Diagramme de phase d'équilibre multivariée lié au soudage en acier inoxydable

Dans le domaine du soudage en acier inoxydable, les diagrammes de phase équilibrés sont les outils théoriques principaux pour interpréter les lois sur le changement de phase, la prédiction des microstructures et l'optimisation des paramètres du processus. Bien que le matériau de base en acier inoxydable et le métal de remplissage contiennent souvent plus de dix éléments en alliage, et pendant le soudageLe cycle thermique extrême du "chauffage rapide - Feu à haute température - refroidissement rapide" forme des conditions inégales, résultant en les diagrammes de phase standard qui ne peuvent qu'approcher la prédiction de la structure de soudure, mais à l'aide de procédures de calcul thermodynamique, les diagrammes de phase personnalisés construits sur des données précises peuvent fournir un guidage quantitatif pour le soulagement de l'acier inoxydable. Parmi eux, le diagramme de phase binaire Fe-Cr, le diagramme de phase ternaire Fe-Cr-C et le diagramme de phase ternaire Fe-Cr-Ni sont les trois fondations de base. Ils soutiennent la conception du processus de soudage de la ferrite, de la martensite, de l'austénite et de l'acier inoxydable duplex, qui déterminent directement la stabilité structurelle et la fiabilité du service de l'articulation.

Le diagramme de phase binaire FE-CR est le point de départ pour comprendre l'équilibre de la phase de l'acier inoxydable, car la loi de changement de phase de son chrome d'élément alliage central est entièrement révélée par ce diagramme. La caractéristique la plus critique de ce diagramme de phase est le "réticule de phase γ" - dans la plage de température de 912 ~ 1394 ℃, les alliages de faible teneur en chrome formeront une région d'austénite, et la teneur en chrome détermine directement la structure à haute température: lorsque la teneur en chrome est ≤ 12%, l'alliage est entièrement refroidi dans cette gamme de température et qu'elle peut être convertie dans la proximité. Il s'agit de la base de la structure à haute résistance qui peut être obtenue par extinction après le soudage; Lorsque la teneur en chrome se situe entre 12% ~ 12,7%, une structure mixte d'austénite et de ferrite sera formée à haute température. La vitesse de refroidissement doit être contrôlée pendant le soudage pour éviter la ségrégation des tissus; Lorsque la teneur en chrome est ≥12,7%, tout est de ferrite à haute température et le soudage doit éviter une température de chauffage excessive et provoquer des grains grossiers. De plus, le diagramme de phase Fe-Cr clarifie également les risques de deux phases d'embrimance à basse température: l'une est la phase σ. Le composé Fe-Cr dans cette structure cristalline tétragonale se forme lentement lorsque la teneur en chrome est> 20% et la température est de 600 ~ 800 ℃. Il a une dureté élevée et une forte fragilité, ce qui réduira sérieusement la ténacité de l'articulation. Par conséquent, la ferrite ou l'acier inoxydable duplex doit être refroidie rapidement après le soudage pour ignorer cette plage de températures; L'autre est la phase α ′, près de 475 ℃, les alliages avec une teneur en chrome> 14% provoqueront "475 ℃ fracastement" en raison de la précipitation des co-précipités riches en chrome. Les composants en acier inoxydable soudé doivent éviter de servir dans la plage de température de 400 ~ 540 ℃ pendant une longue période pour éviter la rupture de fragilisation.

Le diagramme de phase ternaire Fe-Cr-C est la clé de la conception du processus de soudage de l'acier inoxydable à la martensite et de la ferrite, car le carbone, en tant qu'élément de formation à l'austénite fort, modifiera considérablement l'équilibre de phase du système FE-CR, étend la zone de boucle en phase γ et permettra des alliages de chrome élevés pour stabiliser l'austénite à des températures élevées. Pour simplifier l'analyse, un "diagramme de phase pseudo-binaire" avec une teneur en chrome fixe (tel que la section transversale FE-C avec une teneur en chrome de 13%) est généralement utilisé, ce qui peut clairement montrer l'impact du carbone sur le tissu. Prenez le diagramme de phase pseudo-binaire avec une teneur en chrome de 13% par exemple: lorsque la teneur en carbone est inférieure à 0,1%, l'alliage est complet à la ferrite à haute température et la structure de ferrite peut être conservée après un refroidissement rapide. C'est la base pour maintenir une bonne résistance à la corrosion après le soudage de l'acier inoxydable en ferrite; Lorsque la teneur en carbone est supérieure à 0,1%, une structure mixte entre l'austénite et la ferrite est d'abord formée à haute température, et après refroidissement en dessous de 1200 ℃, il se transforme complètement en austénite. Après refroidissement rapide, la martensite est formée. Ceci est la base de l'augmentation de la résistance par "trempe + déemploi" après le soudage de l'acier inoxydable à martensite. Dans le même temps, le diagramme de phase Fe-Cr-C montre également qu'après avoir ajouté du carbone, deux types de carbures seront précipités - (Cr, Fe) ₂₃C₆ et (Cr, Fe) ₇c₃, en particulier les alliages de chrome élevés. La région de phase de ferrite est élargie et une teneur en carbone plus élevée est nécessaire pour former de l'austénite. Si la teneur en carbone est mal contrôlée pendant le soudage, il est facile de provoquer des carbures à précipiter aux fruits des grains et à provoquer une corrosion intergranulaire. Par conséquent, le diagramme de phase doit être adapté avec précision au rapport du carbone / du chrome, et de la résistance à l'équilibre et de la résistance à la corrosion.

