Como é que um material pode ser simultaneamente uma solução e um desafio em aplicações industriais? O aço inoxidável ferrítico ultrapuro, com a sua notável resistência à corrosão e condutividade térmica, é essencial em várias indústrias. No entanto, o seu elevado teor de crómio introduz fragilidade a determinadas temperaturas. Este artigo explora os benefícios e as complexidades da utilização deste aço, detalhando as suas propriedades, problemas comuns como a fragilidade e factores que afectam o seu desempenho. Ao ler, compreenderá como o aço inoxidável ferrítico ultrapuro está a moldar o fabrico moderno, ao mesmo tempo que coloca desafios de produção únicos.
O aço inoxidável ferrítico refere-se a um tipo de aço inoxidável que tem uma fração de massa de crómio (Cr) entre 12% e 30%. Pode ainda ser dividido em baixo Cr, médio Cr e alto Cr, dependendo da fração de massa Cr.
A resistência à corrosão do aço inoxidável ferrítico é proporcional à fração de massa de Cr. Quanto maior for a fração de massa de Cr, maior será a resistência à corrosão. No entanto, para melhorar as propriedades gerais e reduzir o impacto negativo da precipitação de carbonetos e nitretos de Cr nas propriedades mecânicas e na resistência à corrosão, a tendência no desenvolvimento do aço inoxidável ferrítico é para níveis mais baixos de carbono (C) e azoto (N).
O aço inoxidável ferrítico ultrapuro é uma subcategoria do aço inoxidável ferrítico que tem níveis muito baixos de C e N (geralmente não mais do que 0,015% combinados) e fracções de massa de Cr médias a elevadas. Este tipo de aço inoxidável é popular devido à sua boa resistência à corrosão, condutividade térmica, resistência sísmica, desempenho de processamento e preço acessível em comparação com o cobre, ligas de cobre e titânio materiais. É amplamente utilizado em várias indústrias, incluindo a indústria automóvel, cozinha e electrodomésticos, construção e indústrias petroquímicas.
No entanto, existem também vários desafios na produção de aço inoxidável ferrítico ultrapuro. Devido à sua elevada fração mássica de Cr e à presença de outros elementos de liga como o molibdénio (Mo) e o manganês (Mn), é difícil evitar os problemas inerentes ao aço inoxidável ferrítico com elevado teor de Cr, tais como a fragilidade da fase σ, a fragilidade 475 ℃ e a fragilidade a alta temperatura.
O pessoal de produção está, por conseguinte, consciente dos danos potenciais destes problemas de fragilidade e verificou que são causados principalmente pela precipitação da fase σ, da fase χ, da fase α'-, da fase Laves e da fração mássica do elemento Cr.
Este artigo fornece um exame aprofundado das principais características e fatores que influenciam a fragilidade da fase σ, 475 ℃ fragilidade e fragilidade de alta temperatura em aço inoxidável ferrítico ultrapuro. Analisa também os efeitos destes problemas de fragilidade nas propriedades mecânicas e na resistência à corrosão do aço inoxidável ferrítico ultrapuro, servindo de referência para produtores e utilizadores.
O aço inoxidável ferrítico ultra-puro contém vários elementos de liga e é propenso à precipitação de diferentes compostos intermetálicos durante o trabalho a quente, principalmente compostos de carbono e azoto de Cr, Nb e Ti, bem como compostos intermetálicos das fases σ, χ, Laves e α.
As características das fases σ, χ, Laves e α' são apresentadas na Tabela 1.
Quadro 1 Características dos compostos intermetálicos em aço inoxidável ferrítico ultrapuro
| Fase precipitada | Estrutura | Configuração e composição | Condições de precipitação | Característica |
| σ mutuamente | Tetragonal centrado no corpo (bct) D8b, 30 átomos/unidade de célula | AB ou AxBy, FeCrFeCrMo | w（Cr）=25%~30%，600-1050℃ | Duro, quebradiço, rico em Cr |
| Fase X | Cúbico centrado no corpo (bcc) A12, 30 átomos/unidade de célula | α- Mn, Fe36Cr12Mo10 ou (Fe, Ni) 36Cr18Mo4 | w（Mo）=15%~25%，600-900℃ | Duro, quebradiço, rico em Cr e Mo |
| Fase Laves | Hexagonal de empacotamento fechado (hcp) C14 ou C36 | AB2, Fe2Ti ou Fe2Nb ou Fe2Mo | 650-750℃ | Difícil |
| α' mutuamente | Cúbico centrado no corpo (bcc) | Fe Cr, rico em cr | w（Cr）>15%，371-550℃（475℃） | Duro, quebradiço, rico em Cr |
As curvas de precipitação "C" para as fases σ, χ e Laves de alguns aços inoxidáveis ferríticos ultrapuros típicos são mostradas nas Figuras 1 e 2.
