Penggetasan Fase Sigma pada Baja Tahan Karat Dupleks: Waktu-Suhu-Kurva Curah Hujan

Fase sigma terbentuk paling cepat dalam baja tahan karat dupleks antara sekitar 700 derajat dan 900 derajat , dengan ujung kurva waktu-suhu-presipitasi (TTP) biasanya terletak di sekitar 800–850 derajat - yang berarti bahwa pita sempit, bukan suhu yang lebih tinggi atau lebih rendah, adalah tempat terjadinya presipitasi yang paling cepat dan paling merusak. Fraksi sigma sekecil 1–3% volume dapat menyebabkan penurunan ketangguhan benturan dan ketahanan korosi pitting yang parah dan tidak proporsional. Oleh karena itu, pengendalian waktu yang dihabiskan dalam kisaran ini selama pengelasan dan perlakuan panas merupakan persyaratan fabrikasi yang ketat, bukan detail proses yang kecil.

Baja tahan karat dupleks mendapatkan reputasinya - kekuatan tinggi, ketahanan klorida yang sangat baik - dari struktur mikro seimbang yang terdiri dari austenit dan ferit dengan perbandingan yang kira-kira sama. Keseimbangan itu rapuh pada suhu tinggi. Ditahan terlalu lama pada jendela suhu yang salah, fasa ferit sebagian berubah menjadi senyawa intermetalik yang disebut fasa sigma, dan sifat paling berharga dari paduan tersebut runtuh. Artikel ini menjelaskan apa itu fase sigma, seperti apa kurva waktu-suhu-presipitasinya, dan apa yang perlu dilakukan pabrikan untuk menghindarinya.

Apa Itu Fase Sigma, dan Mengapa Baja Tahan Karat Duplex Embrittle?

Fase sigma adalah senyawa intermetalik yang keras dan rapuh yang kaya akan kromium dan molibdenum yang terbentuk ketika ferit dalam baja tahan karat dupleks terurai pada suhu tinggi - dan karena ia melepaskan kromium dan molibdenum dari matriks di sekitarnya, hal ini merusak ketangguhan dan ketahanan korosi pada saat yang bersamaan.

Fase sigma terbentuk melalui reaksi tipe eutektoid-di mana ferit terurai menjadi fase sigma ditambah austenit sekunder. Ia lebih disukai berinti pada batas fasa ferit-austenit dan batas butir ferit-ferit - yang sering kali didahului oleh fasa chi intermetalik terkait, yang pertama kali terbentuk pada batas ferit-ferit dan kemudian dikonsumsi seiring bertambahnya fase sigma.

Karena fase sigma secara intrinsik keras dan rapuh, dan karena pembentukannya menarik kromium dan molibdenum keluar dari matriks di sekitarnya, hal ini menimbulkan dua masalah secara bersamaan: fase sekunder yang secara fisik rapuh pada batas butir, dan daerah yang terkuras kromium/molibdenum-di sebelahnya jauh lebih rentan terhadap korosi lokal. Mekanisme kerusakan ganda inilah yang menyebabkan penggetasan fase sigma diperlakukan sebagai risiko fabrikasi yang kritis dibandingkan dengan keingintahuan metalurgi kosmetik.

Apa yang Ditunjukkan Kurva Waktu-Suhu-Curah Hujan (TTP) untuk Fase Sigma?

Kurva TTP memplot suhu suatu paduan terhadap berapa lama waktu yang diperlukan agar sejumlah fase sigma muncul, menghasilkan karakteristik kurva berbentuk C-yang 'hidungnya' menandai presipitasi tercepat yang mungkin terjadi - untuk baja tahan karat dupleks, suhu tersebut biasanya berada pada kisaran 800–850 derajat .

Para peneliti membuat kurva ini dengan memegang sampel larutan-anil pada serangkaian suhu tetap, lalu mengukur berapa banyak fase sigma yang terbentuk setelah waktu penahanan yang berbeda, dari menit hingga lebih dari seribu jam. Diplot pada sumbu waktu (skala log) versus suhu, kurva yang dihasilkan menyerupai huruf "C" yang menyamping: curah hujan terjadi secara lambat baik pada titik tertinggi maupun terendah pada rentang risiko, dan paling cepat pada titik tengah.

Studi pada baja tahan karat dupleks UNS S31803 (2205) tempa telah mengidentifikasi kinetika pembentukan sigma puncak sekitar 850 derajat , dengan karya TTP yang dipublikasikan mencakup waktu penahanan hingga lebih dari 1.000 jam untuk mengkarakterisasi kurva sepenuhnya. Pekerjaan independen pada grade duplex cor, grade super duplex, dan komposisi lean duplex secara konsisten menempatkan ujung kurva pada pita umum 800–850 derajat yang sama, meskipun bentuk dan waktu yang tepat agak bergeser dengan komposisi paduan.

