Μελέτη μικροδομής-μηχανικών ιδιοτήτων σε υπερωστενιτικούς χάλυβα συγκολλημένους με τεχνικές EBW/TIG - Ρούσης, Νικόλαος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων Μεταλλουργών, 2015)
Η παρούσα εργασία αφορά στη μελέτη της μικροδομής και των μηχανικών ιδιοτήτων σε συγκολλήσεις του υπερωστενιτικού ανοξείδωτου χάλυβα SMO 254, όπως είναι η εμπορική ονομασία που του έχει αποδώσει η Σουηδική κατασκευάστρια εταιρεία OUTOKUMPU και του συμβατικού ωστενιτικού ανοξείδωτου χάλυβα τύπου 316L, κατά ASTM/AISI. Οι χάλυβες συγκολλούνται με τις μεθόδους ELECTRON BEAM WELDING (EBW) και GAS TUNGSTREM ARC WELDING (GTAW). Πραγματοποιήθηκαν συγκολλήσεις τεμαχίων του ίδιου κράμματος και με τους δύο τρόπους συγκόλλησης για το κάθε κράμα και εξάχθηκαν μεταλλογραφικά δοκίμια προς μελέτη της μικροδομής. Έγινε μεταλλογραφική προετοιμασία και μελετήθηκε η μικροδομή σε οπτικό και ηλεκτρονικό μικροσκόπιο ενώ πραγματοποιήθηκε και μικροανάλυση με φασματοφωτομετρία ακτίνων Χ (EDS). Επιπρόσθετα έγινε προσπάθεια αναγνώρισης των υπαρχουσών φάσεων με περίθλαση ακτίνων Χ, ξεχωριστά στο Μέταλλο Βάσης και στην Ζώνη Τήξης, η οποία αποκόπηκε για το σκοπό αυτό. Παράλληλα εξήχθησαν δοκίμια εφελκυσμού και πραγματοποιήθηκαν δοκιμές εφελκυσμού, όπως επίσης και μετρήσεις της μικροσκληρότητας και της μακροσκληρότητας. Όσον αφορά το Μέταλλο Βάσης στο κράμα 316L, καταδείχτηκε ότι αποτελείται εκτός από την φάση του ωστενίτη και από μικρό ποσοστό φερρίτη με την μορφή λεπτών και μακριών ράβδων (stringers), κατά μήκος των γραμμών έλασης. To κράμα SMO 254 στο μέταλλο βάσης καταδείχτηκε ότι είναι 100% ωστενιτικό. Στην Θερμικά Επηρεασμένη Ζώνη δεν είχαμε αύξηση του μεγέθους των κόκκων σε κανένα δοκίμιο, ούτε την δημιουργία άλλων φάσεων παρά μόνο τοπικά μικρή αύξηση των stringers του φερρίτη στα όρια των κόκκων της ΘΕΖ του κράματος 316L. Στην Ζώνη Τήξης των συγκολλήσεων TIG, κατά την οπτική και ηλεκτρονική μικροσκοπία, παρατηρήθηκαν και στα δύο κράματα 3 διαφορετικές περιοχές. Παρ’ όλα αυτά η περίθλαση ακτίνων Χ κατέδειξε την ύπαρξη μόνο της φάσης του ωστενίτη. Απo την στοιχειακή ανάλυση προκύπτουν διαφορισμοί των στοιχείων σε κάθε περιοχή. Η μικρότερη σε ποσοστό φάση αποτελείται από εγκλείσματα τα οποία ξεχωρίζουν έντονα στις φωτογραφίες. Για τον χάλυβα SMO 254, τα αυξημένα ποσοστά σε Nb και Mo στα εγκλείσματα αυτά, καταδεικνύουν ότι πρόκειται για κατακρημνίσματα κάποιας δευτερεύουσας φάσης πλούσιας σε Nb και Mo (το Nb προκύπτει από το ηλεκτρόδιο Ρ12 που χρησιμοποιήθηκε). Τα κατακρημνίσματα στην Ζώνη Τήξης του 316L δεν περιέχουν καθόλου Mo και έχουν πολύ υψηλό ποσοστό Cr. Το XRD δεν ανίχνευσε την κρυσταλλική δομή των κατακρημνισμάτων λόγω του