.6/D1.6M і ASME, розділ IX, практика атестації процедур дуплексного зварювання

Як Duplex 2205 і Super Duplex 2507 порівнюються за-контролем балансу фаз?

Обидва сорти націлені на однакове вікно 35-65% фериту, але вищий вміст хрому, молібдену та азоту в 2507 звужує практичний запас обробки, роблячи-контроль фазового балансу більш вимогливим — і більш значним у разі пропуску.

Супердуплекс 2507 легований для значно вищого PREN, ніж стандартний дуплекс 2205, що означає, що доступно пропорційно більше хрому та молібдену для утворення інтерметалічної-фази, якщо охолодження надто повільне. На практиці це дає 2507 вужче безпечне охолодження-і тепло-вхідне вікно як під час обробки на фабриці, так і під час зварювання в польових умовах порівняно з 2205, навіть якщо обидва класи кваліфіковані за однаковим номінальним діапазоном феритів.

Ось чому специфікації виробництва супердуплексу зазвичай передбачають суворіші міжпрохідні-температурні обмеження та більш часту перевірку ASTM A923, ніж стандартна дуплексна робота - мета є ідентичною в принципі, але допуск на помилку менший.

Спеціальне порівняння S32750 і S32760, проведене EETA, детально охоплює різницю в композиції між цими супердуплексними марками -, включаючи підхід PREN-W на основі вольфраму-, який використовує S32760 - для покупців, які оцінюють екстремальний вміст хлоридів або кислот.

Duplex Phase-Перевірка балансу

Підтвердження фазового балансу в дуплексному замовленні вимагає п’яти перевірок: склад, відсоток фериту, випробування ASTM A923, записи про термічну обробку та кваліфікацію процедури зварювання.

Переконайтеся, що вміст азоту знаходиться в межах зазначеного діапазону в звіті про випробування на млині, а не тільки вміст хрому/молібдену/нікелю.

Запитуйте фактичний зареєстрований відсоток фериту (а не лише заяву про проходження/незабезпечення) у порівнянні з вікном 35-65% або більш вузьким діапазоном, вказаним у специфікації закупівлі.

Підтвердьте, що випробування ASTM A923 (метод A, B або C, як зазначено) було виконано та успішно пройшло, особливо для хлоридів або кислих продуктів.

Перегляньте температуру-відпалу розчину та метод гасіння, зазначені в сертифікаті термічної обробки, на відповідність кваліфікованій процедурі.

Для зварних вузлів переконайтеся, що WPS/PQR використовував відповідний загальний легований присадний метал (наприклад, ER2209 для 2205) і залишався в межах кваліфікованих температур-вхідних і міжпрохідних-температур.

Для морських або{0}}сервісних проектів підтвердьте відповідність стандартам NORSOK M-630/M-601 або NACE MR0175/ISO 15156 на додаток до основних вимог ASTM.

Часті запитання

З: Чи завжди дуплексна нержавіюча сталь складається саме з 50% фериту та 50% аустеніту?

Відповідь: «50/50» описує номінальну проектну ціль, але кваліфікований виробничий матеріал зазвичай потрапляє в 35-65% вікно фериту залежно від класу та специфікації. Фактичний вміст фериту в питомій теплоємності вказано у звіті про випробування на млині.

Q: Чи можна регулювати вміст фериту після виготовлення матеріалу?

Відповідь: Лише за допомогою циклу повного-розчину-відпалу та повторного загартовування, який скидає баланс, але має бути повторно кваліфікований. Вміст фериту не можна суттєво відрегулювати за допомогою холодної обробки, механічної обробки або легкої термічної обробки.

Питання: чи завжди зварювання знижує міцність дуплексної нержавіючої сталі?

A: Ні, якщо процедура зварювання належним чином кваліфікована. Перелегований присадний метал і контрольоване підведення тепла відновлюють прийнятний фазовий баланс у металі шва; головний ризик полягає в HAZ і в погано контрольованих багатоходових послідовностях.

Питання: Чому в одних сертифікатах дуплексного заводу міститься інформація про вміст фериту, а в інших – ні?

A: Звітування про вміст фериту зазвичай залежить від специфікації покупки. Покупці, яким потрібен критичний хлорид або кислий сервіс, повинні чітко вказати випробування ASTM A923 і звіт про ферит у замовленні на купівлю, а не припускати, що це включено автоматично.

Питання: Чи завжди вищий відсоток фериту гірше впливає на стійкість до корозії?

A: Не обов’язково, що - ферит сам по собі містить вищий вміст хрому та молібдену та добре протистоїть хлориду SCC. Ризик корозії виникає саме через виділення інтерметалічної-фази (сигма/хі), яке може супроводжувати стан-багатого феритом або повільне охолодження, а не структуру,-багату-феритом, але вільну-інтерметалу.