Độ giòn pha Sigma trong thép không gỉ song công: Đường cong lượng mưa-Nhiệt độ-

Pha Sigma hình thành trong thép không gỉ song công nhanh nhất trong khoảng từ 700 độ đến 900 độ, với đỉnh của đường cong thời gian-nhiệt độ-lượng mưa (TTP) thường nằm ở khoảng 800–850 độ - nghĩa là dải hẹp, không phải nhiệt độ cao hơn hay thấp hơn, là nơi xảy ra lượng mưa nhanh nhất, gây hại nhiều nhất. Tỷ lệ sigma nhỏ tới 1–3% theo thể tích có thể gây ra sự sụt giảm nghiêm trọng, không cân đối về độ bền va đập và khả năng chống ăn mòn rỗ, đó là lý do tại sao việc kiểm soát thời gian dành cho phạm vi này trong quá trình hàn và xử lý nhiệt là một yêu cầu chế tạo nghiêm ngặt, không phải là một chi tiết quy trình nhỏ.

Thép không gỉ song có danh tiếng là - độ bền cao, khả năng kháng clorua tuyệt vời - nhờ cấu trúc vi mô cân bằng gồm các phần austenite và ferit gần bằng nhau. Sự cân bằng đó rất mong manh ở nhiệt độ cao. Giữ quá lâu trong cửa sổ nhiệt độ không phù hợp, pha ferit biến đổi một phần thành hợp chất liên kim loại gọi là pha sigma và các đặc tính có giá trị nhất của hợp kim sẽ sụp đổ. Bài viết này giải thích pha sigma là gì, đường cong lượng mưa-nhiệt độ{6}}theo thời gian của nó trông như thế nào và những gì nhà chế tạo cần làm để tránh xa nó.

Giai đoạn Sigma là gì và tại sao nó lại làm giòn thép không gỉ song công?

Pha Sigma là một hợp chất kim loại cứng, giòn, giàu crom và molypden, hình thành khi ferit trong thép không gỉ song công phân hủy ở nhiệt độ cao - và do nó tách crom và molypden khỏi nền xung quanh nên nó đồng thời làm hỏng cả độ bền và khả năng chống ăn mòn.

Pha sigma hình thành thông qua phản ứng kiểu eutectoid{0}}trong đó ferit phân hủy thành pha sigma cộng với austenit thứ cấp. Nó ưu tiên tạo mầm ở các ranh giới pha ferit-austenit và các ranh giới hạt ferit-ferit - thường bắt đầu bằng một pha chi, liên kim loại có liên quan, hình thành đầu tiên ở các ranh giới ferit-ferit và sau đó được tiêu thụ khi pha sigma phát triển.

Bởi vì pha sigma về bản chất là cứng và giòn, đồng thời do sự hình thành của nó kéo crom và molypden ra khỏi nền xung quanh nên nó tạo ra hai vấn đề cùng một lúc: pha thứ cấp giòn về mặt vật lý nằm ở ranh giới hạt và các vùng cạn kiệt crom/molypden{0}} bên cạnh nó dễ bị ăn mòn cục bộ hơn nhiều. Cơ chế phá hủy kép này là lý do tại sao hiện tượng giòn ở pha sigma được coi là một rủi ro chế tạo quan trọng hơn là một mối lo ngại về luyện kim thẩm mỹ.

Đường cong Thời gian{0}}Nhiệt độ{1}} Lượng mưa (TTP) hiển thị cho Pha Sigma là gì?

Đường cong TTP biểu thị nhiệt độ mà hợp kim được giữ trong khoảng thời gian cần thiết để một lượng pha sigma nhất định xuất hiện, tạo ra một đường cong hình chữ C-đặc trưng có 'mũi' đánh dấu lượng kết tủa nhanh nhất có thể - đối với thép không gỉ song công, mũi đó thường nằm ở khoảng 800–850 độ .

Các nhà nghiên cứu xây dựng những đường cong này bằng cách giữ các mẫu đã ủ trong dung dịch ở một loạt nhiệt độ cố định, sau đó đo lượng pha sigma đã hình thành sau các khoảng thời gian giữ khác nhau, từ vài phút đến hơn một nghìn giờ. Được vẽ trên trục thời gian (thang log) so với trục nhiệt độ, đường cong thu được giống chữ "C" nằm ngang: lượng mưa chậm ở cả đầu cao và đầu thấp của phạm vi rủi ro và nhanh nhất ở giữa.

