In situ EBSD Investigations of the Nucleation and Growth of Intermetallic Phases in a SDSS

Abstract

Super dupleks rustfritt stål (SDSS) blir brukt i brønnar med høg temperatur og høgt trykk i olje- og gassindustrien på grunn av den gode kombinasjonen av høg korrosjonsmotstand og gode mekaniske eigenskapar. Men SDSS er mottakeleg for danninga av sprø intermetalliske fasar som sigma- og chi-fase ved høge temperaturar som gir en betydeleg reduksjon i stålet sine mekaniske eigenskapar. Slike høge temperaturar kan bli forårsaka under varmebehandling og sveising. Chi-fasen blir presipitert på ferritt-ferritkorngrenser og kjem før sigma-fasen. Chi-fasen er en metastabil fase som blir forbrukt når sigma blir presipitert. Sigma-fasen er vanlegvis danna på austenitt-ferrittkorngrenser, men kan også bli danna på ferritt-ferrittkorngrenser.

SDSS-materialet blei undersøkt in situ med Zeiss Ultra 55 FESEM ved hjelp av eit NORDIF UF-1100 EBSD-detektorsystem for å ta opp EBSD-mønstrene, og TSL/OIM for å analysere desse mønstra. Materialet blei varma opp til temperaturar mellom 625°C og 700°C ved å bruke programvare HT Traction og eit varmebord laga av Rémi Chiron, CNRF. For å forbetre mønsterkvalitetsbilete ble averaging brukt når mønstra blei tatt opp. SDSS-materialet med varierande mengder intermetalliske faser blei også strekkprøva med ein 100 kN MTS 810-maskin etter å ha vore behandla ved 300°C i fire veker.

Hovedformålet med dette arbeidet er å undersøke kimdanninga og veksten av sigma- og chi-fasen i SDSS. Dette arbeidet undersøkjar kvar desse fasane kjem, i tillegg til veksten av desse fasane. I tillegg blei effekten av langtidsvarmebehandling på strekkeigenskapane undersøkt.

Super duplex stainless steel (SDSS) is used in wells with high temperature and high pressure in the oil and gas industry due to the good combination of high corrosion resistance and excellent mechanical properties. But SDSS are susceptible to the formation of brittle intermetallic phases like sigma- and chi-phase at high temperatures which gives a significant decrease in the mechanical properties of the steel. Such high temperatures can be caused during hot forming, heat treatments, and welding. The chi-phase precipitates on ferrite/ferrite grain boundaries and occurs before the sigma-phase. It is a metastable phase which is consumed during sigma-phase precipitation. The sigma-phase is typically formed at austenite-ferrite grain boundaries but can also form on ferrite-ferrite grain boundaries.

The SDSS material was investigated in situ with a Zeiss Ultra 55 FESEM using a NORDIF UF-1100 EBSD detector system to acquire the EBSD patterns, and TSL/OIM to analyze these patterns. The material was heated to temperatures between 625°C and 700°C using the software HT Traction and a heating stage created by Rémi Chiron, CNRF. To improve the pattern quality image averaging was applied during pattern acquisition. The SDSS material with varying amounts of intermetallic phases was also tensile tested with a 100 kN MTS 810 machine after being heat treated at 300°C for four weeks.

The main objective of this work is to investigate the nucleation and formation of sigma- and chi-phase in the SDSS. This work investigates where these phases nucleate as well as the rate of the propagation. In addition to this, the effect of long term heat treatment on the tensile properties of the material was investigated.