90

Ảnh hưởng của hàm lượng pha sigma đến tính chất của thép song pha 2205

Influence of amount of sigma phase on properties of duplex steel 2205

NGUYỄN VĂN ĐỨC
Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Số 1 Đại Cồ Việt, Hà Nội

*Email: duc.nguyenvan@hust.edu.vn

Ngày nhận bài: 6/5/2020, Ngày duyệt đăng: 24/6/2020

TÓM TẮT

Hàm lượng pha liên kim trong thép song pha 2205 đã được xác định bằng phương pháp kim tương định lượng. Thép 2205 được nung nóng đến các nhiệt độ 800; 850 và 900 oC, giữ nhiệt trong thời gian khác nhau từ 1 đến 5 h, sau đó cho nguội nhanh trong nước. Lượng pha liên kim trong tổ chức tế vi phụ thuộc vào nhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt. Thời gian giữ nhiệt càng dài lượng pha liên kim càng lớn. Với cùng thời gian giữ nhiệt như nhau, ở nhiệt độ 850 oC, lượng pha liên kim hình thành luôn nhiều hơn so với khi nung ở nhiệt độ 800 và 900 oC. Phân tích giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy pha liên kim chủ yếu là pha sigma. Cường độ các píc nhiễu xạ của pha sigma càng lớn khi thời gian giữ nhiệt càng dài, cho thấy, tỷ phần pha sigma trong mẫu càng nhiều. Sự có mặt của pha sigma có ảnh hưởng lớn đến tính chất của thép 2205. Khi lượng pha sigma càng lớn, độ cứng của thép càng cao, độ bền tĩnh tăng, kèm theo đó là độ dẻo và độ dai giảm, thép có xu hướng bị phá hủy giòn. Khả năng chống ăn mòn của thép cũng bị suy giảm, thép dễ bị nhạy cảm ăn mòn lỗ hơn.

Từ khóa: thép không gỉ song pha, pha liên kim, ăn mòn lỗ, phương pháp hiển vi định lượng, nhiễu xạ tia X.

ABSTRACT

The fraction of intemetallic phase in duplex steel 2205 had been determined by quantitative metallographic method. Steel 2205 was heated to temperature 800, 850 and 900 oC, for different holding times (1÷5) h, then rapidly cooled in the water. The amount of intermettallic phase in microstructure depends on the heating temperature and holding time. The longer holding time, the greater is the amount of intermetallic phase. With the same holding time, at temperature 850 oC, the amount of intermetallic phase formed is always more than that of steel heated at 800 and 900 oC. Analysis of X-ray diffraction pattern shows that the intermetallic phase is mainly sigma phase. Intensity of diffraction peak of sigma phase is stronger when holding time is longer, that means the bigger fraction of sigma phase in the sample. The presence of sigma phase strongly influences on the properties of steel 2205. As the amount of sigma phase is larger, the hardness of the steel is higher, the static strength inreases, and accompanied by reducing ductility and toughness, so steel tends to be brittlly fractured. The corrosion resistance of the steel is also reduced, and the steel is more susceptible to pitting corrosion.

Keywords: Duplex stainless steel, intermetallic phase, pitting corrosion, quantitative metallography, XRD.

1.  ĐẶT VẤN ĐỀ

Thép song pha ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công trình xây dựng, công nghiệp thực phẩm, dầu khí, để thay thế cho các thép không gỉ ferit và austenit, đó là do thép này có sự phối hợp rất tốt giữa độ bền và khả năng chống ăn mòn. Thép song pha có độ bền cao hơn, đồng thời lại có khả năng chống ăn mòn điểm và ăn mòn ứng suất tốt hơn so với thép không gỉ ferit và thép không gỉ autenit. Thép song pha thường được chế tạo để có tổ chức chỉ gồm hai pha ferit và austenit, với hàm lượng pha ferit trong khoảng (30÷70) %. Tổ chức tối ưu là 50 % pha ferit và 50 % pha austenit. Để có tổ chức hai pha ferit và austenit, thép song pha cần được nung đến trong khoảng nhiệt độ xác định và nguội nhanh để tránh hình thành pha liên kim. Khoảng nhiệt độ nung, tỷ phần hai pha trong tổ chức và tính chất của thép song pha phụ thuộc vào thành phần hóa học của thép song pha. Có bốn loại thép song pha, được phân loại dựa trên hàm lượng Cr, Ni và Mo [1-4].

