Long term aging of various duplex stainless steels between 250 °C and 400 °C – relationship between toughness measurements and metallurgical parameters

Étude du vieillissement des nuances duplex entre 250 °C et 400 °C – Évolution de la résilience et de la microstructure

UGITECH, Schmolz-Bickenbach Group, Research Centre, Avenue Paul Girod, 73403 Ugine Cedex, France
e-mail: nicolas.meyer@ugitech.com

Received: 6 September 2011
Accepted: 5 October 2011

Abstract

Embrittlement of duplex stainless steels after aging below 500 °C is a well documented phenomenon, usually attributed to the unmixing of the ferritic Fe-Cr solid solution, either by spinodal decomposition or by nucleation and growth of Cr-rich α′ phase, depending on aging temperature. Additional precipitation taking place during aging, like NiSiMo-rich G phase or Cu-ε, are also known to participate to embrittlement, making the composition dependence of embrittlement kinetics even more intricate. In this study, long term aging treatments, up to 2 years at intermediate temperature (250–400 °C), have been performed for various duplex stainless steels grades containing different alloying contents in Cr, Mo, Si, Ni and N. Impact toughness has been measured after each aging condition, and an apparent activation energy could be deduced for the various grades. This quantity is a good indicator of embrittlement resistance. Fine microstructural characterizations have been performed in the ferrite: composition before aging was determined by EPMA, and precipitation state before and after aging was observed on TEM. The influence of alloying elements on the embrittlement phenomenon is analyzed on the basis of these results and of driving force calculations performed on Thermo-Calc^®.

Résumé

La fragilisation des aciers inoxydables austéno-ferritiques au cours de vieillissements à des températures inférieures à 500 °C a fait l’objet de nombreuses études. On l’attribue habituellement à la démixtion de la ferrite par deux mécanismes : la décomposition spinodale et la germination et croissance de phase α′ riche en chrome. La précipitation d’autres phases comme la phase G ou les nodules de Cu (ε) peuvent aussi contribuer à la fragilisation, rendant l’interprétation microstructurale de cette dernière plus complexe. Nous avons étudié expérimentalement le vieillissement de plusieurs nuances inoxydables austéno-ferritiques. Des maintiens isothermes de durées croissantes, allant jusqu’à 2 ans, à des températures comprises entre 250 et 400 °C ont été réalisés. La diminution de la résilience au cours des vieillissements aux différentes températures permet de déterminer une énergie d’activation apparente des phénomènes en jeu dans la fragilisation. Cette quantité est un bon indicateur de la résistance à la fragilisation aux températures intermédiaires, et sera utilisé pour comparer les nuances entre elles. Nous avons corrélé les énergies d’activation des différentes nuances avec la composition chimique de la ferrite, déterminée à la microsonde. L’influence des éléments d’alliage sur la fragilisation est discutée à la lueur de ces résultats, ainsi qu’à l’aide de calculs de force motrice effectués avec le logiciel Thermo-Calc^®.