Explorando o aço inoxidável ferrítico ultrapuro: Efeitos nas propriedades, fragilidade e formação

O aço inoxidável ferrítico refere-se a um tipo de aço inoxidável que tem uma fração de massa de cromo (Cr) entre 12% e 30%. Ele pode ainda ser dividido em baixo Cr, médio Cr e alto Cr, dependendo da fração de massa de Cr.

A resistência à corrosão do aço inoxidável ferrítico é proporcional à fração de massa de Cr. Quanto maior a fração de massa de Cr, maior a resistência à corrosão. No entanto, para aprimorar as propriedades gerais e reduzir o impacto negativo da precipitação de carboneto e nitreto de Cr nas propriedades mecânicas e na resistência à corrosão, a tendência no desenvolvimento do aço inoxidável ferrítico é de níveis mais baixos de carbono (C) e nitrogênio (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 frações de massa de Cr médias a altas. Esse 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, as ligas de cobre e as ligas de cobre. titânio materiais. É amplamente utilizado em vários setores, incluindo o setor automotivo, cozinha e eletrodomésticos, construção e indústrias petroquímicas.

No entanto, também há vários desafios na produção de aço inoxidável ferrítico ultrapuro. Devido à sua alta fração de massa de Cr e à presença de outros elementos de liga, como molibdênio (Mo) e manganês (Mn), é difícil evitar os problemas inerentes ao aço inoxidável ferrítico com alto teor de Cr, como fragilidade da fase σ, fragilidade de 475 ℃ e fragilidade em alta temperatura.

Portanto, a equipe de produção está ciente dos possíveis danos desses problemas de fragilidade e descobriu que eles são causados principalmente pela precipitação da fase σ, da fase χ, da fase α'-, da fase Laves e da fração de massa do elemento Cr.

Este artigo apresenta uma análise aprofundada das principais características e dos fatores que influenciam a fragilidade da fase σ, a fragilidade 475 ℃ e a fragilidade em alta temperatura do aço inoxidável ferrítico ultrapuro. Ele também analisa os efeitos desses problemas de fragilidade nas propriedades mecânicas e na resistência à corrosão do aço inoxidável ferrítico ultrapuro, servindo como referência para produtores e usuários.

1. Principais características de fragilidade do aço inoxidável ferrítico ultrapuro

O aço inoxidável ferrítico ultrapuro contém vários elementos de liga e é propenso à precipitação de diferentes compostos intermetálicos durante o trabalho a quente, principalmente compostos de carbono e nitrogênio 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.

Tabela 1 Características dos compostos intermetálicos em aço inoxidável ferrítico ultrapuro

As curvas "C" de precipitação para as fases σ, χ e Laves de alguns aços inoxidáveis ferríticos ultrapuros típicos são mostradas nas Figuras 1 e 2.

Devido às variações na composição da liga, a faixa de temperatura mais sensível para a precipitação dessas fases está entre 800 e 850 °C.

Para a liga 00Cr25Ni4Mo4NbTi (Monit), as fases σ e χ precipitam com relativa rapidez, enquanto a fase Laves é mais facilmente precipitada a 650 °C e leva mais tempo para se formar.

Independentemente do tipo de precipitado frágil, a precipitação excessiva tornará o aço frágil, resultando em um declínio acentuado nas 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 ℃)

1.1 Principais características da fase σ fragilidade

A geração da 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, portanto, está 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 de FeCr ou FeCrMo.

Sob 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, conforme mostrado na Figura 3.

A fase σ não é magnética e tem alta dureza, com um valor de dureza Rockwell (HRC) de 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 de EDX

A precipitação da fase σ pode enfraquecer seriamente o aço inoxidável, diminuindo suas propriedades, como a resistência à corrosão, a resistência ao impacto e as propriedades mecânicas.

A formação da fase σ ocorre em dois estágios: nucleação e crescimento. A nucleação normalmente começa no limite do grão de α/α' e se expande a partir daí para a matriz.

Quando a fase σ atinge um determinado tamanho, ela se precipita de dentro do grão.

1.1.2 Fase χ

O aço inoxidável ferrítico ultrapuro não só formará a fase σ, mas também a fase σ, quando contiver 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 de Fe36Cr12Mo10 ou (Fe, Ni)36Cr18Mo4.

Normalmente, ele se forma sob condições em que o teor de Mo (w) está entre 15% e 25% e a temperatura está entre 600 e 900℃.