μικρού ποσοστιαία όγκου τους. Οι άλλες 2 περιοχές, που ξεχωρίζουν στην Ζώνη Τήξης των συγκολλήσεων TIG, είναι περίπου μοιρασμένες ποσοστιαία και υφίστανται μεταξύ τους διαφορισμοί στα κραματικά στοιχεία. Με βάση την περίθλαση ακτίνων Χ, όπου ανιχνεύθηκε μόνο ωστενίτης, συμπεραίνουμε ότι και οι δύο περιοχές αφορούν σε ωστενιτική φάση, η οποία δίνει διαφορετικές απεικονίσεις σε παρατήρηση με οπισθοσκεδαζόμενα ηλεκτρόνια (BES), λόγω των τοπικών μικροδιαφορισμών των κραματικών προσθηκών Cr, Ni και Mo, που οδηγούν σε διαφορετικό μέσο ατομικό αριθμό και παράμετρο πλέγματος, ανά περιοχή. Σε απεικόνιση δευτερογενών ηλεκτρονίων επίσης φαίνονται να έχουν διαφορετική μορφολογία γιατί, λόγω των μικροδιαφορισμών, η επιφάνεια έχει προσβληθεί διαφορετικά. Στην Ζώνη τήξης των συγκολλήσεων ΕΒW παρατηρούνται κατά την οπτική και ηλεκτρονική μικροσκοπία και στα δύο κράματα 2 διαφορετικές περιοχές. Η περίθλαση ακτίνων Χ, στο κράμα 316L, μας δίνει ωστενίτη και φερρίτη. Από τους διαφορισμούς των κραματικών στοιχείων που ευνοούν τον φερρίτη, καταδεικνύεται ότι ο φερρίτης αφορά στο δίκτυο λεπτών γραμμών που παρατηρούμε. Αυτός ο φερρίτης στην διεθνή βιβλιογραφία χαρακτηρίζεται ως lathy[5]. Η περίθλαση ακτίνων Χ στην ζώνη τήξης του κράματος SMO 254 δίνει μόνο μία φάση, αυτή του ωστενίτη, παρόλο που η δεύτερη περιοχή φαίνεται να κατέχει μεγάλο ποσοστό. Οι στοιχειακές αναλύσεις δίνουν στην μία περιοχή χαρακτηριστικά περισσότερο από το βαρύτερο Mo. Έτσι συμπεραίνουμε ότι και οι δύο περιοχές αφορούν σε ωστενίτη και ότι ο τοπικός μικροδιαφορισμός του Mo οδηγεί σε διαφορά του μέσου ατομικού αριθμού μεταξύ των δύο περιοχών, με αποτέλεσμα να διαφοροποιούνται οπτικά στην απεικόνιση οπισθοσκεδαζομένων ηλεκτρονίων στο SEM. Η περιοχή με το περισσότερο (βαρύτερο) Mo φαίνεται πιο φωτεινή. Οι μηχανικές ιδιότητες (όριο διαρροής, όριο θραύσης, ολκιμότητα και μικροσκληρότητα) παρουσίασαν τιμές αντίστοιχες με τις προβλεπόμενες από τον κατασκευαστή για το κάθε κράμα με μικρές αποκλίσεις. Στην ζώνη τήξης παρατηρείται γενικώς μια αύξηση της μικροσκλήρότητας κατά 10 με 30 vickers, δηλαδή 5% με 17%. Εξαίρεση αποτελεί η ζώνη τήξης του κράματος 316L, της TIG συγκόλλησης, όπου παρατηρείται μείωση κατά 12 Vickers (8%) σε σχέση με την μικροσκλληρότητα του μέταλλου βάσης που είναι 150 Vickers. Συνεπώς η συγκόλληση TIG με ηλεκτρόδιο AVESTA P12 για το κράμα SMO 254 και με ηλεκτρόδιο Ρ16 για το κράμα 316L και η συγκόλληση EBW που χρησιμοποιήθηκαν οδηγούν σε μορφολογίες στην Θερμικά Επηρεασμένη Ζώνη και στην Ζώνη τήξης που δεν υποβαθμίζουν σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες των κραμάτων μας, όσον αφορά τον εφελκυσμό και την μικροσκληρότητα.