Nhược điểm của các loại thép song pha là khi tiếp xúc với nhiệt độ cao, trong khoảng (600÷1000) oC chúng rất nhạy cảm với sự hình thành các pha liên kim. Trong số các pha liên kim, pha sigma (σ) là pha dễ hình thành và ảnh hưởng mạnh nhất đến tính chất của thép song pha. Pha liên kim làm suy giảm độ dẻo, độ dai mặc dù nâng cao độ bền và độ cứng của thép song pha. Khả năng chống ăn mòn lỗ và ăn mòn ứng suất của thép song pha cũng bị suy giảm khi pha liên kim được hình thành. Pha sigma có hàm lượng Mo, Cr cao, do đó làm nghèo Mo và Cr ở các vùng lân cận, và làm giảm khả năng chống ăn mòn lỗ của thép [5-7].

Theo tiêu chuẩn AISI, thép song pha có thành phần: < 0,08 %C, (18÷28) %Cr, (1÷8) %Ni, < 4,5 %Mo. Đối với thép song pha 2205, hàm lượng Fe khoảng 70 %. Hình 1 là mặt cắt giản đồ pha ba nguyên Fe-Cr-Ni với hàm lượng crom (%Cr) và niken (%Ni) được tính là Cr và Ni đương lượng (Creq và Nieq) theo công công thức [5-6]:

Creq = %Cr + %Mo = 24,94
Nieq = %Ni + 35 %C + 20 %N = 6,43

Ta có, đối với thép song pha 2205, tỷ lệ giữa hàm lương Cr và Ni là 3,9 ứng với đường nhiệt độ của thép 2205 như trên hình 1.

Hình 1. Giản đồ pha Fe-Cr-Ni

Theo giản đồ pha trên, khi thép 2205 bị nung đến nhiệt độ trên 300 oC đã xuất hiện pha sigma. Để loại bỏ pha này, cần nung thép 2205 đến vùng nhiệt độ trong khoảng (1000÷1200) oC, sau đó cho nguội nhanh để có tổ chức chỉ gồm hai pha ferit và austenit. Tỷ phần giữa hai pha phụ thuộc vào nhiệt độ nung. Thép cần được nguội nhanh, vì nếu nguội chậm, sẽ hình thành pha liên kim sigma [5- 6]. Cơ chế hình thành pha liên kim sigma trong thép 2205 thường được nghiên cứu thông qua quá trình nguội đẳng nhiệt. Các mẫu thép 2205 đều được nung nóng đến vùng nhiệt độ cao, khoảng 1100 oC để tổ chức chỉ có hai pha ferit và austenit với tỷ phần pha gần 50/50 [6-10]. Tiếp theo mẫu được nguội nhanh và cho nguội đẳng nhiệt đến nhiệt độ dưới 950 oC để theo dõi sự hình thành pha liên kim. Các nghiên cứu cho thấy lượng pha sigma hình thành tuân theo phương trình Johnson-Mehl-Avrami (JMA) [10]:

(1)

Trong đó: f là lượng pha sigma tạo thành, n là số mũ, k0 là hằng số tốc độ, Q là năng lượng  hoạt hóa, R là hằng số khí, t là thời gian và T là nhiệt độ.

Trong quá trình gia công chế tạo và sử dụng, thép song pha thường xuyên bị tiếp xúc, nung nóng đến nhiệt độ cao, đặc biệt là khi hàn, vùng ảnh hưởng nhiệt (vùng HAZ) có thể bị nung đến nhiệt độ trong khoảng (800÷900) oC [3], do đó trong tổ chức sẽ xuất hiện pha liên kim, làm cho thép bị suy giảm độ dẻo, nên chi tiết dễ bị phá hủy giòn, đồng thời làm tăng khả năng ăn mòn lỗ và ăn mòn ứng suất tại mối hàn. Trong vùng nhiệt độ (800÷900) oC, pha liên kim cũng dễ hình thành nhất đối với thép song pha 2205 [5]. Do đó cần có những nghiên cứu tỷ mỷ xác định hàm lượng pha liên kim khi thép bị nung đến vùng nhiệt độ trên, giữ nhiệt trong thời gian khác nhau, và ảnh hưởng của nó đến cơ tính cũng như khả năng chống ăn mòn của thép song pha 2205.