Devido a variações na composição da liga, a gama de temperaturas mais sensível para a precipitação destas fases situa-se entre 800 e 850°C.
Para a liga 00Cr25Ni4Mo4NbTi (Monit), as fases σ e χ precipitam relativamente rápido, enquanto a fase Laves é mais facilmente precipitada a 650°C e leva mais tempo para se formar.
Independentemente do tipo de precipitado frágil, uma precipitação excessiva tornará o aço frágil, resultando num declínio acentuado das propriedades de impacto.
Fig. 1 26% Gr - (1%~4%) Mo - (0~4%) Ni Aço inoxidável ferrítico
Fig. 2 Diagrama TTP do aço inoxidável ferrítico 00Cr25Ni4Mo4TiNb (Monit) (após solução sólida a 1000 ℃)
A geração de fragilidade da fase σ é causada principalmente pela precipitação da fase σ e da fase χ. A fase Laves tem uma temperatura de precipitação semelhante, pelo que é incluída na discussão.
1.1.1 σ mutuamente
A fase σ é um composto de fator de tamanho com uma configuração AB ou AxBy e uma estrutura tetragonal centrada no corpo. Nos aços inoxidáveis ferríticos, as fases σ são compostas principalmente por FeCr ou FeCrMo.
Em condições em que o teor de Cr (w(Cr)) está entre 25% e 30% e a temperatura de precipitação está entre 600 e 1050 ℃, a formação da fase σ é facilitada. A fase formada enriquece o elemento Cr, como mostrado na Figura 3.
A fase σ é não magnética e tem uma dureza elevada, com um valor de dureza Rockwell (HRC) até 68. Durante o processo de precipitação, ocorre um "efeito de volume", que diminui a plasticidade do aço.
Fig. 3 Estrutura e composição da fase o do aço inoxidável ferrítico 447 sob análise linear EDX
A precipitação da fase σ pode enfraquecer seriamente o aço inoxidável, diminuindo as suas propriedades, tais como a resistência à corrosão, a resistência ao impacto e as propriedades mecânicas.
A formação da fase σ ocorre em duas etapas: nucleação e crescimento. A nucleação começa normalmente no limite de grão de α/α' e expande-se a partir daí para a matriz.
Quando a fase σ atinge um determinado tamanho, precipita-se do interior do grão.
1.1.2 Fase χ
O aço inoxidável ferrítico ultra-puro não só forma a fase σ, mas também a fase σ, quando contém uma certa quantidade de elemento Mo.
A estrutura da fase χ é cúbica centrada no corpo e do tipo α-Mn.
No aço inoxidável ferrítico, a fase χ é composta principalmente por Fe36Cr12Mo10 ou (Fe, Ni)36Cr18Mo4.
Normalmente, forma-se em condições em que o teor de Mo (w) está entre 15% e 25% e a temperatura está entre 600 e 900 ℃.
A tenacidade do aço diminui significativamente quando a fase χ é formada.
Verificou-se que, em comparação com a fase σ, o Cr e o Mo são enriquecidos mais rapidamente na fase χ e precipitam mais rapidamente na fase χ do que na fase σ.
Em geral, a fase χ tem a mesma estrutura que a matriz de ferrite.
Devido à sua baixa barreira de potencial de nucleação, a nucleação é relativamente simples, e a fase χ geralmente precipita mais cedo do que a fase σ, como mostrado na Fig. 4.
Fig. 4 χ Fase precipitada de aço inoxidável ferrítico 26Cr envelhecido a 800 ℃ por 5min
Quando a fase χ começa a formar-se, haverá um enriquecimento significativo de Cr e Mo na fase χ, levando a uma diminuição do teor de Cr e Mo. Esta diminuição não é suficiente para nucleação da fase σ, dificultando a formação da fase σ na fase inicial.
Para além disso, a fase χ é metaestável e a sua estabilidade diminui com o tempo de envelhecimento. À medida que a fase χ se decompõe, fornecerá Cr e Mo suficientes para nucleação da fase σ, levando eventualmente à sua transformação numa fase σ estável.
Tanto a fase χ como a fase σ resultarão numa redução do teor de Cr em torno da fase de precipitação através da precipitação, formando uma zona pobre em Cr e diminuindo a sua resistência à corrosão.
1.1.3 Fase Laves
A fase Laves é um composto de fator de tamanho com uma configuração AB2 e uma estrutura hexagonal, como se mostra na Figura 5.
No aço inoxidável ferrítico, a fase Laves é normalmente composta por Fe2Ti, Fe2Nb, ou Fe2Mo.
A fase Laves no aço inoxidável ferrítico é enriquecida com elementos Si, que desempenham um papel crucial na manutenção da sua estabilidade.