A resistência do aço diminui significativamente quando a fase χ é formada.

Descobriu-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 ferrita.

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, conforme mostrado na Fig. 4.

Fig. 4 Fase χ precipitada do aço inoxidável ferrítico 26Cr envelhecido a 800 ℃ por 5 minutos

Quando a fase χ começa a se formar, haverá um enriquecimento significativo de Cr e Mo na fase χ, levando a uma diminuição no conteúdo de Cr e Mo. Essa diminuição não é suficiente para nucleação da fase σ, dificultando a formação da fase σ no estágio inicial.

Além disso, a fase χ é metaestável e sua estabilidade diminui com o tempo de envelhecimento. À medida que a fase χ se decompõe, ela fornecerá Cr e Mo suficientes para nucleação da fase σ, levando à sua transformação em uma fase σ estável.

Tanto a fase χ quanto a fase σ resultarão em uma redução do teor de Cr em torno da fase de precipitação por meio da precipitação, formando uma zona pobre em Cr e diminuindo 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, conforme ilustrado na Figura 5.

No aço inoxidável ferrítico, a fase Laves é normalmente composta de Fe₂Ti, Fe₂Nb, ou Fe₂Mo.

A fase Laves no aço inoxidável ferrítico é enriquecida com elementos de Si, que desempenham um papel fundamental na manutenção de sua estabilidade.

A temperatura de precipitação da fase Laves varia de 650 a 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. constataram que, após o envelhecimento a 850°C por 30 minutos, o aço inoxidável ferrítico ultrapuro com o modelo DIN 1.4575 mostra a precipitação da fase Laves no limite do grão, que permanece inalterada em tamanho devido à presença de precipitados das fases Laves e 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, apresenta um grande número de precipitados da fase Laves que aumentam lentamente com o tempo. No entanto, quando o tempo de envelhecimento chega a 96 horas, a transformação da fase Laves se torna grosseira e o número diminui, sem nenhuma precipitação da fase σ observada.

1.2 Principais características de 475 ℃ fragilidade

O aço inoxidável ferrítico com uma fração de massa de cromo maior que 12% sofrerá um aumento significativo na dureza e resistênciaacompanhada por uma diminuição acentuada da plasticidade e da resistência ao impacto após exposição prolongada a temperaturas entre 340 e 516°C. Isso se deve principalmente à fragilidade que ocorre no aço inoxidável ferrítico a 475°C. Isso se deve principalmente à fragilidade que ocorre no aço inoxidável ferrítico a 475°C.

A temperatura mais sensível para essa mudança de propriedade é 475 ℃.

A precipitação da fase α 'é a principal razão da fragilidade 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 se formar sob a condição de que w (Cr) seja maior que 15% e a temperatura de precipitação seja de 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 de fragilidade de 475℃.

Além disso, a precipitação da fase α' durante a dissolução é um processo reversível.

Quando o aço é reaquecido acima de 516°C e, em seguida, resfriado rapidamente à temperatura ambiente, a fase α' se dissolve novamente na matriz e a fragilidade a 475°C não volta a ocorrer.

1.3 Principais características da fragilidade em altas temperaturas

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 na diminuição do alongamento, da resistência ao impacto e da resistência a corrosão intergranular. Isso se deve principalmente à fragilidade da ferrita em altas temperaturas.

A principal causa da fragilidade em alta temperatura é a precipitação de compostos de Cr-carbono e Cr-nitrogênio. Além disso, durante o processo de soldagem, pode ocorrer a precipitação da fase Laves quando o temperatura de soldagem excede 950℃, afetando as propriedades gerais do aço.

Essa vulnerabilidade também existe no aço inoxidável ferrítico ultrapuro, que é ainda mais sensível à fragilidade em alta temperatura devido ao seu alto teor de Cr e Mo.

Para reduzir o risco de fragilidade em altas temperaturas, o teor de C e N pode ser reduzido e elementos estabilizadores podem ser adicionados.

Na soldagem, a fragilidade em alta temperatura pode resultar em danos significativos ao aço. Isso ocorre porque os elementos C e N precipitam no limite do grão durante a soldagem e reagem 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°C durante a soldagem pode levar a precipitados em deslocamentos, limites de grão ou dentro de grãos, inibindo o movimento de deslocamentos de cristal e limites de grão. Isso faz com que o arranjo local dos átomos se torne mais regular, aumentando a resistência do aço, mas reduzindo sua plasticidade e tenacidade.

