Ghid pentru oțel inoxidabil austenitic de înaltă performanță -- Prezentare generală metalurgică
Feb 02, 2023
1. Tipuri de oțel inoxidabil
Oțelul inoxidabil este un aliaj pe bază de fier cu un conținut de crom de nu mai puțin de 10,5 la sută. Este utilizat pe scară largă datorită rezistenței sale bune la coroziune și performanței la temperaturi ridicate. Când conținutul de crom ajunge la 10,5%, pe suprafața oțelului se va forma un strat de oxid bogat în crom, care se numește strat de pasivare sau film de pasivare. Această folie protejează oțelul inoxidabil de rugină ca oțelul obișnuit. Există multe tipuri de oțel inoxidabil, dar toate oțelul inoxidabil ar trebui să îndeplinească cerințele minime de conținut de crom.
Oțelul inoxidabil este împărțit în cinci categorii: oțel inoxidabil austenitic, oțel inoxidabil feritic, oțel inoxidabil duplex (cu structură mixtă de ferită și austenită), oțel inoxidabil martensitic și oțel inoxidabil întărit prin precipitare. Clasificarea acestor categorii este legată de structura cristalină (dispunerea atomică) și tratamentul termic al oțelului inoxidabil. Un grup de cristale cu aceeași structură cristalină într-un metal se numește fază. Există trei faze principale în oțelul inoxidabil: austenită, ferită și martensită. Tipul și cantitatea structurii metalografice a oțelului inoxidabil pot fi determinate prin procesul standard de inspecție metalografică și microscopul metalografic optic.
Caracteristica oțelului inoxidabil austenitic este că structura metalografică este în principal austenitică. Structura cristalină a fazei austenitei este o structură cubică centrată pe față (fcc), adică există un atom la fiecare colț și centru al fiecărei fețe a cubului. În schimb, structura cristalină a fazei de ferită este o structură cubică centrată pe corp (bcc), cu câte un atom la fiecare colț și centru al cubului. Structura cristalină a fazei martensitei este o structură tetragonală centrată pe corp de mare tensiune.
Structura cristalină a fazei austenite este rețeaua cubică centrată pe față (fcc), faza ferită este rețea cubică centrată pe corp (bcc), iar faza martensită este rețea tetragonală (bct) centrată pe corp.
1.1 Oțel inoxidabil austenitic:
Oțelul inoxidabil austenitic nu are magnetism, limită de curgere medie, viteză mare de întărire, rezistență ridicată la tracțiune, plasticitate bună și rezistență excelentă la temperatură scăzută. Spre deosebire de alte oțeluri inoxidabile, duritatea oțelurilor inoxidabile austenitice scade lent odată cu scăderea temperaturii. Oțelul inoxidabil austenitic nu are o temperatură definită de tranziție ductil-casabil (DBTT), deci este un material ideal pentru aplicații la temperaturi scăzute.
Diagrama temperaturii de tranziție ductil-feritic (DBTT) a oțelului inoxidabil austenitic, feritic și duplex (austenitic-feritic). DBTT real depinde de grosimea secțiunii, compoziția chimică și dimensiunea granulelor. DBTT al oțelului inoxidabil feritic este în general de 20 până la - 30 grade C (70 până la - 22 grade F).
Oțelul inoxidabil austenitic are o sudabilitate bună și poate fi realizat în diferite forme complexe. Această serie de oțeluri inoxidabile nu poate fi întărită sau întărită prin tratament termic, dar poate fi întărită prin formare la rece sau călire prin lucru (vezi ASTM A666). Oțelul inoxidabil austenitic, în special oțelul inoxidabil austenitic standard, are un dezavantaj potențial, adică, în comparație cu oțelul inoxidabil feritic și oțelul inoxidabil duplex, este predispus la fisurarea coroziunii prin stres cu clor.
Seria 300 sau oțelul inoxidabil austenitic standard conține în general 8% ~11% nichel și 16% ~20% crom. Structura metalografică a oțelului inoxidabil austenitic standard este compusă în principal din granule austenitice și conține o cantitate mică (în general 1~5 procente) de fază δ ferită (Fig. 3). Datorită prezenței fazei de ferită, aceste oțeluri inoxidabile austenitice au puțin magnetism.
