L'acier inoxydable ferritique est un type d'acier inoxydable dont la fraction massique de chrome (Cr) se situe entre 12% et 30%. Il peut être divisé en trois catégories : faible Cr, Cr moyen et Cr élevé, en fonction de la fraction massique de Cr. La résistance à la corrosion de l'acier inoxydable ferritique est proportionnelle à la fraction de masse de Cr. [...]
L'acier inoxydable ferritique est un type d'acier inoxydable dont la fraction massique de chrome (Cr) se situe entre 12% et 30%. Il peut être divisé en trois catégories : faible Cr, Cr moyen et Cr élevé, en fonction de la fraction de masse de Cr.
La résistance à la corrosion de l'acier inoxydable ferritique est proportionnelle à la fraction de masse de Cr. Plus la fraction massique de Cr est élevée, plus la résistance à la corrosion est grande. Toutefois, pour améliorer les propriétés globales et réduire l'impact négatif de la précipitation de carbure et de nitrure de Cr sur les propriétés mécaniques et la résistance à la corrosion, la tendance dans le développement de l'acier inoxydable ferritique est de réduire les niveaux de carbone (C) et d'azote (N).
L'acier inoxydable ferritique ultra-pur est une sous-catégorie d'acier inoxydable ferritique qui présente de très faibles niveaux de C et de N (généralement pas plus de 0,015% combinés) et des fractions massiques de Cr moyennes à élevées. Ce type d'acier inoxydable est populaire en raison de sa bonne résistance à la corrosion, de sa conductivité thermique, de sa résistance aux séismes, de ses performances de traitement et de son prix abordable par rapport au cuivre, aux alliages de cuivre et à l'acier inoxydable. titane matériaux. Il est largement utilisé dans diverses industries, notamment l'industrie automobile, la cuisine et les appareils ménagers, la construction et les industries pétrochimiques.
Toutefois, la production d'acier inoxydable ferritique ultrapur pose également plusieurs problèmes. En raison de sa fraction massique élevée en Cr et de la présence d'autres éléments d'alliage tels que le molybdène (Mo) et le manganèse (Mn), il est difficile d'éviter les problèmes inhérents à l'acier inoxydable ferritique à haute teneur en Cr, tels que la fragilité en phase σ, la fragilité à 475 ℃ et la fragilité à haute température.
Le personnel de production est donc conscient de la nocivité potentielle de ces problèmes de fragilité et a constaté qu'ils sont principalement dus à la précipitation de la σ-phase, de la χ-phase, de la α'-phase, de la phase de Laves et de la fraction de masse de l'élément Cr.
Cet article fournit un examen approfondi des principales caractéristiques et des facteurs d'influence de la fragilité en phase σ, de la fragilité 475 ℃ et de la fragilité à haute température de l'acier inoxydable ferritique ultrapur. Il analyse également les effets de ces problèmes de fragilité sur les propriétés mécaniques et la résistance à la corrosion de l'acier inoxydable ferritique ultrapur, servant de référence aux producteurs et aux utilisateurs.
L'acier inoxydable ferritique ultra-pur contient divers éléments d'alliage et est sujet à la précipitation de différents composés intermétalliques pendant le travail à chaud, principalement des composés de carbone et d'azote de Cr, Nb et Ti, ainsi que des composés intermétalliques des phases σ, χ, Laves et α.
Les caractéristiques des phases σ, χ, Laves et α' sont présentées dans le tableau 1.
Tableau 1 Caractéristiques des composés intermétalliques dans l'acier inoxydable ferritique ultra-pur
| Phase précipitée | Structure | Configuration et composition | Conditions de précipitations | Caractéristique |
| σ mutuellement | Tétragone centré (bct) D8b, 30 atomes/unité cellulaire | AB ou AxBy, FeCrFeCrMo | w（Cr）=25%~30%，600-1050℃ | Dure, cassante, riche en Cr |
| Phase X | Cubique centré (bcc) A12, 30 atomes/unité de cellule | α- Mn, Fe36Cr12Mo10 ou (Fe, Ni) 36Cr18Mo4 | w（Mo）=15%~25%，600-900℃ | Dure, cassante, riche en Cr et Mo |
| Phase de Laves | Hexagone serré (hcp) C14 ou C36 | AB2, Fe2Ti ou Fe2Nb ou Fe2Mo | 650-750℃ | Dur |
| α' mutuellement | Cubique centré sur le corps (bcc) | Fe Cr, riche en cr | w（Cr）>15%，371-550℃（475℃） | Dure, cassante, riche en Cr |
Les courbes de précipitation "C" pour les phases σ, χ et Laves de certains aciers inoxydables ferritiques ultra-purs typiques sont présentées dans les figures 1 et 2.
En raison des variations dans la composition de l'alliage, la plage de température la plus sensible pour la précipitation de ces phases se situe entre 800 et 850°C.