Kisaran Suhu Berapa yang Paling Berbahaya untuk Pembentukan Fase Sigma?

Zona bahaya praktis terbentang sekitar 700 derajat hingga 950 derajat pada tingkat duplex dan super duplex, dengan suhu paling berbahaya - curah hujan tercepat - secara konsisten dilaporkan sekitar 800–850 derajat .

Di luar pita ini, gambarannya berubah: di bawah sekitar 700 derajat , difusi cukup lambat sehingga pembentukan sigma menjadi sangat lamban, meskipun paparan yang terlalu lama masih memungkinkan terjadinya hal tersebut, dan mekanisme penggetasan suhu - 475 derajat penggetasan spinodal ferit - yang terpisah dan lebih rendah menjadi risiko yang lebih relevan. Di atas sekitar 950–1000 derajat, fase sigma menjadi kurang stabil secara termodinamika dan cenderung larut kembali ke dalam matriks, yang merupakan dasar untuk anil larutan sebagai perlakuan panas korektif.

Seberapa Kecil Fase Sigma yang Dibutuhkan untuk Menimbulkan Masalah?

Jumlah yang sangat kecil - yang biasa disebut serendah 1% hingga 3% volume - sudah cukup untuk menyebabkan penurunan ketangguhan tumbukan yang cukup besar dan tidak proporsional, yang membuat kontrol fase sigma menjadi sangat ketat dibandingkan dengan banyak cacat metalurgi lainnya.

Ini adalah detail yang paling mengejutkan para insinyur yang baru mengenal baja tahan karat dupleks: fase sigma tidak perlu terakumulasi dalam jumlah besar sebelum menjadi berbahaya. Beberapa penelitian independen pada baja tahan karat dupleks 2205 melaporkan bahwa kandungan sigma dalam satu digit rendah berdasarkan volume sudah cukup untuk menyebabkan keruntuhan ketangguhan yang nyata, dan kurva energi tumbukan mengikuti bentuk kurva presipitasi sigma itu sendiri - kisaran 800–850 derajat yang sama yang paling cepat mengendapkan sigma juga merupakan kisaran yang menghasilkan ketangguhan dampak terendah setelah penuaan. Ketika waktu penahanan dan konten sigma semakin meningkat, ketangguhan terus menurun, namun penurunan paling tajam dan paling konsekuensial terjadi lebih awal, pada pecahan yang mudah terlewatkan oleh inspeksi visual biasa.

Apakah Fase Sigma Juga Merusak Ketahanan Korosi, atau Hanya Ketangguhan?

Keduanya. Pengendapan fase sigma secara signifikan menurunkan potensi pitting dan meningkatkan kerentanan terhadap korosi intergranular dan pitting, karena penipisan kromium- dan molibdenum-di sekitar setiap partikel sigma merusak lapisan pasif tepat di tempat yang paling membutuhkannya.

Konsekuensi korosi mengikuti langsung dari bagaimana fase sigma terbentuk: ketika kromium dan molibdenum berdifusi ke dalam partikel sigma yang sedang tumbuh, matriks di sekitarnya menjadi terkuras secara lokal pada elemen-elemen yang menstabilkan lapisan oksida pasif. Pengujian elektrokimia pada baja tahan karat dupleks tua menunjukkan potensi penurunan lubang seiring dengan meningkatnya kandungan sigma, dengan daerah pasif menyempit dan akhirnya menjadi tidak stabil pada fraksi sigma yang lebih tinggi.

Lubang telah terbukti menghasilkan nukleasi secara istimewa di zona kekurangan kromium-yang mengelilingi partikel sigma, dan skala tingkat keparahan dengan jumlah dan distribusi sigma yang ada - partikel sigma yang kasar dan pekat biasanya lebih merusak dibandingkan fraksi volume yang sama yang tersebar secara halus. Singkatnya, suatu komponen bisa gagal dalam uji korosi di wilayah las atau terkena panas yang sama-di mana komponen tersebut juga akan gagal dalam uji benturan.

Mengapa Pengelasan Membuat Baja Tahan Karat Dupleks Berisiko Fase Sigma?

Zona yang terkena dampak panas-di sebelah las pasti akan melewati pita bahaya 700–950 derajat selama pemanasan dan pendinginan, dan beberapa lintasan las atau pendinginan interpass yang lambat dapat mengumpulkan cukup waktu di pita tersebut untuk memicu fase sigma yang merusak bahkan ketika tidak ada satu lintasan pun yang terlihat terlalu panas.