Structura metalografică tipică a oțelului inoxidabil forjat 304L este compusă din granule austenitice și ferită în bandă individuală © TMR Stainless.
În comparație cu oțelul inoxidabil din seria 300, oțelul inoxidabil austenitic din seria 200 are un conținut mai mic de Ni, dar un conținut mai mare de Mn și N. Rezistența și coeficientul de întărire a oțelului inoxidabil din seria 200 sunt mai mari decât ale oțelului inoxidabil din seria 300. Datorită conținutului scăzut de nichel, oțelul inoxidabil din seria 200 este uneori folosit ca înlocuitor ieftin pentru oțelul inoxidabil din seria 300.
Microstructura oțelului inoxidabil austenitic de înaltă performanță este toată fază austenitică fără feromagnetism (Fig. 4). În comparație cu oțelul inoxidabil austenitic standard, oțelul inoxidabil austenitic de înaltă performanță conține mai multe elemente de nichel, crom și molibden și, în general, conține azot. Aceste oțeluri inoxidabile au o rezistență puternică la coroziune în medii corozive, cum ar fi acidul puternic, mediile alcaline puternice și mediile cu conținut ridicat de clorură, inclusiv apa salmatră, apa de mare și apa sărată. În comparație cu oțelul inoxidabil austenitic standard, oțelul inoxidabil austenitic de înaltă performanță are un grad de rezistență mai mare și o rezistență mai bună la fisurarea coroziunii prin stres.
Structură metalografică din oțel inoxidabil austenitic de înaltă performanță 6% Mo, toate compuse din granule austenitice © TMR Stainless.
1.2 Oțel inoxidabil feritic:
Microstructura oțelului inoxidabil feritic este fază de ferită. Oțelul inoxidabil feritic are un conținut scăzut sau deloc de nichel și este feromagnetic. Nu poate fi întărit prin tratament termic. Proprietățile feromagnetice ale acestui tip de oțel inoxidabil sunt similare cu cele ale oțelului carbon. Oțelul inoxidabil feritic are o rezistență bună și rezistența la fisurarea coroziunii prin stres cu clorură este mult mai bună decât oțelul inoxidabil austenitic standard din seria 300. Cu toate acestea, formabilitatea și sudarea lor sunt slabe. Duritatea lor nu este la fel de bună ca oțelul inoxidabil austenitic și va scădea odată cu creșterea grosimii secțiunii. Odată cu scăderea temperaturii, oțelul inoxidabil feritic va prezenta o tranziție evidentă ductil-casabil. Limitată de acești factori, utilizarea oțelului inoxidabil feritic este de obicei limitată la produse cu grosimea peretelui mai subțire, cum ar fi plăci subțiri, benzi și tuburi cu pereți subțiri.
1.3 Oțel inoxidabil duplex:
Oțelul inoxidabil duplex este compus din fază de ferită și fază de austenită, fiecare reprezentând aproximativ jumătate. Oțelul inoxidabil duplex are multe caracteristici ale oțelului inoxidabil austenitic și feritic. Deși tratamentul termic nu poate întări astfel de oțeluri, limita lor de curgere este de obicei de două ori mai mare decât cea a oțelului inoxidabil austenitic standard, iar atracția lor magnetică este proporțională cu fracția de volum a fazei de ferită. Proprietatea duplex a structurii metalografice a oțelului inoxidabil duplex face ca rezistența acestuia la fisurarea prin coroziune sub tensiune să fie mai bună decât cea a oțelului inoxidabil austenitic standard.
1.4 Oțel inoxidabil martensitic:
Microstructura oțelului inoxidabil martensitic este în principal martensită, care poate conține o cantitate mică de faze secundare, cum ar fi ferită, austenită și carbură. Oțelul inoxidabil martensitic este feromagnetic și similar cu oțelul carbon. Duritatea finală depinde de tratamentul termic specific. Oțelul inoxidabil martensitic are rezistență ridicată, rezistență bună la uzură, duritate slabă și temperatură ridicată de tranziție ductil-casabil. Sunt greu de sudat și, în general, necesită tratament termic post-sudare. Prin urmare, oțelul inoxidabil martensitic este în general limitat la aplicații fără sudură. Conținutul de crom al oțelului inoxidabil martensitic nu este prea mare. Unele elemente de crom precipită sub formă de carburi, rezultând o rezistență scăzută la coroziune, în general mai mică decât oțelul inoxidabil austenitic standard 304/304L. Datorită durității reduse și rezistenței la coroziune, oțelul inoxidabil martensitic este utilizat în general pentru aplicații care necesită rezistență și duritate ridicate, cum ar fi unelte, elemente de fixare și arbori.