A temperatura de precipitação da fase Laves varia de 650-750 ℃, dependendo da composição da liga.
Fig. 5 Fase Laves precipitada do aço inoxidável ferrítico 27Gr-4Mo-2Ni após envelhecimento a 1050 ℃ por 1h
Andrade T et al. verificaram que, após envelhecimento a 850°C durante 30 minutos, o aço inoxidável ferrítico ultrapuro com o modelo DIN 1.4575 apresenta precipitação da fase Laves na fronteira do grão, que permanece inalterada em tamanho devido à presença de precipitados tanto da fase Laves como da fase σ. A taxa de crescimento da fase σ é mais rápida, impedindo o crescimento de parte da fase Laves.
Descobriu-se que o aço inoxidável ferrítico 11Cr-0.2Ti-0.4Nb, quando envelhecido a 800°C por 24-28 horas, exibe um grande número de precipitados da fase Laves que aumentam lentamente com o tempo. No entanto, quando o tempo de envelhecimento atinge 96 horas, a transformação da fase Laves torna-se grosseira e o número diminui, não sendo observada qualquer precipitação da fase σ.
O aço inoxidável ferrítico com uma fração mássica de crómio superior a 12% sofrerá um aumento significativo de dureza e resistênciaacompanhado por uma diminuição acentuada na plasticidade e resistência ao impacto após exposição prolongada a temperaturas entre 340 a 516 ℃. Isto é principalmente devido à fragilidade que ocorre no aço inoxidável ferrítico a 475 ℃.
A temperatura mais sensível para esta mudança de propriedade é 475 ℃.
A precipitação da fase α 'é a principal razão para a fragilidade 475 ℃ do aço inoxidável ferrítico.
A fase α 'é uma fase frágil rica em Cr com uma estrutura tetragonal centrada no corpo.
No aço inoxidável ferrítico, a fase α 'é fácil de formar sob a condição de que w (Cr) é maior que 15% e a temperatura de precipitação é 371 ~ 550 ℃.
A fase α' é uma liga de Fe Cr, com teor de Cr variando de 61% a 83% e teor de Fe variando de 17,5% a 37%.
A literatura indica que quando o teor de Cr no aço for inferior a 12% em massa, não haverá precipitação da fase α', evitando assim a formação da fragilidade 475℃.
Além disso, a precipitação da fase α' durante a dissolução é um processo reversível.
Quando o aço é reaquecido acima de 516 ℃ e depois rapidamente resfriado à temperatura ambiente, a fase α 'se dissolverá de volta na matriz e a fragilidade em 475 ℃ não ocorrerá novamente.
Quando o teor de Cr no aço inoxidável ferrítico está entre 14% e 30%, o resfriamento rápido após o aquecimento do aço acima de 950 ℃ pode resultar em diminuição do alongamento, resistência ao impacto e resistência a corrosão intergranular. Este facto deve-se principalmente à fragilidade da ferrite a altas temperaturas.
A principal causa da fragilidade a alta temperatura é a precipitação de compostos de Cr-carbono e Cr-nitrogénio. Além disso, durante o processo de soldadura, a precipitação da fase Laves pode ocorrer quando o temperatura de soldadura excede 950℃, com impacto nas propriedades gerais do aço.
Esta vulnerabilidade também existe no aço inoxidável ferrítico ultrapuro, que é ainda mais sensível à fragilidade a alta temperatura devido ao seu elevado teor de Cr e Mo.
Para reduzir o risco de fragilidade a alta temperatura, o teor de C e N pode ser reduzido e podem ser adicionados elementos estabilizadores.
Na soldadura, a fragilidade a alta temperatura pode resultar em danos significativos para o aço. Isto deve-se ao facto de os elementos C e N precipitarem no limite do grão durante a soldadura e reagirem com Cr e Mo, formando carbono e nitretos ricos em Cr e Mo que se movem gradualmente em direção ao limite do grão.
Além disso, a precipitação da fase Laves a 950 ℃ durante a soldagem pode levar a precipitados em deslocamentos, limites de grãos ou dentro de grãos, inibindo o movimento de deslocamentos de cristal e limites de grãos. Isso resulta no arranjo local de átomos tornando-se mais regular, aumentando a resistência do aço, mas reduzindo sua plasticidade e tenacidade.
Os seguintes elementos - Cr, Mo, Ti, Nb, W e Cu - no aço inoxidável ferrítico ultra-puro têm um impacto na formação de precipitados frágeis.
Uma maior concentração do elemento Cr no aço inoxidável ferrítico conduz a uma melhor passivação, resultando numa melhor resistência à oxidação da superfície e numa melhor resistência à corrosão por picadas, à corrosão em fendas e à corrosão intergranular.
