L'effetto di legare elementi sulla resistenza di scarico degli acciai inossidabili duplex

Nickel (Ni)

Nickel è il principale stabilizzatore di austenite, essenziale per raggiungere il bilanciamento di fase desiderato 50-50. Tipici gradi duplex contengono nichel 4-7 %. Mentre il nichel stesso non aumenta drammaticamente la resistenza al rendimento, la sua azione nella formazione e stabilizzazione austenite colpisce indirettamente la forza.

Molibdeno (Mo)

Molibdeno è un potente stabilizzatore ferrite e uno degli elementi più efficaci per aumentare la resistenza alla corrosione di pitting (come misurato dal numero di equivalente di resistenza di Pitting, PREN). In acciai inossidabili duplex, il contenuto di molibdeno varia tipicamente dal 2 al 4 % per gradi standard e fino al 6-7 % per gradi super duplex.

Nitroge (N)

Il trattamento di azoto è probabilmente il più potente elemento di legatura singolo per aumentare la resistenza alla resa degli acciai inossidabili duplex. Presente nelle concentrazioni di 0,10–0.30 %, l'azoto agisce come un forte stabilizzatore di austenite e un rinforzatore interstiziale. Poiché gli atomi di azoto sono piccoli, occupano i siti interstiziali nel reticolo di cristallo, creando una sostanziale distorsione della retice e di azoto di fase di bloccaggio efficace.

Manganese (Mn)

Il manganese è un stabilizzatore austenite più debole del nichel ma viene spesso utilizzato come sostituto parziale a causa di considerazioni di costo. In alcuni gradi duplex, il manganese viene aggiunto in quantità fino al 2 % per aumentare la solubilità dell'azoto, permettendo così un contenuto di azoto più elevato senza causare la formazione di porosità o di nitride.

Altri elementi: rame, tungsteno, silicio e carbonio

La resistenza alla corrosione è talvolta aggiunta (0,5–1,5 %) per migliorare la resistenza alla corrosione negli ambienti di riduzione e per aumentare la resistenza alle precipitazioni in alcuni gradi.

Meccanismi per aumentare la resistenza dei reflui

La forza di resa degli acciai inossidabili duplex è il risultato di diversi meccanismi di rinforzo concomitanti, che permettono ai progettisti di lega di ottimizzare la composizione e la lavorazione per raggiungere le proprietà di destinazione.

Solido soluzione di rinforzo

Questo è il meccanismo primario con cui elementi leganti come cromo, molibdeno e nichel sollevano la forza di resa. Gli atomi sostitutivi (Cr, Mo, Ni) si dissolvono nella retice di ferro e creano ceppi locali di reticolo che ostruggono lo scorrimento dislocazione. La magnitudine atomica di rinforzo dipende in particolare dalla dimensione del misetto tra l'ato soluto e il solvente (iron) e la concentrazione del soluto (il solvente)

Precipitazione di rinforzo (Age Hardening)

In alcuni acciai inossidabili duplex, in particolare quelli contenenti rame o titanio, i precipitati fini possono formarsi a temperature moderate. Questi precipitati agiscono come ostacoli al movimento di dislocazione, richiedendo maggiori sollecitazioni per aggirarli. Ad esempio, i gradi duplex di precipitazione-portanti (come UNS S32550) possono raggiungere una maggiore resistenza alla resa attraverso la formazione di precipitati di rame.

Raffinamento del grano

Il rapporto Hall-Petch afferma che la resistenza alla resa aumenta con una diminuzione della dimensione media del grano. In acciai inossidabili duplex, la struttura del grano è costituita da lamelle alternanti di ferrite e austenite. Il percorso libero medio per le dislocazioni è determinato dalla spaziatura inter-lath. Il controllo del trattamento termico (calore di annesso e tasso di raffreddamento) e i processi di lavoro caldi possono affinare la microstruttura.

Indurimento del foro (indurimento del lavoro)

Gli acciai inossidabili Duplex presentano un notevole indurimento del lavoro dovuto ai diversi comportamenti di deformazione del ferrite e dell'austenite. Durante la deformazione della plastica, le dislocazioni si accumulano e il materiale diventa più forte. La presenza di due fasi crea ulteriori sorgenti dislocazione ai confini di fase.

Impatto di legare su equilibrio di fase e microstruttura

La resistenza alla resa di un acciaio inossidabile duplex non può essere considerata senza riferimento alla sua microstruttura. Le proporzioni relative di ferrite e austenite e la presenza di qualsiasi fase secondaria influenzano direttamente le proprietà meccaniche.

Traghetti e Traghetti

Gli acciai inossidabili duplex contengono circa il 50 % di ogni fase. La fase ferrite è più forte e più difficile, mentre la fase austenite è più dura. Se il contenuto di ferrite diventa troppo alto (sopra il 70 %), il materiale diventa eccessivamente duro e perde la durezza di impatto.

