Microstructural evolution after cellular precipitation in a high nitrogen austenitic steel

Austenitic stainless steels (ASS) have excellent corrosion resistance and good formability. The traditional ASS have constrains connected to the increasing price of Nichel, low yield strength, as well as irritability to human organs. High nitrogen austenitic stainless (HNAS) steels provide improved mechanical properties and corrosion resistance compared to the large part of conventional austenitic grades. Nitrogen in solid solution, in fact, is a beneficial alloying element to increase strength level, it is also a strong austenite-stabilizing element and improves the resistance to localized corrosion. As a result, the high nitrogen steels have found broader applications in engineering particularly where advantage is taken of their excellent combination of high strength and corrosion resistance. The property deterioration in the aging temperature range (550 to 1050°C) of the HNS steels, however, is a serious aspect that could limit using of these steels as heat-resistant materials. This thesis had the purpose to investigate the microstructural changes of as-prepared and heat treated HNS austenitic steel (0.8 wt%), in order to characterize its thermal evolution. After each step of heating (at 800°C and 850 °C) the material has been examined by X-ray diffraction (XRD), optical microscopy (OM), transmission electron microscopy (TEM), Auger electron spectroscopy (AES) and microhardness tests. It was observed that the discontinuous precipitation leads to an unequal redistribution of N between transformed and untransformed zones and it induces to a local variation of mechanical properties. To investigate better the phenomenon of the nitride precipitation IF (Internal Friction) measurements and XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) spatially resolved analysis were carried out.

Gli acciai inossidabili austenitici presentano notevoli proprietà di resistenza alla corrosione e buona formabilità. Gli acciai inox tradizionali, però, presentano dei limiti: economici collegati al crescente costo del Nichel, meccanici per il basso carico di snervamento e di biocompatibilità a causa delle allergie legate alla presenza di Ni. Gli acciai ad alto azoto (HNS) sono caratterizzati da proprietà corrosionistiche e meccaniche superiori a quelle di numerosi acciai commerciali. L’azoto presente in soluzione solida interstiziale produce un incremento delle proprietà meccaniche, stabilizza la fase gamma (sostituendo il Nichel) e incrementa la resistenza al pitting. Grazie a queste proprietà tali acciai possono avere applicazione in diversi settori quali: petrolchimico, generazione di energia, produzione della carta e nel campo biomedico. La precipitazione di nitruri di cromo nell’intervallo di temperatura 550°C - 1050 °C, però, può limitare l’utilizzo di tali acciai nelle applicazioni ad alta temperatura. Scopo della tesi è stato quello di analizzare l’ evoluzione microstrutturale di un acciaio austenitico ad alto tenore di azoto (0.8%) dopo trattamenti termici a due diverse temperature (800 e 850 °C) per tempi crescenti attraverso misure di microdurezza, di diffrazione dei raggi X ed osservazioni di microscopia ottica (MO), elettronica in scansione (SEM) e in trasmissione (TEM). La sperimentazione ha permesso di descrivere la progressiva precipitazione dei nitruri di cromo che è accompagnata da variazioni locali di proprietà meccaniche e da una ridistribuzione asimmetrica del contenuto di azoto nella zona trasformata e non trasformata. Per completare l’indagine e verificare la migrazione a lungo raggio dell’azoto sono state effettuate prove XPS (Spettroscopia di fotoemissione di raggi X) di precisione e di FI (Frizione Interna).