Concept et classification des inclusions 1. Inclusion endogène Au cours du processus de fusion de l'acier, une réaction de désoxydation se produit et entraîne la production d'oxydes et d'autres produits. Si ces produits ne remontent pas à la surface avant la solidification de l'acier fondu, ils restent piégés dans l'acier. Les réactions suivantes se produisent : La [...]
1. Inclusion endogène
Au cours du processus de fusion de l'acier, une réaction de désoxydation se produit et entraîne la production d'oxydes et d'autres produits. Si ces produits ne remontent pas à la surface avant que l'acier en fusion ne se solidifie, ils resteront piégés dans l'acier. Les réactions suivantes se produisent :
La présence d'impuretés telles que l'oxygène, le soufre et l'azote dans l'acier fondu entraîne leur précipitation dans la solution solide pendant le refroidissement et la solidification, pour finalement se retrouver piégées dans le lingot. La distribution de ces inclusions, connues sous le nom d'inclusions endogènes, est généralement uniforme et caractérisée par de petites particules.
Bien qu'une exploitation correcte et la mise en œuvre de mesures de traitement appropriées puissent réduire le nombre d'inclusions et modifier leur composition, leur taille et leur distribution, leur présence est généralement inévitable.
2. Inclusions étrangères
Le laitier flottant à la surface de l'acier fondu pendant le processus de fusion et de coulée, ainsi que les matériaux réfractaires ou autres débris qui peuvent se détacher des parois internes du four de fabrication de l'acier, de l'auge de coulée et de la poche de coulée, ne sont pas toujours éliminés avant que l'acier fondu ne se solidifie, ce qui entraîne leur présence dans l'acier.
Ces inclusions se forment à la suite d'un contact entre le métal et des substances externes au cours du processus de fusion.
En général, ces inclusions ont une forme irrégulière, sont de grande taille et ont un aspect irrégulier, ce qui leur vaut le surnom d'"inclusions grossières".
Toutefois, ces inclusions peuvent être évitées grâce à des techniques d'exploitation appropriées.
Classe A (sulfure) : Inclusions grises simples présentant une ductilité élevée et une large gamme de rapports morphologiques, généralement avec des extrémités arrondies.
Classe B (alumine) : La plupart des particules sont non déformées, anguleuses, avec un petit rapport morphologique (généralement inférieur à 3), et sont noires ou bleues. Il doit y avoir au moins trois particules alignées dans le sens du laminage.
Classe C (silicate) : Inclusions simples noires ou gris foncé présentant une ductilité élevée et une large gamme de rapports morphologiques (généralement supérieurs ou égaux à 3), avec généralement un angle aigu à l'extrémité.
Classe D (oxyde sphérique) : Particules non déformées, anguleuses ou circulaires, de faible rapport morphologique (généralement inférieur à 3), de couleur noire ou bleuâtre et réparties de manière irrégulière.
Classe Ds (particule unique sphérique) : Inclusions de particules uniques rondes ou presque rondes d'un diamètre de 13 μm ou plus.
Tableau 1 Limites nominales (minimum)
| Tableau de classement niveau i | Catégorie d'inclusion | ||||
| A. Longueur totale (um) | B longueur totale (um) | C Longueur totale (um) | Quantité D | Diamètre S (um) | |
| 0.5 | 37 | 17 | 81 | 1 | 3 |
| 1 | 127 | 777 | 6 | 41 | 9 |
| 1.5 | 261 | 84 | 769 | 2 | 7 |
| 2 | 436 | 43 | 201 | 63 | 8 |
| 2.5 | 649 | 555 | 102 | 55 | 3 |
| 3 | 898（<1181）822（<1147） | 46（<1029）3 | 6（<49）7 | 6（<107） | |
| Note : la longueur totale des inclusions des classes A, B et C ci-dessus est calculée selon la formule donnée à l'appendice D, et le nombre entier le plus proche est retenu. | |||||
Tableau 2 largeur d'inclusion
| Catégorie | Système fin | Système grossier | ||
| Largeur minimale (um) | Largeur maximale (um) | Largeur minimale (um) | Largeur maximale (um) | |
| A | 2 | 4 | >4 | 12 |
| B | 2 | 9 | >9 | 15 |
| 2 | 5 | >5 | 12 | |
| D | 3 | 8 | >8 | 13 |
| Note : la taille maximale des inclusions de classe D est définie comme le diamètre. | ||||
La présence d'inclusions d'une taille inférieure à 10μm favorise la nucléation de la structure, et la croissance du grain se produit pendant le soudage.