Pour l'alliage 00Cr25Ni4Mo4NbTi (Monit), les phases σ et χ précipitent relativement rapidement, tandis que la phase Laves précipite plus facilement à 650°C et prend plus de temps à se former.
Quel que soit le type de précipité fragile, une précipitation excessive rendra l'acier fragile, ce qui entraînera une forte diminution des propriétés d'impact.
Fig. 1 26% Gr - (1%~4%) Mo - (0~4%) Ni Acier inoxydable ferritique
Fig. 2 Diagramme TTP de l'acier inoxydable ferritique 00Cr25Ni4Mo4TiNb (Monit) (après mise en solution solide à 1000 ℃)
La fragilisation de la phase σ est principalement due à la précipitation de la phase σ et de la phase χ. La phase Laves a une température de précipitation similaire, elle est donc incluse dans la discussion.
1.1.1 σ mutuellement
La phase σ est un composé à facteur de taille avec une configuration AB ou AxBy et une structure tétragonale centrée sur le corps. Dans les aciers inoxydables ferritiques, les phases σ sont principalement composées de FeCr ou de FeCrMo.
Dans des conditions où la teneur en Cr (w(Cr)) est comprise entre 25% et 30% et où la température de précipitation est comprise entre 600 et 1050 ℃, la formation de la phase σ est facilitée. La phase formée enrichit l'élément Cr, comme le montre la figure 3.
La phase σ est non magnétique et présente une dureté élevée, avec une valeur de dureté Rockwell (HRC) allant jusqu'à 68. Au cours du processus de précipitation, un "effet de volume" se produit, ce qui diminue la plasticité de l'acier.
Fig. 3 Structure et composition de la phase o de l'acier inoxydable ferritique 447 selon l'analyse linéaire EDX
La précipitation de la phase σ peut sérieusement affaiblir l'acier inoxydable, diminuant ses propriétés telles que la résistance à la corrosion, la résistance aux chocs et les propriétés mécaniques.
La formation de la phase σ se fait en deux étapes : la nucléation et la croissance. La nucléation commence généralement à la limite des grains α/α' et s'étend à partir de là dans la matrice.
Lorsque la phase σ atteint une certaine taille, elle précipite à l'intérieur du grain.
1.1.2 Phase χ
L'acier inoxydable ferritique ultra-pur forme non seulement la phase σ, mais aussi la phase σ, lorsqu'il contient une certaine quantité d'élément Mo.
La structure de la phase χ est cubique centrée et de type α-Mn.
Dans l'acier inoxydable ferritique, la phase χ est principalement composée de Fe36Cr12Mo10 ou de (Fe, Ni)36Cr18Mo4.
Typiquement, il se forme dans des conditions où la teneur en Mo (w) est comprise entre 15% et 25% et où la température est comprise entre 600 et 900℃.
La ténacité de l'acier diminue de manière significative lorsque la phase χ est formée.
Il a été constaté que, par rapport à la phase σ, le Cr et le Mo s'enrichissent plus rapidement dans la phase χ et précipitent plus rapidement dans la phase χ que dans la phase σ.
En général, la phase χ a la même structure que la matrice de ferrite.
En raison de sa faible barrière de potentiel de nucléation, la nucléation est relativement simple, et la phase χ précipite généralement plus tôt que la phase σ, comme le montre la figure 4.
Fig. 4 Phase χ précipitée de l'acier inoxydable ferritique 26Cr vieilli à 800 ℃ pendant 5min.
Lorsque la phase χ commence à se former, il y a un enrichissement significatif en Cr et Mo dans la phase χ, ce qui entraîne une diminution de la teneur en Cr et Mo. Cette diminution n'est pas suffisante pour nucléer la phase σ, ce qui rend la formation de la phase σ difficile au stade initial.
En outre, la phase χ est métastable et sa stabilité diminue avec le temps de vieillissement. Lorsque la phase χ se décompose, elle fournit suffisamment de Cr et de Mo pour nucléer la phase σ, ce qui conduit finalement à sa transformation en une phase σ stable.
La phase χ et la phase σ entraîneront une réduction de la teneur en Cr autour de la phase de précipitation par précipitation, formant une zone pauvre en Cr et diminuant sa résistance à la corrosion.
1.1.3 Phase de Laves
La phase de Laves est un composé à facteur de taille avec une configuration AB2 et une structure hexagonale, comme le montre la figure 5.
Dans l'acier inoxydable ferritique, la phase de Laves est généralement composée de Fe2Ti, Fe2Nb, ou Fe2Mo.
La phase de Laves dans l'acier inoxydable ferritique est enrichie en éléments Si, qui jouent un rôle crucial dans le maintien de sa stabilité.
La température de précipitation de la phase de Laves est comprise entre 650 et 750℃, selon la composition de l'alliage.
Fig. 5 Phase de Laves précipitée dans l'acier inoxydable ferritique 27Gr-4Mo-2Ni après un vieillissement à 1050 ℃ pendant 1 heure.