Các nghiên cứu về thép không gỉ song công UNS S31803 (2205) đã xác định động học hình thành sigma-đỉnh khoảng 850 độ, với công việc TTP đã công bố kéo dài thời gian duy trì lên đến hơn 1.000 giờ để mô tả đầy đủ đường cong. Công việc độc lập trên các cấp độ đúc song công, cấp độ siêu song công và các thành phần song công tinh gọn luôn đặt mũi của đường cong trong cùng một dải 800–850 độ chung, mặc dù hình dạng chính xác và thời gian thay đổi đôi chút theo thành phần hợp kim.

Phạm vi nhiệt độ nào là nguy hiểm nhất đối với sự hình thành pha Sigma?

Vùng nguy hiểm thực tế trải dài khoảng 700 độ đến 950 độ ở các cấp độ song công và siêu song công, với nhiệt độ nguy hiểm nhất - lượng mưa nhanh nhất - được báo cáo nhất quán ở khoảng 800–850 độ .

Bên ngoài dải này, bức tranh thay đổi: dưới khoảng 700 độ , sự khuếch tán đủ chậm để quá trình hình thành sigma trở nên rất chậm chạp, mặc dù việc tiếp xúc kéo dài vẫn có thể cho phép điều đó và thay vào đó, cơ chế giòn ở nhiệt độ thấp hơn,-riêng biệt - 475 do sự phân hủy spinodal của ferit - trở thành rủi ro liên quan hơn. Trên khoảng 950–1000 độ, pha sigma trở nên kém ổn định về mặt nhiệt động và có xu hướng hòa tan trở lại vào nền, đây là cơ sở để ủ dung dịch như một phương pháp xử lý nhiệt hiệu chỉnh.

Giai đoạn Sigma nhỏ cần đến bao nhiêu để gây ra vấn đề?

Một lượng nhỏ đáng kể - thường được trích dẫn ở mức thấp từ 1% đến 3% theo thể tích - là đủ để gây ra sự sụt giảm đáng kể, không cân xứng về độ bền va đập, điều này khiến cho việc kiểm soát pha sigma trở nên nghiêm ngặt một cách bất thường so với nhiều khuyết tật luyện kim khác.

Đây là chi tiết khiến các kỹ sư mới làm quen với thép không gỉ song công ngạc nhiên nhất: pha sigma không cần tích lũy đến một phần lớn trước khi nó trở nên nguy hiểm. Nhiều nghiên cứu độc lập về thép không gỉ song công 2205 báo cáo rằng hàm lượng sigma ở các chữ số đơn thấp theo thể tích đã đủ để gây ra sự suy giảm độ bền rõ rệt và các đường cong năng lượng tác động bám sát với hình dạng của chính đường cong kết tủa sigma - cùng phạm vi 800–850 độ kết tủa sigma nhanh nhất cũng là phạm vi tạo ra độ bền va đập thấp nhất sau khi lão hóa. Khi thời gian lưu giữ và hàm lượng sigma tăng hơn nữa, độ bền tiếp tục giảm, nhưng sự sụt giảm mạnh nhất, gây hậu quả nghiêm trọng nhất xảy ra sớm, ở các phân số mà việc kiểm tra bằng mắt thông thường có thể dễ dàng bỏ sót.

Pha Sigma cũng ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn hay chỉ là độ dẻo dai?

Cả hai. Kết tủa pha sigma làm giảm đáng kể khả năng rỗ và tăng tính nhạy cảm với sự ăn mòn giữa các hạt và rỗ, bởi vì sự suy giảm crom- và molypden-xung quanh mỗi hạt sigma sẽ làm suy yếu màng thụ động ở chính xác nơi cần thiết nhất.

