Estudio del comportamiento del acero inoxidable dúplex y superdúplex después de deformación plástica severa

Abstract

Los diferentes grados de aceros inoxidables dúplex (DSS) se caracterizan por sus atractivas propiedades de resistencia mecánica y resistencia a la corrosión, debido a su microestructura equilibrada de ferrita (δ) y austenita (γ). Sin embargo, son susceptibles a la precipitación de fases secundarias cuando no se controlan los procesos de fabricación y/o de procesado durante su instalación. La formación de estas fases, particularmente fase sigma (σ) enriquecida en Cr y Mo y nitruros/carburos metálicos (Cr2N, M23C6), se produce en el rango de temperaturas de entre 600ºC y 900ºC a lo largo de un periodo de tiempo. Son particularmente investigadas ya que pueden perjudicar las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión del material, dependiendo de su cantidad en la microestructura del material.

A diferencia de los procesos convencionales que se llevan acabo para la obtención de estos aceros, el proceso de deformación plástica severa (SPD) - torsión a alta presión (HPT) ofrece la posibilidad de aportar propiedades mecánicas extraordinarias al material a consecuencia de la nanoestructuración obtenida, manteniendo hasta cierto modo sus dimensiones iniciales. La obtención de una microestructura de grano ultrafino o nanoestructura conlleva cambios internos desde el punto de vista termodinámico, un aumento de la energía interna debido al incremento de límites de grano. Por consiguiente, la precipitación de las fases secundarias se vería afectado en cierto modo.

Por otro lado, la aportación de elementos intersticiales desde la superficie hacia el interior del material, por el proceso de difusión, mediante métodos termoquímicos como la nitruración o cementación, se aplican generalmente para mejorar las propiedades tribologías de los materiales bajo estudio. Sin embargo, desde el punto de vista termodinámico, la introducción de los elementos de C y/o N por difusión, puede tener influencia sobre la formación de las fases secundarias. Estos elementos son los principales para la formación de fases intermetálicas como carburos y/o nitruros metálicos. Por consiguiente, la precipitación en general en la microestructura resulta ser afectada y es oportuno determinar las consecuencias de estas modificaciones.

En la presente tesis se propone el estudio y análisis microestructural del acero inoxidable dúplex UNS S32205 y superdúplex UNS S32750 después de ser deformados por torsión a alta presión. Se realiza una comparativa entre el material recocido y el material deformado para ver la influencia del proceso mecánico sobre la evolución de la precipitación de fases. Además, se analiza la microestructura tratada termoquímicamente mediante el proceso de nitruración y el de carburación con el fin mismo objetivo. La caracterización de las distintas fases se realiza mediante la utilización del microscopio electrónico de barrido (Scanning Electron Microscope – SEM), así como la disfracción de electrones retrodispersados (Electron Basckscatter Diffraction – EBSD) para determinar la distribución de las fases y su orientación cristalina. Además, mediante la microscopia electrónica de transmisión (Transmission Electron Microscope – TEM) y la técnica de difracción de electrones por precesión (Precession Electron Diffraction – PED) se realiza una mejor interpretación de las fases secundarias debido a la mayor resolución e información cristalográfica obtenida por los equipos. Se utiliza el sistema automático de medida de la orientación cristalina (Automatic Crystal Orientation Measurements – ACOM) tras observar la limitación de la técnica EBSD para la determinación de la distribución y orientación cristalina de fases en las muestras nanoestructuradas, siendo deformadas por HPT. La mejora de las propiedades mecánicas se determina mediante ensayos de microdureza y la influencia de la precipitación se analiza en el comportamiento general a la corrosión. Los resultados muestran que la precipitación de las fases secundarias tanto en el acero inoxidable dúplex como en el superdúplex es básicamente de la fase sigma (σ) y de nitruros de cromo (Cr2N), observada tras un tratamiento isotérmico posterior a la deformación plástica severa. El aumento de la deformación por cizallamiento provoca una nanoestructura y tras el tratamiento isotérmico, las fases secundarias aumentan considerablemente su cantidad, sobretodo en el acero inoxidable superdúplex. Esto contribuye al aumento en la dureza del material debido al fenómeno de envejecimiento por deformación, en comparación al mismo material sin haber sido deformado por HPT. En ambos casos se considera que la precipitación es una transformación invariante, donde la fase sigma es un producto de una fase inicial en estado sólido con distinta estructura cristalina.