2. Fatores de influência de precipitados frágeis em aço inoxidável ferrítico ultrapuro

2.1 Elementos de liga

Os seguintes elementos - Cr, Mo, Ti, Nb, W e Cu - no aço inoxidável ferrítico ultrapuro têm um impacto na formação de precipitados frágeis.

Uma maior concentração do elemento Cr no aço inoxidável ferrítico leva a uma melhor passivação, resultando em melhor resistência à oxidação da superfície e melhor resistência à corrosão por pite, corrosão em fendas e corrosão intergranular.

No entanto, uma fração de massa maior 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 também são influenciadas pela fração de massa de Cr, com uma fração de massa mais alta levando a uma velocidade de precipitação mais rápida. Essa fase de precipitação reduz a tenacidade do aço e aumenta significativamente sua temperatura de transição frágil.

O Mo é o segundo elemento mais importante no aço inoxidável ferrítico. Quando 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. descobriram que o Mo contribui para o acúmulo mais rápido de Cr no filme de passivação, melhorando assim a estabilidade do filme e fortalecendo a resistência à corrosão do Cr no aço.

Ma et al. descobriram que recozimento O aço 30Cr a 1020°C resultou na precipitação da fase Laves, que é composta principalmente de Fe, Cr, Mo, Si e Nb. A fração de massa de Nb e Mo na fase Laves foi maior em comparação com o metal base. A análise do espectro de energia de raios X da fase Laves do aço 30Cr recozido a 1020°C é mostrada na Fig. 6.

Foi observado que o aumento do teor de Mo no aço inoxidável ferrítico ultrapuro 30Cr acelera a precipitação da fase Laves. A literatura sugere que o aumento do teor de Mo leva à precipitação da fase χ rica em Mo no aço inoxidável 26Cr após o envelhecimento e, com o tempo de envelhecimento prolongado, parte da fase Laves se transforma em fase σ.

Fig. 6 Análise do espectro de energia de raios X (EDS) da fase Laves do aço 30Cr após 1020 ℃. Recozimento

(a) Análise de EDS do metal base; (b) Análise de EDS da fase Laves

A adição de elementos estáveis, como Nb e Ti, ao aço combinado com C e N resulta na precipitação de fases como TiN, NbC e Fe2Nb. Essas fases são distribuídas no interior do grão e nos limites do grão, o que retarda 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 soldas 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 aço inoxidável ferrítico 430. juntas soldadas e uma diminuição em sua resistência ao impacto.

Da mesma forma, Naghavi e outros pesquisadores descobriram que a solubilidade do Nb na matriz do aço inoxidável ferrítico diminui com o aumento da temperatura durante o envelhecimento em alta temperatura, causando o engrossamento da fase Laves e uma diminuição na resistência à tração do aço.

Descobriu-se que a inclusão de W no aço inoxidável ferrítico 444 melhora significativamente sua resistência à tração em alta temperatura quando envelhecido a 1000 ℃. Entretanto, à medida que a fração de massa de W aumenta, a fase Laves se torna mais grossa, 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, ela se transforma gradualmente 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 por 1h

2.2 Elementos de terras raras

Os elementos de terras raras (ERs) são altamente reativos quimicamente e a adição da quantidade adequada de ERs pode melhorar as propriedades do aço.

Os resultados do teste 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. Conforme ilustrado na Fig. 8(a), as fases secundárias precipitam nos limites dos grãos e formam cadeias na matriz de ferrita, 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 da cadeia diminuem e estão frequentemente presentes em formas únicas na matriz, principalmente como fase σ. Além disso, a precipitação de carbono e nitreto diminui, conforme mostrado na Fig. 8(b).

A fração ideal de massa de ER em aço inoxidável ferrítico ultrapuro foi de 0,106%, o que aumenta as propriedades de reforço. Nessa concentração, os ERs refinam a estrutura de grãos, 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 de 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

2.3 Tratamento de envelhecimento

Diferentes tratamentos de envelhecimento podem ter impactos variados na formação de precipitados frágeis em materiais.

Quando o aço inoxidável ferrítico puro forma precipitados quebradiços, isso pode resultar em um declínio em 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 aumentar sua plasticidade, além de reduzir efetivamente a formação de precipitados e limitar seus efeitos negativos sobre o aço.