Andrade T et al. ont constaté qu'après un vieillissement à 850°C pendant 30 minutes, l'acier inoxydable ferritique ultra-pur de modèle DIN 1.4575 présente une précipitation de la phase de Laves à la limite des grains, dont la taille reste inchangée en raison de la présence de précipités de la phase de Laves et de la phase σ. La vitesse de croissance de la phase σ est plus rapide, ce qui empêche une partie de la phase de Laves de croître.
Il a été découvert que l'acier inoxydable ferritique 11Cr-0,2Ti-0,4Nb, lorsqu'il est vieilli à 800°C pendant 24-28 heures, présente un grand nombre de précipités de la phase de Laves qui augmentent lentement avec le temps. Cependant, lorsque le temps de vieillissement atteint 96 heures, la transformation de la phase de Laves devient grossière et le nombre de précipités diminue, sans qu'aucune précipitation de la phase σ ne soit observée.
L'acier inoxydable ferritique dont la fraction massique de chrome est supérieure à 12% subira une augmentation significative de la teneur en oxygène de l'air. dureté et résistance, accompagnée d'une forte diminution de la plasticité et de la résilience après une exposition prolongée à des températures comprises entre 340 et 516℃. Ceci est principalement dû à la fragilité qui se produit dans l'acier inoxydable ferritique à 475℃.
La température la plus sensible pour ce changement de propriété est de 475 ℃.
La précipitation de la phase α' est la principale raison de la fragilité de 475 ℃ de l'acier inoxydable ferritique.
La phase α est une phase fragile riche en Cr avec une structure tétragonale centrée sur le corps.
Dans l'acier inoxydable ferritique, la phase α est facile à former à condition que w (Cr) soit supérieur à 15% et que la température de précipitation soit de 371~550 ℃.
La phase α' est un alliage Fe Cr, avec une teneur en Cr allant de 61% à 83% et une teneur en Fe allant de 17,5% à 37%.
La littérature indique que lorsque la teneur en Cr de l'acier est inférieure à 12% en masse, il n'y aura pas de précipitation de la phase α', évitant ainsi la formation d'une fragilité de 475℃.
En outre, la précipitation de la phase α' au cours de la dissolution est un processus réversible.
Lorsque l'acier est réchauffé à plus de 516℃ puis rapidement refroidi à température ambiante, la phase α' se dissout à nouveau dans la matrice et la fragilité à 475℃ ne se reproduit pas.
Lorsque la teneur en Cr de l'acier inoxydable ferritique est comprise entre 14% et 30%, un refroidissement rapide après avoir chauffé l'acier à plus de 950℃ peut entraîner une diminution de l'allongement, de la résistance aux chocs et de la résistance à la corrosion. corrosion intergranulaire. Ceci est principalement dû à la fragilité de la ferrite à haute température.
La principale cause de fragilité à haute température est la précipitation de composés de carbone et d'azote de Cr. En outre, au cours du processus de soudage, la précipitation de la phase de Laves peut se produire lorsque l'alliage de cuivre et d'argent est utilisé pour le soudage. température de soudage dépasse 950℃, ce qui a un impact sur les propriétés générales de l'acier.
Cette vulnérabilité existe également dans l'acier inoxydable ferritique ultra-pur, qui est encore plus sensible à la fragilité à haute température en raison de sa teneur élevée en Cr et Mo.
Pour réduire le risque de fragilité à haute température, il est possible de réduire la teneur en C et en N et d'ajouter des éléments stabilisants.
Lors du soudage, la fragilité à haute température peut entraîner des dommages importants à l'acier. En effet, les éléments C et N précipitent à la limite du grain pendant le soudage et réagissent avec le Cr et le Mo, formant du carbone et des nitrures riches en Cr et en Mo qui se déplacent progressivement vers la limite du grain.
En outre, la précipitation de la phase de Laves à 950℃ pendant le soudage peut entraîner des précipités au niveau des dislocations, des joints de grains ou à l'intérieur des grains, ce qui inhibe le mouvement des dislocations cristallines et des joints de grains. L'arrangement local des atomes devient alors plus régulier, ce qui augmente la résistance de l'acier mais réduit sa plasticité et sa ténacité.
Les éléments suivants - Cr, Mo, Ti, Nb, W et Cu - dans l'acier inoxydable ferritique ultra-pur ont un impact sur la formation de précipités fragiles.
Une concentration accrue de l'élément Cr dans l'acier inoxydable ferritique améliore la passivation, ce qui se traduit par une meilleure résistance à l'oxydation superficielle et à la corrosion par piqûres, par crevasses et intergranulaire.
Toutefois, une fraction massique plus élevée de Cr entraîne également une formation plus rapide de phases fragiles dans l'acier inoxydable ferritique. La formation et la vitesse de précipitation des phases α' et σ sont également influencées par la fraction massique de Cr, une fraction massique plus élevée entraînant une vitesse de précipitation plus rapide. Cette phase de précipitation réduit la ténacité de l'acier et augmente significativement sa température de transition fragile.
