Guía de acero inoxidable austenítico de alto rendimiento -- Resumen metalúrgico
Feb 02, 2023
1. Tipos de acero inoxidable
El acero inoxidable es una aleación a base de hierro con un contenido de cromo no inferior al 10,5 por ciento. Es ampliamente utilizado debido a su buena resistencia a la corrosión y rendimiento a altas temperaturas. Cuando el contenido de cromo alcance el 10,5 por ciento, se formará una capa de óxido rico en cromo en la superficie del acero, que se denomina capa de pasivación o película de pasivación. Esta película protege el acero inoxidable de la oxidación como el acero ordinario. Hay muchos tipos de acero inoxidable, pero todo el acero inoxidable debe cumplir con el requisito mínimo de contenido de cromo.
El acero inoxidable se divide en cinco categorías: acero inoxidable austenítico, acero inoxidable ferrítico, acero inoxidable dúplex (con estructura mixta de ferrita y austenita), acero inoxidable martensítico y acero inoxidable de endurecimiento por precipitación. La clasificación de estas categorías está relacionada con la estructura cristalina (disposición atómica) y el tratamiento térmico del acero inoxidable. Un grupo de cristales con la misma estructura cristalina en un metal se llama fase. Hay tres fases principales en el acero inoxidable: austenita, ferrita y martensita. El tipo y la cantidad de estructura metalográfica del acero inoxidable se pueden determinar mediante un proceso de inspección metalográfica estándar y un microscopio metalográfico óptico.
La característica del acero inoxidable austenítico es que la estructura metalográfica es principalmente austenítica. La estructura cristalina de la fase austenita es una estructura cúbica centrada en las caras (fcc), es decir, hay un átomo en cada esquina y centro de cada cara del cubo. Por el contrario, la estructura cristalina de la fase de ferrita es una estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc), con un átomo en cada esquina y centro del cubo. La estructura cristalina de la fase de martensita es una estructura tetragonal centrada en el cuerpo de alta tensión.
La estructura cristalina de la fase austenita es una red cúbica centrada en las caras (fcc), la fase de ferrita es una red cúbica centrada en el cuerpo (bcc) y la fase martensita es una red tetragonal centrada en el cuerpo (bct).
1.1 Acero inoxidable austenítico:
El acero inoxidable austenítico no tiene magnetismo, límite elástico medio, alta tasa de endurecimiento por trabajo, alta resistencia a la tracción, buena plasticidad y excelente tenacidad a baja temperatura. A diferencia de otros aceros inoxidables, la tenacidad de los aceros inoxidables austeníticos disminuye lentamente con la disminución de la temperatura. El acero inoxidable austenítico no tiene una temperatura de transición dúctil-frágil definida (DBTT), por lo que es un material ideal para aplicaciones de baja temperatura.
Diagrama de la temperatura de transición dúctil-frágil (DBTT) del acero inoxidable austenítico, ferrítico y dúplex (austenítico-ferrítico). El DBTT real depende del espesor de la sección, la composición química y el tamaño del grano. El DBTT del acero inoxidable ferrítico es generalmente de 20 a - 30 grados C (70 a - 22 grados F).
El acero inoxidable austenítico tiene buena soldabilidad y se puede fabricar en varias formas complejas. Esta serie de aceros inoxidables no se puede endurecer ni reforzar mediante tratamiento térmico, pero se puede reforzar mediante conformado en frío o endurecimiento por trabajo (ver ASTM A666). El acero inoxidable austenítico, especialmente el acero inoxidable austenítico estándar, tiene una desventaja potencial, es decir, en comparación con el acero inoxidable ferrítico y el acero inoxidable dúplex, es propenso al agrietamiento por corrosión bajo tensión por cloruro.
La serie 300 o el acero inoxidable austenítico estándar generalmente contienen entre un 8 y un 11 por ciento de níquel y entre un 16 y un 20 por ciento de cromo. La estructura metalográfica del acero inoxidable austenítico estándar se compone principalmente de granos austeníticos y contiene una pequeña cantidad (generalmente del 1 al 5 por ciento) de la fase de ferrita δ (Fig. 3). Debido a la presencia de la fase ferrita, estos aceros inoxidables austeníticos tienen poco magnetismo.
