Σχέση μικροδομής - ιδιοτήτων σε υπερωστενιτικούς ανοξείδωτους χάλυβες

Abstract

The microstructure - properties relationship in superaustenitic stainless steels, following exposure at elevated temperatures versus ageing time, was the subject investigated in this PhD thesis. The main part of this thesis refers to the study of the modern superaustenitic stainless steel grades S32654 and S31254. The full characterization of precipitates following ageing and the correlation with the mechanical properties composes the primary aim of this study. The steels were exposed to isothermal heat treatments within the temperature range of 650oC to 950oC, for ageing times varying between 30mins and 3000h, followed by water quenching at room temperature. Microstructure examination indicated the formation of various secondary phases, such as sigma phase (σ), chi phase (χ) and the Laves phase, which were fully characterized by advanced electron microscopy. In particular, the techniques utilized in order to characterize those secondary phases were Transmission Electron Microscopy (TEM), Scanning Electron Microscopy (SEM) coupled with Electron Dispersive Spectroscopy X-ray microanalysis, Optical Microscopy (OM and) and X-ray Diffraction (XRD). In addition, in order to correlate the microstructure characteristics with mechanical properties, tensile testing and Vickers hardness testing were utilized, such as the calculation of toughness. Furthermore, in order to perform a more spherical study on superaustenitic stainless steels, a study on the effect of cold forming was performed. The steels were subjected to cold rolling for 20%, 40% or 60% thickness reduction, then subjected to isothermal heat treatment within the temperature range of 650oC to 950oC, for ageing times varying between 30mins and 120h, followed by water quenching at room temperature. An additional study was performed that compares the effect of high temperature exposure between the superaustenitic grades and a novel superferritic grade. The superferritic grade, produced with the HIP method, was received as sheet product, cold rolled to 10% or 20% thickness reduction and subjected to isothermal heat treatment within the temperature range of 650oC to 950oC, for ageing times varying between 1h and 500h, followed by water quenching at room temperature. As a general conclusion, this study indicated an increase in the formation of the various precipitates proportionally to the temperature increment and ageing time increment, at a given temperature, for all the steels examined.

Στην διδακτορική αυτή διατριβή εξετάστηκε η εξέλιξη της μικροδομής και των μηχανικών ιδιοτήτων συγκεκριμένων τύπων ανοξείδωτων χαλύβων μετά από έκθεση σε υψηλές θερμοκρασίες, σε συνάρτηση με το χρόνο. Το κύριο τμήμα της διατριβής αναφέρεται στη μελέτη των μοντέρνων υπερωστενιτικών χαλύβων S32654 και S31254. Ο πλήρης προσδιορισμός των φάσεων αυτών και η συσχέτισή τους με τις μηχανικές ιδιότητες στους υπερωστενιτικούς ανοξείδωτους χάλυβες, είναι και ο κύριος στόχος της διατριβής αυτής. Για τους δύο υπερωστενιτικούς και τον έναν ωστενιτικό χάλυβα, πραγματοποιήθηκαν ισοθερμοκρασιακές θερμικές κατεργασίες στο θερμοκρασιακό εύρος μεταξύ 650oC και 950oC, για χρονικά διαστήματα από 30mins μέχρι 3000h, ακολουθούμενες από βαφή σε νερό θερμοκρασίας δωματίου. Η μελέτη της μικροδομής των θερμικά κατεργασμένων χαλύβων ανέδειξε το σχηματισμό ποικίλων δευτερευουσών φάσεων, όπως η φάση σίγμα (σ), η φάση χι (χ) και η φάση Laves, οι οποίες ανιχνεύτηκαν και χαρακτηρίστηκαν με τη βοήθεια προηγμένων τεχνικών ηλεκτρονικής μικροσκοπίας. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε ηλεκτρονική μικροσκοπία διερχομένης δέσμης (ΤEM), η οποία, σε συνδυασμό με οπτική μικροσκοπία (ΟΜ), ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM), μικροανάλυση στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (EDS Χ-Ray Microanalysis) και περίθλαση των ακτίνων Χ (XRD) οδήγησαν στον πλήρη προσδιορισμό των φάσεων αυτών. Επιπλέον, στα πλαίσια μιας πιο σφαιρικής μελέτης των νέων αυτών τύπων χαλύβων πραγματοποιήθηκε μελέτη της επίδρασης του βαθμού ψυχρής παραμόρφωσης, στους υπερωστενιτικούς χάλυβες S32654 και S31254. Οι χάλυβες υποβλήθηκαν σε ψυχρή έλαση με ελάττωση πάχους κατά 20%, 40% ή 60% και κατόπιν σε ισοθερμοκρασιακή θερμική κατεργασία στο θερμοκρασιακό εύρος μεταξύ 650oC και 950oC, για χρονικά διαστήματα από 30min μέχρι 120h. Πραγματοποιήθηκε, επίσης, συμπληρωματική μελέτη, της συμπεριφοράς σε υψηλές θερμοκρασίες, των υπερωστενιτικών χαλύβων με έναν πειραματικό τύπο υπερφερριτικού ανοξείδωτου χάλυβα (SFSS). Ο υπερφερριτικός χάλυβας, προϊόν παραγωγής με τη μέθοδο HIP, παρελήφθη ως έλασμα σε δύο ποσοστά ψυχρής έλασης, 10% και 20% (ελάττωση πάχους), και υπέστη ισοθερμοκρασιακές θερμικές κατεργασίες στο θερμοκρασιακό εύρος μεταξύ 650oC και 950oC, για χρονικά διαστήματα από 1h μέχρι 500h. Γενικά, στην παρούσα διατριβή παρατηρείται αύξηση του ποσοστού των κατακρημνισμάτων η οποία είναι κατά κανόνα ανάλογη της αύξησης της θερμοκρασίας και της αύξησης του χρόνου σε δεδομένη θερμοκρασία, για όλους τους χάλυβες που μελετήθηκαν στη διατριβή αυτή.