2.  THỰC NGHIỆM

Thép song pha 2205 sử dụng trong nghiên cứu này có thành phần hóa học cho trong bảng 1. Các mẫu thép có dạng trụ, đường kính 10 mm, chiều cao 20 mm. Thép được nung tới nhiệt độ nung (Tng) khác nhau, giữ tại nhiệt độ nung trong khoảng thời gian tgn, sau đó làm nguội nhanh trong nước. Tổ chức của các mẫu thép sau các xử lý nhiệt được nghiên cứu bằng kính hiển vi quang học Axiovert 25A. Hàm lượng các pha được xác định bằng kim tương định lượng sử dụng phần mềm Image-Pro Plus 3.0. Để xác định hàm lượng pha liên kim, các mẫu được tẩm thực đặc biệt bằng phương pháp điện phân để chỉ hiện pha liên kim trên nền của hai pha nền ferit – austenit. Phân tích định tính và cấu trúc tinh thể của các pha được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ tia X.

Giản đồ nhiễu xạ tia X được ghi bằng máy nhiễu xạ SMART của hãng RIGAKU. Độ cứng của các mẫu được xác định bằng máy đo độ cứng vạn năng Mitotyo; độ bền xác định bằng máy thử kéo. Đường cong ăn mòn được đo bằng máy đo ăn mòn điện hóa PGSTAT 12/30/302 với điện cực so sánh Ag/AgCl/3MKCl theo tiêu chuẩn ASTM A923.

Bảng 1. Thành phần hóa học thép song pha 2205

Nguyên Tố C Si Mn Cr Mo Ni Fe
% 0,018 0,6 0,15 21,94 3,0 5,4 Còn lại

3.  KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1.Ảnh hưởng của nhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt đến hàm lượng pha sigma trong thép song pha 2205

Các mẫu thép song pha được nung đến nhiệt độ 800, 850, 900 và 1100 oC, giữ nhiệt ở các thời gian khác nhau, sau đó cho nguội nhanh trong nước. Mẫu nung ở 1100 oC chỉ giữ nhiệt trong 0,5 h, còn các mẫu nung ở nhiệt độ khác được giữ nhiệt trong thời gian khác nhau, từ 1 đến 5 h. Các mẫu được ký hiệu theo nhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt. Ví dụ mẫu M850-1h được nung ở 850 oC, giữ nhiệt trong 1 h. Trên hình 2 là tổ chức tế vi của mẫu M1100-0,5h. Ta thấy rõ, tổ chức chỉ gồm có hai pha ferit – là các vùng thẫm và pha austen- it – là các vùng màu sáng, với tỷ lệ hai pha ferit/austenit là 48/52 theo thể tích.

Hình 2. Ảnh tổ chức của mẫu M1100-0,5h

Các mẫu nung đến nhiệt độ (800÷900) oC và giữ ở thời gian khác nhau đều được tẩm thực bằng dung dịch Beraha (1000 ml nước + 200 ml HCl + 2,4 g NH4FHF + 0,2 g K2S2O5), sau đó chụp ảnh tổ chức bằng hiển vi quang học (hình 3). Ở đây chỉ đưa ra ảnh tổ chức của mẫu M850-2h để minh họa, các mẫu khác có ảnh gần như tương tự với quy luật chung như sau. Trong các ảnh tổ chức của các mẫu, pha ferit là các vùng thẫm màu, pha austenit là các vùng vàng nhạt và pha liên kim là các vùng trắng sáng bên cạnh các vùng pha ferit. Sự khác biệt giữa ảnh tổ chức của các mẫu này là tỷ phần của các pha trên. Nhìn trực quan, có thể thấy khi thời gian giữ nhiệt càng dài thì tỷ phần của pha liên kim càng lớn.