El comportamiento a la corrosión general del acero inoxidable dúplex y superdúplex no empeora excesivamente, y muestra una pasivación estable debido a la nanoestructuración de los materiales. La nitruración y cementación como procesos termoquímicos influyen considerablemente en el aumento de la precipitación de fase sigma, sin alterar significativamente el comportamiento a la corrosión.

Duplex stainless steels (DSS) are characterized by their attractive properties of mechanical strength and corrosion resistance, due to the balanced microstructure of ferrite (δ) and austenite (γ). However, they are susceptible to secondary phase precipitation during uncontrolled manufacturing processes or heat treatments. The formation of these phases, particularly sigma (σ) phase, enriched in Cr and Mo, and intermetallic nitrides/carbides (Cr2N, M23C6), occurs in the range of 600ºC and 900ºC during different time. They are particularly investigated since they can decrease the mechanical properties and corrosion resistance of the material, depending on their amount in the microstructure. Unlike the conventional processes that are carried out to obtain these steels, severe plastic deformation process (SPD) by high-pressure torsion (HPT) provides extraordinary mechanical properties to the material due the obtained nanostructure, maintaining to a certain point its initial dimensions. Obtaining an ultra-fine grain microstructure or nanostructure entails internal changes from the thermodynamic point of view, an increase in internal energy due to the increments of grain boundaries. Consequently, the precipitation of the secondary phases would be altered. On the other hand, the introduction of interstitial elements from the surface to the inner part of the material by diffusion, mainly by thermochemical methods, such as nitriding or carburizing, can influence the formation of the undesirable phases. Consequently, the precipitation in the microstructure is affected and it is opportune to determine the influences of these modifications. The current thesis proposes the study and microstructural analysis of duplex stainless steel UNS S32205 and superduplex stainless steel UNS S32750 after being deformed by high-pressure torsion. A comparison between the annealed materials and the deformed materials is carried out to see the influence of the mechanical process on the evolution of secondary phase precipitation.

The characterization of the different phases has been realized by using Scanning Electron Microscope - SEM, as well as the Electron Basckscatter Diffraction – EBSD technique to determine the distribution of the phases and their crystalline orientation. In addition, Transmission Electron Microscope - TEM and the Precession Electron Diffraction - PED technique as a high-resolution techniques have been used for a better interpretation of the secondary phases. The use of the Automatic Crystal Orientation Measurements – ACOM method has been required after observing the limitation of EBSD for the distribution and crystalline orientation determination of the nanostructured samples, being deformed by HPT. The improvement in mechanical properties has been determined by microhardness tests and the influence of the secondary phases has been analysed on the general corrosion behaviour of the materials. The results showes that the precipitation in both duplex and superduplex stainless steel is basically of sigma phase (σ) and of chromium nitrides (Cr2N), observed after an isothermal treatment after the severe plastic deformation. The increase in shear deformation causes a nanostructure and after an isothermal treatment, the secondary phases increase considerably in quantity, especially in the superduplex stainless steel. This contributes to the increase in the hardness of the material due to the phenomenon of aging by deformation, compared to the same material without having been deformed by HPT. In both cases, precipitation is considered as an invariant transformation, where sigma phase is a product of a solid- state initial phase with different crystalline structure. The general corrosion behaviour of both stainless steels is not deteriorated and it shows stable passivation due to the nanostructuring of the materials. Nitriding and carburizing as thermochemical processes considerably influence the increase in sigma phase precipitation, without significantly altering the corrosion behaviour.