LU HH et al. descobriram que, quando o aço inoxidável ferrítico 27Cr-4Mo-2Ni é envelhecido em 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 as distribuições dessas fases no aço inoxidável ferrítico 27Cr-4Mo-2Ni envelhecido em diferentes temperaturas estão representadas na Figura 9.

A presença desses precipitados pode diminuir a resistência ao impacto, a resistência à tração e a plasticidade do material, ao mesmo tempo em que aumenta sua dureza.

Após o envelhecimento em 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.

Nesse ponto, a fase Laves se dissolve parcialmente na matriz, fornecendo átomos de Cr e Mo para o crescimento da fase σ. Esse 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 em diferentes temperaturas

(a) Envelhecimento a 650 ℃ por 4h; (b) Envelhecimento a 700 ℃ por 4h; (c) Envelhecimento a 750 ℃ por 2h; (d) Envelhecimento a 800 ℃ por 4h.

Zhang Jingjing descobriu que, quando o aço inoxidável ferrítico ultrapuro SUS444 foi envelhecido a 850°C 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 seus colegas descobriram que, quando o aço inoxidável ferrítico ultrapuro 446 foi envelhecido a 800°C, a fase σ precipitou após 0,5 hora e aumentou com o tempo de envelhecimento, formando uma estrutura semelhante a uma rede. Simultaneamente, apareceram microfissuras na fase σ e sua alta quantidade reduziu a resistência do aço.

Ma Li e outros recozeram o aço inoxidável ferrítico ultrapuro 26% Cr e descobriram que havia principalmente três precipitados: TiN, NbC e χ. A fase χ nociva levou seriamente à fragilidade do aço. Com o aumento da temperatura de recozimento até 1020°C, a fase χ diminuiu gradualmente até atingir uma quantidade insignificante. Portanto, 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°C por 0,5 hora, 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 com solução a 1100°C por 0,5 hora.

Wu Min e seus colegas descobriram que, quando a chapa laminada a quente 441 foi recozida a 900-950°C, um grande número de fases Laves precipitou. Conforme mostrado na Figura 10, há 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. O aumento da temperatura de recozimento para 1000-1050°C eliminou efetivamente a fase Laves, mas uma pequena quantidade de fase Nb (C, N) precipitou.

Fig. 10 Morfologia da fase de lava da chapa laminada a quente de aço inoxidável ferrítico 441 após diferentes temperaturas de recozimento

(a) Aparência da fase Laves após o recozimento a 900 ℃; (b) Aparência da fase Laves após o recozimento a 950 ℃.

3. Efeito da fragilidade nas propriedades do aço inoxidável ferrítico ultrapuro

3.1 Efeito da fragilidade nas propriedades mecânicas

A pesquisa mostra que altos níveis de Cr e Mo e uma certa quantidade de Nb na microestrutura podem facilmente levar à formação de intermetálicos frágeis, como a fase σ do tipo (Fe Cr Mo), a fase χ do tipo (Fe Cr Mo) e a fase Laves do tipo Fe2Nb. Esses intermetálicos frágeis resultam em uma diminuição significativa da resistência plástica e em um aumento da dureza do aço inoxidável ferrítico ultrapuro.

O acadêmico alemão Saha R e seus colegas descobriram que a baixa solubilidade do elemento C faz com que o aço inoxidável ferrítico precipite C de alta dureza (Ti, Nb) durante o resfriamento em alta temperatura, e o C disperso (Ti, Nb) melhora a resistência e dureza do aço.

A pesquisa também descobriu que as partículas bifásicas Cr23C6 e Cr2N na liga têm um forte impacto sobre as propriedades mecânicas, especialmente a resistência e a ductilidade, levando a uma redução da resistência e da ductilidade e a um maior risco de fratura.

A precipitação típica da fase α' leva a um esgotamento de Cr na matriz de ferrita, reduzindo a resistência à corrosão e a tenacidade do aço e aumentando sua dureza.

Descobriu-se que quando o aço inoxidável ferrítico 444 é envelhecido em 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 Alteração da dureza e da energia absorvida na fratura do aço inoxidável ferrítico ultrapuro 441 com o tempo após o envelhecimento a 400 ℃ e 450 ℃

(a) A dureza muda com o tempo de envelhecimento; (b) A energia absorvida pela fratura varia com o tempo de envelhecimento.