Le Mo est le deuxième élément le plus important dans l'acier inoxydable ferritique. Lorsque sa fraction massique atteint un certain niveau, la précipitation des phases σ et χ dans l'acier inoxydable ferritique augmente considérablement.
Les recherches de Moura et al. ont montré que l'ajout de Mo dans un acier inoxydable ferritique 25Cr-7Mo réduisait la température maximale de précipitation de la phase α', la ramenant de 475°C à environ 400°C et augmentant le nombre de phases α'.
Kaneko et al. ont constaté que le Mo contribue à l'accumulation plus rapide du Cr dans le film de passivation, améliorant ainsi la stabilité du film et renforçant la résistance à la corrosion du Cr dans l'acier.
Ma et al. ont constaté que recuit L'utilisation d'un acier 30Cr à 1020°C a entraîné la précipitation de la phase de Laves, qui est principalement composée de Fe, Cr, Mo, Si et Nb. La fraction massique de Nb et de Mo dans la phase de Laves était plus élevée que dans le métal de base. L'analyse du spectre énergétique des rayons X de la phase de Laves de l'acier 30Cr recuit à 1020°C est illustrée à la figure 6.
Il a été observé qu'une augmentation de la teneur en Mo dans l'acier inoxydable ferritique ultra-pur 30Cr accélère la précipitation de la phase de Laves. La littérature suggère qu'une teneur accrue en Mo entraîne la précipitation d'une χ-phase riche en Mo dans l'acier inoxydable 26Cr après vieillissement, et qu'avec un temps de vieillissement prolongé, une partie de la phase de Laves se transforme en σ-phase.
Fig. 6 Analyse du spectre d'énergie des rayons X (EDS) de la phase de Laves de l'acier 30Cr après 1020 ℃ Recuit
(a) Analyse EDS du métal de base ; (b) Analyse EDS de la phase Laves
L'ajout d'éléments stables, tels que Nb et Ti, à l'acier combiné à C et N entraîne la précipitation de phases telles que TiN, NbC et Fe2Nb. Ces phases sont réparties à la fois à l'intérieur des grains et aux joints de grains, ce qui ralentit la formation de carbures et de nitrures de chrome, améliorant ainsi la résistance à la corrosion intergranulaire des aciers inoxydables ferritiques.
Anttila et al. ont étudié l'impact de l'incorporation de Ti et de Nb dans les soudures de l'acier inoxydable ferritique 430. Ils ont constaté que lorsque la température de soudage atteignait 950 ℃, la formation de la phase de Laves était facilitée, ce qui entraînait la fragilisation de l'acier inoxydable ferritique. joints soudés et une diminution de leur résistance aux chocs.
De même, Naghavi et d'autres chercheurs ont découvert que la solubilité du Nb dans la matrice de l'acier inoxydable ferritique diminue avec l'augmentation de la température au cours du vieillissement à haute température, ce qui entraîne un grossissement de la phase de Laves et une diminution de la résistance à la traction de l'acier.
L'inclusion de W dans l'acier inoxydable ferritique 444 a permis d'améliorer de manière significative sa résistance à la traction à haute température lorsqu'il est vieilli à 1000 ℃. Cependant, à mesure que la fraction massique de W augmente, la phase de Laves devient plus grossière, ce qui affaiblit l'effet de renforcement par précipitation et réduit la résistance à la traction à haute température.
L'ajout de Cu à l'acier inoxydable ferritique précipite une phase riche en Cu, qui améliore considérablement la résistance à la corrosion du 430 Cu. Les alliages binaires Fe-Cu et les alliages ternaires Fe-Cu-Ni contenant du Cu peuvent améliorer la résistance et la ténacité de l'acier.
La phase riche en Cu précipite principalement à 650 ℃ et 750 ℃, et au cours de la phase de vieillissement initiale, elle reste sphérique. Au fur et à mesure que la température et le temps de vieillissement augmentent, elle se transforme progressivement en une forme elliptique et en forme de bâtonnet, comme le montre la figure 7.
Fig. 7 Morphologie de la phase riche en Cu dans un acier inoxydable ferritique 17Cr-0,86Si-1,2Cu-0,5Nb vieilli à 750 °C pendant 1 heure.
Les éléments de terre rare (ER) sont très réactifs chimiquement et l'ajout d'une quantité appropriée d'ER peut améliorer les propriétés de l'acier.
Les résultats du test TEM des précipités dans l'acier inoxydable ferritique 27Cr sont présentés dans la figure 9.
Sans RE, les phases précipitées dans l'acier inoxydable ferritique sont plus complexes. Comme l'illustre la figure 8(a), les phases secondaires précipitent aux joints de grains et forment des chaînes dans la matrice de ferrite, composées principalement de la phase σ, de M23C6, de M6C et d'une petite quantité de phases M2N et χ.