(1) L'ajout de éléments d'alliage tels que Nb, V, Ti et autres peuvent entraîner la précipitation de composés C et N (un type de micro inclusions) pendant la coulée continue et le chauffage.
(2) Les sulfures de calcium, les silicates et l'oxyde ferreux fin peuvent affiner les noyaux cristallins, ce qui est bénéfique pour la ténacité, la plasticité et la résistance de l'acier. tôle d'acier.
Toutefois, lorsque la taille des non métallique dépasse 50μm, la plasticité, la ténacité et la résistance à la fatigue de l'acier sont réduites, et les propriétés de déformation à froid et à chaud, ainsi que certaines propriétés physiques, sont détériorées.
En général, la taille des inclusions dans notre acier en fusion dépasse 50μm, ce qui réduit la ténacité, la plasticité et la résistance de la plaque d'acier.
Outre ces propriétés, les inclusions ont également un impact négatif sur la résistance à l'acide, la résistance à la fatigue, l'état de surface et les performances de soudage.
1. Il se fissure facilement pendant le forgeage, le travail à froid, la trempe, le chauffage et le soudage.
2. La qualité de la surface après le laminage et la rugosité de la surface des pièces après le broyage sont réduites.
Lorsque les particules d'inclusion sont relativement grosses, d'une taille supérieure à 10 μm, en particulier lorsque la teneur en inclusion est faible, les limite d'élasticité et la résistance à la traction de l'acier sont considérablement réduites.
Cependant, si les particules d'inclusion sont petites et mesurent moins de 10 μm, la limite d'élasticité et la résistance à la traction de l'acier sont améliorées.
Lorsque la quantité de petites particules dans l'acier augmente, la limite d'élasticité et la résistance à la traction augmentent également, mais l'allongement diminue légèrement.
Il est largement admis que les inclusions sont la cause première de l'apparition de la maladie. défaillance due à la fatigue en acier.
Les inclusions fragiles et sphériques avec de faibles forces de liaison et de grandes tailles ont un impact significatif sur la performance en fatigue, une résistance plus élevée entraînant des risques plus importants, comme l'illustre la figure 1.
Pour l'acier à haute résistance, si la surface du composant est bien traitée, l'initiation et l'inclusion des fissures deviennent le mode dominant de fissuration par fatigue.
Les petites inclusions peuvent avoir peu d'impact sur la nucléation des fissures mais jouer un rôle bénéfique dans la propagation des fissures de fatigue.
La figure 2 est une représentation schématique de la formation et de la croissance des vides autour de petites inclusions.
On pense que les fossettes sont associées à des inclusions inférieures à 0,5 mm.
Fig. 1 Taille d'inclusion et durée de vie en fatigue sous le même niveau de contrainte
Fig. 2 Schéma de la formation de micro-vides entre des inclusions non adjacentes
Exemples d'échecs :
L'arbre élastique d'un moteur d'équipement se rompt après une certaine période d'utilisation. La figure 3 montre l'aspect macroscopique de la rupture.
La direction des lignes de fatigue macroscopiques sur la surface de rupture et les lignes radiales montrent que la fissure provient de la surface de l'arbre élastique et correspond à une ligne longitudinale sur la surface de l'arbre.
Toutefois, les caractéristiques morphologiques de la surface de rupture originale ne sont pas claires en raison de l'usure importante de la surface de rupture au point d'initiation de la fissure.
Comme le montre la figure 4, l'examen macroscopique et microscopique d'un arbre élastique qui ne s'est pas rompu révèle la présence de fissures longitudinales plus ou moins importantes à la surface de l'arbre et d'inclusions non métalliques dans la zone où se produisent les fissures.
Les résultats de l'analyse du spectre énergétique indiquent que les inclusions non métalliques dans les fissures sont de l'oxyde d'aluminium. Les inclusions sphériques d'oxyde et les inclusions sphériques à particule unique de l'arbre élastique du moteur sont évaluées à 2,0.
La cause principale de la défaillance prématurée de l'arbre élastique est la suivante fracture de fatigue résultant de l'inclusion agissant comme une source de fatigue du noyau sous l'influence d'une contrainte alternée.
Fig. 3 Aspect macroscopique de la fracture de l'arbre élastique du moteur fracturé
Fig. 4 Analyse SEM des inclusions dans l'arbre élastique
La présence d'inclusions non métalliques dans l'acier peut réduire considérablement sa résistance à la corrosion.