Luo Yi e seus colegas descobriram que a resistência à tração do aço inoxidável ferrítico ultrapuro 446 pode ser melhorada até certo ponto quando a estrutura de rede da fase σ não se forma 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, conforme ilustrado na Figura 12.

Além disso, independentemente da formação de uma estrutura de rede, a precipitação da fase σ causa sérios danos à propriedade de impacto do material, levando a uma diminuição em sua propriedade de impacto e deixando de atender a determinados requisitos para o aço.

Fig. 12 Alteração da resistência à tração e do alongamento do aço inoxidável ferrítico ultrapuro 446 com o tempo após o envelhecimento a 800 ℃.

A precipitação da fase Laves no aço inoxidável ferrítico ultrapuro tem impactos positivos e negativos.

De acordo com a literatura, com o tempo de envelhecimento prolongado, a fase Fe2Nb começará a se precipitar no aço, causando uma diminuição em sua tenacidade e resistência a altas temperaturas.

No entanto, a adição de elementos de Si e Nb à precipitação da fase Laves leva 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 em alta temperatura do aço.

Conforme ilustrado na Fig. 13, em comparação com o aço inoxidável ferrítico 444 sem W, a resistência à tração melhora significativamente quando a fração de massa de W está entre 0,5% e 1%.

Ao envelhecer a 900 ℃, a resistência à tração diminui ligeiramente com o aumento do tempo de envelhecimento, mas acaba se estabilizando. 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 em 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 ela forma uma estrutura de rede ao longo do contorno do 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 em 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 de massa de Nb na solução aumentará devido à dissolução e ao engrossamento dos precipitados, levando a uma redução em sua resistência à tração.

No entanto, após o tratamento de envelhecimento a 950 ℃, a homogeneidade dos grãos recristalizados é aprimorada e o alongamento aumenta drasticamente, chegando a 37,3%. Em seguida, ele se estabiliza gradualmente em 32,6%.

Fig. 14 Propriedades mecânicas do aço inoxidável ferrítico 19Cr-2Mo-Nb-Ti em diferentes temperaturas de envelhecimento

3.2 Efeito da fragilidade na resistência à corrosão

Descobriu-se que a precipitação da fase frágil afetará negativamente a resistência à corrosão do aço.

Além disso, de acordo com a literatura, a alta fração de massa de Cr do aço inoxidável ferrítico ultrapuro 27,4Cr-3,8Mo leva à formação das fases σ e χ após o envelhecimento a 950°C por 0,5 hora, resultando em uma diminuição da resistência a pites.

No entanto, o envelhecimento a 1100°C por 0,5 hora faz com que as fases σ e χ desapareçam gradualmente e a resistência à corrosão se recupere. A alteração no potencial de corrosão é ilustrada na Figura 15.

Fig. 15 Potencial de pite do aço inoxidável 24.7Cr-3.4Mo e 27.4cr-3.8Mo

O teor de cromo (Cr) e molibdênio (Mo) no aço inoxidável desempenha um papel fundamental na sua resistência à corrosão. Quando a fração de massa de Cr excede 25% e a temperatura está entre 700-800°C, ocorre a precipitação das fases σ e χ, o que leva a uma diminuição da resistência à corrosão.

Além disso, o Cr se combina facilmente com elementos de carbono (C) e nitrogênio (N), causando precipitação no limite do grão ou dentro do grão. Isso 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 prejudicam a película de passivação, fazendo com que ela perca sua uniformidade e estabilidade, afetando, assim, a resistência à corrosão do aço.

As juntas soldadas em ambientes corrosivos são propensas a corrosão intergranular, por pite, em fendas e outros tipos de corrosão local. Pesquisadores 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 retardar a precipitação de M23C6 (onde 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 ultrapuro 26Cr pode enriquecer o Cr no filme de passivação e aumentar sua estabilidade, melhorando, assim, a resistência do material à corrosão por pite. Tong Lihua et al. descobriram que a adição de nióbio (Nb) e titânio (Ti) ao aço inoxidável ferrítico ultrapuro pode efetivamente evitar a precipitação de compostos de carbono e nitrogênio do Cr e aumentar sua resistência à corrosão intergranular.