Hình 3. Ảnh tổ chức của mẫu M850-2h

Để xác định bản chất các pha có trong tổ chức các mẫu thép song pha, đã ghi giản đồ nhiễu xạ tia X cho các mẫu thép. Trên hình 4 là giản đồ nhiễu xạ của mẫu M1100-0,5h. Phân tích giản đồ cho thấy, mẫu thép này chỉ gồm hai pha ferit (pha α) có kiểu mạng tinh thể lập phương tâm khối và pha austenit (pha γ) có kiểu mạng tinh thể lập phương tâm mặt. Kết quả này phù hợp với ảnh tổ chức tế vi (hình 2). Từ số liệu các píc nhiễu xạ của hai pha, đã tính toán chính xác hằng số mạng tinh thể của pha ferit và pha austenit, nhận được aα= 2,8801 Ao và aγ= 3,6101 Ao. Phương pháp tính dựa trên thuật toán bình phương nhỏ nhất với hàm ngoại suy  

Hình 4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu M1100-0,5h
Hình 5. Giản đồ nhiễu xạ của các mẫu nung ở nhiệt độ 850 oC.

Trên hình 5 là các giản đồ nhiễu xạ của các mẫu được nung đến 850 oC và giữ trong thời gian khác nhau. Có thể nhận thấy, trên mỗi giản đồ, ngoài các píc nhiễu xạ của hai pha ferit và austenit, đều có píc nhiễu xạ của các pha liên kim, đó là các píc 1, 2, 3, 4, 5 đánh dấu trên hình 5.

Dựa trên cấu trúc tinh thể của các pha liên kim [5], đã xác định tất cả các píc này đều thuộc pha sigma với chỉ số (hkl) tương ứng là (311), (330), (202), (212) và (411). Có thể nhận thấy cường độ của các píc đối với pha sigma trong các mẫu có thay đổi khi thời gian giữ nhiệt khác nhau, theo quy luật, thời gian giữ nhiệt càng dài, cường độ các píc này càng lớn, cho thấy tỷ phần pha sigma trong thép càng tăng. Kết quả này phù hợp với ảnh tổ chức tế vi của các mẫu.

Hình 6. So sánh hình ảnh tổ chức khi chụp cùng một vị trí của mẫu được tẩm thực bằng 2 phương pháp khác nhau

Để xác định hàm lượng cụ thể của pha sigma có trong tổ chức các mẫu, có thể sử dụng phương pháp kim tương định lượng. Tuy nhiên, quan sát ảnh tổ chức hình 3, nhận thấy sự tương phản của các pha không rõ ràng, do đó sẽ gây ra sai số lớn khi xác định tỷ phần các pha. Như vậy khi mẫu được tẩm thực bằng dung dịch Beraha sẽ rất khó xác định hàm lượng pha sigma. Để xác định pha sigma, đã áp dụng phương pháp tẩm thực điện phân đặc biệt. Các mẫu thép song pha 2205 sau xử lý nhiệt được tẩm thực trong dung dịch điện phân 100 ml H2O + 56 g KOH với điện thế 8V, trong thời gian ba giây. Để so sánh giữa hai phương pháp tẩm thực, đã đánh dấu vị trí chụp bằng ba vết đâm độ cứng tế vi. Ảnh chụp tổ chức tại cùng một vị trí đối với mẫu được tẩm thực bằng dung dịch Beraha, sau đó mài bóng lại và tẩm thực điện phân được thể hiện trong hình 6. Ta thấy rõ, pha màu đen ở hình tẩm thực điện phân (hình 6b) trùng với các pha màu trắng sáng ở hình tẩm thực bằng dung dịch Beraha (hình 6a). Như vậy ta khẳng định pha màu đen ở hình 6b chính là pha sigma trên nền sáng gồm hai pha ferit và austenit.

Hình 7. Hàm lượng pha sigma có trong các mẫu

Kết quả phân tích hàm lượng pha sigma có trong các mẫu được thể hiện trên hình 7. Ta nhận thấy, khi nung thép song pha đến nhiệt độ trong khoảng (800÷900) oC, thời gian giữ nhiệt càng lâu, hàm lượng pha liên kim càng nhiều. So sánh ở cùng một thời gian giữ nhiệt thì hàm lượng pha liên kim ở các mẫu nung tại 850 oC đều cao nhất cho thấy tốc độ hình thành pha liên kim tại nhiệt độ này là lớn nhất.

Hình 8. Độ cứng HRA của các mẫu nung ở nhiệt độ (800÷900) oC.