Cependant, après l'ajout d'ERs, les phases précipitées en chaîne diminuent et sont souvent présentes sous des formes uniques dans la matrice, principalement en tant que phase σ. En outre, la précipitation du carbone et du nitrure diminue, comme le montre la figure 8(b).
La fraction de masse optimale de RE dans l'acier inoxydable ferritique ultra-pur est de 0,106%, ce qui améliore les propriétés de renforcement. À cette concentration, les RE affinent la structure du grain, augmentent l'énergie d'impact et modifient le mécanisme de rupture de l'impact, qui passe de fragile à résistant.
En outre, les ER réduisent la fraction massique de S dans l'acier, réduisant ainsi la source de corrosion par piqûres et améliorant la résistance à la corrosion par piqûres.
Fig. 8 Résultats TEM de la phase précipitée de l'acier inoxydable ferritique 27Cr
(a) Image en champ clair de l'échantillon 0% RE ; (b) Image en champ clair de l'échantillon 0,106% RE
Les différents traitements de vieillissement peuvent avoir des impacts variables sur la formation de précipités fragiles dans les matériaux.
Lorsque l'acier inoxydable ferritique pur forme des précipités cassants, il peut en résulter une diminution de ses propriétés mécaniques, de sa résistance aux chocs, de sa résistance à la corrosion et de ses performances globales.
Le traitement de vieillissement peut contribuer à améliorer la structure du matériau et à augmenter sa plasticité, ainsi qu'à réduire efficacement la formation de précipités et à limiter leurs effets négatifs sur l'acier.
LU HH et al. ont découvert que lorsque l'acier inoxydable ferritique 27Cr-4Mo-2Ni est vieilli à des températures comprises entre 600 et 800°C, les principaux précipités formés sont la phase χ, la phase Laves et la phase σ.
Les morphologies et les distributions de ces phases dans l'acier inoxydable ferritique 27Cr-4Mo-2Ni vieilli à différentes températures sont décrites dans la figure 9.
La présence de ces précipités peut diminuer la résistance aux chocs, la résistance à la traction et la plasticité du matériau tout en augmentant sa dureté.
Après un vieillissement à des températures comprises entre 600 et 800°C, la phase χ précipite principalement le long des joints de grains. La phase Laves est précipitée à l'intérieur du grain lorsque le matériau est vieilli à 700°C, tandis que la phase σ se forme généralement aux joints de grains après un vieillissement à 750°C.
À ce stade, la phase Laves se dissout partiellement dans la matrice, fournissant des atomes de Cr et de Mo pour la croissance de la phase σ. Ce grossissement du grain peut conduire à une rupture fragile de l'acier.
Fig. 9 Morphologie et distribution de la phase x, de la phase Laves et de la phase o de l'acier inoxydable ferritique 27Cr-4Mo-2Ni vieilli à différentes températures.
(a) Vieillissement à 650 ℃ pendant 4h ; (b) Vieillissement à 700 ℃ pendant 4h ; (c) Vieillissement à 750 ℃ pendant 2h ; (d) Vieillissement à 800 ℃ pendant 4h.
Zhang Jingjing a découvert que lorsque l'acier inoxydable ferritique ultra-pur SUS444 était vieilli à 850℃ pendant 10 minutes, le TiN se transformait en une structure composite de phase pauvre TiN/NbC/Nb. La force de liaison entre la structure composite et la matrice est élevée, ce qui améliore considérablement la résistance aux chocs.
Luo Yi et ses collègues ont constaté que lorsque l'acier inoxydable ferritique ultra-pur 446 était vieilli à 800℃, la phase σ précipitait après 0,5 heure et augmentait avec le temps de vieillissement, formant une structure en forme de réseau. Simultanément, des microfissures sont apparues dans la phase σ et sa quantité élevée a réduit la ténacité de l'acier.
Ma Li et d'autres ont recuit l'acier inoxydable ferritique ultra-pur 26% Cr et ont constaté qu'il y avait principalement trois précipités : TiN, NbC et χ. La phase χ nuisible a sérieusement conduit à la fragilité de l'acier. Avec l'augmentation de la température de recuit jusqu'à 1020℃, la phase χ a progressivement diminué jusqu'à une quantité négligeable. Ainsi, pour éliminer la phase χ, une température de recuit élevée est nécessaire.
Pour l'acier inoxydable ferritique à haute teneur en Cr 27,4Cr-3,8Mo-2,1Ni, QUHP et d'autres ont constaté qu'après un vieillissement à 950℃ pendant 0,5 heure, les phases σ et Laves précipitaient, améliorant la dureté de l'acier mais diminuant sa ductilité. Ces phases nocives ont pu être dissoutes dans la matrice après un traitement en solution à 1100℃ pendant 0,5 heure.
