رسوب سختی در فولادهای آستنیتی

در فولادهای آستنیتی، ذرات فاز ثانویه مختلف می‌تواند در دانه ها یا روی مرزدانه رسوب کند. دو گروه اصلی از رسوبات وجود دارد کاربیدها، نیتریدها، بورایدها مانند M₂₃C₆، Ti(C,N) و ترکیبات بین فلزی مانند سیگما، اتا، شی و لاوس تقسیم می‌شوند. درحالیکه رسوب سختی یکی از عوامل اصلی استحکام دهی در مورد فولادهای آستنیتی است، رسوب سختی می‌تواند اثرات ناخواسته ای نیز داشته باشد[22].برای مثال، رسوب سختی استحکام را می‌تواند کاهش دهد و انواع اصلی آن در اینجا بحث می‌شود.

رسوب سختی عموما در فولادهای آستنیتی، رسوب کاربیدهای غنی از کروم (M₂₃C₆) است. فازM₂₃C₆می‌تواند روی مرزدانه ها، فصل مشترک آخال ها، مرزهای دوقلویی و داخل دانه تشکیل شود. شکل ‏4‑5 فازهای M₂₃C₆درون و داخل دانه ای در یک فولاد آستنیتی 316H در دمای 750 درجه سانتی‌گراد برای 500 ساعت همراه با فازهای لاوس و شی را نشان می‌دهد. شکل ‏4‑5 فازهای M₂₃C₆ که در مرزدانه­ها و فصل مشترک بین زمینه و حفرات در فولاد 309 که در دمای 650 درجه سانتی‌گراد تحت آزمون خزش بوده است را نشان می‌دهد[23].

ه جز فرم بین دانه ای بسیار ریز، رسوب M₂₃C₆برای مقاومت به خزش نامطلوب است. به علاوه، جوانه زنی و رشد M₂₃C₆  درمرزدانه­ها در طول مدت کاری باعث جذب کروم از مرزدانه و زمینه همسایه می‌شود که باعث ایجاد ناحیه تهی از کروم در طول مرزدانه­ها و کاهش مقاومت به IGSCC می‌شود. این مقاومت می‌تواند با اضافه کردن B به آلیاژ و ایجاد ترکیبات برید و کاربید به جای M₂₃C₆یا با رسوب ذرات کاربید غنی از کروم دیگر فازها مانند Cr₂N در فولاد حاوی نیتروژن بیشتر کاهش یابد. این مقاومت به IGSCC می‌تواند با کاهش محتوای کربن در فولادهای آستنیتی با کربن کم 304L و 316L بهبود یابد.