Khi nghiên cứu động học quá trình hình thành pha sigma, các tác giả [6,7,11] đều cho thấy lượng pha sigma tạo thành tuân theo quy luật JMA (1). Từ dữ liệu hàm lượng pha sigma tạo thành khi nung thép 2205 ở các nhiệt độ (800÷900) oC và giữ nhiệt trong thời gian (1÷5) h, đã xác định các hệ số k0, Q và n của phương trình JMA bằng thuật toán bình phương nhỏ nhất. Cụ thể, trong khoảng nhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt trên, hằng số tốc độ k0 = 0,0107, năng lượng hoạt hóa Q=20501 J/mol.K và hệ số mũ của phương trình JMA ứng với nhiệt độ 800, 850 và 900 oC tương ứng là n=0,32; 0,33 và 0,30.

3.2.Ảnh hưởng của hàm lượng pha sigma đến cơ tính của thép song pha 2205

Độ cứng HRA của các mẫu được đo bằng thiết bị đo độ cứng Mitotyo. Mẫu được mài phẳng hai mặt, đo độ cứng ở 5 vị trí rải rác trên bề mặt mẫu và tính giá trị trung bình. Độ cứng của mẫu M1100- 0,5h là 59,3 HRA. Kết quả đo độ cứng của các mẫu nung đến 800, 850 và 900 oC với thời gian giữ nhiệt khác nhau được thể hiện trong hình 8. Ta nhận thấy độ cứng của tất cả các mẫu này đều lớn hơn so với mẫu M1100-0,5h, đó là do trong các mẫu này đều có pha sigma. Trong các mẫu đó, độ cứng cao nhất đạt được là của mẫu M850-5h, nung ở 850 oC, giữ nhiệt trong 5 giờ. Khi so sánh độ cứng giữa các mẫu đã qua các chế độ xử lý nhiệt khác nhau thấy rằng, khi thép được nung tới vùng nhiệt độ (800÷900) oC, thời gian giữ nhiệt càng dài, độ cứng của thép 2205 càng lớn. Điều này là hợp lý vì khi thời gian giữ nhiệt tăng, tỷ phần pha sigma tăng, đây là pha cứng và giòn hơn so với pha ferit và austenit, do đó độ cứng của thép tăng lên.

Thông qua độ cứng, có thể đánh giá độ bền của thép 2205 cũng bị ảnh hưởng bởi pha sigma theo quy luật tương tự, tức là độ bền sẽ tăng khi thép có thêm pha sigma. Để kiểm chứng, đã xác định độ bền của thép song pha 2205 qua thí nghiệm thử kéo đối với hai mẫu: mẫu M1100-0,5h với tổ chức chỉ gồm hai pha ferit và austenit, và mẫu M850-5h có tổ chức gồm hai pha ferit, austenit và 23,8 % pha sigma. Mẫu thử kéo được chế tạo theo chuẩn ASTM E8. Kết quả các giá trị cơ tính của hai mẫu được tổng hợp trong bảng 2. Trên hình 8 là ảnh hai mẫu sau khi thử kéo.

Hình 8. Ảnh hai mẫu sau khi thử kéo

Bảng 2. Kết quả thử kéo

Mẫu σb [MPa] σch [MPa] d [%] y [%]
M1100-0,5h 800 650 29,7 54,4
M850-5h 902 860 16,5 13,8

Kết quả thử kéo cho thấy, giới hạn bền sb của mẫu M850-5h so với mẫu M1100-0,5h tăng hơn 100 MPa, trong khi đó giới hạn chảy sch tăng rất mạnh 210 MPa, đồng thời độ dãn dài giảm 13,2 %, độ co thắt giảm đến 40,6 %. Rõ ràng sự có mặt của lượng lớn pha sigma với đặc tính cứng và giòn đã làm tăng độ bền và giảm khả năng biến dạng của thép song pha 2205. Ngoài ra, quan sát hình ảnh mẫu sau khi thử kéo, đã thấy rõ, mẫu M1100-0,5h bị phá hủy dẻo, vùng gãy có tiết diện rất nhỏ so với tiết diện chung của mẫu, cho thấy mẫu bị biến dạng dẻo khá lớn trước khi bị phá hủy. Ngược lại, mẫu M850-5h có bề mặt gãy gần như phẳng, cho thấy mẫu gần như bị phá hủy giòn. Một hiện tượng lạ ở đây ta có thể thấy, cho dù mẫu bị phá hủy giòn, với tiết diện vết gãy gần bằng với tiết diện chung của mẫu, nhưng mẫu M850-5h vẫn có độ dãn dài khá lớn, lên đến 16,5 %. Với độ dãn dài lớn như vậy không thể coi mẫu thép M850-5h là vật liệu giòn được. Hiện tượng này có thể giải thích đó là do trong mẫu M850-5h còn lượng pha austenit rất lớn, đây là pha rất dẻo, có thể đã có hiện tượng chuyển pha từ austenit sang mactensit do ứng suất, đây là hiệu ứng TRIP (TRansformation Induced Plasticity – độ dẻo do chuyển pha). Hiệu ứng TRIP trong thép song pha đã được một số tác giả đề cập khi nghiên cứu thép song pha có hàm lượng Mn cao thay thế cho Ni [12]. Tuy nhiên, điều này cần có nghiên cứu kiểm chứng thêm đối với thép 2205.

