ESTUDIO FRACTOGRÁFICO DE LOS ACEROS INOXIDABLES DÚPLEX UNS S32205 y UNS S32750 CON DISTINTOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS

M. V. Biezma1, C. Berlanga2, J. Larrea2

1 Escuela Técnica Superior de Náutica, Universidad de Cantabria, Dpto. de Ciencia e Ingeniería del Terreno y

de los Materiales. C/ Germán Gamazo, 1, 39004, Santander, España. E-mail: biezmav@unican.es

2Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y Telecomunicaciones. Universidad Pública de Navarra. Dpto. de Ingeniería Mecánica, Energética y de Materiales. C/ Arrosadía s/n, 31006, Pamplona, España.

E-mail: carlos.berlanga@unavarra.es

RESUMEN

Los aceros inoxidables dúplex tienen tendencia a formar fase sigma, altamente fragilizante, que degrada sus propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión, en el rango de temperaturas comprendido entre los 600 y 950oC, que se alcanzan tanto en procesos conformado como en soldadura. En este trabajo se han tratado térmicamente probetas de dos chapas de acero dúplex de distinta composición química, UNS S32205 y UNS S32750 a 850oC durante 5, 15, 45 y 135 minutos con el objetivo de provocar la precipitación de diferentes fracciones de fase sigma. El objetivo de este trabajo ha consistido en el estudio sistemático y comparativo de los tipos de rotura atendiendo al porcentaje de fase sigma presente en cada acero, concluyendo que los tipos de rotura predominantes son mixtos, transgranulares e intergranulares, y notablemente dependientes del contenido de fase sigma.

ABSTRACT

Duplex stainless steels are susceptible to the formation of sigma phase at high temperature in the range from 600 to 950oC, associated to cooling during welding or forming processes. At this work, thermal treatments at 850o C during 5, 15, 45 and 135 minutes have been applied to two plates of duplex stainless steels, UNS S32205 y UNS S32750, with the aim to induce the precipitation of different percentages of sigma phase. The main objective if this work has been to study the fracture types of duplex stainless steels in a comparative way attending to the amount of sigma phase into microstructure. The main conclusion is that the fractures are as transgranular as well intergranular. This fact is highly depending to the amount of sigma phase.

PALABRAS CLAVE: Aceros inoxidables dúplex, Fase sigma, Fractografía.

1. INTRODUCCIÓN

Los aceros inoxidables dúplex, de microestructura ferrito-austenítica, son materiales que se han introducido rápidamente en las últimas décadas en diversos sectores industriales, en donde se exige una combinación óptima de propiedades químicas y mecánicas, y han sustituido en numerosas aplicaciones a los aceros inoxidables austeníticos, aunque su precio sea notablemente superior. Existen muchos tipos de aceros inoxidables dúplex: dúplex, superdúplex, hiperperdúplex y lean dúplex. Sus propiedades se obtienen por la elevada proporción de elementos aleantes que tienen en su composición química, tales como el Cr, Ni, Mo y N entre otros. Cuando los distintos tipos de aceros inoxidables dúplex experimentan determinados ciclos térmicos, precipitan en su microestructura fases

secundarias con efecto relevante en sus propiedades [1-5]. Una de las fases que más altera las propiedades de los aceros inoxidables dúplex es la fase sigma, que nuclea en las zonas de límite de grano ferrita-austenita y crece hacia el interior de la fase ferrita, captando los elementos alfágenos del acero, Cr y Mo. Aunque el rango de temperaturas de precipitación de la fase sigma está comprendido entre los 600 y 1000ºC, la zona de temperaturas en donde la velocidad de precipitación es muy rápida, está comprendida entre los 850 y 900ºC. Dichos ciclos térmicos se pueden producir en alguna de las etapas de conformado de los aceros, por ejemplo, en laminación de tubo sin soldadura, o en la soldadura [6,7]. Los efectos más notables de la presencia de la fase sigma en los aceros inoxidables dúplex se traduce en una disminución en la resistencia a la corrosión localizada, en particular por picadura, [8-10] elevada

