Guida all'acciaio inossidabile austenitico ad alte prestazioni -- Panoramica metallurgica

1. Tipi di acciaio inossidabile

L'acciaio inossidabile è una lega a base di ferro con un contenuto di cromo non inferiore al 10,5%. È ampiamente utilizzato per la sua buona resistenza alla corrosione e le prestazioni ad alta temperatura. Quando il contenuto di cromo raggiunge il 10,5%, sulla superficie dell'acciaio si formerà uno strato di ossido ricco di cromo, chiamato strato di passivazione o pellicola di passivazione. Questa pellicola protegge l'acciaio inossidabile dalla ruggine come l'acciaio normale. Esistono molti tipi di acciaio inossidabile, ma tutti gli acciai inossidabili devono soddisfare i requisiti minimi di contenuto di cromo.

L'acciaio inossidabile è suddiviso in cinque categorie: acciaio inossidabile austenitico, acciaio inossidabile ferritico, acciaio inossidabile duplex (con struttura mista di ferrite e austenite), acciaio inossidabile martensitico e acciaio inossidabile indurente per precipitazione. La classificazione di queste categorie è legata alla struttura cristallina (disposizione atomica) e al trattamento termico dell'acciaio inossidabile. Un gruppo di cristalli con la stessa struttura cristallina in un metallo è chiamato fase. Ci sono tre fasi principali in acciaio inossidabile: austenite, ferrite e martensite. Il tipo e la quantità di struttura metallografica dell'acciaio inossidabile possono essere determinati mediante un processo di ispezione metallografica standard e un microscopio metallografico ottico.

La caratteristica dell'acciaio inossidabile austenitico è che la struttura metallografica è prevalentemente austenitica. La struttura cristallina della fase austenite è una struttura cubica a facce centrate (fcc), cioè c'è un atomo in ogni angolo e centro di ogni faccia del cubo. Al contrario, la struttura cristallina della fase di ferrite è una struttura cubica a corpo centrato (bcc), con un atomo ad ogni angolo e centro del cubo. La struttura cristallina della fase martensitica è una struttura tetragonale centrata sul corpo ad alta deformazione.

La struttura cristallina della fase austenite è un reticolo cubico a facce centrate (fcc), la fase ferrite è un reticolo cubico a corpo centrato (bcc) e la fase martensite è un reticolo tetragonale a corpo centrato (bct).

 

1.1 Acciaio inossidabile austenitico:

L'acciaio inossidabile austenitico non ha magnetismo, carico di snervamento medio, alto tasso di incrudimento, elevata resistenza alla trazione, buona plasticità ed eccellente tenacità a bassa temperatura. A differenza di altri acciai inossidabili, la tenacità degli acciai inossidabili austenitici diminuisce lentamente con la diminuzione della temperatura. L'acciaio inossidabile austenitico non ha una temperatura di transizione duttile-fragile definita (DBTT), quindi è un materiale ideale per applicazioni a bassa temperatura.

Diagramma della temperatura di transizione duttile-fragile (DBTT) di acciaio inossidabile austenitico, ferritico e duplex (austenitico-ferritico). Il DBTT effettivo dipende dallo spessore della sezione, dalla composizione chimica e dalla granulometria. Il DBTT dell'acciaio inossidabile ferritico è generalmente da 20 a - 30 gradi C (da 70 a - 22 gradi F).

 

L'acciaio inossidabile austenitico ha una buona saldabilità e può essere trasformato in varie forme complesse. Questa serie di acciai inossidabili non può essere temprata o irrobustita mediante trattamento termico, ma può essere irrobustita mediante formatura a freddo o incrudimento (vedi ASTM A666). L'acciaio inossidabile austenitico, in particolare l'acciaio inossidabile austenitico standard, presenta un potenziale svantaggio, ovvero, rispetto all'acciaio inossidabile ferritico e all'acciaio inossidabile duplex, è soggetto a cricche da tensocorrosione da cloruro.

La serie 300 o l'acciaio inossidabile austenitico standard contiene generalmente l'8% ~ 11% di nichel e il 16% ~ 20% di cromo. La struttura metallografica dell'acciaio inossidabile austenitico standard è composta principalmente da grani austenitici e contiene una piccola quantità (generalmente 1~5%) di fase δ Ferrite (Fig. 3). A causa della presenza della fase ferrite, questi acciai inossidabili austenitici hanno un piccolo magnetismo.