 در گریدهای پایدار شده از آستنیت، (Ti) و (Nb) اضافه می‌شوند تا TiC و NbC ایجاد شوند و مقدار کربن موجود برای رسوب M₂₃C₆ کاهش یابد و حساسیت به IGSCC را بهبود دهند. وقتی به مقدار کافی Ti و Nb اضافه شوند، شکل گیری M₂₃C₆محدودتر می‌شود. رسوبات نوع TiC یا NbC در 321 و 347 یک مزیت اضافی برای بهبود مقاومت استحکام و خزش به دلیل کسر حجمی بیشتر رسوبات ریز محسوب می­شوند[24]. به هر حال، این موضوع باید به یاد آورده شود که M₂₃C₆می‌تواند در گریدهای پایدار شده در دوره زمانی کم به دلیل under-stabilising یا بعد از دوره کاری طولانی به دلیل استحاله MC به M₂₃C₆ نیز مشاهده شود. فاز سیکما، که بعد از دوره سرویس طولانی در بیشتر گریدهای فولاد آستنیتی رسوب می‌کند، بیشتر مورد توجه است زیرا اثرات زیان آوری بر خواص مکانیکی دارد. این موضوع باید یادآوری شود که در این فازها ترکیبات بین فلزی به شدت ترد هستند و بدین گونه شکل گیری آنها داکتیلیتی و تافنس شکست را کاهش می‌دهد. به علاوه، این موضوع می‌تواند خسارت‌های شدیدی را روی پایداری در مقابل خوردگی به دلیل خروج کروم از زمینه ایجاد کند. ترکیب شیمیایی فاز سیکما FeCr است و می‌تواند در بیشتر گریدهای فولادهای آستنیتی مانند 304، 316، 321 و 347 با ترکیبات و زمان نهفتگی متفاوت دیده شود. شکل ‏4‑6 ذرات فاز سیکما در طول مرزدانه در یک فولاد آستنیتی 321 که در دمای 750 درجه سانتی‌گراد برای 5000 ساعت پیرسازی شده است را نشان می‌دهد. شکل گیری فاز سیکما به طور مستقیم از آستنیت مشکل است ومدت زمان طولانی را می­طلبد[24]. علت این موضوع این است که حلالیت کربن و نیتروژن در فاز سیکما بسیار پایین است. بنابراین، فاز سیکما می‌تواند فقط بعد از شکل گیری کاربیدها و نیتریدها شکل گیردکه کربن و نیتروژن رها شده در زمینه به قدر کافی کم است. برای مثال، بارکیک[1] گزارش داده است که شکل گیری فاز سیکما همیشه بعد از شکل گیری کاربید صورت می‌گیرد و غلظت کربن در محلول جامد که در آن فاز سیکما شروع به رسوب از آستنیت می‌کند 0.006% برای فولاد 25Cr-20Ni است[25].

دوره نهفتگی بسیار کوتاه‌تر برای شکل گیری فاز سیکما در گریدهای پایدار شده فولاد آستنیت 321 و 347 که TiC و NbC زودتر از M₂₃C₆شکل می‌گیرد،تایید اضافی برای این دلیل می­باشد. ساختار بلورین فاز سیکما از آستینت غیرکوهیرنت است، از این‌رو جوانه زنی مشکل است.

 

نفوذپذیری عناصر محلول جانشین در زمینه آستنیت نسبتاً پایین است. استدلال‌های متفاوتی در مورد جوانه زنی فاز سیکما وجود دارد. به هر حال، فاز سیکما همیشه در فریت‌های دلتا و یا فصل مشترک زمینه و M₂₃C₆مشاهده می‌شود، اگرچه این فاز می‌تواند در نقاط سه تایی یا مرزدانه ها مشاهده شود.

فریت دلتا یک ویژگی رایج در مورد بسیاری از فولادهای آستنیتی است. شکل ‏4‑7  فاز فریت دلتا در یک فولاد اصلاح شده 309 که در آزمون خزش در دمای 650 درجه سانتی‌گراد قرار گرفته است را نشان می‌دهد[26]. ویلانووا[2] و همکارانش مشاهده کردند که در یک فولاد 316L که تحت آزمون خزش قرار گرفته است، فاز سیکما ترجیحاً در جزایر فریت دلتا شکل می‌گیرد که قبل از آزمون خزش توسط استحاله یوتکتیکی فریت به سیکما+آستنیت، ایجاد می‌شود.

وابستگی دقیق شکل گیری فاز سیکما و فریت دلتا ثابت شده است. به دلیل اینکه نفوذ اتم‌های محلول در فاز فریت سریع‌تر از آستنیت است، رسوب فاز سیکما در فریت دلتا 100 برابر سریع‌تر از آستنیت است. به علاوه، شکل گیری سیکما توسط واکنش یوتکتیکی سریع‌تر و آسان‌تر است. غلظت نسبتاً غنی شده از کروم در فریت دلتا نیز ایفای نقش می‌کند.