Hậu quả ăn mòn xảy ra trực tiếp từ cách hình thành pha sigma: khi crom và molypden khuếch tán vào hạt sigma đang phát triển, ma trận xung quanh ngay lập tức trở nên cạn kiệt cục bộ trong chính các nguyên tố giúp ổn định màng oxit thụ động. Thử nghiệm điện hóa trên thép không gỉ song công lâu năm cho thấy khả năng rỗ giảm khi hàm lượng sigma tăng lên, với vùng thụ động thu hẹp và cuối cùng trở nên không ổn định ở phân số sigma cao hơn.

Các hố đã được chứng minh là có khả năng tạo mầm tốt hơn ở những vùng nghèo crom-xung quanh các hạt sigma và mức độ nghiêm trọng theo cả số lượng và sự phân bố của sigma hiện diện -, các hạt sigma đậm đặc, thô thường gây hại nhiều hơn so với cùng một phần thể tích được phân tán mịn. Nói tóm lại, một bộ phận có thể không đạt trong thử nghiệm ăn mòn ở cùng một khu vực bị hàn hoặc bị ảnh hưởng bởi nhiệt-mà tại đó nó cũng sẽ không đạt trong thử nghiệm va đập.

Tại sao hàn khiến thép không gỉ song công có nguy cơ bị pha Sigma?

Vùng bị ảnh hưởng nhiệt-bên cạnh mối hàn chắc chắn sẽ đi qua dải nguy hiểm 700–950 độ trong cả quá trình gia nhiệt và làm mát, đồng thời, nhiều đường hàn hoặc làm mát giữa các đường hàn chậm có thể tích lũy đủ thời gian trong dải đó để tạo ra pha sigma gây hư hỏng ngay cả khi không có một đường chuyền nào rõ ràng là quá nóng.

Mỗi đường hàn hồ quang tạo ra một gradient nhiệt độ tỏa ra từ vũng hàn và ở đâu đó dọc theo gradient đó, kim loại cơ bản sẽ nhanh chóng nằm trong phạm vi hình thành sigma. Một lần vượt qua nhanh có thể không nán lại ở đó đủ lâu để quan trọng. Hàn nhiều đường, nhiệt đầu vào cao, kiểm soát nhiệt độ giữa các đường không đủ hoặc làm mát chậm ở các phần dày đều có thể kéo dài thời gian ở trong dải nguy hiểm vượt quá giới hạn cho phép của đường cong TTP của hợp kim trước khi hàm lượng sigma gây hư hại xuất hiện. Đây là lý do tại sao quy trình hàn đối với thép không gỉ song công chỉ định lượng nhiệt đầu vào tối đa, nhiệt độ giữa các đường hàn được kiểm soát và - trong nhiều trường hợp - yêu cầu làm mát nhanh trong phạm vi tới hạn, thay vì để tốc độ làm mát tùy cơ ứng biến.

Giai đoạn Sigma thực sự hình thành nhanh như thế nào trong - phút hoặc giờ?

Ở mũi của đường cong, pha sigma có thể phát hiện được có thể bắt đầu hình thành trong vòng chưa đầy hai giờ và trong một số chế phẩm đúc và hợp kim cao, trong vòng khoảng 100 phút hoặc ít hơn - đủ nhanh đến mức thời gian nguội mối hàn chậm hoặc xử lý nhiệt sau mối hàn-được kiểm soát không đúng cách là một rủi ro thực sự, không phải về mặt lý thuyết.

Dữ liệu TTP được công bố cho thép không gỉ song công CD3MN đúc đặt mũi của đường cong ở khoảng 800 độ với sự hình thành sigma có thể phát hiện được bắt đầu trong khoảng 100 phút thời gian giữ. Các nghiên cứu động học trên vật liệu rèn 2205 báo cáo động học biến đổi nhanh nhất ở 850 độ, với các nghiên cứu đặc tính đầy đủ kéo dài thời gian duy trì lên tới hơn 1.000 giờ để lập bản đồ đường cong hoàn chỉnh, bao gồm cả tốc độ hình thành chậm hơn nhiều ở các cạnh của dải nguy hiểm. Ý nghĩa thực tế là không đối xứng: phần nhanh nhất của đường cong hoạt động trong khoảng thời gian từ khoảng một giờ đến vài giờ, vừa đủ trong khoảng thời gian mà một-mối hàn dày hoặc chu trình lò được kiểm soát không đúng cách có thể phải trải qua trong phạm vi nhiệt độ đó.