La tipica struttura metallografica dell'acciaio inossidabile forgiato 304L è composta da grani austenitici e singole strisce di ferrite © TMR Stainless.

 

Rispetto all'acciaio inossidabile della serie 300, l'acciaio inossidabile austenitico della serie 200 ha un contenuto di Ni inferiore, ma un contenuto di Mn e N più elevato. La resistenza e il coefficiente di incrudimento dell'acciaio inossidabile serie 200 sono superiori a quelli dell'acciaio inossidabile serie 300. A causa del basso contenuto di nichel, l'acciaio inossidabile della serie 200 viene talvolta utilizzato come sostituto economico dell'acciaio inossidabile della serie 300.

La microstruttura dell'acciaio inossidabile austenitico ad alte prestazioni è tutta fase austenitica senza ferromagnetismo (Fig. 4). Rispetto all'acciaio inossidabile austenitico standard, l'acciaio inossidabile austenitico ad alte prestazioni contiene più elementi di nichel, cromo e molibdeno e generalmente contiene azoto. Questi acciai inossidabili hanno una forte resistenza alla corrosione in ambienti corrosivi come acidi forti, alcali forti e mezzi ad alto contenuto di cloruro, tra cui acqua salmastra, acqua di mare e acqua salata. Rispetto all'acciaio inossidabile austenitico standard, l'acciaio inossidabile austenitico ad alte prestazioni ha un grado di resistenza più elevato e una migliore resistenza alla tensocorrosione.

Struttura metallografica di acciaio inossidabile austenitico ad alte prestazioni al 6% di Mo, tutto composto da grani austenitici © TMR Stainless.

 

1.2 Acciaio inossidabile ferritico:

La microstruttura dell'acciaio inossidabile ferritico è la fase ferritica. L'acciaio inossidabile ferritico ha un contenuto di nichel basso o nullo ed è ferromagnetico. Non può essere indurito mediante trattamento termico. Le proprietà ferromagnetiche di questo tipo di acciaio inossidabile sono simili a quelle dell'acciaio al carbonio. L'acciaio inossidabile ferritico ha una buona resistenza e la resistenza alla tensocorrosione da cloruro è molto migliore dell'acciaio inossidabile austenitico standard della serie 300. Tuttavia, la loro formabilità e saldabilità sono scarse. La loro tenacità non è buona come l'acciaio inossidabile austenitico e diminuirà con l'aumentare dello spessore della sezione. Con la diminuzione della temperatura, l'acciaio inossidabile ferritico mostrerà un'evidente transizione duttile-fragile. Limitato da questi fattori, l'uso dell'acciaio inossidabile ferritico è solitamente limitato a prodotti con spessori di parete più sottili, come lastre sottili, nastri e tubi a parete sottile.

 

1.3 Acciaio inossidabile duplex:

L'acciaio inossidabile duplex è composto da fase ferrite e fase austenite, ciascuna delle quali rappresenta circa la metà. L'acciaio inossidabile duplex ha molte caratteristiche dell'acciaio inossidabile austenitico e ferritico. Sebbene il trattamento termico non possa indurire tali acciai, la loro resistenza allo snervamento è solitamente doppia rispetto a quella dell'acciaio inossidabile austenitico standard e la loro attrazione magnetica è proporzionale alla frazione volumetrica della fase ferrite. La proprietà duplex della struttura metallografica dell'acciaio inossidabile duplex rende la sua resistenza alla tensocorrosione migliore di quella dell'acciaio inossidabile austenitico standard.

 

1.4 Acciaio inossidabile martensitico:

La microstruttura dell'acciaio inossidabile martensitico è principalmente martensite, che può contenere una piccola quantità di fasi secondarie come ferrite, austenite e carburo. L'acciaio inossidabile martensitico è ferromagnetico e simile all'acciaio al carbonio. La durezza finale dipende dal trattamento termico specifico. L'acciaio inossidabile martensitico ha un'elevata resistenza, una buona resistenza all'usura, scarsa tenacità e un'elevata temperatura di transizione duttile-fragile. Sono difficili da saldare e generalmente richiedono un trattamento termico post-saldatura. Pertanto, l'acciaio inossidabile martensitico è generalmente limitato alle applicazioni non di saldatura. Il contenuto di cromo dell'acciaio inossidabile martensitico non è troppo elevato. Alcuni elementi di cromo precipitano sotto forma di carburi, determinando una bassa resistenza alla corrosione, generalmente inferiore a quella dell'acciaio inossidabile austenitico standard 304/304L. A causa della sua scarsa tenacità e resistenza alla corrosione, l'acciaio inossidabile martensitico viene generalmente utilizzato per applicazioni che richiedono elevata resistenza e durezza, come utensili, elementi di fissaggio e alberi.

