Phase stability in Duplex stainless steels

This thesis summarizes the work performed during the research activities developed in the three-years course of scientific training for the attainment of the Doctor of Philosophy degree. The research was mainly focused on the study of the physical metallurgy of Duplex stainless steels, a particular class of stainless steels having a biphasic austeno-ferritic microstructure, with the aim to characterize their microstructural stability as a consequence of heat treatments and cold plastic deformation. The choice of the research topic was dictated by the increasing use of these steels for industrial applications, being able to provide high-strength features and elevated performances against corrosive attacks, making them particularly suitable and competitive in aggressive environments, also as structural materials. However, there are limitations to the use of Duplex steels, owing to the occurrence of microstructural modifications, either during high-temperature exposures or as a result of cold working, which can compromise their interesting features. The thesis is organized into three main parts; the first chapter is focused on properties, problems and applications of Duplex stainless steels, providing a general introduction about these materials and in which particular emphasis was given to those metallurgical variables that affect the production process and the microstructural stability. In Chapter 2 and 3, the research activities concerning the effects of heat treatments (Chapter 2) and cold rolling (Chapter 3) the on the Duplex properties are presented and discussed. It was considered appropriate to report a brief summary of literature at the beginning of the second chapter, aimed to provide the reader with the “state of art” on the effects of thermal cycles on Duplex steels properties, whereas the remaining sections of the chapter are a constitutive part of the research activities. In addition, the experimental part discussed in Chapters 2 and 3 has been integrated with a section devoted to the study of Duplex application at an industrial scale (Appendix A), aimed to the employment of these materials in marine environment. Finally, Appendix B reports the results concerning archaeometallurgical studies, which has contributed to the scientific training of the candidate, even if it was not related to the main research topic. Experiments and training courses were mainly carried out in facilities and laboratories pertaining to the Industrial Engineering Department (DII ) of the University of Padua – and particularly those belonging to the DII “metallurgy group” – under the supervision of Prof. Irene Calliari and Prof . Emilio Ramous. However, certain specific activities have required the involvement of other structures external to the University of Padua; among these, the neutron diffraction measurements were carried out in the INES diffractometer, located at the ISIS facility in the Rutherford Appleton Laboratory (Didcot, UK), in collaboration with Dr. Antonella Scherillo and Dr. Francesco Grazzi (CNR of Florence), while the magnetic measurements were performed in the laboratories of the University of Budapest (BME), in collaboration with Prof. István Mészáros. Moreover, the EBSD analysis on the deformed materials were executed by Dr. Paola Bassani (CNR of Lecco), while the mechanical impact tests were carried out in collaboration with Dr. Cinzia Menapace (University of Trento), in the university laboratories, and with Eng. Marco Pizzo (Unilab Laboratori Industriali srl), in the Exova CTR srl laboratories. The results of the studies pertaining to the research period and reported in this thesis have contributed to enhance the knowledge about Duplex stainless steels, in relation to the effects that microstructural modifications can induce on the materials properties, and were of appropriate scientific relevance to allowing their presentation in international conferences and their publication in scientific journals.

La presente tesi riassume il lavoro eseguito durante l’attività di ricerca svolta nel corso del triennio di formazione scientifica per il conseguimento del titolo di Dottore di Ricerca. L’obiettivo principale è stato lo studio della metallurgia fisica degli acciai inossidabili Duplex, una particolare categoria di acciai inossidabili a struttura bifasica austeno-ferritica, con lo scopo di caratterizzarne la stabilità microstrutturale a seguito di trattamenti termici e deformazione plastica a freddo. La scelta del tema di ricerca è stata dettata dal sempre più crescente utilizzo di questi acciai in ambito industriale, grazie alle loro elevate caratteristiche meccaniche e di resistenza agli attacchi corrosivi che li rendono particolarmente adatti e competitivi per applicazioni in ambienti aggressivi, anche come materiali ad uso strutturale. Tuttavia, esistono delle limitazioni all’impiego degli acciai Duplex, dovute a trasformazioni microstrutturali che possono insorgere durante l’esposizione del materiale a temperature elevate o che possono verificarsi a seguito di deformazioni a freddo, compromettendone le interessanti caratteristiche. La tesi è suddivisa in tre parti principali. Nel primo capitolo è riportata un’introduzione generale sugli acciai Duplex, focalizzata sulle loro proprietà, problematiche e applicazioni, in cui è stata data particolare enfasi alle variabili metallurgiche che ne influenzano il processo produttivo e la stabilità microstrutturale. Nei Capitoli 2 e 3, invece, sono presentate e discusse le attività oggetto di ricerca riguardanti lo studio degli effetti dei trattamenti termici (Capitolo 2) e della laminazione a freddo (Capitolo 3) sulle caratteristiche dei Duplex. Si è ritenuto opportuno esporre all’inizio del secondo capitolo un breve riassunto di lavori presenti in letteratura, con lo scopo di fornire al lettore lo “stato dell’arte” in merito alle conoscenze sugli effetti dei cicli termici sulle proprietà dei Duplex, mentre le restanti sezioni del capitolo sono parte costitutiva dell’attività di ricerca svolta dal candidato. Inoltre, la parte sperimentale discussa nei Capitoli 2 e 3 è stata integrata con una sezione dedicata allo studio dei Duplex in ambito industriale (Appendice A) e riguardante le applicazioni di questi materiali in ambiente marino. Infine, in Appendice B si riportano i risultati ottenuti da uno studio archeometrico di carattere metallurgico, sviluppato nel corso del periodo di Dottorato e che ha contribuito alla formazione scientifica del candidato, seppure il tema in oggetto non sia strettamente correlato all’attività di ricerca principale. Le attività di ricerca, sperimentali e di formazione, sono state principalmente svolte presso i locali e i laboratori del Dipartimento di Ingegneria Industriale (DII) dell’Università degli Studi di Padova, ed in particolare in quelli pertinenti al gruppo di metallurgia del DII, sotto la supervisione della Prof.ssa Irene Calliari e del Prof. Emilio Ramous. Tuttavia, alcune attività hanno richiesto il coinvolgimento di altre strutture esterne all’Università di Padova. Nella fattispecie, le misurazioni di diffrazione di neutroni sono state effettuate nella stazione diffrattometrica INES, situata presso la struttura ISIS nel Rutherford Appleton Laboratory (Didcot, UK) in collaborazione con la Dott.ssa Antonella Scherillo ed il Dott. Francesco Grazzi del CNR di Firenze, mentre le misure magnetiche sono state condotte presso i laboratori dell’Università di Budapest (BME), in collaborazione con il Prof. István Mészáros. Le analisi EBSD sui materiali deformati sono invece state realizzate dalla Dott.ssa Paola Bassani del CNR di Lecco, mentre le prove meccaniche di tenacità ad impatto sono state effettuate in collaborazione con la Dott.ssa Cinzia Menapace dell’Università di Trento, presso i laboratori universitari, e con l’Ing. Marco Pizzo (Unilab Laboratori Industriali srl), presso i laboratori Exova CTR srl. I risultati riportati nella presente tesi hanno contribuito ad ampliare la conoscenza degli effetti delle modificazioni microstrutturali sulle caratteristiche e proprietà degli acciai Duplex e, pertanto, presentano una rilevanza scientifica tale da averne permesso la presentazione in convegni internazionali e la pubblicazione in riviste scientifiche di settore.