Fasi intermetalliche

L'esposizione alle temperature nell'intervallo 600–1000 °C durante il trattamento termico o la saldatura può portare alla precipitazione di fasi intermetalliche come la fase sigma (σ), la fase chi (χ) e le fasi di Laves. Queste fasi sono ricche di cromo e molibdeno e sono estremamente dure e fragili. La loro presenza può aumentare la resistenza alla resa, ma ad un costo grave per la duttilità e la resistenza alla corrosione.

Azoto come stabilizzatore di microstruttura

L'azoto non solo rafforza l'austenite ma lo stabilizza anche durante il trattamento termico, promuovendo una distribuzione più uniforme delle fasi. Questo effetto migliora la consistenza meccanica complessiva del materiale. Nelle articolazioni saldate, l'azoto aiuta a ridurre la formazione di zone ricche di ferrite che possono soffrire di una ridotta tenacità. Molti metalli di riempimento per saldatura duplex sono volutamente arricchiti con azoto per mantenere l'equilibrio austenite nel metallo saldato.

Effetto sulla resistenza dei resi: Esempi quantitativi

Per illustrare l'impatto pratico degli elementi leganti sulla resistenza alla resa, esaminiamo tre gradi d'acciaio inossidabile duplex comuni: standard 2205, super duplex 2507, e un grado duplex magra.

Grado duplex 2205 (UNS S32205 / S31803)

La sua composizione tipica: 22 % Cr, 5 % Ni, 3 % Mo, 0,15-0,20 % N. La resistenza minima specificata di resa (0,2 % offset) è di 450 MPa per S32205, ma i tipici ferri ricotti di rendimento variano da 480 a 550 MPa. Il contenuto di azoto relativamente alto (0,15-0,20 %) è un importante contributore, che aumenta la contabilità per circa 100 MPa

Super Duplex 2507 (UNS S32750)

Super duplex gradi sono progettati per gli ambienti più aggressivi, come la produzione di petrolio e gas offshore, impianti di desalizzazione e reattori chimici. La composizione del 2507 comprende il 25 % Cr, il 7 % Ni, 4 % Mo, 0.25–0.30 % N. La sua resistenza minima di resa è di 550 MPa, e i valori tipici raggiungono 600–680 MPa.

Gradi duplex (ad esempio, UNS S32101, S32304)

I gradi duplex lean sono progettati con il contenuto di nichel e molibdeno inferiore per ridurre i costi, offrendo ancora una migliore resistenza alla corrosione e resistenza della corrosione rispetto a austenitics standard. Ad esempio, UNS S32101 (21 % Cr, 1,5 % Ni, 0,6 % Mo, 0.20 % N, 5 % Mn) ha una forza di rendimento minima di 450 MPa, paragonabile a 2205.

Considerazioni per il trattamento termico e la lavorazione

La resistenza alla resa degli acciai inossidabili duplex è influenzata non solo dalla composizione ma anche dalla storia termomeccanica. La soluzione ricottura a 1020–1150 °C seguita da un rapido e rapido impasto dell'acqua è il trattamento termico standard. Durante l'impastatura, la microstruttura omogeneizza e ogni fase intermetallica si dissolve.

La lavorazione a freddo (laminazione, disegno) può aumentare ulteriormente la resistenza alla resa tramite l'indurimento della tensione. Ad esempio, i tubi duplex a freddo possono presentare i punti di forza di resa 100-200 MPa sopra i valori impastati. Tuttavia, il lavoro a freddo riduce anche la duttilità e può influenzare la resistenza alla corrosione se la superficie è danneggiata.

La zona termoregolata (HAZ) di una saldatura duplex può sperimentare l'arricchimento della ferrite se il raffreddamento è troppo rapido, riducendo il contenuto di austenite e portando a una perdita di tenacità. Le leghe di riempimento corrette con nichel extra e azoto sono utilizzate per mantenere l'equilibrio di fase ed evitare una significativa diminuzione della resistenza al rendimento nel giunto saldato.

Conclusioni

La resistenza alla resa degli acciai inossidabili duplex è una funzione complessa di composizione della lega, equilibrio di fase e storia di lavorazione. Elementi di lega come cromo, molibdeno, nichel, e soprattutto azoto svolgono ruoli distinti nel rafforzamento del materiale attraverso effetti di soluzione solida, indurimento delle precipitazioni, e stabilizzazione microstrutturale.

Pratici gradi duplex, che vanno dal duplex economico al super duplex ad alte prestazioni, dimostrano come la legatura mirata può raggiungere i punti di forza di resa da 450 MPa a oltre 650 MPa. La capacità di personalizzare queste proprietà ha reso duplex acciaio un materiale di scelta in ambienti esigenti dove sia la resistenza alla corrosione che la resistenza alla corrosione sono fondamentali.

Per ulteriori informazioni su composizioni e proprietà in acciaio inossidabile duplex, consultare riferimenti autorevoli da Associazione internazionale di molibdeno], Dati tecnici Outokumpu]], e ] Panoramica di Wikipedia di acciaio inossidabile duplex.