3.3.Ảnh hưởng của pha sigma đến tính ăn mòn của thép 2205

Thí nghiệm đo tốc độ ăn mòn được thực hiện trên máy đo ăn mòn điện hóa PGSTAT 12/30/302 với điện cực so sánh Ag/AgCl/3MKCl. Dung dịch đo tốc độ ăn mòn là dung dịch muối NaCl 0,1M với dải điện thế từ -0,5 đến 1,5 V. Tiến hành đo trên ba mẫu: mẫu M1100-0,5h với tổ chức chỉ gồm 2 pha ferit và austenit, mẫu M850-2h với hàm lượng pha liên kim trung bình 17,4 % và mẫu M850-5h với hàm lượng pha liên kim cao 23,8 %.

Đường cong phân cực anot của ba mẫu thép được nêu trên hình 9. Trên cơ sở 3 đường cong phân cực đã xác định các thông số ăn mòn của 3 mẫu và được đưa ra trong bảng 3. Điện thế ăn mòn Ecorr của ba mẫu gần như nhau, trong khoảng -0,321 đến -0,434 V. Dòng ăn mòn Icorr  rất nhỏ, tổng trở RP lớn và tất cả 3 mẫu thử đều có tốc độ ăn mòn thâm nhập CR rất thấp, nhỏ hơn 0,125 mm/năm, đều nằm trong nhóm rất bền ăn mòn.

Bảng 3. Thông số ăn mòn của ba mẫu thép

Mẫu Ecorr [V] Icorr [A/cm2] RP [Wcm2] CR [mm/năm]
M1100-0,5h -0,434 3,262 x10-7 6783 3,807 x10-3
M850-1h -0,380 2,251 x10-6 3857 2,628 x10-3
M8500-5h -0,321 6,528 x10-7 1673 7,619 x10-3

Từ đường cong phân cực ta xác định được vùng thụ động của mẫu, đó là khoảng nằm ngang, khi điện áp E tăng nhưng mật độ dòng gần như không tăng. Ta nhận thấy, hai mẫu M850-2h và M850-5h có vùng thụ động hẹp hơn so với mẫu M1100-0,5h. Mẫu M1100-0,5h, không có pha liên kim, có vùng thụ động khá dài, trong khoảng thế điện cực E = – 0,35 V ÷ 1,1 V. Trong khi đó hai mẫu sau M850-2h và M850-5h có vùng thụ động ngắn hơn, trong khoảng E = – 0,35 V ÷ 0,5 V.

Hình 9. Đường cong phân cực của các mẫu a) M1100-0,5h b) M850-2h c) 850-5h

Ngoài ra, ta nhận thấy sự ăn mòn lỗ ứng với điểm Epitting trên hai mẫu này ở khoảng giá trị điện thế E = 0,5V, trong khi đó đối với mẫu M1100-0,5h hiện tượng ăn mòn lỗ chỉ xuất hiện khi điện thế Epitting = 1V [11]. Đó là do trong hai mẫu đó, sự có mặt của pha sigma đã làm cho mẫu dễ nhạy cảm với ăn mòn lỗ hơn. Hàm lượng nguyên tố Mo và Cr cao trong pha sigma đã làm giảm lượng Mo, Cr của các vùng pha autenit lân cận [5], có thể là nguyên nhân gây ra ăn mòn lỗ sớm hơn. Sự ăn mòn lỗ sẽ xuất hiện đầu tiên ở biên pha sigma/austenit, sau đó ăn mòn phát triển sâu vào hai pha sigma và austenit, làm giảm vùng thụ động của thép song pha [11]. Đây là vấn đề rất quan trọng khi sử dụng thép song pha, do đó cần có nghiên cứu cụ thể hơn nữa để làm rõ cơ chế ăn mòn lỗ này.

