Traducción de Merini
Raghuvir Singha, Sandip Ghosh Chowdhuryb, B. Ravi Kumarb, Swapan K. Dasb, P.K. y Indranil Chattoraja
Departamento de Química Aplicada y Corrosión, Laboratorio Metalúrgico Nacional, Jamshedpur 831007, India
Departamento de Ciencia y Tecnología de Materiales, Laboratorio Metalúrgico Nacional, Jamshedpur 831007, India
Jamshedpur, India 831007 División de Extracción y Conformación de Metales del Laboratorio Metalúrgico Nacional
Recibido el 26 de febrero de 2007; revisado el 6 de abril de 2007; aceptado el 6 de abril de 2007 el 16 de mayo de 2007 Disponible en línea el 23.
El acero inoxidable austenítico (AISI 304L) fue sensibilizado y procesado termomecánicamente mediante la introducción de deformación en frío seguida de recocido. El porcentaje de límites de red de sitios coincidentes no se correlaciona bien con el grado de sensibilización (DOS). Se encontró que los materiales con tamaños de partículas inferiores a 10 micrones eran los menos sensibilizados, mientras que las muestras con tamaños de partículas más grandes mostraron un aumento en DOS al aumentar el tiempo de sensibilización. El DOS es inversamente proporcional al área del límite de grano y disminuye exponencialmente a medida que aumenta el área de la superficie del límite de grano.
Palabras clave: acero inoxidable austenítico; ingeniería de límites de grano; sensibilidad de la posición de la red; área de superficie de límite de grano
Resumen del artículo
Reconocimiento
Referencia
Los aceros inoxidables austeníticos se vuelven sensibles en el rango de temperatura de 550 a 800 °C y, por lo tanto, sufren corrosión intergranular (IGC) y fisuración por corrosión bajo tensión intergranular (IGSCC) en ambientes corrosivos). Estos modos de falla típicos se consideran causas comunes de falla prematura de componentes estructurales. Se han utilizado muchos métodos para reducir la sensibilización y las fallas relacionadas, como reducir el carbono (por debajo de 0,03 en peso) y agregar nitrógeno y formadores de carburos fuertes (por ejemplo, titanio/niobio) a los aceros inoxidables existentes. Estos cambios han tenido diversos grados de éxito; sin embargo, aumentan el costo de los materiales sin producir materiales libres de sensibilización [1], [2] y [3]. El concepto de "ingeniería de límites de grano" (GBE) se basa en el modelo de red de puntos coincidentes (CSL) propuesto por Watanabe, que es un método alternativo económico para mejorar diversas propiedades de materiales de baja energía de falla de apilamiento (incluida la resistencia a la corrosión) [4] . La sensibilización en los aceros inoxidables se puede minimizar mejorando las posiciones de la red comunes a dos o más granos, reduciendo así la "energía límite de grano". Este tipo de frontera tiene propiedades especiales y está representada por Σ. Recientemente se ha demostrado que el procesamiento termomecánico (TMP) con múltiples ciclos (iterativos) de deformación y tratamientos de recocido mejora la sensibilización, la resistencia a IGC e IGSCC [5], [6], [7], [8], [9], [10]. y [11], plasticidad [12], [13], [14] y [15], etc. En comparación con TMP, solo se necesita un paso para completarlo. Sin embargo, estos tratamientos repetidos aumentan el costo del proceso GBE.
Referencias. [10] y [11] informaron sobre la deformación del acero inoxidable en un amplio rango (0–80) a temperaturas de 950–1300 °C, seguida de un recocido para aumentar los límites especiales (1 ∑ 29). Se ha demostrado que aumentar la frecuencia del límite CSL mejora la resistencia a la sensibilización. Los estudios de GBE concluyeron que, además de la alta concentración de límites de CSL, la distribución de los límites de CSL y la interrupción de la conectividad de límites aleatorios desempeñan un papel en IGC, IGSCC y fisuración por corrosión bajo tensión (SCC) [16], [17], [18]. papel vital. Por otro lado, también se ha informado que el grado de sensibilización se reduce significativamente más allá de un porcentaje crítico del límite aleatorio [11]. Otros cambios metalúrgicos (como el tamaño del grano) que tienen un impacto en la sensibilización no se han estudiado ampliamente al correlacionar CSL o escalamiento de límites aleatorios con sensibilización o IGC [19,20,21]. Los cambios en el tamaño de grano ocurren con cambios en los parámetros termomecánicos utilizados para GBE, como la temperatura de recocido, el tiempo y el grado de deformación.
En particular, es necesario evaluar críticamente el rendimiento de los aceros inoxidables con respecto al efecto de los cambios en el tamaño del grano en relación con los límites del grano CSL sobre la sensibilización. En este artículo, intentamos relacionar este cambio después de la introducción de grandes deformaciones en frío antes del recocido y la sensibilización con el grado de sensibilización.