Entretanto, outros estudos mostraram que altos níveis de Ti e N no aço inoxidável ferrítico ultrapuro 15Cr podem levar à formação de TiN, o que acelera o crescimento da corrosão por pite e afeta negativamente a resistência à corrosão do material. Wen Guojun e colegas descobriram que o envelhecimento do aço inoxidável ferrítico 430Ti a 475°C por 0-100 horas leva a um aumento na dureza, nas fases α' e α e a uma diminuição significativa na resistência à corrosão, conforme mostrado na Figura 16.

Fig. 16 Resistência à corrosão do aço inoxidável ferrítico 430Ti

Concluindo, quanto maior for a fração de massa de Cr no aço inoxidável ferrítico ultrapuro, maior será a probabilidade de produzir precipitados que reduzam severamente sua resistência à corrosão. A adição de quantidades adequadas de nióbio (Nb), titânio (Ti) e molibdênio (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.

4. Conclusão e perspectiva

As principais características e os fatores que influenciam a fragilidade da fase σ, a fragilidade a 475°C e a fragilidade a altas temperaturas do aço inoxidável ferrítico ultrapuro são analisados neste artigo. As conclusões são as seguintes:

(1) A fragilidade da fase σ no aço inoxidável ferrítico ultrapuro se deve à precipitação da fase σ e da fase χ, que são ricas em elementos de cromo e molibdênio. A fragilidade a 475°C se deve à precipitação da fase α'rica em cromo. A fragilidade em altas temperaturas é causada pela precipitação de carbono e nitreto de cromo.

(2) Os elementos de liga, os elementos de terras raras (ER) e os tratamentos de envelhecimento em aço inoxidável ferrítico ultrapuro têm um certo impacto sobre as fases precipitadas, o que pode, até certo ponto, inibir a geração de fragilidade da fase σ, fragilidade a 475°C e fragilidade a altas temperaturas.

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 ultrapuro, a adição de elementos estabilizadores pode reduzir ou eliminar a fragilidade em alta temperatura em seções finas. A fragilidade em alta temperatura pode ser evitada evitando-se altas temperaturas durante o tratamento térmico. A adição de Ti e Nb também pode retardar a precipitação da fase σ, reduzindo sua fragilidade. Entretanto, 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 a pites do aço.

③ Diferentes tratamentos de envelhecimento têm efeitos variados sobre os 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 'se redissolve na matriz, e a fragilidade desaparece a 475 ℃. Um grande número de fases σ , χ e Laves precipita durante o envelhecimento a 850-950 ℃. No envelhecimento a 1000-1100 ℃, a precipitação das fases σ, χ e Laves é reduzida ou até mesmo desaparece. A fragilidade da fase σ pode ser eliminada pelo tratamento de envelhecimento acima de 1000 ℃.

(3) A precipitação de fases secundárias como α', σ, χ e Laves no aço inoxidável ferrítico ultrapuro pode ter um impacto significativo em suas propriedades mecânicas e de corrosão. A precipitação dessas fases reduz a tenacidade e a plasticidade do aço, aumenta sua resistência e dureza e afeta sua resistência à corrosão.

A adição de elementos de Si e W à fase Laves aumenta sua resistência a altas temperaturas e resistência à tração. Além disso, a adição de elementos de Cu resulta na precipitação da fase rica em Cu, o que melhora a resistência do aço.

Os recursos domésticos de Ni são escassos, e o consumo excessivo pode levar a uma escassez, o que afetará gravemente o setor de aço inoxidável.

O aço inoxidável ferrítico ultrapuro, como um aço que economiza recursos, tem alto desempenho abrangente e baixo custo abrangente, o que o torna uma escolha inevitável para o setor nacional de aço inoxidável promover o aço inoxidável da série 400 com baixo teor de níquel.

O aço inoxidável ferrítico ultrapuro substituiu gradualmente alguns aços inoxidáveis austeníticos em setores como o automotivo, o de eletrodomésticos e o de elevadores. Ele também tem sido usado com sucesso na construção de telhados de grandes edifícios, como aeroportos e estádios.

Espera-se que o mercado de aço inoxidável ferrítico ultrapuro cresça no futuro, com uma grande escala de mercado e amplas perspectivas.

No futuro, é fundamental 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°C e fragilidade de alta temperatura durante a produção e o uso. Dessa forma, as vantagens da "economia de recursos" podem ser totalmente utilizadas, levando a um maior progresso e desenvolvimento no setor de aço inoxidável.