No entanto, uma maior fração em massa de Cr também leva a uma formação mais rápida de fases frágeis no aço inoxidável ferrítico. A formação e a velocidade de precipitação das fases α' e σ são também influenciadas pela fração mássica de Cr, sendo que uma fração mássica mais elevada conduz a uma velocidade de precipitação mais rápida. Esta fase de precipitação reduz a tenacidade do aço e aumenta significativamente a sua temperatura de transição frágil.
O Mo é o segundo elemento mais importante no aço inoxidável ferrítico. Quando a sua fração de massa atinge um determinado nível, a quantidade de precipitação das fases σ e χ no aço inoxidável ferrítico aumenta significativamente.
Uma pesquisa realizada por Moura et al. constatou que a adição de Mo no aço inoxidável ferrítico 25Cr-7Mo reduziu a temperatura máxima de precipitação da fase α', baixando-a de 475°C para cerca de 400°C e aumentando o número de fases α'.
Kaneko et al. verificaram que o Mo contribui para a acumulação mais rápida de Cr na película de passivação, melhorando assim a estabilidade da película e reforçando a resistência à corrosão do Cr no aço.
Ma et al. verificaram que recozimento O aço 30Cr a 1020°C resultou na precipitação da fase Laves, que é composta principalmente por Fe, Cr, Mo, Si e Nb. A fração mássica de Nb e Mo na fase Laves foi maior em comparação com o metal de base. A análise do espetro de energia de raios X da fase Laves do aço 30Cr recozido a 1020°C é mostrada na Fig. 6.
Foi observado que um aumento do teor de Mo no aço inoxidável ferrítico ultrapuro 30Cr acelera a precipitação da fase Laves. A literatura sugere que um aumento do teor de Mo leva à precipitação da fase χ rica em Mo no aço inoxidável 26Cr após o envelhecimento e, com um tempo de envelhecimento alargado, parte da fase Laves transforma-se em fase σ.
Fig. 6 Análise do espetro de energia de raios X (EDS) da fase Laves do aço 30Cr após 1020 ℃ Recozimento
(a) Análise EDS do metal de base; (b) Análise EDS da fase Laves
A adição de elementos estáveis, como o Nb e o Ti, ao aço combinado com C e N resulta na precipitação de fases como TiN, NbC e Fe2Nb. Estas fases distribuem-se tanto no interior do grão como nos limites do grão, o que atrasa a formação de carbonetos e nitretos de Cr, aumentando assim a resistência à corrosão intergranular dos aços inoxidáveis ferríticos.
Anttila et al. estudaram o impacto da incorporação de Ti e Nb nas soldaduras do aço inoxidável ferrítico 430. Eles descobriram que quando a temperatura de soldagem atingiu 950 ℃, a formação da fase Laves foi facilitada, levando à fragilização do juntas soldadas e uma diminuição da sua resistência ao impacto.
Do mesmo modo, Naghavi e outros investigadores descobriram que a solubilidade do Nb na matriz do aço inoxidável ferrítico diminui com o aumento da temperatura durante o envelhecimento a alta temperatura, causando o engrossamento da fase Laves e uma diminuição da resistência à tração do aço.
A inclusão de W no aço inoxidável ferrítico 444 foi encontrada para melhorar significativamente a sua resistência à tração a alta temperatura quando envelhecida a 1000 ℃. No entanto, à medida que a fração de massa de W aumenta, a fase Laves engrossa, enfraquecendo o efeito de fortalecimento da precipitação e reduzindo a resistência à tração em alta temperatura.
A adição de Cu ao aço inoxidável ferrítico precipita uma fase rica em Cu, o que melhora significativamente a resistência à corrosão do 430 Cu. As ligas binárias Fe-Cu e as ligas ternárias Fe-Cu-Ni contendo Cu podem melhorar a resistência e a tenacidade do aço.
A fase rica em Cu precipita principalmente a 650 ℃ e 750 ℃, e durante o estágio inicial de envelhecimento, ela permanece esférica. À medida que a temperatura e o tempo de envelhecimento aumentam, ele gradualmente se transforma em uma forma elíptica e em forma de bastão, conforme ilustrado na Figura 7.
Fig. 7 Morfologia da fase rica em Cu no aço inoxidável ferrítico 17Cr-0.86Si-1.2Cu-0.5Nb envelhecido a 750 °C durante 1h
Os elementos de terras raras (ER) são altamente reactivos do ponto de vista químico e a adição de uma quantidade adequada de ER pode melhorar as propriedades do aço.
Os resultados dos ensaios TEM de precipitados em aço inoxidável ferrítico 27Cr são apresentados na Fig. 9.
Sem REs, as fases precipitadas no aço inoxidável ferrítico são mais complexas. Como ilustrado na Fig. 8(a), as fases secundárias precipitam nos limites dos grãos e formam cadeias na matriz de ferrite, consistindo principalmente de fase σ, M23C6, M6C, e uma pequena quantidade de fases M2N e χ.