Setiap lintasan pengelasan busur menciptakan gradien suhu yang memancar keluar dari kolam las, dan di suatu tempat di sepanjang gradien tersebut, logam dasar berada dalam rentang formasi sigma. Satu umpan cepat mungkin tidak akan bertahan lama di sana. Pengelasan multi-pass, masukan panas yang tinggi, kontrol suhu interpass yang tidak memadai, atau pendinginan yang lambat pada bagian yang tebal masing-masing dapat memperpanjang waktu yang dihabiskan dalam pita bahaya jauh melebihi apa yang dimungkinkan oleh kurva TTP paduan sebelum konten sigma yang merusak muncul. Inilah sebabnya mengapa prosedur pengelasan untuk baja tahan karat dupleks menentukan masukan panas maksimum, suhu interpass yang terkontrol, dan - dalam banyak kasus - persyaratan untuk pendinginan cepat melalui rentang kritis, daripada membiarkan laju pendinginan terjadi secara kebetulan.

Seberapa Cepat Fase Sigma Membentuk - Menit, atau Jam?

Di ujung kurva, fase sigma yang dapat dideteksi dapat mulai terbentuk dalam waktu kurang dari dua jam, dan pada beberapa komposisi tuang dan komposisi paduan tinggi, dalam waktu kurang lebih 100 menit atau kurang - cukup cepat sehingga pendinginan las yang lambat atau perlakuan panas pasca-pengelasan yang tidak dikontrol dengan benar adalah risiko yang nyata, bukan teoretis.

Data TTP yang dipublikasikan untuk baja tahan karat dupleks CD3MN cor menempatkan ujung kurva pada sekitar 800 derajat dengan pembentukan sigma yang dapat dideteksi dimulai sekitar 100 menit waktu penahanan. Studi kinetik pada tempa 2205 melaporkan kinetika transformasi tercepat pada 850 derajat, dengan studi karakterisasi penuh memperpanjang waktu tunggu hingga lebih dari 1.000 jam untuk memetakan kurva lengkap, termasuk laju pembentukan yang jauh lebih lambat di tepi pita bahaya. Implikasi praktisnya adalah asimetris: bagian tercepat dari kurva beroperasi pada skala waktu kira-kira satu jam hingga beberapa jam, yang merupakan waktu yang dihabiskan oleh pengelasan bagian tebal atau siklus tungku yang tidak dikontrol dengan benar untuk melewati kisaran suhu tersebut.

Berapa Laju Pendinginan yang Diperlukan Setelah Solution Annealing untuk Menghindari Fase Sigma?

Laju pendinginan yang lebih cepat dari sekitar 0,25 K/s melalui rentang pembentukan sigma dilaporkan menekan pembentukan fase sigma selama pendinginan terus-menerus dari suhu anil larutan, itulah sebabnya pendinginan air atau pendinginan udara paksa - tidak lambat, pendinginan udara diam pada bagian tebal - adalah praktik standar untuk baja tahan karat dupleks.

Larutan anil pada suhu tinggi (biasanya di atas sekitar 1000–1050 derajat ) melarutkan fase sigma yang ada dan mengatur ulang keseimbangan ferit austenit, namun manfaatnya hanya dipertahankan jika pendinginan berikutnya melewati rentang pembentukan sigma dengan cukup cepat untuk mencegah presipitasi baru. Studi transformasi-pendinginan-yang berkelanjutan yang dibangun bersama dengan data TTP mengonfirmasi bahwa pendinginan yang cukup cepat - dengan ambang batas yang dipublikasikan dalam kisaran sekitar seperempat derajat Celsius per detik - menghindari pembentukan sigma yang berarti meskipun material yang sama akan mudah membentuk sigma jika berada secara isotermal di pita bahaya. Inilah sebabnya mengapa komponen dupleks berpenampang tebal memerlukan quenching yang agresif setelah solution annealing: massa saja dapat memperlambat laju pendinginan pada inti komponen di bawah ambang batas ini bahkan ketika permukaannya mendingin dengan cepat.

Bagaimana Fase Sigma Dideteksi di Komponen Selesai atau{0}}Layanan?

Pemeriksaan metalografi dengan etsa selektif tetap menjadi metode referensi, namun teknik nondestruktif - termasuk metode magnetik dan elektrokimia yang memanfaatkan sifat berbeda fase sigma dari ferit - semakin banyak digunakan untuk menyaring komponen tanpa memotong sampel.

Metalografi: bagian yang dipoles dengan etsa selektif mengungkapkan morfologi dan distribusi fase sigma secara langsung, dan tetap menjadi standar untuk kuantifikasi fraksi volume-definitif.