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sensibilidad a procesos de corrosión bajo tensión [11,12], y en pérdida de ductilidad [13,14], que pueden ocasionar roturas catastróficas en servicio Hay pocos estudios que hayan dedicado atención a los distintos tipos de rotura en función de los porcentajes de fase sigma que aparece en estos aceros [16], hecho que también es de gran importancia, pues servirá para asentar el conocimiento en los efectos tan nocivos que presenta la aparición de la presencia de fase sigma en cualquier componente o elemento que esté trabajando en situaciones con elevadas solicitaciones mecánicas, y en presencia de medios agresivos, como pueden ser cloruros, o los inherentes a la actividad petroquímica, bacterias sulfatorreductoras. El objetivo de este trabajo ha consistido en la búsqueda de una relación entre la microestructura y los tipos de rotura en dos tipos de aceros inoxidables dúplex, UNS S32205 y superdúplex, UNS S32750, con contenidos variables de fase sigma, tras la aplicación de distintos tratamientos isotérmicos. Para ello se han necesitado estudios tanto microestructurales como fractográficos de de los aceros. 2. METODOLOGÍA Se han estudiado dos aceros inoxidable; el dúplex UNS S32250 y el superdúplex, UNS S32507, suministrados en forma de chapas de 4mm de espesor por la empresa Outokumpu, que facilitó sus composiciones químicas, presentadas en la Tabla 1. Tabla 1. Composición química de los aceros UNS S32205.

C Si Mn P S Cr Ni Mo N2250 0,015 0,40 1,49 0,02 0,001 22,56 5,63 3,18 0,17

2507 0,013 0,37 0,78 0,02 0,001 24,95 6,91 3,81 0,28 Los aceros experimentaron distintos tratamientos térmicos a una temperatura máxima de 850oC durante 5, 15, 45 y 135 minutos, y temple posterior en agua, con el objetivo de provocar la precipitación de diferentes fracciones de fase sigma en la microestructura ferrito-austenítica. La fracción de fase sigma precipitada ha sido cuantificada por análisis cuantitativo de imagen, en probetas tratadas y atacadas electrolíticamente a 3 V con NaOH al 20% durante 2 segundos. El análisis cuantitativo ha sido realizado por microscopía óptica con una ampliación de 100x y utilizando 50 campos por cada tratamiento. Los mismos tratamientos se realizaron en probetas de dimensiones 55mmx10mmx2,5mm con entalla en V para los ensayo Charpy a temperatura ambiente. Todos los ensayos se realizaron por duplicado. Las observaciones fractográficas han permitido evaluar la relación existente entre la microestructura, traducida en la presencia de la fase sigma en distintos porcentajes, y los tipos de rotura de los aceros inoxidables dúplex

estudiados. Cabe destacar de las probetas fragilizadas con fase sigma se han comparado con probetas en su estado de recepción, sin fase sigma en su microestructura. 3. RESULTADOS A modo de ejemplo se presenta en la Figura 1 la microestructura del acero 2205 con el ciclo térmico 850 oC-15 minutos, y temple posterior en agua, en donde se resalta el contraste con distinta coloración de las fases presentes: austenita, ferrita y sigma. En la Tabla 2 se presentan los porcentajes de fase sigma y los ciclos térmicos experimentados para los dos aceros estudiados. Se puede apreciar que, la cantidad de fase sigma precipitada en los aceros, es muy sensible al tiempo de permanencia a la temperatura máxima seleccionada para el tratamiento térmico en el presente trabajo, esto es, 850 o C. El efecto más acusado se produce en el tránsito de permanencia de 5 a 15 minutos. Por otro lado, para 45 minutos los datos se dispersan notablemente del acero dúplex al superdúplex, siendo los porcentajes de fase sigma presentes de 18.9 % y 28.6% respectivamente.

Figura 1. Micrografía acero dúplex 2205 tratado isotérmicamente a 850 oC durante 15 minutos con temple posterior en agua, A, austenita, F, ferrita, ,sigma.