No entanto, após a adição de REs, as fases precipitadas em cadeia diminuem e estão frequentemente presentes em formas únicas na matriz, principalmente como fase σ. Além disso, a precipitação de carbono e nitreto diminui, como mostra a Fig. 8(b).
A fração ideal de massa de ER no aço inoxidável ferrítico ultra-puro foi de 0,106%, o que melhora as propriedades de reforço. Nesta concentração, os REs refinam a estrutura do grão, aumentam a energia de impacto e alteram o mecanismo de fratura por impacto de frágil para resistente.
Além disso, os REs reduzem a fração de massa de S no aço, reduzindo a fonte de corrosão por pite e melhorando a resistência à corrosão por pite.
Fig. 8 Resultados TEM da fase precipitada do aço inoxidável ferrítico 27Cr
(a) Imagem de campo brilhante da amostra 0% RE; (b) Imagem de campo brilhante da amostra 0,106% RE
Diferentes tratamentos de envelhecimento podem ter impactos variáveis na formação de precipitados frágeis nos materiais.
Quando o aço inoxidável ferrítico puro forma precipitados frágeis, pode resultar numa diminuição das suas propriedades mecânicas, resistência ao impacto, resistência à corrosão e desempenho geral.
O tratamento de envelhecimento pode ajudar a melhorar a estrutura do material e a aumentar a sua plasticidade, bem como a reduzir eficazmente a formação de precipitados e a limitar os seus efeitos negativos no aço.
LU HH et al. descobriram que quando o aço inoxidável ferrítico 27Cr-4Mo-2Ni é envelhecido a temperaturas que variam de 600 a 800°C, os principais precipitados formados são a fase χ, a fase Laves e a fase σ.
As morfologias e distribuições destas fases no aço inoxidável ferrítico 27Cr-4Mo-2Ni envelhecido a diferentes temperaturas estão representadas na Figura 9.
A presença destes precipitados pode diminuir a resistência ao impacto, a resistência à tração e a plasticidade do material, ao mesmo tempo que aumenta a sua dureza.
Após o envelhecimento a temperaturas entre 600 e 800°C, a fase χ precipita principalmente ao longo dos limites dos grãos. A fase Laves é precipitada dentro do grão quando o material é envelhecido a 700°C, enquanto a fase σ geralmente se forma nos limites do grão após o envelhecimento a 750°C.
Neste ponto, a fase Laves dissolve-se parcialmente na matriz, fornecendo átomos de Cr e Mo para o crescimento da fase σ. Este engrossamento do grão pode levar à fratura frágil do aço.
Fig. 9 Morfologia e Distribuição da Fase x, Fase Laves e Fase o do Aço Inoxidável Ferrítico 27Cr-4Mo-2Ni Envelhecido a Diferentes Temperaturas
(a) Envelhecimento a 650 ℃ durante 4h; (b) Envelhecimento a 700 ℃ durante 4h; (c) Envelhecimento a 750 ℃ durante 2h; (d) Envelhecimento a 800 ℃ durante 4h.
Zhang Jingjing descobriu que quando o aço inoxidável ferrítico ultra-puro SUS444 foi envelhecido a 850 ℃ por 10 minutos, o TiN se transformou em uma estrutura composta de fase pobre de TiN / NbC / Nb. A força de ligação entre a estrutura composta e a matriz é alta, o que melhora significativamente a resistência ao impacto.
Luo Yi e colegas descobriram que quando o aço inoxidável ferrítico ultrapuro 446 foi envelhecido a 800 ℃, a fase σ precipitou após 0.5 horas e aumentou com o tempo de envelhecimento, formando uma estrutura semelhante a uma rede. Simultaneamente, microfissuras apareceram na fase σ e sua alta quantidade reduziu a tenacidade do aço.
Ma Li e outros recozeram o aço inoxidável ferrítico ultra-puro 26% Cr e verificaram que existiam principalmente três precipitados: TiN, NbC e χ. A fase χ nociva conduziu seriamente à fragilidade do aço. Com o aumento da temperatura de recozimento até 1020 ℃, a fase χ diminuiu gradualmente para uma quantidade insignificante. Assim, para eliminar a fase χ, é necessária uma alta temperatura de recozimento.
Para o aço inoxidável ferrítico de alto Cr 27.4Cr-3.8Mo-2.1Ni, QUHP e outros descobriram que após o envelhecimento a 950 ℃ por 0.5 horas, as fases σ e Laves precipitaram, melhorando a dureza do aço, mas diminuindo sua ductilidade. Essas fases prejudiciais podem ser dissolvidas na matriz após o tratamento da solução a 1100 ℃ por 0.5 horas.