Para este estudio se seleccionó acero inoxidable AISI 304L, composición química C 0.02, Cr 18.54, Ni 9.8, Mn 1.8, Si 0.54 (peso). Después de recocido en solución a 1070°C durante 1 hy luego enfriamiento con agua, el material se laminó en frío unidireccionalmente y el espesor se redujo en un 90%. Se cortaron muestras de 20 × 15 × 2,5 mm3 de las placas de acero laminadas y se recocieron a 800–950 °C durante 15, 30 y 60 minutos, seguido de un enfriamiento con agua. Luego, las muestras se sensibilizaron a 675 °C durante 2 horas y 53 horas
En una solución de KSCN 0,5 M H2SO4 0,01 M a temperatura ambiente, utilizando el método de reactivación potenciodinámica electroquímica de doble anillo (DL-EPR) para evaluar el DOS de probetas de acero inoxidable sensibilizadas. Antes de la prueba DL-EPR, la superficie de la muestra se pulió a espejo con yeso de diamante de 0,5 μm. Cuando la muestra alcanza un potencial de circuito abierto estable (OCP), ¿de? ¿0,1 V frente a OCP a 0,3 V (en relación con el electrodo de calomelanos saturado) y luego a 1,67 mV s? 1. La relación entre la corriente máxima (Ir) asociada con la reactivación y el ciclo de activación (Ia) es la DOS del material. Las muestras post-EPR se caracterizaron mediante difracción de retrodispersión de electrones (EBSD) y se trazaron los límites de CSL. ¿La clasificación de límites CSL se basa en el criterio de Brandon δθ = 15∑? 1/2, donde δθ es la desviación angular del límite CSL exacto [22]. En este estudio, los límites de grano con Σ 29 se consideran como Σ bajo, y los límites de grano aleatorios se consideran aquellos que exceden Σ 29.
La Figura 1 muestra los cambios de DOS experimentados por muestras sensibilizadas a 675°C durante 53 h después de diferentes condiciones de recocido. Se ha observado que las muestras sometidas a temperaturas de recocido más altas después del trabajo en frío antes de la sensibilización tienen una DOS más alta. Después del recocido a 950°C durante 65.438 ± 05 minutos, la DOS aumentó a valores muy altos. De manera similar, un aumento en el tiempo de recocido a una temperatura de recocido dada antes de la sensibilización da como resultado un aumento de DOS. También se observa que al aumentar el tiempo de recocido, se puede obtener una DOS alta a temperaturas más bajas. Las muestras sensibilizadas durante 2 horas a 675 °C tuvieron valores de DOS bajos (se realizó EBSD de lt2,6 en muestras sensibilizadas durante 53 horas para estimar la fracción de los límites de CSL). La evolución de la formación de límites CSL se muestra en la Tabla 1 en función de las condiciones de recocido antes de la sensibilización. Los resultados obtenidos no mostraron un aumento significativo en el porcentaje de límites de grano CSL en comparación con el acero inoxidable recocido en solución (23). Después del recocido a 950 °C durante 30 min, la proporción máxima de límites de grano CSL obtenida fue 465,438 ± 0; sin embargo, no se observó una tendencia específica en la proporción de límites de grano CSL con respecto a la temperatura o el tiempo de recocido; En este estudio, a diferencia de informes bibliográficos anteriores, un aumento en la puntuación del límite CSL no se tradujo en una mejora en la antisensibilización. Por ejemplo, como se muestra en la Tabla 1, la fracción límite CSL de la muestra recocida a 950°C es ligeramente mayor que la de las otras muestras; sin embargo, la muestra recocida a 950°C muestra la resistencia más baja a la sensibilización; Parece que el efecto antisensibilización de una modificación previa de TMP no depende únicamente de las características de los límites de grano. Uno de los primeros hallazgos mostró que AISI 304 y 316 deformados en más de 80 antes del recocido a 1050 °C produjeron la mejor antisensibilización y rendimiento de IGC a pesar de tener el porcentaje de límite CSL más bajo [11]. Se ha sugerido que la aleatorización extrema (alto porcentaje de límites aleatorios) es una posible causa de este resultado [11], aunque en nuestro estudio no se encontró ninguna correspondencia uno a uno entre DOS y los límites aleatorios (ver Tabla 1). El porcentaje más alto de límites aleatorios (1?∑CSL=81) da como resultado el DOS más bajo (0,35); ∑CSL (59) no es necesariamente el país que produce el DOS más alto (24,3).
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Figura 1. Efecto de la temperatura y el tiempo de recocido sobre DOS.
Tabla 1.