Wu Min et ses collègues ont constaté que lorsque 441 plaque laminée à chaud a été recuit à 900-950℃, un grand nombre de phases de Laves a précipité. Comme le montre la figure 10, il y a deux phases précipitées : (1) la phase primaire, qui est une structure composite de (Ti, Nb) (C, N) avec une taille d'environ 5 μm et (2) la phase de Laves, qui est petite, nombreuse, dense et uniformément distribuée dans les joints de grains, les joints de sous-grains et les grains. L'augmentation de la température de recuit à 1000-1050℃ a permis d'éliminer efficacement la phase Laves, mais une petite quantité de phase Nb (C, N) a précipité.
Fig. 10 Morphologie de la phase de Laves d'une plaque laminée à chaud en acier inoxydable ferritique 441 après différentes températures de recuit
(a) Apparition de la phase de Laves après un recuit à 900 ℃ ; (b) Apparition de la phase de Laves après un recuit à 950 ℃.
La recherche montre que des niveaux élevés de Cr et Mo et une certaine quantité de Nb dans la microstructure peuvent facilement conduire à la formation d'intermétalliques fragiles, telles que la phase σ de type (Fe Cr Mo), la phase χ de type (Fe Cr Mo) et la phase Laves de type Fe2Nb. Ces intermétalliques fragiles entraînent une diminution significative de la résistance plastique et une augmentation de la dureté de l'acier inoxydable ferritique ultra-pur.
Le chercheur allemand Saha R et ses collègues ont découvert que la faible solubilité de l'élément C entraîne la précipitation de l'acier inoxydable ferritique en C à haute dureté (Ti, Nb) pendant le refroidissement à haute température, et que le C dispersé (Ti, Nb) améliore la résistance à l'usure de l'acier inoxydable. la résistance et la dureté de l'acier.
La recherche a également montré que les particules biphasées Cr23C6 et Cr2N présentes dans l'alliage ont un impact important sur les propriétés mécaniques, en particulier la ténacité et la ductilité, entraînant une réduction de la ténacité et de la ductilité et un risque plus élevé de fracture.
La précipitation typique de la phase α' entraîne une raréfaction du Cr dans la matrice de ferrite, ce qui réduit la résistance à la corrosion et la ténacité de l'acier et augmente sa dureté.
Il a été découvert que lorsque l'acier inoxydable ferritique 444 est vieilli à des températures comprises entre 400 et 475 ℃, la précipitation de la phase α' entraîne une augmentation de la dureté, mais après un vieillissement de plus de 500 heures à 475 ℃, sa ténacité diminue fortement.
La figure 11 montre la dureté de l'acier inoxydable ferritique ultra-pur 441 et l'énergie absorbée par la fracture après vieillissement.
Fig. 11 Variation de la dureté et de l'énergie absorbée à la rupture de l'acier inoxydable ferritique ultra pur 441 en fonction du temps après un vieillissement à 400 ℃ et 450 ℃.
(a) La dureté change avec le temps de vieillissement ; (b) L'énergie absorbée par la fracture varie avec le temps de vieillissement.
Luo Yi et ses collègues ont découvert que la résistance à la traction de l'acier inoxydable ferritique ultra-pur 446 peut être améliorée dans une certaine mesure lorsque la structure de réseau de la phase σ ne s'est pas formée après le traitement de vieillissement.
Cependant, lorsque la précipitation de la phase σ forme une structure en réseau, la résistance à la traction et l'allongement du matériau diminuent de manière significative, comme l'illustre la figure 12.
En outre, indépendamment de la formation d'une structure en réseau, la précipitation de la phase σ nuit gravement aux propriétés d'impact du matériau, entraînant une diminution de ses propriétés d'impact et ne satisfaisant pas à certaines exigences relatives à l'acier.
Fig. 12 Variation de la résistance à la traction et de l'allongement de l'acier inoxydable ferritique ultra pur 446 en fonction du temps après un vieillissement à 800 ℃.
La précipitation de la phase de Laves dans l'acier inoxydable ferritique ultra-pur a des effets à la fois positifs et négatifs.
Selon la littérature, avec un temps de vieillissement prolongé, la phase Fe2Nb commence à précipiter dans l'acier, ce qui entraîne une diminution de sa ténacité et de sa résistance à haute température.
Cependant, l'ajout d'éléments Si et Nb à la précipitation de la phase de Laves entraîne une augmentation de la résistance au fluage et de la résistance à haute température de l'acier. La présence de W dans la phase de Laves permet également d'améliorer la résistance à la traction à haute température de l'acier.
Comme le montre la figure 13, par rapport à l'acier inoxydable ferritique 444 sans W, la résistance à la traction est considérablement améliorée lorsque la fraction massique de W est comprise entre 0,5% et 1%.
Lors du vieillissement à 900 ℃, la résistance à la traction diminue légèrement avec l'augmentation du temps de vieillissement, mais finit par se stabiliser. À 1000 ℃, la résistance à la traction peut diminuer de manière significative, mais la résistance à la traction initiale reste supérieure à celle de l'acier non W.
