Termisk åldring av rostfritt gjutstål

Transkript

1 Termisk åldring av rostfritt gjutstål Interaktionen mellan mikrostruktur och mekaniska egenskaper Martin Bjurman (Studsvik/KTH) Pål Efsing (KTH)

2 Introduktion Stora tryckbärande komponenter är av tillverkningstekniska skäl ofta gjutna. Ventilhus Rörböjar Komponenter med komplex geometri Svetsning är den huvudsakliga sammanfogningstekniken. Gjutna och svetsade rostfria komponenter innehåller typiskt 5-15% d-ferrit i austenit. d-ferrit är känslig för termisk åldring Ökad hårdhet och reducerad brottseghet Kan kravet på duktilt beteende i tryckbärande komponenter förutsättas? 2

3 Termisk Åldring Termisk åldring ärdiffusionsdrivet Ferrit är inte helt stabil och har hög diffusionshastighet Åldringen är mycket temperaturkänslig Åldring sker huvudsakligen i δ ferrit där Cr-rik a - & Fe rik a-fas bildas genom spinodalt sönderfalll. G-fas kärnbildas på a - a fasgränsen Austenit endast begränsat. Variation i sammansättning och stelningshastigheter påverkar Ferrithalt, storlek och form. Generell mikrostruktur. Segring och sammansättningsvariationer i respective fas. α'-phase α-phase G-phase 3

4 Undersökt material Materialet är ASTM 351 CF8M Ringhals 2 ersatta ånggeneratorböjar (ÅG-böj) Varmt ben, inlopp till ÅG Kallt ben, utlopp från ÅG till matarvattenpump Tid vid full temp. ~70 000h ~22 000h Varmt ben 325ºC 303ºC Kallt ben 291ºC 274ºC DT 34ºC 29ºC Total tid vid full temperature h C Si Mn P S Cr Ni Mo Ti Cu Co N Ferrite content Varmt ben Inlopp Utlopp Kallt ben

5 Mikrostruktur Svetsgods Gjutgods Storlek och struktur varierar mycket 5

6 Atomsondsanalys APT provuttag med FIB 85 mm 950 mm Provuttag(varmt ben) Prov uttaget cirka 10 mm under komponentytan. Begränsad ferrithalt => Provuttag med FIB/SEM using a FEI Versa 3D Dual-Beam. 6

7 Atomkartor av projicerade volymer (20x20x5 nm³ slices) α'-phase α-phase G-phase Ni Mn Si Varmt ben Kallt ben Cr 7

8 Spinodalt sönderfall - APT Varmt ben åldrat vid 325 C Tydligt spinodalt sönderfall med spinodallängd 6.4 nm och Cr-koncentrationsamplitud 10.8 at % G-faskoncentration uppskattad till m -3 med 3.2 nm diameter Kallt ben vid 291 C Begränsat spinodalt sönderfall med spinodallängd 4 nm och Cr-koncentrationsamplitud 8.1 at % G-fasutskiljningskoncentration m -3 med cirka 57 atomer per position, mycket mindre än för varmt ben. Tydlig effekt av åldring 8

9 Nano-indentation - hårdhet Oåldrad ferrit och austenit har likartade hårdheter Åldrat Varmt ben Kallt ben Hårdhet (Gpa) Hårdhet (Gpa) Austenit 3,3 3,4 Ferrit 7,5 5,7 Uppmätta E-moduler stammer väl med literature. Indikationer på interna spänningar vid fasgränsen Resultat används för Jämförelse med EBSD-resultat Tillsammans med EBSD, indata i kristallplasticitetsberäkningar Y(mm) -56,064-56,066-56,068-56,070 7,860 7,270 6,680 6,090 5,500 4,910 4,320 3,730 3,140-56,072-81,890-81,888-81,886-81,884-81,882 X(mm) 9

10 Enaxligt dragpov Konstant töjningshastighet e= 10-3 s s s -1 Relaxation/kryp Konstant töjningshastighet med hålltider Konstant spänning, under sträckgräns, 100h provningstid. 10

11 Dragprov vid rumstemperatur. Åldring Ökad Sträck och brottgräns Reducerad brottförlängning Reverserad töjningshastighetskänslighet Sekventiell deformation av korn 11

12 EBSD lokaliserad töjning Representative misorientation profiles from austenite across a ferrite grain. hot leg at strain rate 10-4 hot leg at strain rate 10-3 Inverse pole figures (IPFs) vänster: varmt ben 10-4 /s Centrum: varmt ben 10-3 /s Höger: kallt ben 10-3 /s Cold leg at strain rate

13 Dragprov hålltider och relaxation Spänningsrelaxation vid olika töjning Relevant för lastfall med repeterad plasticering Lokalt reverserad spanning/töjning när pålagda spänningen är reducerad 13

14 Dragprov- hålltider och relaxation 14

15 Dragprov konstant spänning kryp/relaxation vid låga T 15

16 Sammanfattning Gjutgodset åldrat 70 kh vid 291 och 325 har åldrats signifikant Hårdhet [Gpa] Spinodalt sönderfall Austenit 3,3 3,4 Ferrit 7,5 5,7 Våglängd 6,4 nm 4 nm Conc. variation 10,8 at% 8,1 at% Skillnad i mekaniska egenskaper mellan ferrit och austenit ökar med åldring Lokalisering av spänning / töjning ökar med åldring känslighet för variation i mikrostruktur ökar med åldring. Känslighet för töjningshastighet ökar med åldring Känslighet för kryp/relaxation under sträckgränsen Kristallplasticitetsberäkningar kan användas för att modellera beteendet 16

17 Fortsättning Resultat från Makroskopisk töjning - dragprov Lokaliserad töjning - EBSD Hårdhet Nanoindentation Indata till Kristallplasticitetsmodell för att studera Lokalisering av töjning Effekt av mikrostruktur Tidsberoende effekter 17

18 18