Quali fasi nocive precipitano facilmente nell'acciaio duplex entro determinati intervalli di temperatura

Acciaio inossidabile duplex (DSS) è ampiamente utilizzato nei settori del petrolio e del gas, chimico e dell'ingegneria offshore per la sua elevata resistenza e l'eccellente resistenza alla corrosione. Tuttavia, le elevate prestazioni del DSS si basano sulla sua microstruttura perfettamente bilanciata di austenite (γ) e ferrite (δ). Quando il DSS viene esposto o utilizzato per periodi prolungati entro determinati intervalli di temperatura, la fase ferrite si decompone, facendo precipitare varie "fasi deleterie". Questi precipitati compromettono gravemente la tenacità meccanica e la resistenza alla corrosione del materiale, ponendo una minaccia significativa all'affidabilità delle applicazioni ingegneristiche.

1. Killer di fragilità: precipitazione delle fasi σ e χ

Di tutte le fasi deleterie, la fase σ è senza dubbio la più conosciuta e distruttiva.

Intervallo di temperature di precipitazione: la fase σ precipita principalmente tra 600°C e 950°C, con la sua cinetica di precipitazione che raggiunge un picco tra 800°C e 880°C.

Composizione chimica: la fase σ è un composto intermetallico ricco di cromo (Cr) e molibdeno (Mo). Si forma attraverso la decomposizione della ferrite δ o la reazione di decomposizione dell'eutettoide all'interfaccia tra ferrite δ e austenite γ.

Impatto sulle prestazioni: la precipitazione della fase σ ha un duplice impatto sulle proprietà ingegneristiche del DSS. Innanzitutto, la fase σ stessa è dura e fragile. La sua presenza riduce drasticamente la resilienza del materiale, rendendolo suscettibile alla frattura fragile a basse temperature o in condizioni di concentrazione di sollecitazioni. In secondo luogo, durante la precipitazione, la fase σ consuma quantità significative di Cr e Mo dalla matrice di ferrite δ circostante, risultando in regioni impoverite di Cr e Mo che circondano la fase σ. Queste regioni impoverite riducono significativamente la resistenza alla corrosione, diventando vulnerabili alla vaiolatura e alla corrosione intergranulare.

La fase Chi è anche un composto intermetallico ricco di Cr e Mo che si forma tipicamente in un intervallo di temperature simile a quello della fase σ (da 700°C a 900°C). Tuttavia, la fase χ tipicamente precipita preferenzialmente come fase metastabile all'inizio dell'invecchiamento, trasformandosi solo successivamente nella fase σ più stabile. Il suo impatto negativo sulle proprietà è simile a quello della fase σ, portando all'infragilimento e alla diminuzione della resistenza alla corrosione.

2. Infragilimento a 475°C: una minaccia nascosta alle basse temperature

Oltre alla fase σ nelle regioni ad alta temperatura, l'acciaio inossidabile duplex presenta anche una zona pericolosa a temperature più basse, nota come infragilimento a 475°C.

Intervallo di temperatura delle precipitazioni: questo fenomeno si verifica tra 350°C e 550°C, con un picco di gravità intorno a 475°C.

Micromeccanismo: all'interno di questo intervallo di temperature, la fase della ferrite delta subisce una decomposizione spinodale, suddividendosi in due strutture di ferrite su scala nanometrica: una fase α′ ricca di cromo (α′ ricca di Cr) e una fase α povera di cromo (α′ povera di Cr).

Impatto sulle prestazioni: questa separazione di fase su scala nanometrica aumenta significativamente la durezza e la resistenza del materiale, ma ne diminuisce drasticamente la resistenza agli urti. Sebbene questo infragilimento a bassa temperatura sia meno grave e pervasivo della precipitazione della fase σ sulla resistenza alla corrosione, la fase α′ ricca di cromo può anche portare ad una maggiore suscettibilità alla corrosione in alcuni mezzi. Vale la pena notare che la decomposizione spinodale richiede tipicamente un lungo periodo di invecchiamento, ma la cinetica delle precipitazioni può essere accelerata nel materiale lavorato a freddo.

3. Carbonitruri e Austenite secondaria

Oltre ai precipitati primari sopra menzionati, in determinate condizioni si possono formare altre fasi deleterie:

Carburi e nitruri: tra 550°C e 750°C possono precipitare carburi di cromo (Cr23​C6​) o nitruri. Sebbene il contenuto di carbonio (C) dei moderni DSS sia generalmente mantenuto a livelli estremamente bassi (≤0,03%), questi precipitati possono comunque formarsi ai bordi dei grani, consumando Cr e ponendo un rischio di corrosione intergranulare.

Austenite secondaria (γ2​): durante la precipitazione della fase σ, la decomposizione della ferrite δ forma contemporaneamente austenite secondaria ricca di nichel (γ2​). Sebbene γ2​ di per sé non sia una fase direttamente deleteria, il suo meccanismo di formazione è strettamente legato alla precipitazione della fase σ. La sua presenza segnala la decomposizione della ferrite δ, segnalando indirettamente il deterioramento delle proprietà del materiale.