Study of Cr segregation in martensitic stainless steels by XPS analysis

Cr martensitic stainless steels have excellent mechanical properties and good corrosion resistance. Due these reasons, they are possible candidates for structural applications in the future nuclear fusion reactors. The environmental in working conditions includes irradiation and/or heat treatments, which could cause the embrittlement of the steel due to Cr segregation. In the present work the chemical composition of the fracture surfaces of a 10.5 wt.% Cr martensitic stainless steel, previously broken in brittle or ductile field during the Charpy test, have been studied through X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The Cr segregation has been observed in both ductile and brittle quasi-cleavage fractures, so the aim of this study is to determine how this segregation depends on fracture temperature and to reveal the role that Cr plays in the embrittlement of the steel.

L'acciaio martensitico (10.5 Cr%), oggetto di questo studio è un materiale candidato per costituire componenti strutturali di futuri reattori a fusione nucleare. Sono stati preparati diversi gruppi di provini per prove di resilienza Charpy: tutti sono stati tenuti per 30 minuti a 1075 °C (campo austenitico), temprati con una velocità di raffreddamento di 60 °C/s ed infine, i vari gruppi sono stati trattati a 700 °C per tempi crescenti fino a 18 ore. Una volta eseguiti i test di rottura sui vari gruppi a temperature nell'intervallo da -100 °C a + 200 °C, la morfologia delle superfici di frattura è stata analizzata tramite microscopia elettronica a scansione (SEM). La composizione chimica delle superfici è stata studiata mediante misure XPS (X-ray photoelectron spectroscopy). Tali misure hanno registrato un eccesso di Cr sulle superfici di frattura sia in campo duttile che fragile, rispetto ai valori nominali di tale elemento nella composizione dell'acciaio, andando così ad evidenziare il ruolo cruciale del Cr nei processi di frattura di questi materiali.