باریک[3] گزارش داده است که در هر دو نوع 310 و 304، که شامل حدود 1.2 تا 1.5% کاربید نامحلول M₂₃C₆ بعد از عملیات محلول سازی است فاز سیکما بعد از عملیات آنیل در دمای 600 درجه سانتی‌گراد برای مدت 3000 تا 5000 ساعت در مرز مشترک آستینت- کاربید جوانه می‌زند. ویس[4] و استیکلر[5] اشاره کرده‌اند که فاز سیکما در آستینت فقط می‌تواند در عیوب ساختاری که انرژی آزاد نسبتاً بالایی دارند جوانه بزند. به هر حال دیگر فاکتورها نیز می‌تواند موثر باشند[27].

نفوذ اتم‌های محلول در مرزهای بین فازی می‌تواند چندین مرتبه سریع‌تر از زمینه باشد. به علاوه، عناصری مانند Cr و Mo که رشد فاز سیکما را ارتقا می‌بخشند می‌توانند در مرزدانه جدایش یابند و بدین صورت رسوب فاز سیکما را افزایش دهند. تانگ[6] نشان داده است که شیوه ریخته گری مداوم[7] فولادهای زنگ نزن موجب ایجاد بیشتر فاز سیکما نسبت به ریخته گری در حالت غیرمداوم[8] می‌شود. در مقایسه با ریخته گری غیر مداوم در فولادهای زنگ نزن، ریخته گری مداوم باعث ایجاد جدایش بیشتر در مرکز شمش‌ها می‌شود که باعث ایجاد نواحی غنی از Cr و Mo خواهد شد[28]. بنابراین شکل گیری فاز سیکما در ریخته گری مداوم مستعدتر است و با سرعت بیشتر ایجاد می‌شود. فازهای کمیاب دیگری نیز در فولادهای آستنیتی در طول سرویس مشاهده می‌شود. در گریدهای پایدار شده از فولاد آستنیتی مانند، 321 و 347 کربونات های عناصر Nb و Ti به فرم MX ایجاد می‌شود. برای پایدار کردن این آلیاژها در مقابل IGSCC فولاد قبل از سرویس در دمای 840-900 درجه سانتی‌گراد برای چندین ساعت عملیات حرارتی می‌شوند تا کربونات ها به کاربیدها تغییر شکل دهند[29]. اگر مقاومت به خزش مورد نظر باشد، کربونات ها در دماهای بالا توسط عملیات محلول سازی حل می‌شوند تا هر کربن و نیتروژن موجود در آن رها شود. این کربن و نیتروژن می‌تواند به شکل رسوبات ریزی در دماهای پایین‌تر رسوب یابند و استحکام فولاد را افزایش دهند. حضور ذرات MX محدود به فولادهای آستنیتی پایدار شده نیست. شکل ‏4‑8  ذرات Nb(C,N) در فولاد اصلاح شده 309 که تحت آزمون خزش در دمای 650 درجه سانتی‌گراد قرار گرفته است را نشان می‌دهد.

 

فاز لاوس یک ترکیب بین فلزی است و در بسیاری از فولادهای آستنیتی مشاهده می‌شود. ترکیب فاز لاوس در فولادهای آستنیتی با توجه به ترکیب آلیاژ تغییر می‌کند. فرم کلی آن Fe₂Mo، Fe₂Nb و Fe₂Ti است. به همین خاطر این مورد در فولاد 304 به دلیل کمبود عناصر آلیاژی مشاهده نمی‌شود. فاز غنی از مس می‌تواند در بعضی از فولادهای آستنیتی غنی از مس دیده شود. شکل ‏4‑9 ذرات غنی از مس در فولاد اصلاح شده 309 که تحت آزمون خزش در دمای 650 درجه سانتی‌گراد است را نشان می‌دهد[30]. این ذرات موجب افزایش مقاومت به خزش می‌شوند. به علاوه، اضافه کردن مس همراه با Mo می‌تواند مقاومت به خوردگی در اسید سولفوریک را افزایش دهد.

---

[1]Bsrcik

[2]Villanueva

[3]Barcik

[4]Weiss

[5]Stickler

[6]Tang

[7]continuously

[8]static