La estructura metalográfica típica del acero inoxidable 304L forjado está compuesta por granos austeníticos y tiras individuales de ferrita © TMR Stainless.
En comparación con el acero inoxidable de la serie 300, el acero inoxidable austenítico de la serie 200 tiene un contenido de Ni más bajo, pero un contenido de Mn y N más alto. La resistencia y el coeficiente de endurecimiento por deformación del acero inoxidable de la serie 200 son más altos que los del acero inoxidable de la serie 300. Debido al bajo contenido de níquel, el acero inoxidable de la serie 200 se usa a veces como un sustituto económico del acero inoxidable de la serie 300.
La microestructura del acero inoxidable austenítico de alto rendimiento es toda fase austenítica sin ferromagnetismo (Fig. 4). En comparación con el acero inoxidable austenítico estándar, el acero inoxidable austenítico de alto rendimiento contiene más elementos de níquel, cromo y molibdeno, y generalmente contiene nitrógeno. Estos aceros inoxidables tienen una fuerte resistencia a la corrosión en ambientes corrosivos como ácidos fuertes, álcalis fuertes y medios con alto contenido de cloruro, que incluyen agua salobre, agua de mar y agua salada. En comparación con el acero inoxidable austenítico estándar, el acero inoxidable austenítico de alto rendimiento tiene un mayor grado de resistencia y una mejor resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión.
Estructura metalográfica de acero inoxidable austenítico de alto rendimiento con un 6 por ciento de Mo, todo compuesto por granos austeníticos © TMR Stainless.
1.2 Acero inoxidable ferrítico:
La microestructura del acero inoxidable ferrítico es la fase de ferrita. El acero inoxidable ferrítico tiene poco o ningún contenido de níquel y es ferromagnético. No puede ser endurecido por tratamiento térmico. Las propiedades ferromagnéticas de este tipo de acero inoxidable son similares a las del acero al carbono. El acero inoxidable ferrítico tiene buena resistencia y la resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión de cloruro es mucho mejor que el acero inoxidable austenítico estándar de la serie 300. Sin embargo, su conformabilidad y soldabilidad son pobres. Su tenacidad no es tan buena como la del acero inoxidable austenítico y disminuirá con el aumento del espesor de la sección. Con la disminución de la temperatura, el acero inoxidable ferrítico mostrará una evidente transición dúctil-frágil. Limitado por estos factores, el uso de acero inoxidable ferrítico generalmente se limita a productos con espesores de pared más delgados, como placas delgadas, tiras y tubos de paredes delgadas.
1.3 Acero inoxidable dúplex:
El acero inoxidable dúplex se compone de fase de ferrita y fase de austenita, cada una de las cuales representa aproximadamente la mitad. El acero inoxidable dúplex tiene muchas características del acero inoxidable austenítico y ferrítico. Aunque el tratamiento térmico no puede endurecer dichos aceros, su límite elástico suele ser el doble que el del acero inoxidable austenítico estándar y su atracción magnética es proporcional a la fracción de volumen de la fase de ferrita. La propiedad dúplex de la estructura metalográfica del acero inoxidable dúplex hace que su resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión sea mejor que la del acero inoxidable austenítico estándar.
1.4 Acero inoxidable martensítico:
La microestructura del acero inoxidable martensítico es principalmente martensita, que puede contener una pequeña cantidad de fases secundarias como ferrita, austenita y carburo. El acero inoxidable martensítico es ferromagnético y similar al acero al carbono. La dureza final depende del tratamiento térmico específico. El acero inoxidable martensítico tiene alta resistencia, buena resistencia al desgaste, baja tenacidad y alta temperatura de transición dúctil-frágil. Son difíciles de soldar y generalmente requieren un tratamiento térmico posterior a la soldadura. Por lo tanto, el acero inoxidable martensítico generalmente se limita a aplicaciones que no son de soldadura. El contenido de cromo del acero inoxidable martensítico no es demasiado alto. Algunos elementos de cromo precipitan en forma de carburos, lo que da como resultado una baja resistencia a la corrosión, generalmente inferior a la del acero inoxidable austenítico estándar 304/304L. Debido a su poca tenacidad y resistencia a la corrosión, el acero inoxidable martensítico se usa generalmente para aplicaciones que requieren alta resistencia y dureza, como herramientas, sujetadores y ejes.
