تأثیر فاز سیگما بر چقرمگی

تأثیر فاز سیگما بر چقرمگی

• بازدید:3
• کامنت:0
• دو شنبه, 24 شهریور 1404

چکیده:

فاز سیگما (σ) یک فاز بین فلزی ترد و غنی از کروم است که در فولادهای زنگ نزن دوپلکس و آستنیتی در محدوده دمایی ۶۰۰-۹۰۰ درجه سانتیگراد تشکیل میشود. تشکیل این فاز در مناطق جوش و ناحیه متأثر از حرارت (HAZ) میتواند تأثیر catastrophic بر چقرمگی و مقاومت به خوردگی داشته باشد. این مقاله به بررسی مکانیزم تشکیل فاز سیگما، عوامل مؤثر بر تشکیل آن و تأثیر آن بر خواص مکانیکی، به ویژه چقرمگی، در جوش های فولادهای دوپلکس و آستنیتی می پردازد.

۱. مقدمه

فولادهای زنگ نزن دوپلکس و آستنیتی به دلیل ترکیب مطلوب استحکام و مقاومت به خوردگی، در صنایع نفت و گاز، پتروشیمی و دریایی کاربرد گستردهای دارند. با این حال، این آلیاژها در معرض تشکیل فازهای بین فلزی ترد، به ویژه فاز سیگما، در طول عملیات حرارتی یا جوشکاری قرار میگیرند. تشکیل این فاز در مناطق جوش میتواند منجر به کاهش شدید چقرمگی و افزایش حساسیت به ترک شود.

۲. مکانیزم تشکیل فاز سیگما

فاز سیگما یک فاز tetragonal با ترکیب تقریبی (Fe,Cr,Mo) است که از طریق نفوذ اتم ها و بازآرایی شبکه کریستالی تشکیل میشود:
•    دمای تشکیل: ۶۰۰-۹۰۰°C (اوج تشکیل در ~۸۵۰°C)
•    زمان تشکیل: از چند دقیقه تا چند ساعت بسته به ترکیب آلیاژ
•    مکان های ترجیحی: مرز دانه ها، مرز فازها (به ویژه در فولادهای دوپلکس)
در فولادهای دوپلکس، فاز سیگما عمدتاً از فاز ferrite تشکیل میشود که غنی از کروم و مولیبدن است.

۳. عوامل مؤثر بر تشکیل فاز سیگما

۳.۱. ترکیب شیمیایی

•    کروم و مولیبدن: عناصر اصلی تشکیل دهنده فاز سیگما
•    نیتروژن: مهارکننده تشکیل فاز سیگما
•    نیکل: تشکیل فاز سیگما

۳.۲. پارامترهای جوشکاری

•    انرژی ورودی: انرژی بالاتر، زمان ماندگاری در محدوده دمایی بحرانی را افزایش میدهد
•    سرعت سرد کردن: سرعت سرد کردن آهسته، زمان کافی برای تشکیل فاز سیگما فراهم میکند
•    پاس های متعدد: افزایش تعداد پاس ها، احتمال تشکیل فاز سیگما را افزایش میدهد

۳.۳. عملیات حرارتی

•    حرارت دهی در محدوده بحرانی: مهم ترین عامل تشکیل فاز سیگما
•    زمان حرارت دهی: افزایش زمان، میزان تشکیل فاز سیگما را افزایش میدهد

۴. تأثیر فاز سیگما بر چقرمگی

۴.۱. مکانیزم کاهش چقرمگی

•    تمرکز تنش: فاز سیگما به عنوان مکان های تمرکز تنش عمل میکند
•    مسیر ترک: فاز سیگما مسیرهای آسانی برای انتشار ترک ایجاد میکند
•    کاهش انعطاف پذیری: فاز ترد سیگma توانایی تغییر شکل پلاستیک را محدود میکند

۴.۲. داده های تجربی

•    افت چقرمگی ضربه: کاهش تا ۸۰٪ در حضور ۵٪ فاز سیگما
•    کاهش انعطاف پذیری: ازدیاد طول تا ۵۰٪ کاهش مییابد
•    افزایش دمای transition ductile-to-brittle

۴.۳. تأثیر بر خواص دینامیکی

•    افزایش حساسیت به خستگی: فاز سیگما nucleation ترک خستگی را تسهیل میکند
•    کاهش مقاومت به SCC: احتمال ترک خوردگی تنشی افزایش مییابد

۵. روش های جلوگیری و کنترل

۵.۱. کنترل ترکیب شیمیایی

•    بهینه سازی Cr/Mo/N: balancing بین مقاومت به خوردگی و پایداری
•    افزایش نیتروژن: به ویژه در فولادهای دوپلکس

۵.۲. بهینه سازی پارامترهای جوشکاری

•    کنترل انرژی ورودی: minimize کردن زمان ماندگاری در محدوده بحرانی
•    استفاده از سرعت سرد کردن بالا: جلوگیری از تشکیل فاز سیگما
•    محدود کردن تعداد پاس ها

۵.۳. عملیات حرارتی مناسب

•    اجتناب از حرارت دهی در محدوده بحرانی
•    استفاده از Solution Annealing: انحلال فازهای بین فلزی
•    کنترل نرخ سرد کردن

۶. روش های شناسایی و آنالیز

۶.۱. روش های متالورژیکی

•    متالوگرافی: etching با KOH برای آشکارسازی فاز سیگما
•    SEM/EDS: آنالیز ترکیب شیمیایی فازها
•    XRD: شناسایی فازهای بلوری

۶.۲. تست های مکانیکی

•    تست ضربه Charpy: ارزیابی چقرمگی
•    تست خمش: ارزیابی انعطاف پذیری
•    تست سختی: شناسایی مناطق سخت شده

۷. نتیجه گیری

تشکیل فاز سیگما در جوش های فولادهای دوپلکس و آستنیتی یک challenge جدی است که میتواند منجر به کاهش catastrophic در چقرمگی و انعطاف پذیری شود. key points شامل:
•    فاز سیگma در محدوده دمایی ۶۰۰-۹۰۰°C و در زمانهای نسبتاً کوتاه تشکیل میشود
•    ترکیب شیمیایی و پارامترهای جوشکاری نقش کلیدی در تشکیل این فاز دارند
•    حتی مقادیر کم (کمتر از ۱٪) فاز سیگما میتواند چقرمگی را به طور قابل توجهی کاهش دهد
•    جلوگیری از تشکیل فاز سیگما از طریق کنترل دقیق پارامترهای فرآیند و ترکیب شیمیایی essential است
برای اطمینان از performance مطلوب جوشها، recommended میشود:
•    monitoring دقیق دمای interpass during welding
•    استفاده از مواد پرکننده با ترکیب بهینه
•    انجام عملیات حرارتی مناسب پس از جوشکاری
•    انجام بازرسی های منظم برای شناسایی فازهای بین فلزی
با رعایت این موارد، میتوان از تشکیل فاز سیگما جلوگیری کرده و چقرمگی و performance جوش ها را حفظ کرد.