O material 14Cr17Ni2 pertence à categoria de aço inoxidável ferrítico martensítico e possui boa resistência à corrosão e altas propriedades mecânicas. É resistente a ácidos oxidantes e ácidos orgânicos em soluções aquosas.
Esta liga é comumente usada para fabricação de peças estruturais e peças de fixação que requerem resistência à corrosão. Os componentes estão sujeitos a tensão, cisalhamento e impacto e não devem apenas ter propriedades mecânicas convencionais, mas também boa resistência ao impacto.
No entanto, o processamento a quente de 14Cr17Ni2 é complicado e muitas vezes resulta em propriedades mecânicas não qualificadas. Segundo as estatísticas, a energia de impacto é afetada principalmente, o que aumenta os custos de produção, atrasa os prazos de entrega e causa perdas desnecessárias.
Esta postagem apresenta os resultados de pesquisas experimentais que comprovam que o 14Cr17Ni2 apresenta fragilidade óbvia na têmpera em temperaturas médias. O fenômeno da fragilidade do temperamento foi descoberto pela primeira vez durante a Primeira Guerra Mundial e foi referido como “doença de Krupp”.
As pequenas flutuações na composição química podem impactar significativamente a estrutura e as propriedades do aço, e as alterações no teor de carbono e cromo têm um efeito significativo na energia de impacto.
Portanto, na utilização prática, a composição deve ser controlada e ajustada de acordo com as condições e requisitos de aplicação. Onze fornos de barras forjadas da liga 14Cr17Ni2 com diferentes composições químicas foram tratados com o mesmo sistema de tratamento térmico, e foram realizados testes de impacto Charpy de corpos de prova com entalhe em U.
O impacto de diferentes composições químicas na energia de impacto foi comparado e analisado. Além disso, o teste de impacto Charpy de amostras com entalhe em U foi realizado após um forno de barras forjadas ter sido tratado com diferentes temperaturas de revenido, e o impacto de diferentes temperaturas de revenido na energia de impacto foi comparado.
Materiais e métodos de teste
11 fornos de 14Cr17Ni2 são utilizadas hastes forjadas em liga com diâmetro de 90 mm.
Consulte a Tabela 1 para a composição química.
Tabela 1 Composição química da haste forjada (% em peso)
| Número de série: | C | Cr | Não | Mn | Si | S | P |
| 0,11~0,17 | 16~18 | 1,5~2,5 | ≤0,8 | ≤0,8 | ≤0,015 | ≤0,03 | |
| 1 | 0,15 | 16.1 | 1,77 | 0,56 | 0,28 | 0,0018 | 0,022 |
| 2 | 0,14 | 16.2 | 1,77 | 0,56 | 0,28 | 0,0018 | 0,022 |
| 3 | 0,15 | 16.21 | 2.27 | 0,5 | 0,58 | 0,0018 | 0,02 |
| 4 | 0,16 | 16.3 | 2.23 | 0,37 | 0,054 | 0,0026 | 0,013 |
| 5 | 0,14 | 16h45 | 2.26 | 0,6 | 0,12 | 0,0004 | 0,022 |
| 6 | 0,14 | 16h46 | 2.27 | 0,62 | 0,15 | 0,0003 | 0,023 |
| 7 | 0,15 | 14h46 | 2,25 | 0,46 | 0,1 | 0,0024 | 0,012 |
| 8 | 0,14 | 16h47 | 2.3 | 0,34 | 2.3 | 0,0015 | 0,02 |
| 9 | 0,16 | 16h49 | 2.26 | 0,52 | 0,31 | 0,0018 | 0,013 |
| 10 | 0,15 | 16,5 | 2.23 | 0,24 | 0,51 | 0,0012 | 0,011 |
| 11 | 0,12 | 16.51 | 2,34 | 0,47 | 0,34 | 0,006 | 0,017 |
Para examinar a energia de impacto do 14Cr17Ni2 como resultado da temperatura de revenido, uma haste forjada nº 10 foi primeiro submetida a um tratamento térmico a 990 ℃ durante 1,5 horas usando resfriamento a óleo. Após a têmpera em óleo, a haste foi temperada mantendo-a em temperaturas de 300 ℃, 380 ℃, 400 ℃, 450 ℃, 520 ℃, 550 ℃, 600 ℃ e 680 ℃ por 4 horas e depois resfriada com água.
Para investigar o efeito da composição química do 14Cr17Ni2 na energia de impacto, 11 barras forjadas em forno foram submetidas a um tratamento térmico a 990°C por 1,5 horas usando resfriamento a óleo, seguido de revenido a 300°C e 520°C, respectivamente.
O tamanho da amostra para o teste de impacto do pêndulo Charpy, conforme método de materiais metálicos GB/T 229-2020, foi de 55 mm × 10 mm × 10 mm com entalhe em forma de U e foi realizado à temperatura ambiente na direção longitudinal.
A estrutura metalográfica foi observada utilizando um microscópio metalográfico Olympus Gx71.
O agente de corrosão utilizado foi uma mistura de CuCl2 (5g), HCl (100ml) e etanol (100ml).
Análise dos resultados dos testes
Efeito da temperatura de revenido na energia de impacto de 14Cr17Ni2
A Figura 1 mostra a energia de impacto do 14Cr17Ni2 sob diferentes temperaturas de revenido.
Ao comparar a relação entre diferentes temperaturas de revenido e energia de impacto, descobriu-se que dentro da faixa de revenido de 300°C a 450°C, a energia de impacto do material diminui significativamente de 100J para 19J.