 

1.5 Acciaio inossidabile indurito per precipitazione:

L'acciaio inossidabile indurito per precipitazione (PH) può anche essere rinforzato mediante trattamento termico. La caratteristica fondamentale di questo tipo di acciaio inossidabile è che il suo parziale rafforzamento è ottenuto per meccanismo di precipitazione. I precipitati intermetallici fini sono prodotti mediante trattamento termico di indurimento per invecchiamento per migliorare la resistenza. A causa dell'elevato contenuto di cromo, l'acciaio inossidabile indurito per precipitazione ha una migliore resistenza alla corrosione rispetto all'acciaio inossidabile martensitico ed è adatto per applicazioni ad alta resistenza che richiedono una buona resistenza alla corrosione. L'acciaio inossidabile indurente per precipitazione viene utilizzato principalmente per molle, dispositivi di fissaggio, parti di aeromobili, alberi, ingranaggi, soffietti e parti di motori a reazione.

 

2. Composizione della fase:

Gli elementi di lega influenzano la relazione di equilibrio di fase e hanno una forte influenza sulla stabilità delle fasi austenite, ferrite e martensite. Gli elementi aggiunti all'acciaio inossidabile possono essere suddivisi in elementi che formano la fase ferrite o elementi che formano la fase austenite. L'equilibrio di fase dipende dalla composizione chimica, dalla temperatura di ricottura e dalla velocità di raffreddamento dell'acciaio. La resistenza alla corrosione, la resistenza, la tenacità, la saldabilità e la formabilità sono tutte influenzate dall'equilibrio di fase.

Gli elementi formanti ferrite contribuiscono alla formazione della fase ferritica, mentre gli elementi formanti austenite promuovono la formazione della fase austenite. La Tabella 3 elenca gli elementi comuni che formano la fase di ferrite e austenite. Il grado di acciaio inossidabile e la sua applicazione determinano l'equilibrio di fase richiesto. La maggior parte degli acciai inossidabili austenitici standard ha una piccola quantità di fase ferritica durante la solubilizzazione. La solubilizzazione può migliorare la saldabilità e la tenacità ad alta temperatura. Tuttavia, se il contenuto di fase ferrite è troppo elevato, altre proprietà come la resistenza alla corrosione e la tenacità risulteranno ridotte. L'acciaio inossidabile austenitico ad alte prestazioni è progettato secondo tutte le fasi austenitiche in condizioni di solubilizzazione.

 

Per controllare la composizione di fase dell'acciaio e quindi le proprietà dell'acciaio, è necessario mantenere in equilibrio gli elementi di lega. Il diagramma della struttura di Schaeffler (Fig. 5) riflette la relazione tra la composizione chimica dell'acciaio inossidabile e la struttura di fase prevista nello stato di solidificazione, come rivelato dalla microstruttura della saldatura. In questo modo, gli utenti possono prevedere l'equilibrio di fase in base alla composizione chimica data. Calcola l '"equivalente di nichel" e l'"equivalente di cromo" dalla composizione chimica e disegnali nella figura. La formula dei parametri comuni dell'organigramma Schaeffler è la seguente:

Equivalente di nichel {{0}} percento Ni più 30 percento C più 0,5 percento Mn più 30 percento N

Equivalente di cromo{{0}} percento Cr più percento Mo più 1,5 percento Si più 0,5 percento Nb

Il tipico acciaio inossidabile austenitico ad alte prestazioni contiene circa il 20 percento di Cr, il 6 percento di Mo, il 20 percento di Ni e lo 0,2 percento di N, che si trova nella zona di fase austenitica monofase nella figura, vicino al "ferritico " linea con nichel equivalente di circa 24 e cromo equivalente di circa 26. Al contrario, la composizione chimica dell'acciaio inossidabile standard (come 304) corrisponde alla zona duplex di austenite più ferrite (A più F) con una piccola quantità di ferrite fase. L'acciaio inossidabile ferritico si trova nella zona di fase della ferrite nella figura e l'acciaio inossidabile duplex si trova nella zona duplex austenite più ferrite (A più F).