Cần phải có tốc độ làm mát nào sau khi ủ dung dịch để tránh giai đoạn Sigma?

Tốc độ làm mát nhanh hơn khoảng 0,25 K/s thông qua phạm vi hình thành sigma{1}}được cho là có tác dụng ngăn chặn sự hình thành pha sigma trong quá trình làm mát liên tục từ nhiệt độ ủ-dung dịch, đó là lý do tại sao làm nguội bằng không khí-bắt buộc - không chậm, vẫn-làm mát bằng không khí của các phần dày - là phương pháp tiêu chuẩn đối với thép không gỉ song công.

Quá trình ủ dung dịch ở nhiệt độ cao (thường trên khoảng 1000–1050 độ ) sẽ hòa tan mọi pha sigma hiện có và thiết lập lại sự cân bằng ferrite austenite-, nhưng lợi ích chỉ được duy trì nếu thời gian hồi chiêu tiếp theo vượt qua phạm vi hình thành sigma-đủ nhanh để ngăn chặn sự kết tủa mới. Các nghiên cứu biến đổi-làm mát{6}}liên tục được xây dựng cùng với dữ liệu TTP xác nhận rằng làm mát đủ nhanh - với các ngưỡng được công bố trong khoảng khoảng 1/4 độ C mỗi giây - tránh được sự hình thành sigma có ý nghĩa mặc dù cùng một vật liệu sẽ dễ dàng hình thành sigma nếu được giữ đẳng nhiệt trong dải nguy hiểm. Đây chính xác là lý do tại sao các thành phần song công có mặt cắt dày yêu cầu phải làm nguội mạnh sau khi ủ dung dịch: chỉ khối lượng thôi cũng có thể làm chậm tốc độ làm mát ở lõi của thành phần xuống dưới ngưỡng này ngay cả khi bề mặt nguội đi nhanh chóng.

Pha Sigma được phát hiện như thế nào trong các thành phần đã hoàn thiện hoặc đang trong{0}}dịch vụ?

Kiểm tra kim loại bằng phương pháp khắc chọn lọc vẫn là phương pháp tham khảo nhưng các kỹ thuật không phá hủy - bao gồm các phương pháp từ tính và điện hóa khai thác các đặc tính riêng biệt của pha sigma từ ferrite - ngày càng được sử dụng để sàng lọc các thành phần mà không cần cắt mẫu.

Kỹ thuật luyện kim: các phần được đánh bóng bằng chất ăn mòn chọn lọc cho thấy hình thái và sự phân bố pha sigma một cách trực tiếp, đồng thời vẫn là tiêu chuẩn để định lượng phần-thể tích chính xác.

Kiểm tra tác động: Kiểm tra Charpy là một chỉ báo gián tiếp mạnh mẽ, vì đường cong năng lượng tác động theo dõi chặt chẽ hàm lượng sigma trong thép không gỉ song công lâu năm.

Phương pháp từ tính và điện từ: vì pha sigma không có từ tính trong khi ferit là sắt từ nên sự hình thành của nó làm thay đổi đáng kể phản ứng từ tính của vật liệu, cho phép các phương pháp sàng lọc không phá hủy.

Thử nghiệm điện hóa: phân cực thế động có thể phát hiện sự sụt giảm điện thế rỗ liên quan đến sự suy giảm crom và molypden liên quan đến sigma-, cung cấp màn chắn dựa trên sự ăn mòn gián tiếp nhưng nhạy cảm-.

Đối với các thành phần được chế tạo quan trọng, sự kết hợp của các phương pháp tiếp cận - thay vì bất kỳ thử nghiệm đơn lẻ nào - sẽ mang lại hình ảnh đáng tin cậy nhất, vì sự mất độ bền, tính nhạy cảm với sự ăn mòn và hàm lượng sigma được quan sát trực tiếp không phải lúc nào cũng di chuyển theo từng bước ở phân số sigma rất thấp.

Các nhà chế tạo nên làm gì để ngăn chặn hiện tượng giòn pha Sigma?