Pengujian dampak: Pengujian Charpy merupakan indikator tidak langsung yang kuat, karena kurva energi dampak sangat erat mengikuti kandungan sigma dalam baja tahan karat dupleks tua.

Metode magnetik dan elektromagnetik: karena fase sigma bersifat non-magnetik sedangkan ferit bersifat feromagnetik, pembentukannya secara signifikan mengubah respons magnetik material, sehingga memungkinkan pendekatan penyaringan nondestruktif.

Pengujian elektrokimia: polarisasi potensiodinamik dapat mendeteksi penurunan potensi lubang yang terkait dengan penipisan kromium dan molibdenum terkait sigma, sehingga menghasilkan layar berbasis korosi yang tidak langsung namun sensitif.

Untuk komponen fabrikasi yang kritis, kombinasi pendekatan - dibandingkan pengujian tunggal - memberikan gambaran yang paling dapat diandalkan, karena hilangnya ketangguhan, kerentanan terhadap korosi, dan kandungan sigma yang diamati secara langsung tidak selalu bergerak seiring pada fraksi sigma yang sangat rendah.

Apa yang Harus Dilakukan Perakit untuk Mencegah Penggetasan Fase Sigma?

Kontrol masukan panas dan suhu interpass selama pengelasan, dinginkan dengan cepat hingga kisaran 700–950 derajat setelah paparan suhu tinggi, dan verifikasi hasilnya dengan pengujian benturan daripada hanya mengandalkan inspeksi visual saja.

Tetapkan dan terapkan suhu interpass maksimum dan batas masukan panas dalam spesifikasi prosedur pengelasan, karena hal ini secara langsung mengontrol berapa lama-zona yang terkena dampak panas berada dalam zona bahaya.

Gunakan pendinginan cepat - pendinginan air atau pendinginan-udara paksa sesuai dengan ketebalan bagian - setelah anil larutan atau siklus termal-suhu tinggi, daripada membiarkan pendinginan-udara diam yang lambat.

Perhitungkan ketebalan bagian secara eksplisit: komponen tebal mendingin lebih lambat pada intinya dan mungkin memerlukan pendinginan yang lebih agresif untuk mencapai laju pendinginan efektif yang sama dengan bagian tipis.

Mewajibkan pengujian dampak Charpy pada catatan kualifikasi prosedur dan, jika memungkinkan, pada pengelasan produksi, karena hilangnya ketangguhan merupakan salah satu indikator paling sensitif dari pembentukan sigma yang baru jadi.

Jika kondisi layanan melibatkan paparan berulang atau berkepanjangan di dekat pita bahaya, evaluasi pemilihan paduan itu sendiri - beberapa komposisi dupleks dan strategi paduan menunda pembentukan sigma lebih efektif dibandingkan yang lain.

Pertanyaan yang Sering Diajukan

Pada suhu berapa fase sigma terbentuk paling cepat dalam baja tahan karat dupleks?

Sebagian besar studi waktu-suhu-presipitasi yang dipublikasikan menempatkan pembentukan sigma tercepat - 'hidung' kurva - sekitar 800–850 derajat , meskipun nilai pastinya sedikit bergeser seiring dengan komposisi paduan.

Berapa fase sigma yang berbahaya?

Sangat sedikit. Berbagai penelitian melaporkan hilangnya ketangguhan yang cukup besar dari fraksi sigma dalam kisaran sekitar 1% hingga 3% volume, jauh sebelum fase tersebut menjadi mudah dikenali tanpa pemeriksaan metalografi.

Apakah fase sigma mempengaruhi ketahanan terhadap korosi atau hanya ketangguhan mekanis?

Keduanya. Pembentukan fase sigma menghabiskan kromium dan molibdenum dari matriks di sekitarnya, yang secara signifikan menurunkan potensi pitting dan meningkatkan kerentanan korosi antargranular dan pitting, selain mengurangi ketangguhan impak.

Bisakah fase sigma dihilangkan setelah terbentuk?

Ya, umumnya melalui anil larutan pada suhu yang cukup tinggi (biasanya di atas sekitar 1000–1050 derajat ) diikuti dengan pendinginan cepat, yang melarutkan fase sigma kembali ke dalam matriks dan memulihkan struktur mikro yang seimbang - asalkan pendinginan berikutnya cukup cepat untuk mencegah reformasi.

Mengapa pengelasan merupakan penyebab paling umum terjadinya fasa sigma di lapangan?

Karena zona-yang terkena dampak panas di sekitar pengelasan mana pun pasti akan melewati rentang suhu pembentukan sigma selama pemanasan dan pendinginan, dan pengelasan multi-pass atau masukan panas yang tinggi dapat mengumpulkan cukup waktu dalam rentang tersebut untuk mengendapkan konten sigma yang merusak.