Μελέτη των Μετασχηματισμών Φάσεων και Μηχανικών Ιδιοτήτων Χάλυβα Τύπου AISI 310 και των Συγκολλήσεών του

Abstract

Οι ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες χρησιμοποιούνται σε απαιτητικά περιβάλλοντα λειτουργίας, όπου χρειάζεται υψηλή αντίσταση σε διαβρωτικά περιβάλλοντα καθώς και διατήρηση των μηχανικών ιδιοτήτων τους κατά την έκθεση τους σε υψηλές θερμοκρασίες. Όμως, η συνεχής ή διακοπτόμενη έκθεση του χάλυβα αυτού σε εύρος θερμοκρασιών μεταξύ 500-1000οC έχει αρνητικές συνέπειες. Συγκεκριμένα, σε θερμοκρασίες 500-950οC παρατηρείται κατακρήμνιση καρβιδίων χρωμίου στα όρια των κόκκων. Η μείωση της περιεκτικότητας χρωμίου στα όρια κόκκων προκαλεί ευαισθητοποίηση του χάλυβα που γίνεται ευπαθής σε περικρυσταλλική διάβρωση. Επίσης, με παρατεταμένη έκθεση σε εύρος θερμοκρασιών μεταξύ 550-1000οC παρατηρείται κατακρήμνιση της φάσης σίγμα, που οφείλεται στην υψηλή περιεκτικότητα του AISI 310 σε χρώμιο (24-26%κ.β.). Η συγκέντρωση της φάσης σίγμα έχει ιδιαίτερα αρνητική επίδραση στην ολκιμότητα και στην αντοχή και μπορεί να οδηγήσει σε αστοχία του χάλυβα. Για τους παραπάνω λόγους ο AISI 310 χρησιμοποιείται βέλτιστα σε εύρος θερμοκρασιών 1000-1150οC. Είναι προφανές ωστόσο ότι κατά τη διάρκεια λειτουργίας του χάλυβα στις παραπάνω θερμοκρασίες, θα υπάρξουν μεταπτώσεις στις μη βέλτιστες θερμοκρασίες κατά τη θέρμανση-απόψυξη ή κατά τη λειτουργία εκτός σχεδιασμού. Στην παρούσα μελέτη γίνεται προσπάθεια παρατήρησης των αθροιστικών συνεπειών στον χάλυβα AISI 310 κατά τη παραμονή του σε δυσμενείς θερμοκρασίες έκθεσης (650-800οC) και σε θερμοκρασία που βρίσκεται κοντά στο κατώτερο όριο βέλτιστης χρήσης (950οC), για χρόνους έκθεσης μέχρι 500 ώρες. Μελετάται η ταχύτητα κατακρήμνισης των σχηματιζόμενων καρβιδίων χρωμίου και της φάσης σίγμα σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία και το χρόνο έκθεσης. Στόχος της μελέτης είναι η διερεύνηση του βαθμού ευαισθητοποίησης του ανοξείδωτου χάλυβα κατά την παραμονή του σε μη ιδανικές θερμοκρασίες έκθεσης και η σύνδεσή των αλλαγών στις ιδιότητες με τις παρατηρούμενες μικρογραφικές μεταβολές.

Austenitic stainless steels are used in rough environments, where high corrosion resistance and toughness are required at high temperature exposure. AISI 310 belongs in this category of high resistance stainless steels used in high temperature and corrosive environments. Nevertheless, the continuous or discontinuous exposure in the range of 500-950οC can have adverse effects. Specifically, in the range of 500-950οC chromium carbides precipitate in the grain boundaries. The localized depletion of chromium in the grain boundaries causes sensitization to intergranular corrosion. Also, when exposed for prolonged time in the range of 550-1000οC AISI 310 will precipitate phase sigma, caused by the high chromium content of this steel (24-26 weight%). When phase sigma precipitates on a large scale, it has a very detrimental effect on ductility and toughness and can lead to premature failure of the steel. For the above reasons, AISI 310 is best used in temperature range of 1000-1150οC. Still it is obvious that during use in the above temperature range, there will be transitions into the range of sigma phase and chromium carbide precipitation during the heating-cooling cycle or when the material is used outside its designed temperature range. In this study it is attempted to observe the adverse effects on AISI 310 stainless steel when exposed on temperatures outside the designed temperature range (650-800οC) and on a temperature close to the designed temperature range (950οC) with exposure times up to 500 hours. The speed of sigma phase and chromium carbide precipitation in comparison with exposure temperature and time is studied. The purpose of this study is to determine the degree of sensitization of AISI 310 during exposure in sensitization temperatures and to link the effects on properties with changes on the microstructure of the steel.