En la Figura 2 se presentan los resultados obtenidos en el ensayo de impacto con péndulo Charpy. También se puede apreciar cómo influye la presencia de fase sigma precipitada en la microestructura ferrito-austenítica en los valores de resiliencia, pues un aumento del porcentaje de fase sigma disminuye los valores de la resiliencia siguiendo leyes exponenciales negativas, es decir, fragiliza notablemente ambos aceros. Ambos aceros en estado de recepción han experimentado rotura transgranular por coalescencia de microhuecos. En la Figura 3 se presenta la fractografía del acero inoxidable superdúplex 2507 detallando este tipo de rotura. Los huecos no tienen un tamaño

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equiaxial; este tipo de rotura se ha observado para otros aceros sometidos a diversos ciclos térmicos [16]. Tabla 2. Porcentaje de fase sigma en la microestructura de los aceros dúplex 2205 y 2507 atendiendo al tiempo de permanencia a la temperatura de 850 ºC.

t ( minutos) Acero UNS S2205 Acero UNS 2507

5 1.9 3.1

15 14.5 13.5

45 18.9 28.6

135 31.1 37

y = 200.35e-0.092x

R² = 0.9097

y = 77.966e-0.08x

R² = 0.5960.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0

Kv

(J/c

m2)

fase sigma (%)

2205

2507

Figura 2. Relación entre la resiliencia y el % de fase sigma en los dos aceros estudiados.

Figura 3. Fractografía del acero superdúplex 2507 en estado de recepción.

En la Figuras 4 a) y 4 b) se presentan las fractografías de los aceros dúplex 2205 y superdúplex 2507 para 5 minutos de tratamiento a 850 o C, y posterior temple en agua, con 1.9% y 3.1 % de fase sigma precipitada respectivamente. Los tipos de rotura son distintos; en el primer caso es 100% transgranular por coalescencia de microhuecos, hecho que también está justificado por ese valor tan elevado de resiliencia, 183.2 J/cm2; se aprecia una heterogeneidad notable en el tamaño de los huecos. En el acero inoxidable superdúplex, el tipo de rotura es transgranular por cuasiclivaje apareciendo pequeños

porcentajes de intergranularidad, lo que indica una mayor fragilización del material.

Figura 4. Fractografías aceros inoxidables dúplex con el tratamiento térmico 850 oC- 15 minutos y temple en agua. a) dúplex, b) superdúplex.

En la Figura 5 a) se presenta las fractografía del acero dúplex 2205 con el ciclo térmico 850oC-15 minutos y temple posterior en agua, apreciándose un tipo de rotura transgranular, en este caso mixta, tanto por coalescencia de microhuecos como por cuasiclivaje. Los huecos van perdiendo su identidad y se van alargando notablemente en algunas zonas de la superficie. En la Figura 5 b) se presenta la fractografías de la misma serie de tratamiento térmico para el acero superdúplex. La rotura de nuevo es 100% transgranular por cuasiclivaje, aunque hay zonas con pequeños porcentajes de rotura intergranular. En la Figura 5c) se observa un detalle de las facetas del clivaje.

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Figura 5. Fractografías aceros inoxidables dúplex con el tratamiento térmico 850 oC - 15 minutos y temple en agua. a) dúplex 2205, b) y c) superdúplex 2507. En la Figura 6 a) y Figura 6 b) se presentan la fractografías para la serie de tratamiento a 850o C - 45 minutos con temple posterior en agua para los aceros dúplex 2205. Se aprecia una gran diferencia respecto a la serie de 15 minutos ya que, a pesar de quedar pequeños restos de rotura por coalescencia de microhuecos, aparece rotura intergranular, frágil, a lo largo del límite de grano en las zonas próximas al desgarre, llamativo en esta serie. Para la serie de los aceros inoxidables superdúplex el tipo de rotura es

mixto, tanto transgranular por cuasiclivaje como intergranular, tal y cómo se aprecia en la Figura 6 c).

Figura 6. Fractografías aceros inoxidables dúplex con el tratamiento térmico 850 oC- 45 minutos y temple en agua. a) y b) dúplex 205, c) superdúplex 2507. En la Figura 7 a) y Figura 7 b) se presentan los detalles fractográficos para la serie de 850oC-135 minutos y temple en agua, para los aceros dúplex y superdúplex respectivamente, con 31.1% y 37 % de fase sigma en su microestructura. En ambos aceros la rotura es mixta tanto transgranular, por cuasiclivaje, como intergranular, siendo predominante ésta.