Le diagramme de phase ternaire Fe-Cr-Ni est le support théorique central pour le soudage de l'austénite et de l'acier inoxydable duplex. En tant qu'élément de stabilisation de l'austénite, le nickel peut étendre la région de la phase d'austénite et le maintenir stable à température ambiante. Cette caractéristique est la base structurelle de l'acier inoxydable à l'austénite tel que 304 et 316, et de l'acier inoxydable duplex tel que 2205. Les diagrammes de projection de phase liquide et solide de ce diagramme de phase peuvent clairement interpréter le comportement de solidification de l'alliage: la courbe noire épaisse dans le diagramme de projection de phase liquide divise l'alliage en deux zones: "précipitation initiale ferrite" et "précipitation initiale de précipitation". Il existe des points eutectiques ternaires près du point de composant 48CR-44NI-8FE, qui formera une structure eutectique spéciale lorsqu'elle est solidifiée; Les deux courbes noires épaisses dans le diagramme de projection de phase solide sont les régions biphasiques de l'austénite et de la ferrite. La direction de la flèche représente la tendance de la chute de température et la proportion biphasique peut être contrôlée par ajustement des composants pendant le soudage. Le diagramme de phase pseudo-binaire avec une teneur en fer fixe (comme la coupe transversale Cr-Ni avec une teneur en fer à 70%) est plus intuitif: la région triangulaire entre la ligne de phase solide et la ligne de phase liquide est la région triphasée "austénitique + ferrite + liquide". L'alliage à gauche reste de l'austénite après solidification, et l'alliage à droite est principalement de la ferrite après solidification. Pour l'acier inoxydable duplex, les composants doivent être proches de la limite droite de la zone triphasée. La ferrite est d'abord précipitée à haute température. Pendant le processus de refroidissement, une partie de la ferrite est convertie en austénite, et enfin une structure biphasique à austénite 1: 1 ± 10% est formée. Si les composants s'écartent de cette plage, cela entraînera une ferrite excessive (ténacité diminuée) ou une austénite excessive (résistance insuffisante). Pendant le soudage, le rapport Cr / Ni doit être strictement contrôlé en fonction du diagramme de phase.

À mesure que le système en alliage en acier inoxydable devient plus complexe, les limites des diagrammes de phase traditionnelles émergent progressivement et émergent et émergent progressivement etLes diagrammes de phase personnalisés construits par des logiciels de calcul thermodynamique tels que le thermocalc fournissent des conseils plus précis pour le soudage spécial en acier inoxydable. De plus, le calcul du graphique de phase peut également générer une courbe "de température de fraction de phase volume de phase". La valeur fondamentale de ces diagrammes de phase pour le soudage en acier inoxydable se reflète dans"Prédiction de l'enseignement - prévention des défauts et contrôle - optimisation des processus - correspondance de la composition" quatre dimensions: en termes de prédiction tissulaire, la composition de phase de la soudure et de la zone touchée par la chaleur peut être prédite à travers le diagramme de phase, tel que si l'acier d'austénite précipitera la ferrite et si l'acier duplex aura des phases σ, évitant le risque de l'ilbalance tissulaire à l'avance; En termes de prévention et de contrôle des défauts, la vitesse de refroidissement du soudage peut être déterminée sur la base du diagramme de phase pour éviter la fragilisation de la phase σ, une fragilisation de 475 ° C et une corrosion intergranulaire causée par les carbures et la réduction des fissures de soudage; En termes d'optimisation du processus, le diagramme de phase définit clairement les paramètres de température clés et guide le réglage de l'entrée de chaleur de soudage et les paramètres de traitement thermique post-affichés; En termes de correspondance des composants, le rapport d'élément du matériau de base au métal de remplissage peut être optimisé par le diagramme de phase, tel que la teneur en carbone de l'acier martensite et le rapport CR / Ni de l'acier duplex pour garantir que les performances articulaires correspondent au matériau de base.

Dans des domaines stricts tels que l'industrie chimique, l'énergie nucléaire et l'ingénierie maritime, la sécurité et l'efficacité à long terme des structures soudées en acier inoxydable s'appuient entièrement sur la direction scientifique des diagrammes de phase. Qu'il s'agisse d'éviter la corrosion intergranulaire après le soudage de l'acier austénitique ou pour éviter une fragilisation après le soudage de l'acier duplex, le diagramme de phase est connecté.Le pont clé de "Conception de la composition - implémentation du processus - assurance des performances". Avec le développement continu de la technologie informatique thermodynamique, le guidage des diagrammes de phase sur le soudage en acier inoxydable sera plus précis, offrant un support théorique plus solide pour la recherche et le développement et l'application de structures de soudage en acier inoxydable haut de gamme.