4.  KẾT LUẬN

Khi được nung đến nhiệt độ trong khoảng (800÷900) ᵒC, trong tổ chức của thép song pha 2205 luôn xuất hiện pha liên kim và chủ yếu là pha sigma. Hàm lượng pha sigma càng lớn khi thời gian giữ nhiệt càng dài, tuân theo phương trình Johnson-Mehl-Avrami với hệ số được xác định như sau: k0 = 0,107; Q = 20501 J/mol.K. Hệ số mũ n ứng với 3 nhiệt độ 800, 850 và 900 oC tương ứng là n = 0,32; 0,33 và 0,30.

Sự hình thành pha sigma trong tổ chức làm thay đổi các tính chất của thép song pha 2205. Tỷ phần pha sigma càng lớn, độ cứng thép 2205 càng cao, giới hạn bền và giới hạn chảy của thép song pha 2205 tăng, độ dẻo của thép giảm, thép có xu hướng bị phá hủy giòn.

Sự xuất hiện của pha sigma trong tổ chức đã làm giảm khả năng chống ăn mòn của thép song pha 2205, đặc biệt là khả năng chống ăn mòn lỗ, thép dễ nhạy cảm với ăn mòn lỗ hơn.

LỜI CẢM ƠN

Tác giả chân thành cảm ơn Phòng thí nghiệm nghiên cứu Vật liệu thuộc trường Đại học Shimane Nhật Bản, đã giúp thực hiện ghi giản đồ nhiễu xạ tia X cho các mẫu trong nghiên cứu này.

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

  1. Olsson J., Snis M.; Duplex – A new generation of stainless steels for desalination plants; Desalination 205, 2007, 104-113
  2. Baddoo N. R.; Stainless steel in construction: A review of research, applications, challenges and opportuni- ties, J. Constr. Steel Res., 64, 2008, p. 1199-1206
  3. Karlsson; Duplex Stainless Steel Weld Metgals – Effects of Secondary Phases, Proceedings of 5th World Conference, Duplex Stainless Steels, Maastricht, 1997
  4. Chen T., Weng K., Yang J.; The effect of high-temperature exposure on the microstructural stability and toughness property in a 2205 duplex stainless steel, Sci. Eng. A, 338, 2002, p. 259-270
  5. Nguyễn Văn Đức; Sự hình thành pha liên kim trong tổ chức của thép song pha 2205, Tạp chí Khoa học-Công nghệ Kim loại, Số 82, tháng 2/2019, 39
  6. Le Thu Ha, Nguyen Anh Son; Microstructure and mechanical property of duplex stainless steel during heat treatment process, 5th Asian materials data symposium, 2016, 324
  7. W. Elmer, Eliot D Specht, Todd A, Palmer; Direct Observations of Sigma Phase Formation in Duplex Stainless Steels Using In-Situ Synchrotron X-Ray Diffraction, Metallurgical and Materials Transactions A, January 2007, p. 45
  8. Zucato I., Moreira M. C., Machado I. F., Giampietri S. M.; Microstructural characterization and the effect of phase transformations on toughness of the UNS S31803 duplex stainless steel aged treated at 850 °C, Res., 5, 2002, p. 385-389
  9. Deng B., Wang Z., Jiang Y., Sun T., Xu J., Li J.; Effect of thermal cycles on the corrosion and mechanical properties of UNS S31803 duplex stainless steel, Corros. Sci., 51, 2009, p. 2969-2975
  10. Huang C. S., Shih C. C.; Effects of nitrogen and high temperature aging on σ phase precipitation of duplex stainless steel, Mater. Sci. Eng. A, 402, 2005, p. 66-75
  11. Park C. J., Rao V. S., Kwon H. S,; Effects of sigma phase on the initiation and propagation of pitting corro- sion of duplex stainless steel, Corrosion, 61, 2005, p. 76-83
  12. Herrera, C., Ponge, D., Raabe, D. ; Design of a novel Mn-based 1 GPa duplex stainless TRIP steel with 60% ductility by a reduction of austenite stability, Acta Mater., 2011, 59, 4653-4664

Leave a Reply

Your email address will not be published.