Enrejado de posición coincidente y límite de ángulo bajo (lt15) en función de las condiciones de recocido, temperatura de recocido (℃)
-
Tiempo de recocido (minutos)
p>-
15
-
30
-
60
-
∑CSL(∑3) lt; 15∑CSL∑3 lt; 15∑CSL∑3 lt; 0,13 25 19 0,13
850 21 16 0,10 19 16 0,45 24 21 0,28
900 25 22 0,12 0,40 22 0,35
950 33 0,41 37 0,21 26 23 0,46
En vista de que el tamaño de grano es otro parámetro microestructural importante afectado por TMP, se intentó estudiar el efecto del tamaño de grano sobre DOS. La variación del tamaño de grano con la temperatura y el tiempo de recocido se representa en la Figura 2. El tamaño de grano de los materiales predeformados aumenta al aumentar la temperatura y el tiempo de recocido. Sin embargo, el tamaño de grano del material TMP sigue siendo inferior al del AISI 304L (37 micras) tal como se recibió. Comparando la Figura 1 y la Figura 2, es obvio que la DOS y el tamaño de grano siguen la misma tendencia a medida que aumentan la temperatura y el tiempo de recocido. Stawstra? my Hillert [19] han incluido el tamaño de grano para describir el tiempo de autocuración y predijeron su variación con el cuadrado del tamaño de grano, pero la comparación de DOS entre diferentes tamaños de grano aún está por resolver. Cihal [20] revisó el efecto del tamaño de grano y concluyó que para una determinada concentración de C de acero inoxidable, cuanto mayor sea el tamaño de grano, mayor será la concentración efectiva de Cr requerida para proporcionar resistencia a la sensibilización. La relación funcional basada en la resistencia relativa del acero inoxidable con diferentes granulometrías es la siguiente:
k[√(2N-1)](Cr′-16.5)-C′0, (1)
Donde N es el número ASTM correspondiente al tamaño de grano, Cr' es el contenido efectivo de Cr en el material y C' es el contenido efectivo de C en el material.
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Figura 2. Tamaño de grano (evaluado como diámetro de grano equivalente) en función de la temperatura y el tiempo de recocido.
La relación anterior proporciona una comparación de la resistencia a la sensibilización de diferentes aceros inoxidables con diferentes tamaños de grano. Sin embargo, no revela el grado o extensión de la sensibilización en función del tamaño de las partículas. Recientemente, Sourmail et al. [21] propusieron un modelo para tener en cuenta el tamaño del grano y predijeron la magnitud de la aceleración y reducción de la sensibilización al disminuir el tamaño del grano. Sin embargo, todavía no hay evidencia experimental.
El área de superficie total del límite de grano (gbSA) disponible para la precipitación de carburo se vuelve importante en la sensibilización. La sensibilización es causada por la precipitación de carburo en los límites de los granos, lo que requiere que los núcleos de carburo en los límites de los granos alcancen un tamaño crítico. Según la teoría clásica del cambio de fase, en materiales de grano más fino, el número de sitios heterogéneos es mayor (mayor gbSA) y, por tanto, la sensibilización se producirá antes; esto lo confirma el trabajo de Beltrán et al. Por otro lado, el crecimiento y tamaño de estos carburos determinan el grado de agotamiento del Cr alrededor de los límites de grano y DOS. La difusión de núcleos de carburo subcríticos en materiales de grano fino también significa que la disponibilidad de C en cada núcleo es limitada debido a que se comparte con otros núcleos. Por tanto, los carburos crecen más rápido en materiales con granos más grandes (más C disponible por núcleo debido al menor número de núcleos). Por lo tanto, la DOS es mayor en materiales de partículas grandes después del inicio y desarrollo de la sensibilización. Los materiales de grano fino parecen contener menos carbono que los materiales de grano grueso. De hecho, si las partículas son lo suficientemente finas, es posible que no se produzca ningún efecto sensibilizante. Suponiendo granos equiaxiales, calcule el área de la superficie del límite del grano (por unidad de volumen). Independientemente del tratamiento previo, el DOS se muestra en la Figura 3 como una función del área de superficie del límite de grano.
Esto muestra que la DOS disminuye al aumentar la gbSA, lo que indica que el tamaño de las partículas tiene un papel dominante en el control de la sensibilización. Aunque este estudio no puede derivar la influencia de límites específicos sobre la sensibilización, muestra claramente la abrumadora importancia del tamaño del grano.
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Figura 3. DOS en función del área de superficie del límite de grano por unidad de volumen (gbSA).
El estudio actual muestra que el AISI 304L severamente deformado (90) seguido de un recocido (15–60 min) a 800–950 °C no aumenta significativamente la proporción de límites de grano CSL. Sin embargo, la susceptibilidad a la sensibilización del AISI 304L cambió considerablemente. El porcentaje de límites de CSL no se correlaciona bien con el grado de sensibilización. Por otro lado, se encontró que el DOS depende del tamaño del grano. La DOS es inversamente proporcional al tamaño del grano y disminuye casi exponencialmente a medida que aumenta la superficie del límite del grano.
Los autores agradecen sinceramente al Director del Laboratorio Metalúrgico Nacional, Jamshedpur, por el permiso para publicar este estudio.
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