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Figura 7. Fractografías aceros inoxidables dúplex contratamiento térmico 850 oC- 135 minutos y temple en agua. a) dúplex 2205, b) superdúplex 2507. 4. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN

Los tipos de rotura que experimentan ambos aceros dúplex objeto de estudio, son fuertemente dependientes del contenido en fase sigma, tal y como se ha puesto de manifiesto en las fractografías presentadas. Se puede afirmar que, el tránsito más significativo en los tipos de rotura, y su dependencia con el porcentaje de fase sigma precipitada en la microestructura, es distinto en ambos aceros. Para el acero dúplex 2205, el aumento de 15 a 45 minutos de permanencia a la temperatura de 850 o C, produce, aunque produce un aumento del 30.3% de fase sigma en su microestructura, notablemente inferior al aumento que experimenta en el tránsito de 5 a 15 minutos de tratamiento, conlleva una disminución en el valor de la resiliencia del 74%, e induce en el material un cambio en el tipo de rotura, ya que desaparece casi por completo la rotura dúctil por coalescencia de microhuecos, pasando a una totalmente frágil. Para el acero superdúplex 2507, no se puede hablar de un tránsito propiamente dicho, ya que para todos los porcentajes de fase sigma presentes en la microestructura aparece rotura mixta frágil, tanto transgranular por cuasiclivaje como intergranular. Para

el tiempo de permanencia máximo estudiado, esto es, 135 minutos, el tipo de rotura predominante es el intergranular en ambos aceros. Es llamativo que la fase sigma precipita rápidamente a 850oC, pudiendo ya detectarse tras 5 minutos de tratamiento a esa temperatura en los aceros inoxidables estudiados, y se deja notar su efecto fragilizante de forma especial en el acero inoxidable superdúplex, pues en todos los tratamientos presenta roturas frágiles. Los valores de resiliencia apoyan los tipos de rotura, particularmente para los aceros dúplex, siendo más compleja la sustentación para el acero superdúplex, puesto que el valor de 162.7 J/cm2 para 5 minutos de tratamiento, casi del mismo orden de magnitud que el apreciado para el acero dúplex, 183.2 J/cm2, no justifica la ausencia de rotura transgranular por coalescencia de microhuecos para 5 minutos de tratamiento. En este acero la caída brusca de resiliencia se da entre los 5 minutos, con 3.1% fase sigma y resiliencia de 162.7 J/cm2, y 15 minutos con 13.5 % fase sigma y resiliencia de 12.0 J/cm2. Así, los tipos de rotura en estos aceros son altamente susceptibles a la cantidad de fase sigma presente en su microestructura, y dependen fuertemente de la composición química de los aceros estudiados. 5. CONCLUSIONES

1.- La fase sigma precipita rápidamente a 850oC, pudiendo ya detectarse tras 5 minutos de tratamiento a esa temperatura en los aceros inoxidables dúplex estudiados. 2.- El aumento de fase sigma precipitada en la microestructura de los aceros inoxidables dúplex provoca cambios en los tipos de rotura. En el acero inoxidable dúplex 2205 se produce un tránsito de rotura 100% transgranular por coalescencia de microhuecos, a 100% rotura mixta, frágil tanto por cuasiclivaje como intergranular. En el acero 2507 las roturas son, en todos los casos, mixtas, frágiles, predominando para todos los tiempos de tratamiento, la rotura transgranular por semiclivaje, a excepción de 135 minutos de tratamiento, en donde la rotura predominante es intergranular. 3.- La disminución de la resistencia al impacto, provocada por la precipitación de la fase sigma, es muy significativa y distinta en los dos aceros estudiados: se observa notablemente a los 45 minutos de tratamiento en el acero dúplex 2205 y a los 15 minutos para el acero superdúplex 2507. 4.- Con estos resultados se hace hincapié en la necesidad de estudiar el comportamiento para otros tratamientos térmicos, ya que en los numerosos trabajos revisados no existe un consenso que analice el efecto de la microestructura de los aceros dúplex con fase sigma precipitada en los tipos de rotura y en la resistencia al impacto.

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AGRADECIMIENTOS A la empresa Outokumpu por proporcionarnos los aceros. Al Prof. Suárez y a su Grupo de Investigación de la Universidad Politécnica de Madrid, por haber puesto a nuestra disposición el equipo de Microscopía Electrónica de Barrido.

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