Wu Min e colegas descobriram que quando 441 chapas laminadas a quente foram recozidas a 900-950 ℃, um grande número de fases Laves precipitou. Como mostrado na Figura 10, existem duas fases precipitadas: (1) a fase primária, que é uma estrutura composta de (Ti, Nb) (C, N) com um tamanho de aproximadamente 5 μm e (2) a fase Laves, que é pequena, numerosa, densa e uniformemente distribuída em limites de grãos, limites de subgrãos e grãos. Aumentar a temperatura de recozimento para 1000-1050 ℃ eliminou efetivamente a fase Laves, mas uma pequena quantidade de fase Nb (C, N) precipitou.
Fig. 10 Morfologia da fase das folhas da chapa laminada a quente de aço inoxidável ferrítico 441 após diferentes temperaturas de recozimento
(a) Aspeto da fase Laves após recozimento a 900 ℃; (b) Aspeto da fase Laves após recozimento a 950 ℃.
A investigação mostra que níveis elevados de Cr e Mo e uma certa quantidade de Nb na microestrutura podem facilmente levar à formação de intermetálicos frágeis, tais como a fase σ do tipo (Fe Cr Mo), a fase χ do tipo (Fe Cr Mo) e a fase Laves do tipo Fe2Nb. Estes intermetálicos frágeis resultam numa diminuição significativa da tenacidade plástica e num aumento da dureza do aço inoxidável ferrítico ultra-puro.
O académico alemão Saha R e colegas descobriram que a baixa solubilidade do elemento C faz com que o aço inoxidável ferrítico precipite C de elevada dureza (Ti, Nb) durante o arrefecimento a alta temperatura, e o C disperso (Ti, Nb) melhora a resistência e dureza do aço.
A investigação também descobriu que as partículas bifásicas Cr23C6 e Cr2N na liga têm um forte impacto nas propriedades mecânicas, particularmente na tenacidade e ductilidade, levando a uma redução da tenacidade e ductilidade e a um maior risco de fratura.
A precipitação típica da fase α' leva a uma depleção de Cr na matriz de ferrite, reduzindo a resistência à corrosão e a tenacidade do aço e aumentando a sua dureza.
Foi descoberto que quando o aço inoxidável ferrítico 444 é envelhecido a temperaturas entre 400-475 ℃, a precipitação da fase α 'leva a um aumento na dureza, mas após o envelhecimento por mais de 500 horas a 475 ℃, sua tenacidade cai drasticamente.
A Figura 11 mostra a dureza do aço inoxidável ferrítico ultrapuro 441 e a energia absorvida pela fratura após o envelhecimento.
Fig. 11 Mudança de dureza e energia absorvida na fratura do aço inoxidável ferrítico ultra puro 441 com o tempo após o envelhecimento a 400 ℃ e 450 ℃
(a) A dureza varia com o tempo de envelhecimento; (b) A energia absorvida pela fratura varia com o tempo de envelhecimento.
Luo Yi e colegas descobriram que a resistência à tração do aço inoxidável ferrítico ultra-puro 446 pode ser melhorada até certo ponto quando a estrutura de rede da fase σ não se formou após o tratamento de envelhecimento.
No entanto, quando a precipitação da fase σ forma uma estrutura de rede, a resistência à tração e o alongamento do material diminuem significativamente, como ilustrado na Figura 12.
Além disso, independentemente de se formar uma estrutura de rede, a precipitação da fase σ causa graves danos à propriedade de impacto do material, levando a uma diminuição da sua propriedade de impacto e não cumprindo certos requisitos para o aço.
Fig. 12 Alteração da resistência à tração e alongamento do aço inoxidável ferrítico ultra puro 446 com o tempo após o envelhecimento a 800 ℃
A precipitação da fase Laves no aço inoxidável ferrítico ultra-puro tem impactos positivos e negativos.
De acordo com a literatura, com o tempo de envelhecimento prolongado, a fase Fe2Nb começa a precipitar no aço, causando uma diminuição da sua tenacidade e resistência a altas temperaturas.
No entanto, a adição de elementos Si e Nb à precipitação da fase Laves conduz a um aumento da resistência à fluência e da resistência a altas temperaturas do aço. A presença de W na fase Laves também ajuda a melhorar a resistência à tração a alta temperatura do aço.
Como ilustrado na Fig. 13, em comparação com o aço inoxidável ferrítico 444 do tipo não-W, a resistência à tração é significativamente melhorada quando a fração de massa W se situa entre 0,5% e 1%.
Quando o envelhecimento a 900 ℃, a resistência à tração diminui ligeiramente com o aumento do tempo de envelhecimento, mas eventualmente estabiliza. A 1000 ℃, a resistência à tração pode diminuir significativamente, mas a resistência à tração inicial permanece maior do que a do aço não-W.
