KAPITOLY

Home » Kapitola 7 - Speciální oceli - Duplexní oceli

Kapitola 7 - Speciální oceli - Duplexní oceli

Co to jsou duplexní oceli? Kde se používají? Jaké zvláštní fáze v nich můžeme pozorovat? Jaké jsou rozdíly v chování tepelně zpracované a nezpracované duplexní oceli?

Duplexní oceli - historie

Duplexní oceli byly vyvinuty ve 30. letech 20. století ve Švédsku pro potřeby papírenského průmyslu. Bylo potřeba řešit problém s příliš nízkou korozní odolností chladícího sytému. Aby se zlepšila tato korozní odolnost, byly do oceli přidány prvky: chrom, molybden a nikl. Výsledkem vývoje byla první generace duplexních ocelí. Použití uvedeného typu duplexní oceli bylo omezeno jen na několik aplikací zejména kvůli příliš vysoké křehkosti svarových spojů. S rozvojem těžby ropy a zemního plynu při mořských pobřežích v 70. letech 20. století (tzv. Off-shore projekty), především v Severním moři, byla vyvinuta duplexní ocel druhé generace. Zde byl kromě chromu, molybdenu a niklu přidán ještě další prvek: dusík. Ten sloužil k zlepšení houževnatosti v tepelně ovlivněné oblasti kolem svarového spoje. 

Spolu s vynikající odolností vůči korozi, získala tato ocel vlastnosti, díky nimž následoval její rychlý rozvoj. Jedna z hlavních oblastí jejího využití bylo právě při stavbě těžebních ropných plošin. Oproti dosud používaným ocelím měly tyto nové duplexní oceli vyšší mez kluzu, což ve svém důsledku znamenalo, že se mohly být použity konstrukční prvky s menším průřezem.

Mikrostruktura duplexních ocelí a jejich použití

Ocel, sloučenina železa s uhlíkem, se může vyskytovat ve více fázích, které se liší tím, jak je uspořádána jejich krystalová mřížka. Duplexní, tedy dvoufázová ocel, jak už název napovídá, má ve své struktuře dvě fáze. V tomto
případě je to ferit a austenit. Nejmenší stavební jednotkou krystalu feritu je prostorově středěná kubická mřížka,
nejmenší stavební jednotkou krystalu austenitu je plošně středěná kubická mřížka. Ideální poměr těchto dvou fází
v duplexních ocelích je 50 : 50. Tohoto příznivého poměru, je dosaženo díky přesnému chemickému složení. Do oceli (Fe + C) je tedy přidán (= legování oceli) při její výrobě chrom (Cr), molybden (Mo), nikl (Ni) a dusík (N). Díky těmto prvkům dosahují takové oceli vynikajících mechanických vlastností a zároveň dobré korozní odolnosti, pro kterou byly vyvíjeny. 

Nejen poměr obou fází, feritu a austenitu, ale také jejich čistota je pro výsledné vlastnosti oceli zásadní. V duplexních ocelích se totiž v důsledku komplexního legování mohou tvořit nežádoucí fáze, které výrazně zhoršují mechanické vlastnosti a korozní odolnost. Tyto fáze se mohou tvořit v průběhu výroby a zejména během tepelného zpracovávání případně svařování. Během těchto operací je třeba dbát na dodržování stanovených postupů tak, aby byla tvorba nežádoucích fází co nejvíce eliminována.

Duplexní ocel - stav po kování - 100x zvětšeno (hnědá fáze - ferit, bílá fáze - austenit, drobné částice - sigma fáze)Duplexní ocel - stav po kování - 100x zvětšeno (hnědá fáze - ferit, bílá fáze - austenit, drobné částice - sigma fáze)

Duplexní oceli se uplatňují především v chemickém, petrochemickém a jaderném průmyslu, ve výrobě celulózy a
papíru, v loďařství a dalších oborech, kde jsou kladeny vysoké nároky jak na korozní odolnost a tak zároveň na mechanické vlastnosti. 

Duplexní oceli v podstatě představují kompromis, kombinaci výhod feritu, jeho odolnost vůči korozi, a austenitu, jeho dobrou tvařitelnost.

Vliv legujících prvků

Chróm

Aby chróm vytvořil stabilní pasivní film na povrchu dílu, který dostatečně chrání ocel proti mírné atmosférické korozi, je ho potřeba minimálně 13 hm. %. V duplexních ocelích je alespoň 20 hm% chrómu. Se zvyšujícím se obsahem chrómu roste korozní odolnost. Chróm je feritotvorný, což znamená, že podporuje tvorbu kubické
prostorově středěné krystalové mřížky. Vysoký obsah chrómu má za následek ovšem také tvorbu nežádoucích intermetalických fází (viz dále). 

Molybden 

Molybden má významný vliv na zvýšení odolnosti oceli vůči pittingu (důlkové korozi). Molybden je, jako chróm, feritotvorný a má vliv na tvorbu intermetalických fází. Jeho obsah v duplexních ocelích je do 4 hm%. 