Fig. 13 Variation de la résistance à la traction à haute température de l'acier inoxydable ferritique 444 en fonction du temps de vieillissement à 900 °C et 1000 °C
（a）900℃； （b）1000 ℃。
La phase de Laves précipite dans l'acier inoxydable ferritique 441 au cours du vieillissement à 850 ℃ et croît rapidement. Lorsqu'elle forme une structure en réseau le long des joints de grains, elle réduit la plasticité et la résistance aux chocs de l'acier. Lorsque le nombre de joints de grains diminue et que la taille des grains s'agrandit, le taux de précipitation diminue.
Les propriétés mécaniques de l'acier inoxydable ferritique 19Cr-2Mo Nb Ti à différentes températures de vieillissement sont représentées dans la figure 14. Au cours du processus de vieillissement de l'acier à des températures comprises entre 850 ℃ et 1050 ℃, les phases Laves de type (FeCrSi)2(MoNb) et (Fe, Cr)2(Nb, Ti) se transforment en précipités (Nb, Ti)(C, N). La fraction massique de Nb dans la solution augmentera en raison de la dissolution et du grossissement des précipités, ce qui entraînera une réduction de sa résistance à la traction.
Cependant, après un traitement de vieillissement à 950 ℃, l'homogénéité des grains recristallisés est améliorée et l'allongement augmente fortement, atteignant 37,3%. Il se stabilise ensuite progressivement à 32,6%.
Fig. 14 Propriétés mécaniques de l'acier inoxydable ferritique 19Cr-2Mo-Nb-Ti à différentes températures de vieillissement
Il a été constaté que la précipitation de la phase fragile a un impact négatif sur la résistance à la corrosion de l'acier.
De plus, selon la littérature, la fraction massique élevée de Cr de l'acier inoxydable ferritique ultra-pur 27,4Cr-3,8Mo conduit à la formation des phases σ et χ après un vieillissement à 950°C pendant 0,5 heure, ce qui entraîne une diminution de la résistance à la piqûre.
Cependant, le vieillissement à 1100°C pendant 0,5 heure entraîne la disparition progressive des phases σ et χ et le rétablissement de la résistance à la piqûre. L'évolution du potentiel de piqûre est illustrée à la figure 15.
Fig. 15 Potentiel de piqûre de l'acier inoxydable 24.7Cr-3.4Mo et 27.4cr-3.8Mo
La teneur en chrome (Cr) et en molybdène (Mo) de l'acier inoxydable joue un rôle crucial dans sa résistance à la corrosion. Lorsque la fraction massique de Cr dépasse 25% et que la température se situe entre 700 et 800°C, la précipitation des phases σ et χ se produit, entraînant une diminution de la résistance à la corrosion.
En outre, le Cr se combine facilement avec les éléments carbone (C) et azote (N), provoquant une précipitation à la limite du grain ou à l'intérieur du grain. Cela conduit à la formation de carbone et de nitrure riches en Cr, réduisant la fraction massique de Cr et la résistance à la corrosion. Les précipités endommagent également le film de passivation, lui faisant perdre son uniformité et sa stabilité, ce qui affecte la résistance à la corrosion de l'acier.
Les joints soudés dans des environnements corrosifs sont sujets à la corrosion intergranulaire, aux piqûres, aux crevasses et à d'autres types de corrosion locale. Des chercheurs tels que Huang Zhitao ont découvert que l'augmentation de la fraction massique de Mo dans l'acier inoxydable ferritique de haute pureté dans des environnements chlorés peut retarder la précipitation de M23C6 (où M est Fe, Cr et Mo) et améliorer la résistance à la corrosion par piqûres.
Zhang Henghua et al. ont découvert que l'ajout d'une certaine quantité de Mo à l'acier inoxydable ferritique ultra-pur 26Cr peut enrichir le Cr dans le film de passivation et améliorer sa stabilité, améliorant ainsi la résistance à la corrosion par piqûre du matériau. Tong Lihua et al. ont découvert que l'ajout de niobium (Nb) et de titane (Ti) à l'acier inoxydable ferritique ultra-pur peut empêcher efficacement la précipitation des composés de carbone et d'azote du Cr et améliorer sa résistance à la corrosion intergranulaire.
Cependant, d'autres études ont montré que des niveaux élevés de Ti et de N dans l'acier inoxydable ferritique ultra-pur 15Cr peuvent conduire à la formation de TiN, ce qui accélère la croissance de la corrosion par piqûres et a un impact négatif sur la résistance à la corrosion du matériau. Wen Guojun et ses collègues ont constaté que le vieillissement de l'acier inoxydable ferritique 430Ti à 475°C pendant 0 à 100 heures entraîne une augmentation de la dureté, des phases α' et α, et une diminution significative de la résistance à la corrosion, comme le montre la figure 16.
Fig. 16 Résistance à la corrosion de l'acier inoxydable ferritique 430Ti
En conclusion, plus la fraction massique de Cr est élevée dans l'acier inoxydable ferritique ultra-pur, plus il est probable qu'il produise des précipités qui réduisent fortement sa résistance à la corrosion. L'ajout de quantités appropriées de niobium (Nb), de titane (Ti) et de molybdène (Mo) peut améliorer la résistance à la corrosion de l'acier, mais la formation de TiN à partir de Ti a un impact négatif sur la résistance à la corrosion par piqûres de l'acier.