1.5 Acero inoxidable endurecido por precipitación:
El acero inoxidable endurecido por precipitación (PH) también se puede fortalecer mediante tratamiento térmico. La característica básica de este tipo de acero inoxidable es que su fortalecimiento parcial se logra por mecanismo de precipitación. Los precipitados intermetálicos finos se producen mediante un tratamiento térmico de endurecimiento por envejecimiento para mejorar la resistencia. Debido al alto contenido de cromo, el acero inoxidable endurecido por precipitación tiene mejor resistencia a la corrosión que el acero inoxidable martensítico y es adecuado para aplicaciones de alta resistencia que requieren una buena resistencia a la corrosión. El acero inoxidable endurecido por precipitación se utiliza principalmente para resortes, sujetadores, piezas de aeronaves, ejes, engranajes, fuelles y piezas de motores a reacción.
2. Composición de fase:
Los elementos de aleación afectan la relación de equilibrio de fase y tienen una fuerte influencia en la estabilidad de las fases austenita, ferrita y martensita. Los elementos agregados al acero inoxidable se pueden dividir en elementos que forman la fase de ferrita o elementos que forman la fase de austenita. El equilibrio de fase depende de la composición química, la temperatura de recocido y la velocidad de enfriamiento del acero. La resistencia a la corrosión, la resistencia, la tenacidad, la soldabilidad y la conformabilidad se ven afectadas por el equilibrio de fase.
Los elementos formadores de ferrita contribuyen a la formación de la fase ferrita, mientras que los elementos formadores de austenita promueven la formación de la fase austenita. La Tabla 3 enumera los elementos formadores de fase de ferrita y austenita comunes. El grado de acero inoxidable y su aplicación determinan el balance de fase requerido. La mayoría de los aceros inoxidables austeníticos estándar tienen una pequeña cantidad de fase de ferrita durante el recocido en solución. El recocido de solución puede mejorar la soldabilidad y la tenacidad a alta temperatura. Sin embargo, si el contenido de la fase de ferrita es demasiado alto, se reducirán otras propiedades como la resistencia a la corrosión y la tenacidad. El acero inoxidable austenítico de alto rendimiento está diseñado de acuerdo con todas las fases austeníticas en condiciones de recocido en solución.
Para controlar la composición de fase del acero y por lo tanto las propiedades del acero, es necesario mantener los elementos de aleación en equilibrio. El diagrama de estructura de Schaeffler (Fig. 5) refleja la relación entre la composición química del acero inoxidable y la estructura de fase esperada en el estado de solidificación, como lo revela la microestructura de la soldadura. De esta forma, los usuarios pueden predecir el equilibrio de fase en función de la composición química dada. Calcula el "equivalente de níquel" y el "equivalente de cromo" a partir de la composición química y dibújalos en la figura. La fórmula de parámetros comunes del organigrama de Schaeffler es la siguiente:
Equivalente de níquel{{0}} por ciento de Ni más 30 por ciento de C más 0,5 por ciento de Mn más 30 por ciento de N
Equivalente de cromo{{0}} por ciento de Cr más por ciento de Mo más 1,5 por ciento de Si más 0,5 por ciento de Nb
El acero inoxidable austenítico típico de alto rendimiento contiene alrededor de 20 por ciento de Cr, 6 por ciento de Mo, 20 por ciento de Ni y 0,2 por ciento de N, que se encuentra en la zona de fase austenítica monofásica de la figura, cerca de la "zona ferrítica". línea con equivalente de níquel de aproximadamente 24 y equivalente de cromo de aproximadamente 26. Por el contrario, la composición química del acero inoxidable estándar (como el 304) corresponde a la zona dúplex de austenita más ferrita (A más F) con una pequeña cantidad de ferrita fase. El acero inoxidable ferrítico está en la zona de fase de ferrita en la figura, y el acero inoxidable dúplex está en la zona dúplex de austenita más ferrita (A más F).
