Study of the Precipitation of Secondary Phases in Duplex and Superduplex Stainless Steel

Abstract

The aim of this work is to study the precipitation mechanism of the intermetallic phases present in duplex stainless steels (UNS S32205 and UNS S32750), as well as to find out the most suitable method for detecting and analyzing accurately these secondary phases, particularly Sigma-phase, Chi-phase, nitrides and carbides. The samples were characterized after a solution annealing at 1080oC followed by an isothermal treatment at 830oC from 1 min to 9 h, with the purpose of figuring out the mechanism of chi-phase nucleation and nitrides formation in relation with the sigma-phase. The study has two main objectives: 1) to find out the most suitable technique for the detection, identification and quantification of the secondary phases, obtaining the best results with the combination of field emission scanning electron microscopy (FESEM) and backscattered electron detector (BSE) in comparison with the optical microscopy (MO); 2) to study the influence of the chemical composition on the nucleation mechanism of the intermetallic phases. It has been concluded that molybdenum balance content in chi-phase related to sigma phase is close to two, consequently the kinetics of nucleation and growth of these phases is remarkably faster when this alloying element content in the steel is higher. Chromium nitrides and carbides were also observed to precipitate as a result of the heat treatments carried out to the specimen wherein chromium nitrides role is a favorable site for the nucleation of sigma and chi phases.

The Influence of Mo Additions on the Microstructure and Mechanical Properties of AlCrFe2Ni2 Medium Entropy Alloys

“…Sigma phase formation can be successfully prevented, even in sample Mo 2 , after annealing at 1100 • C up to 3 h followed by water quenching. Such heat treatment parameters are common practice for duplex steels, even for thick section castings, to avoid sigma phase formation (Fritz, 2014;Llorca-Isern et al, 2017). A small series of annealing treatments were performed for Mo 2 at 1100 • C with distinct holding durations of 10 min, 1, 2, and 3 h, followed by water quenching.…”

Effect of the Temperature in the Mechanical Properties of Austenite, Ferrite and Sigma Phases of Duplex Stainless Steels Using Hardness, Microhardness and Nanoindentation Techniques

“…However, its main drawback is the tendency to form detrimental phases at temperatures between 600 • C and 900 • C, being the cause of a significant loss of toughness and resistance to localized corrosion. One of the most known and representative detrimental phases is the precipitation of the sigma phase (σ), a Cr-and Mo-rich intermetallic compound [12][13][14][15][16][17][18][19][20][21]. This σ phase shows a tetragonal crystallographic structure with 32 atoms per unit cell [22] making possible a considerable increase in the resultant hardness, whereas a decrease in the toughness as well as elongation is also observed [23][24][25][26][27].…”

Fragilización de aceros inoxidables dúplex SAF 2205 y SAF 2507 sometidos a tratamientos térmicos de envejecimiento artificial

“…Por lo que pudiera destinarse el acero a aplicaciones específicas en función del comportamiento mecánico que presente a una determinada temperatura. Pohl [4], Llorca-Isern [6], Kim [7] y Ferro [8], han reportado que la precipitación de fases intermetálicas en aceros inoxidables dúplex (SSD) y aceros inoxidables súper dúplex (SSSD) ha sido producto de los tratamientos isotérmicos realizados al acero, verificándose precipitación suficiente para deteriorar las propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión en tiempos mayores de 100 segundos a temperaturas en el rango entre 850 °C y 950 °C. Durante el enfriamiento de los SSD, la precipitación de la austenita está acompañada de precipitación de otras fases (M 7 C 3 , M 23 C 6 , σ, Chi χ, Laves, α ) dependiendo de la temperatura máxima alcanzada y del tiempo de permanencia en el intervalo de precipitación.…”

“…Un posterior calentamiento a temperaturas comprendidas entre 600 °C y 900 °C produce la transformación de la ferrita en austenita, y es esta nueva austenita formada lo que se denomina austenita secundaria. Pohl [4], Llorca-Isern [6], Kim [7] y Ferro [8] indicaron que la fase σ es la más perjudicial de todas las fases que puedan precipitar en los aceros dúplex, influye directamente en la tenacidad y resistencia a la corrosión, afecta la ductilidad en caliente y frío, favorece la aparición de grietas muy finas. El intervalo de aparición en el que se evidencia esta fase es de aproximadamente (550 °C-900 °C) precipitando en las uniones triples o en los límites de grano ferrita/austenita, coexiste con fases como los nitruros de cromo, la austenita secundaria, la fase Chi, la fase R, la fase Pi, la fase Tao, las cuales afectan su nucleación y crecimiento, concordando con los estudios de Pohl [4], Llorca-Isern [6], Kim [7] y Ferro [8].…”

“…Pohl [4], Llorca-Isern [6], Kim [7] y Ferro [8] indicaron que la fase σ es la más perjudicial de todas las fases que puedan precipitar en los aceros dúplex, influye directamente en la tenacidad y resistencia a la corrosión, afecta la ductilidad en caliente y frío, favorece la aparición de grietas muy finas. El intervalo de aparición en el que se evidencia esta fase es de aproximadamente (550 °C-900 °C) precipitando en las uniones triples o en los límites de grano ferrita/austenita, coexiste con fases como los nitruros de cromo, la austenita secundaria, la fase Chi, la fase R, la fase Pi, la fase Tao, las cuales afectan su nucleación y crecimiento, concordando con los estudios de Pohl [4], Llorca-Isern [6], Kim [7] y Ferro [8]. Los estudios realizados por Pohl [4], Ghosh y Mondal [9], Kim [7] y Ferro [8], han mostrado que la fase Chi, χ es una fase intermetálica, se forma en los límites de las fases ferrita-austenita, creciendo hacia el interior de la ferrita y puede ser identificada usando difracción de electrones en el microscopio electrónico de transmisión.…”