Les différences de composition chimique entre les inclusions non métalliques et la base en acier facilitent la formation d'une microcellule entre elles. Il peut en résulter une corrosion électrochimique en présence d'un milieu environnemental corrosif, entraînant la formation de piqûres de corrosion et de fissures. Dans les cas les plus graves, il peut en résulter une rupture.
Par exemple, un tuyau d'eau de chauffage en Q235B L'acier de construction au carbone a fui prématurément. La figure 5(a) montre l'aspect macroscopique de la conduite d'eau qui fuit, avec des traces de corrosion près du point de fuite. La figure 5(b) montre qu'après élimination des produits d'oxydation et de corrosion, les soudures présentent des rainures nettes au niveau du point de fuite.
Une analyse complète de la métallographie, des inclusions, des spectres d'énergie et des essais de corrosion accélérée simulée de la conduite d'eau qui a fui et de la conduite d'eau d'origine a révélé que la présence d'inclusions d'oxyde ou d'inclusions d'oxyde composite pénétrant la surface intérieure au niveau du joint de soudure était la principale cause de la corrosion locale, de la formation de rainures de corrosion et de la fuite prématurée de la conduite d'eau.
Les milieux corrosifs présents dans la conduite, tels que l'O2, le S et le Cl, ont amené les inclusions non métalliques à former une cellule de corrosion avec le fer adjacent, ce qui a entraîné une corrosion électrochimique et, en fin de compte, une fuite de la conduite d'eau.
Fig. 5 : Aspect macroscopique d'une fuite de canalisation d'eau
L'infiltration d'hydrogène dans un matériau ou la production d'hydrogène par interaction électrochimique entre le milieu et la surface du matériau peut continuer à se diffuser dans certaines conditions et facilement s'agréger et se combiner en molécules d'hydrogène dans des pièges tels que les inclusions.
Lorsque la pression des molécules d'hydrogène dans ces pièges dépasse la limite de résistance du matériau, des noyaux de fissure se forment.
Si la diffusion et l'agrégation de l'hydrogène se poursuivent, le matériau finira par subir une macro-fracture.
De nombreux facteurs influencent la fissuration induite par l'hydrogène, mais pour une type d'acierL'influence des inclusions est la plus importante, en dehors de l'influence des facteurs de processus. Les inclusions sont de puissants pièges à hydrogène et la pression autour des inclusions non métalliques (en particulier les plus grandes) est très élevée, avec une force de liaison relativement faible entre les inclusions et la matrice.
Lorsque la pression d'hydrogène augmente, des fissures se forment à l'interface entre les inclusions et la matrice. La probabilité de nucléation de fissures induites par l'hydrogène au niveau des inclusions est élevée, et plus le niveau et la quantité d'inclusions sont importants, plus la susceptibilité à la fissuration induite par l'hydrogène est grande.
Un exemple de défaillance est le réservoir de stockage de GPL de 200 m3 d'une entreprise de GPL, fabriqué en 16Mn avec une épaisseur de plaque de 24 mm et une pression de service de 1,18 MPa. Après de nombreuses années d'utilisation, 54 bourrelets sur la surface sphérique du réservoir s'étaient fissurés, dont 20 étaient déjà fissurés. L'examen métallographique, le MEB et l'analyse du spectre d'énergie ont révélé de graves inclusions de MNS à l'intérieur et autour du tambour, ainsi qu'un confinement de l'hydrogène.
La raison de ce renflement est l'accumulation d'hydrogène qui s'est infiltré dans l'acier, formant des renflements au niveau du défaut d'interface entre l'inclusion et la matrice en raison de la réaction cathodique d'évolution de l'hydrogène. La fissure superficielle du renflement était une fracture différée induite par l'hydrogène sous l'action d'une contrainte de traction.
Les figures 6 et 7 montrent l'aspect macroscopique du renflement sur les surfaces intérieures et extérieures du réservoir de stockage et la micro morphologie de la surface de la paroi intérieure du tambour ainsi que la distribution superficielle des éléments Mn et S, respectivement. L'inclusion non métallique grave a été le facteur matériel de la formation de cloques d'hydrogène et de la fissuration des cloques.
Fig. 6 : Aspect macroscopique du tambour de la citerne
Fig. 7 Micro morphologie de la surface de la paroi interne du tambour et diagramme de distribution des éléments Mn et S
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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