Kiểm soát nhiệt đầu vào và nhiệt độ giữa các lớp trong quá trình hàn, làm nguội nhanh chóng trong phạm vi 700–950 độ sau bất kỳ-tiếp xúc nhiệt độ cao nào và xác minh kết quả bằng thử nghiệm tác động thay vì chỉ dựa vào kiểm tra bằng mắt.

Chỉ định và thực thi các giới hạn nhiệt độ và nhiệt đầu vào tối đa giữa các đường hàn trong thông số kỹ thuật của quy trình hàn, vì những giới hạn này trực tiếp kiểm soát khoảng thời gian mà vùng-bị ảnh hưởng nhiệt tồn tại trong dải nguy hiểm.

Sử dụng làm mát bằng nước - làm mát nhanh hoặc làm mát bằng không khí-bắt buộc phù hợp với độ dày phần - sau khi ủ dung dịch hoặc bất kỳ chu trình nhiệt-nhiệt độ cao nào, thay vì cho phép làm mát không khí chậm, tĩnh{4}}.

Tính toán độ dày của mặt cắt một cách rõ ràng: các thành phần dày nguội chậm hơn ở lõi của chúng và có thể cần được làm nguội mạnh hơn để đạt được tốc độ làm mát hiệu quả tương tự như các mặt cắt mỏng.

Yêu cầu thử nghiệm tác động Charpy trên các hồ sơ đánh giá quy trình và, trong trường hợp thực tế, trên các mối hàn sản xuất, vì sự mất độ bền là một trong những chỉ số nhạy cảm nhất của sự hình thành sigma mới chớm.

Trong trường hợp các điều kiện dịch vụ liên quan đến việc tiếp xúc lặp đi lặp lại hoặc kéo dài gần dải nguy hiểm, hãy đánh giá chính việc lựa chọn hợp kim - một số chế phẩm song công và chiến lược hợp kim hóa làm trì hoãn sự hình thành sigma hiệu quả hơn các chế phẩm khác.

Câu hỏi thường gặp

Ở nhiệt độ nào thì pha sigma hình thành nhanh nhất trong thép không gỉ song công?

Hầu hết các nghiên cứu về lượng mưa-nhiệt độ{1}}được công bố đều đặt sự hình thành sigma nhanh nhất - 'mũi' của đường cong - vào khoảng 800–850 độ , mặc dù giá trị chính xác thay đổi đôi chút theo thành phần hợp kim.

Pha sigma bao nhiêu thì nguy hiểm?

Ít đến ngạc nhiên. Nhiều nghiên cứu báo cáo sự mất đi độ dẻo dai đáng kể từ các phân số sigma trong khoảng từ 1% đến 3% theo thể tích, rất lâu trước khi pha này trở nên dễ dàng phát hiện mà không cần kiểm tra kim loại.

Pha sigma có ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn hay chỉ là độ bền cơ học?

Cả hai. Sự hình thành pha Sigma làm cạn kiệt crom và molypden từ ma trận xung quanh, điều này làm giảm đáng kể khả năng rỗ và tăng tính nhạy cảm với sự ăn mòn giữa các hạt và rỗ, ngoài ra còn làm giảm độ bền va đập.

Pha sigma có thể bị loại bỏ khi nó đã hình thành không?

Có, nói chung thông qua quá trình ủ dung dịch ở nhiệt độ đủ cao (thường trên khoảng 1000–1050 độ ) sau đó làm nguội nhanh, hòa tan pha sigma trở lại ma trận và khôi phục cấu trúc vi mô cân bằng - với điều kiện thời gian hồi chiêu tiếp theo đủ nhanh để ngăn chặn sự tái tạo.

Tại sao hàn là nguyên nhân phổ biến nhất của pha sigma trên hiện trường?

Bởi vì vùng-bị ảnh hưởng bởi nhiệt xung quanh bất kỳ mối hàn nào chắc chắn sẽ đi qua phạm vi nhiệt độ hình thành sigma-trong quá trình gia nhiệt và làm mát, đồng thời-hàn nhiều lượt hoặc đầu vào nhiệt cao có thể tích lũy đủ thời gian trong phạm vi đó để kết tủa hàm lượng sigma có hại.