Dusík

Dusík slouží ke zvýšení odolnosti materiálu jak vůči důlkové, tak štěrbinové korozi. Významně zvyšuje pevnost. Dusík přímo nebrání vzniku intermetalických fází, způsobuje však zpomalení jejich tvorby. Zároveň je dusík silně austenitotvorný. Kombinace těchto dvou vlastností způsobuje zlepšení houževnatosti oceli. Díky tomu, že je to levný legující prvek, může nahradit část taktéž austenitotvorného niklu.

Nikl

Duplexní oceli obsahují 1,5 až 7 % niklu. Nikl stabilizuje austenit, jelikož podporuje přeměnu kubické krystalové mřížky z prostorově středěné (ferit) na plošně středěnou (austenit). Podobně jako dusík i nikl napomáhá proti vzniku intermetalických fází, ale není zdaleka tak účinný.

Intermetalické fáze

V důsledku komplexního legování se ve struktuře duplexních ocelí může vyskytovat několik typů intermetalických fází, např. σ-fáze (sigma-fáze). Tato fáze výrazně zhoršuje vlastnosti duplexních ocelí, ať už mechanické nebo korozní. Sigma-fáze vyčerpávají především chróm a molybden. Tvoří se na hranicích zrn ferit/austenit a uvnitř feritických zrn. Tato fáze je tvrdá a křehká. Všechny nežádoucí fáze vznikají při určitých teplotách během doby v řádu několika minut. Proto je potřeba, aby během výroby, tepelného zpracování a jiných tepelných úprav materiálu, byl pečlivě dodržen předepsaný postup. 

Rozdíl v chování tepelně zpracované a nezpracované duplexní oceli

Stejně jako u jiných materiálů záleží výsledné vlastnosti duplexní oceli na její struktuře. Jednou z velmi důležitých vlastností je tzv. vrubová houževnatost. Houževnatost je schopnost materiálu odolávat lomu. Vrubovou houževnatost oceli měříme v Joulech. Je to vlastně práce, kterou musíme vykonat, abychom zkušební těleso přelomili ve stroji, kterému se říká Charpyho kladivo. Čím je vzorek křehčí, tím je hodnota odečtené práce nižší a naopak, čím je vzorek houževnatější, tím víc práce musíme na jeho přelomení vynaložit.

Již jsme si řekli, že v duplexní oceli se v určitém rozsahu teplot vylučují nežádoucí intermetalické fáze, které mají negativní vliv na její houževnatost. Proto zde ukážeme, jak odlišná je houževnatost vzorku, který jsme odebrali přímo po kování, a vzorku, který jsme podrobili rozpouštěcímu žíhání tak, abychom všechny nežádoucí intermetalické fáze odstranili(viz obrázky v předchozí galerii)

Abychom mohli zaznamenat průběh zkoušky vrubové houževnatosti, nahráli jsme ji na vysokorychlostní kameru. Tato kamera zaznamenává průběh zkoušky na rozdíl od normální filmové kamery vysokou snímkovací rychlostí. Zatímco běžné kamery zaznamenají 30 snímků za sekundu, vysokorychlostní kamera může za stejný okamžik zachytit až několik tisíc snímků. Když je následně přehrajeme normální rychlostí, vidíme zpomalený záznam celé zkoušky. Nejdříve si ukážeme, jak vypadá zkouška vzorku s vysokou houževnatostí. Při dopadu hrotu kladiva dojde k velké deformaci vzorku, vzorek se pod tíhou kladiva intenzivně deformuje a zlomí se, až když hrot kladiva projede zcela mezi podporami (viz následující video)

Pokud ale budeme zatěžovat vzorek s nízkou houževnatostí, v našem případě je to vzorek bez tepelného zpracování, který jsme odebrali přímo po kování, průběh zkoušky bude zcela jiný. Deformace samotného vzorku po dopadu kladiva je minimální a rychle dochází k jeho rozlomení na dvě části. Energie/práce vynaložená na jeho rozlomení je tak minimální. Přitom se jedná stále o tu samou ocel s identickým chemickým složením. Jen tepelné zpracování je odlišné.

 

Pojďme se ještě podívat jak poté vypadá lomová plocha vzorků po této zkoušce. Studiem lomů a lomových ploch se zabývá disciplína zvaná fraktografie. Při té se lomová plocha pozoruje například v řádkovacím elektronovém mikroskopu a hodnotí se způsob šíření lomu v materiálu. Podle vzhledu lomové plochy se dá klasifikovat, zda k šíření lomu bylo potřeba málo nebo hodně energie, zda jsou v materiálu přítomné nějaké defekty apod. Fakt, že se vzorek plasticky zdeformuje se samozřejmě projeví i na struktuře materiálu. Připravili jsme v místě lomu metalografické výbrusy a můžete vidět, jakým způsobem je u vzorku s vysokou houževnatostí struktura zdeformovaná (viz galerie).

Celá lomová plocha houževnatého vzorkuCelá lomová plocha houževnatého vzorku