Fig. 13 Variação da resistência à tração a alta temperatura do aço inoxidável ferrítico 444 com o tempo de envelhecimento a 900C e 1000 ° C
（a）900℃； （b）1000 ℃。
A fase Laves precipitará do aço inoxidável ferrítico 441 durante o envelhecimento a 850 ℃ e crescerá rapidamente. Quando forma uma estrutura de rede ao longo do limite de grão, reduz a plasticidade e a resistência ao impacto do aço. À medida que o número de limites de grão diminui e o tamanho do grão se torna maior, a taxa de precipitação diminui.
As propriedades mecânicas do aço inoxidável ferrítico 19Cr-2Mo Nb Ti em diferentes temperaturas de envelhecimento são exibidas na Fig. 14. Durante o processo de envelhecimento do aço a temperaturas entre 850 ℃ e 1050 ℃, as fases Laves do tipo (FeCrSi) 2 (MoNb) e (Fe, Cr) 2 (Nb, Ti) se transformarão em precipitados (Nb, Ti) (C, N). A fração mássica de Nb na solução aumentará devido à dissolução e ao engrossamento dos precipitados, levando a uma redução da sua resistência à tração.
No entanto, após o tratamento de envelhecimento a 950 ℃, a homogeneidade dos grãos recristalizados é melhorada e o alongamento aumenta acentuadamente, atingindo 37,3%. Em seguida, ele se estabiliza gradualmente em 32,6%.
Fig. 14 Propriedades mecânicas do aço inoxidável ferrítico 19Cr-2Mo-Nb-Ti a diferentes temperaturas de envelhecimento
Verificou-se que a precipitação da fase frágil terá um impacto negativo na resistência à corrosão do aço.
Além disso, de acordo com a literatura, a elevada fração mássica de Cr do aço inoxidável ferrítico ultrapuro 27,4Cr-3,8Mo leva à formação das fases σ e χ após envelhecimento a 950°C durante 0,5 horas, resultando numa diminuição da resistência à corrosão.
No entanto, o envelhecimento a 1100°C durante 0,5 horas faz com que as fases σ e χ desapareçam gradualmente e a resistência à corrosão recupere. A alteração do potencial de corrosão é ilustrada na Figura 15.
Fig. 15 Potencial de corrosão do aço inoxidável 24.7Cr-3.4Mo e 27.4cr-3.8Mo
O teor de crómio (Cr) e molibdénio (Mo) no aço inoxidável desempenha um papel crucial na sua resistência à corrosão. Quando a fração mássica de Cr excede 25% e a temperatura se situa entre 700-800°C, ocorrerá a precipitação das fases σ e χ, levando a uma diminuição da resistência à corrosão.
Além disso, o Cr combina-se facilmente com os elementos carbono (C) e azoto (N), causando precipitação nos limites do grão ou no interior do grão. Isto leva à formação de carbono e nitreto ricos em Cr, reduzindo a fração de massa de Cr e a resistência à corrosão. Os precipitados também danificam a película de passivação, fazendo com que esta perca a sua uniformidade e estabilidade, afectando assim a resistência à corrosão do aço.
As juntas soldadas em ambientes corrosivos são propensas a corrosão intergranular, por picadas, em fendas e outros tipos de corrosão local. Investigadores como Huang Zhitao descobriram que o aumento da fração de massa de Mo em aço inoxidável ferrítico de alta pureza em ambientes de cloreto pode atrasar a precipitação de M23C6 (em que M é Fe, Cr e Mo) e melhorar a resistência à corrosão por pite.
Zhang Henghua et al. descobriram que a adição de uma certa quantidade de Mo ao aço inoxidável ferrítico ultra-puro 26Cr pode enriquecer o Cr na película de passivação e aumentar a sua estabilidade, melhorando assim a resistência à corrosão por pite do material. Tong Lihua et al. descobriram que a adição de nióbio (Nb) e titânio (Ti) ao aço inoxidável ferrítico ultrapuro pode prevenir eficazmente a precipitação de carbono Cr e compostos de azoto e melhorar a sua resistência à corrosão intergranular.
No entanto, outros estudos mostraram que níveis elevados de Ti e N no aço inoxidável ferrítico ultra-puro 15Cr podem levar à formação de TiN, o que acelera o crescimento da corrosão por pite e afecta negativamente a resistência à corrosão do material. Wen Guojun e colegas descobriram que o envelhecimento do aço inoxidável ferrítico 430Ti a 475°C durante 0-100 horas conduz a um aumento da dureza, das fases α' e α, e a uma diminuição significativa da resistência à corrosão, como se mostra na Figura 16.