Contudo, dentro da faixa de revenimento de 300°C a 680°C, a energia de impacto diminui inicialmente e depois aumenta. Ao revenir a 680°C, a energia de impacto aumenta para 78J, com o ponto mais baixo de energia de impacto em torno de 450°C a 19J.
Isto indica que o material apresenta fragilidade óbvia na têmpera. A faixa de temperatura para esta fragilidade de revenido é de 350°C a 550°C, e a temperatura de revenido tem um impacto significativo na energia de impacto do material.
Fig. 1 energia de impacto de 14Cr17Ni2 em diferentes temperaturas de revenido
Ao comparar a morfologia macroscópica da fratura sob diferentes temperaturas de revenido (Fig. 2 e Fig. 3), pode-se observar que a fratura revenida a 520 ℃ exibe uma fratura frágil intergranular típica. Isto é caracterizado por numerosas superfícies brilhantes, cada uma das quais corresponde a um limite de grão.
Por outro lado, a morfologia macroscópica da superfície de fratura temperada a 600 ℃ apresenta fratura dúctil, caracterizada por fratura transgranular e padrão de rio. Isto é evidente pela presença de covinhas claras e bordas de cisalhamento na superfície da fratura.
Fig. 2 macromorfologia da fratura sob diferentes temperaturas de revenido
Fig. 3 morfologia da fratura sob diferentes temperaturas de revenido
A microestrutura do 14Cr17Ni2 após a têmpera é composta de martensita e ferrita.
Após o revenido, a martensita sofre decomposição e formação de carbonetos, enquanto a ferrita permanece inalterada.
Quando revenido em temperaturas entre 200°C e 300°C, a precipitação de carbonetos na estrutura da matriz aumenta gradualmente e permanece finamente dispersa, resultando em alta energia de impacto.
A 350°C, uma quantidade limitada de carbonetos precipita nos limites dos grãos.
Entre 400°C e 550°C, a quantidade de carbonetos precipitados entre as ripas e nos limites dos grãos aumenta significativamente, levando a uma distribuição dispersa ao longo das ripas e dos limites dos grãos.
Este aumento da precipitação de carbonetos nos limites dos grãos leva a uma diminuição significativa na energia de impacto do aço e a uma tendência notável à fragilidade e fratura intergranular.
Quando a temperatura de revenido excede 600°C, os carbonetos começam a se dissolver e a fragilidade do aço é reduzida.
Efeito de elementos químicos na energia de impacto de 14Cr17Ni2
O aço 14Cr17Ni2 é um tipo de aço inoxidável ferrítico martensítico. Sua estrutura de estado temperado é composta por martensita, ferrita delta e austenita retida.
Durante o revenimento, os carbonetos M23C6 precipitam da martensita e da ferrita delta e se acumulam nos limites dos grãos. Isso resulta na decomposição da martensita em sorbita temperada.
A Figura 4 mostra a microestrutura metalográfica em diversas energias de impacto. Pode-se observar que a microestrutura metalográfica com energias de impacto de 52J e 35J possui granulometria grau 5. Porém, esta última apresenta maior número de partículas de carboneto precipitadas nos contornos de grão.
A presença destes carbonetos nos contornos dos grãos diminui significativamente a energia de impacto do aço, tornando-o mais frágil e sujeito a fraturas intergranulares.
Fig. 4 microestrutura metalográfica correspondente a diferentes energias de impacto
Os elementos primários da liga no 14Cr17Ni2 são C, Cr e Ni, enquanto o Si e o Mn têm um impacto mínimo na estrutura e nas propriedades do aço. A presença de Ni não tem efeito significativo na fragilidade da têmpera. A energia de impacto das peças forjadas de 14Cr17Ni2 é determinada principalmente pelo conteúdo de C e Cr, já que o carboneto de cromo influencia a energia de impacto.
Isso é demonstrado na Figura 5, que mostra a energia de impacto do 14Cr17Ni2 com níveis variados de C e Cr. A energia de impacto tanto a 300°C como a 520°C mostra uma tendência semelhante, reforçando a conclusão de que a energia de impacto das matérias-primas é o factor principal.
Fig. 5 energia de impacto de 14Cr17Ni2 com diferentes conteúdos C e Cr
É evidente na Figura 5 que a energia de impacto do 14Cr17Ni2 geralmente diminui à medida que o teor de Cr aumenta. Contudo, quando o teor de Cr permanece constante, a energia de impacto diminui à medida que o teor de C aumenta.
Conclusão
(1) A energia de impacto do 14Cr17Ni2 na faixa de revenimento de 300 ℃ a 680 ℃ tende a diminuir primeiro e depois a aumentar. O ponto mais baixo de energia de impacto ocorre em torno de 450 ℃, e o valor do impacto é geralmente baixo na faixa de 350 ℃ a 550 ℃, inferior a 39J (GJB 2294A-2014).
Isso indica que o material apresenta fragilidade significativa no revenido e que a temperatura do revenido tem um impacto significativo na sua energia de impacto. O intervalo de temperatura de 350 ℃ a 550 ℃ é considerado o intervalo de temperatura de fragilidade da têmpera para o material.
(2) A flutuação da composição química das matérias-primas afeta muito a energia de impacto do 14Cr17Ni2. À medida que o conteúdo dos elementos C e Cr aumenta, a energia de impacto do material mostra uma tendência geral decrescente.
(3) Para garantir a energia de impacto do 14Cr17Ni2 quando revenido a 350-540 ℃, o conteúdo dos elementos C e Cr na matéria-prima deve ser rigorosamente controlado.
