Какие вредные фазы легко выделяются в дуплексной стали в определенных интервалах температур?

Дуплекс из нержавеющей стали (DSS) широко используется в нефтегазовой, химической и морской инженерно-технической отраслях благодаря своей высокой прочности и превосходной коррозионной стойкости. Однако высокие характеристики DSS зависят от его точно сбалансированной микроструктуры аустенита (γ) и феррита (δ). Когда DSS подвергается воздействию или эксплуатируется в течение длительного времени в определенных температурных диапазонах, ферритная фаза разлагается, выделяя различные «вредные фазы». Эти выделения серьезно ухудшают механическую прочность и коррозионную стойкость материала, создавая значительную угрозу надежности инженерных приложений.

1. Уничтожитель хрупкости: выделение σ и χ фаз.

Из всех вредных фаз σ-фаза, несомненно, является самой известной и разрушительной.

Диапазон температур осаждения: σ-фаза выпадает в основном при температуре от 600°C до 950°C, при этом кинетика осаждения достигает максимума при температуре от 800°C до 880°C.

Химический состав: σ-фаза представляет собой интерметаллическое соединение, богатое хромом (Cr) и молибденом (Mo). Он образуется в результате разложения δ-феррита или реакции эвтектоидного разложения на границе раздела между δ-ферритом и γ-аустенитом.

Влияние на производительность: Выделение σ-фазы оказывает двоякое влияние на инженерные свойства DSS. Во-первых, σ-фаза сама по себе является твердой и хрупкой фазой. Его присутствие резко снижает ударную вязкость материала, делая его склонным к хрупкому разрушению при низких температурах или в условиях концентрации напряжений. Во-вторых, во время выделения σ-фаза поглощает значительные количества Cr и Mo из окружающей δ-ферритной матрицы, в результате чего вокруг σ-фазы образуются области, обедненные Cr и Mo. Эти обедненные области значительно снижают коррозионную стойкость, становясь уязвимыми для питтинговой и межкристаллитной коррозии.

Хи-фаза также представляет собой интерметаллическое соединение, богатое Cr и Mo, которое обычно образуется в том же температурном диапазоне, что и σ-фаза (от 700 до 900 °C). Однако χ-фаза обычно выделяется преимущественно как метастабильная фаза в начале старения, лишь позже трансформируясь в более стабильную σ-фазу. Ее негативное влияние на свойства аналогично влиянию σ-фазы, приводя к охрупчиванию и снижению коррозионной стойкости.

2. Охрупчивание при 475°C: скрытая угроза при низких температурах

Помимо σ-фазы в регионах с высокими температурами, дуплексная нержавеющая сталь также испытывает опасную зону при более низких температурах, известную как охрупчивание при 475°C.

Диапазон температур выпадения осадков: это явление происходит при температуре от 350°C до 550°C, с пиковой интенсивностью около 475°C.

Микромеханизм: в этом температурном диапазоне дельта-ферритная фаза подвергается спинодальному распаду, распадаясь на две наноразмерные ферритные структуры: богатую хромом α'-фазу (богатую Cr α') и альфа-фазу с низким содержанием хрома (альфа с низким содержанием хрома).

Влияние на производительность: такое наноразмерное разделение фаз значительно увеличивает твердость и прочность материала, но резко снижает его ударную вязкость. Хотя это низкотемпературное охрупчивание менее серьезное и распространенное, чем выделение σ-фазы на коррозионную стойкость, богатая хромом α'-фаза также может приводить к повышенной восприимчивости к коррозии в определенных средах. Стоит отметить, что спинодальное разложение обычно требует длительного периода старения, но кинетика осаждения может ускоряться в холоднодеформированном материале.

3. Карбонитриды и вторичный аустенит.

Помимо упомянутых выше первичных осадков, при определенных условиях могут образовываться и другие вредные фазы:

Карбиды и нитриды: при температуре от 550°C до 750°C могут выпадать в осадок карбиды хрома (Cr23​C6​) или нитриды. Хотя содержание углерода (C) в современных DSS обычно поддерживается на чрезвычайно низком уровне (≤0,03%), эти выделения все равно могут образовываться на границах зерен, поглощая Cr и создавая риск межкристаллитной коррозии.

Вторичный аустенит (γ2​): во время выделения σ-фазы разложение δ-феррита одновременно образует богатый никелем вторичный аустенит (γ2​). Хотя γ2 сама по себе не является непосредственно вредной фазой, механизм ее образования тесно связан с осаждением σ-фазы. Его наличие сигнализирует о разложении δ-феррита, косвенно сигнализируя об ухудшении свойств материала.