Fig. 16 Resistência à corrosão do aço inoxidável ferrítico 430Ti
Em conclusão, quanto mais elevada for a fração mássica de Cr no aço inoxidável ferrítico ultrapuro, maior é a probabilidade de produzir precipitados que reduzem severamente a sua resistência à corrosão. A adição de quantidades adequadas de nióbio (Nb), titânio (Ti) e molibdénio (Mo) pode melhorar a resistência à corrosão do aço, no entanto, a formação de TiN a partir do Ti tem um impacto negativo na resistência à corrosão por pite do aço.
As principais características e factores que influenciam a fragilidade da fase σ, a fragilidade a 475°C e a fragilidade a altas temperaturas do aço inoxidável ferrítico ultra-puro são analisados neste artigo. São tiradas as seguintes conclusões:
(1) A fragilidade da fase σ no aço inoxidável ferrítico ultra-puro deve-se à precipitação da fase σ e da fase χ, que são ricas em elementos de crómio e molibdénio. A fragilidade a 475°C é devida à precipitação da fase α'- rica em crómio. A fragilidade a alta temperatura é causada pela precipitação de carbono e nitreto de crómio.
(2) Os elementos de liga, os elementos de terras raras (ER) e os tratamentos de envelhecimento no aço inoxidável ferrítico ultra-puro têm um certo impacto nas fases precipitadas, o que pode, em certa medida, inibir a geração de fragilidade da fase σ, fragilidade a 475°C e fragilidade a alta temperatura.
Os impactos específicos são os seguintes:
① A precipitação das fases α ', σ , χ , e Laves aumenta quando o teor de Cr e Mo aumenta. No aço inoxidável ferrítico ultra-puro, a adição de elementos estabilizadores pode reduzir ou eliminar a fragilidade a alta temperatura em secções finas. A fragilidade a alta temperatura pode ser evitada evitando temperaturas elevadas durante o tratamento térmico. A adição de Ti e Nb pode também atrasar a precipitação da fase σ, reduzindo a sua fragilidade. No entanto, a adição de Ti e Nb leva à geração da fase Laves, e um alto teor de Nb pode causar o engrossamento da fase Laves.
② A adição de RE reduz a precipitação de carbono e nitreto nas fases σ e Cr, reduzindo a fragilidade da fase σ e a fragilidade em alta temperatura, e melhorando as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão do aço.
③ Diferentes tratamentos de envelhecimento têm efeitos variáveis nos precipitados. Os precipitados podem diferir ligeiramente com base no teor de Cr. Ao envelhecer a 600-800 ℃, uma pequena quantidade de fases σ, χ e Laves precipita. A 600 ℃, a fase α 'redissolve-se na matriz e a fragilidade desaparece a 475 ℃. Um grande número de fases σ , χ e Laves precipitam quando envelhecem a 850-950 ℃. Ao envelhecer a 1000-1100 ℃, a precipitação das fases σ, χ e Laves é reduzida ou até desaparece. A fragilidade da fase σ pode ser eliminada pelo tratamento de envelhecimento acima de 1000 ℃.
(3) A precipitação de fases secundárias tais como α', σ, χ e Laves no aço inoxidável ferrítico ultra-puro pode ter um impacto significativo nas suas propriedades mecânicas e de corrosão. A precipitação destas fases reduz a tenacidade e a plasticidade do aço, aumenta a sua resistência e dureza e afecta a sua resistência à corrosão.
A adição de elementos Si e W à fase Laves aumenta a sua resistência a altas temperaturas e à tração. Além disso, a adição de elementos de Cu resulta na precipitação de fases ricas em Cu, o que melhora a tenacidade do aço.
Os recursos domésticos de Ni são escassos e o consumo excessivo pode levar a uma escassez, o que terá um impacto grave na indústria do aço inoxidável.
O aço inoxidável ferrítico ultra-puro, como um aço que poupa recursos, tem um elevado desempenho global e um baixo custo global, tornando-se uma escolha inevitável para a indústria nacional de aço inoxidável promover o aço inoxidável da série 400 com baixo teor de níquel.
O aço inoxidável ferrítico ultrapuro tem vindo a substituir gradualmente algum aço inoxidável austenítico em indústrias como a automóvel, a dos electrodomésticos e a dos elevadores. Também tem sido utilizado com sucesso na construção de grandes coberturas de edifícios, como aeroportos e estádios.
Prevê-se que o mercado do aço inoxidável ferrítico ultrapuro cresça no futuro, com uma grande escala de mercado e amplas perspectivas.
No futuro, é crucial focar na fragilidade do aço inoxidável ferrítico ultrapuro. Para garantir boas propriedades mecânicas e resistência à corrosão, é necessário restringir efetivamente a geração de fragilidade da fase σ, fragilidade de 475 ℃ e fragilidade de alta temperatura durante a produção e uso. Ao fazer isso, as vantagens da "economia de recursos" podem ser totalmente utilizadas, levando a um maior progresso e desenvolvimento na indústria de aço inoxidável.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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