Les principales caractéristiques et les facteurs qui influencent la fragilité en phase σ, la fragilité à 475°C et la fragilité à haute température de l'acier inoxydable ferritique ultra-pur sont analysés dans cet article. Les conclusions suivantes sont tirées :
(1) La fragilité de la phase σ dans l'acier inoxydable ferritique ultra-pur est due à la précipitation de la phase σ et de la phase χ, qui sont riches en chrome et en molybdène. La fragilité à 475°C est due à la précipitation de la phase α riche en chrome. La fragilité à haute température est due à la précipitation de carbone et de nitrure de chrome.
(2) Les éléments d'alliage, les éléments des terres rares (RE) et les traitements de vieillissement dans l'acier inoxydable ferritique ultra-pur ont un certain impact sur les phases précipitées, qui peuvent dans une certaine mesure inhiber la génération de la fragilité de la phase σ, de la fragilité à 475°C et de la fragilité à haute température.
Les impacts spécifiques sont les suivants :
① La précipitation des phases α ', σ , χ , et Laves augmente lorsque la teneur en Cr et Mo augmente. Dans l'acier inoxydable ferritique ultra-pur, l'ajout d'éléments stabilisants peut réduire ou éliminer la fragilité à haute température dans les sections minces. La fragilité à haute température peut être évitée en évitant les températures élevées pendant le traitement thermique. L'ajout de Ti et de Nb peut également retarder la précipitation de la phase σ, réduisant ainsi sa fragilité. Cependant, l'ajout de Ti et de Nb conduit à la génération de la phase de Laves, et une teneur élevée en Nb peut entraîner un grossissement de la phase de Laves.
② L'ajout de RE réduit la précipitation de carbone et de nitrure dans les phases σ et Cr, réduisant la fragilité de la phase σ et la fragilité à haute température, et améliorant les propriétés mécaniques et la résistance à la piqûre de l'acier.
③ Les différents traitements de vieillissement ont des effets variables sur les précipités. Les précipités peuvent différer légèrement en fonction de la teneur en Cr. Lors d'un vieillissement à 600-800 ℃, une petite quantité de phases σ, χ et Laves précipite. À 600 ℃, la phase α' se redissout dans la matrice, et la fragilité disparaît à 475 ℃. Un grand nombre de phases σ, χ et Laves précipitent lors d'un vieillissement à 850-950 ℃. Lors d'un vieillissement à 1000-1100 ℃, la précipitation des phases σ, χ et Laves est réduite ou même disparaît. La fragilité de la phase σ peut être éliminée par un traitement de vieillissement à plus de 1000 ℃.
(3) La précipitation de phases secondaires telles que α', σ, χ et Laves dans l'acier inoxydable ferritique ultra-pur peut avoir un impact significatif sur ses propriétés mécaniques et de corrosion. La précipitation de ces phases réduit la ténacité et la plasticité de l'acier, augmente sa résistance et sa dureté et affecte sa résistance à la corrosion.
L'ajout d'éléments Si et W à la phase Laves améliore sa résistance à haute température et sa résistance à la traction. En outre, l'ajout d'éléments Cu entraîne la précipitation d'une phase riche en Cu, ce qui améliore la ténacité de l'acier.
Les ressources nationales en nickel sont rares et une consommation excessive peut entraîner une pénurie, ce qui aura de graves répercussions sur l'industrie de l'acier inoxydable.
L'acier inoxydable ferritique ultra-pur, en tant qu'acier à faible consommation de ressources, présente des performances globales élevées et un coût global faible, ce qui en fait un choix inévitable pour l'industrie nationale de l'acier inoxydable pour promouvoir l'acier inoxydable de la série 400 à faible teneur en nickel.
L'acier inoxydable ferritique ultra-pur a progressivement remplacé certains aciers inoxydables austénitiques dans des industries telles que l'automobile, les appareils ménagers et les ascenseurs. Il a également été utilisé avec succès dans la construction de toits de grands bâtiments, tels que les aéroports et les stades.
Le marché de l'acier inoxydable ferritique ultra-pur devrait croître à l'avenir, avec une grande échelle de marché et de vastes perspectives.
À l'avenir, il est crucial de se concentrer sur la fragilité de l'acier inoxydable ferritique ultra-pur. Pour garantir de bonnes propriétés mécaniques et une bonne résistance à la corrosion, il est nécessaire de limiter efficacement la fragilité en phase σ, la fragilité à 475℃ et la fragilité à haute température au cours de la production et de l'utilisation. Ce faisant, les avantages de l'"économie de ressources" peuvent être pleinement exploités, ce qui permettra à l'industrie de l'acier inoxydable de progresser et de se développer davantage.
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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