1.5 Oțel inoxidabil întărit prin precipitații:
Oțelul inoxidabil cu întărire prin precipitare (PH) poate fi, de asemenea, consolidat prin tratament termic. Caracteristica de bază a acestui tip de oțel inoxidabil este că întărirea sa parțială se realizează prin mecanism de precipitare. Precipitatele fine intermetalice sunt produse prin tratament termic de întărire prin îmbătrânire pentru a îmbunătăți rezistența. Datorită conținutului ridicat de crom, oțelul inoxidabil cu întărire prin precipitare are o rezistență la coroziune mai bună decât oțelul inoxidabil martensitic și este potrivit pentru aplicații de înaltă rezistență care necesită o rezistență bună la coroziune. Oțelul inoxidabil de întărire prin precipitații este utilizat în principal pentru arcuri, elemente de fixare, piese de avioane, arbori, angrenaje, burduf și piese de motoare cu reacție.
2. Compoziția fazelor:
Elementele de aliere afectează relația de echilibru de fază și au o influență puternică asupra stabilității fazelor de austenită, ferită și martensite. Elementele adăugate la oțel inoxidabil pot fi împărțite în elemente de formare a fazei de ferită sau elemente de formare a fazei de austenită. Echilibrul de fază depinde de compoziția chimică, temperatura de recoacere și viteza de răcire a oțelului. Rezistența la coroziune, rezistența, tenacitatea, sudarea și formabilitatea sunt toate afectate de echilibrul de fază.
Elementele formatoare de ferită contribuie la formarea fazei de ferită, în timp ce elementele formatoare de austenită promovează formarea fazei de austenită. Tabelul 3 enumeră elementele comune de formare a fazei de ferită și austenită. Calitatea oțelului inoxidabil și aplicarea acestuia determină echilibrul de fază necesar. Majoritatea oțelurilor inoxidabile austenitice standard au o cantitate mică de fază de ferită sub recoacere în soluție. Recoacere cu soluție poate îmbunătăți sudabilitatea și duritatea la temperatură ridicată. Cu toate acestea, dacă conținutul de fază de ferită este prea mare, alte proprietăți, cum ar fi rezistența la coroziune și tenacitatea, vor fi reduse. Oțelul inoxidabil austenitic de înaltă performanță este proiectat în conformitate cu toate fazele austenitice în condiții de recoacere în soluție.
Pentru a controla compoziția de fază a oțelului și, prin urmare, proprietățile oțelului, este necesar să se mențină elementele aliajului în echilibru. Diagrama structurii Schaeffler (Fig. 5) reflectă relația dintre compoziția chimică a oțelului inoxidabil și structura de fază așteptată în starea de solidificare, așa cum este relevat de microstructura de sudură. În acest fel, utilizatorii pot prezice echilibrul de fază pe baza compoziției chimice date. Calculați „echivalentul de nichel” și „echivalentul de crom” din compoziția chimică și desenați-le în figură. Formula parametrilor comuni ai organigramei Schaeffler este următoarea:
Echivalent nichel{{0}} procente Ni plus 30% C plus 0,5% Mn plus 30% N
Echivalent crom{{0}} procent Cr plus procent Mo plus 1,5 procente Si plus 0,5 procente Nb
Oțelul inoxidabil austenitic tipic de înaltă performanță conține aproximativ 20 procente Cr, 6 procente Mo, 20 procente Ni și 0,2 procente N, care este situat în zona de fază austenitică monofazată din figură, lângă "feritic". " linie cu echivalent de nichel de aproximativ 24 și echivalent de crom de aproximativ 26. În schimb, compoziția chimică a oțelului inoxidabil standard (cum ar fi 304) corespunde zonei duplex de austenită plus ferită (A plus F) cu o cantitate mică de ferită fază. Oțelul inoxidabil feritic se află în zona de fază ferită din figură, iar oțelul inoxidabil duplex este în zona duplex austenită plus ferită (A plus F).
