Sigma Phase Embrittlement

 

Sigma Phase Embrittlement

4.2.6 Sigma Phase Embrittlement

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4.2.6.1 Description of Damage (नुकसान का विवरण)

Sigma phase embrittlement तब होता है जब stainless steels में एक brittle metallurgical phase जिसे sigma phase कहा जाता है, form हो जाता है।

यह formation high temperature exposure के कारण होता है और इससे material की fracture toughness (toughness) कम हो जाती है।

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4.2.6.2 Affected Materials (प्रभावित सामग्री)

a) 300 Series stainless steels:

• wrought metals
• weld metal
• castings

Cast 300 Series SS (HK, HP alloys) ज्यादा susceptible होते हैं क्योंकि इनमें 10%–40% ferrite होता है।

b) 400 Series stainless steels और अन्य ferritic/martensitic SS (≥17% Cr), जैसे:

• Type 430
• Type 440

c) Duplex stainless steels भी affected होते हैं।

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4.2.6.3 Critical Factors (महत्वपूर्ण कारक)

a) Alloy composition, time और temperature मुख्य factors हैं।

b) सबसे important factor: time of exposure at high temperature

c) Sigma phase formation temperature range:

• 1000°F to 1700°F (538°C to 927°C)

d) Embrittlement तब भी हो सकता है जब material इस range में hold किया जाए या cooling के दौरान इस range से गुजरे।

e) Sigma phase सबसे तेजी से ferrite phase से form होती है (especially weld metal और duplex SS में)।

f) 300 Series SS में लगभग 10%–15% sigma phase develop हो सकता है।

g) Cast austenitic stainless steels में sigma content और भी ज्यादा हो सकता है।

h) Sigma formation कुछ hours में भी हो सकती है (e.g., PWHT at 1275°F / 690°C)।

i) Mechanical properties:

• Strength थोड़ा बढ़ती है
• Ductility कम हो जाती है
• Hardness थोड़ा बढ़ता है

j) Operating temperature पर material normal stress सह सकता है, लेकिन cooling पर (≈500°F / 260°C से नीचे) brittle behavior आ सकता है।

k) Sigma phase एक hard brittle intermetallic compound है और यह intergranular corrosion को भी बढ़ा सकता है।

l) Chromium और molybdenum content बढ़ने से sigma formation rate बढ़ता है।

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4.2.6.4 Affected Units or Equipment

a) FCC regenerator service में:

• cyclones
• piping
• ductwork
• valves

b) 300 Series SS weld overlays और tube-to-tubesheet welds PWHT के दौरान embrittle हो सकते हैं।

c) stainless steel heater tubes भी susceptible होते हैं।

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4.2.6.5 Appearance or Morphology (दिखावट)

a) यह metallurgical change visually दिखाई नहीं देता।

• confirmation केवल metallography + impact testing से होता है।

b) Damage आमतौर पर cracking के रूप में दिखता है:

• welds में
• high restraint areas में

c) Example (FCC internals):

• 10% sigma phase होने पर भी toughness कुछ conditions में acceptable रह सकती है
• लेकिन low temperature पर ductility पूरी तरह loss हो सकती है

d) Cast stainless steels में sigma ज्यादा होने के कारण:

• high temperature ductility बहुत poor हो सकती है

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4.2.6.6 Prevention / Mitigation (रोकथाम)

a) Best method:

• sigma-resistant alloys use करना
• embrittling temperature range avoid करना

b) De-sigmatization:

• solution annealing at 1950°F (1066°C)
• 4 hours hold
• followed by water quench
  (लेकिन industrial equipment के लिए practical नहीं है)

c) Weld design control:

• ferrite content control
• 5%–9% (Type 347)
• slightly lower for Type 304

Purpose:

• sigma formation reduce करना
• hot cracking avoid करना

d) Cr-Mo weld overlay components में:

• PWHT exposure time minimize करना चाहिए

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4.2.6.7 Inspection and Monitoring (निरीक्षण)

a) Most reliable method:

• sample removal + impact testing + metallography

b) Failures आमतौर पर:

• turnaround के दौरान cracks
• startup/shutdown में low temperature पर brittle fracture

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4.2.6.8 Related Mechanisms

• Not applicable

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Key Exam Points (Quick Revision)

• Phase formed: Sigma phase (intermetallic brittle phase)
• Temperature range: 1000°F–1700°F (538°C–927°C)
• Affected materials: 300 series SS, ferritic SS, duplex SS, cast SS
• Effect: toughness ↓, ductility ↓, intergranular corrosion ↑
• Critical factor: time at temperature
• Detection: impact test + metallography
• Prevention: low ferrite control + alloy selection + avoid exposure