Diagrama de fase de balance multivariado relacionado con la soldadura de acero inoxidable

En el campo de la soldadura de acero inoxidable, los diagramas de fase equilibrados son las herramientas teóricas centrales para interpretar las leyes de cambio de fase, predecir microestructuras y optimizar los parámetros del proceso. Aunque el material base de acero inoxidable y el metal de relleno a menudo contienen más de diez elementos de aleación, y durante la soldaduraEl ciclo térmico extremo de la "calentamiento rápido - a alta temperatura de fusión - enfriamiento rápido" forma condiciones desiguales, lo que resulta en los diagramas de fase estándar que solo pueden aproximar la predicción de la estructura de soldadura, pero con la ayuda de los procedimientos de cálculo termodinámico, los diagramas de fase personalizados en los datos precisos pueden proporcionar orientación cuantitativa para el otrado de acero sin trabas. Entre ellos, el diagrama de fase binaria FE-CR, el diagrama de fase ternaria Fe-CR-C y el diagrama de fase ternaria Fe-CR-Ni son las tres bases centrales. Apoyan el diseño del proceso de soldadura de ferrita, martensita, austenita y acero inoxidable dúplex, que determinan directamente la estabilidad estructural y la confiabilidad del servicio de la articulación.

El diagrama de fase binaria Fe-CR es el punto de partida para comprender el equilibrio de fase del acero inoxidable, porque la ley de cambio de fase de su elemento de aleación de núcleo cromo es revelada completamente por este diagrama. La característica más crítica de este diagrama de fase es la "retícula de fase de γ": en el rango de temperatura de 912 ~ 1394 ℃, las aleaciones de contenido de bajo cromo formarán una región de austenita, y el contenido de cromo determina directamente la estructura de alta temperatura: cuando el contenido de cromo es ≤12%, la aleación es completamente austenita en este rango de temperatura y puede ser un enfriamiento rápido. Esta es la base de la estructura de alta resistencia que se puede obtener a través del enfriamiento después de la soldadura; Cuando el contenido de cromo está entre 12%~ 12.7%, se formará una estructura mixta de austenita y ferrita a alta temperatura. La velocidad de enfriamiento debe controlarse durante la soldadura para evitar la segregación de tejidos; Cuando el contenido de cromo es ≥12.7%, todo es ferrita a alta temperatura, y la soldadura necesita evitar la temperatura de calentamiento excesiva y causar granos gruesos. Además, el diagrama de fase Fe-CR también aclara los riesgos de dos fases de fragilidad de baja temperatura: una es la fase σ. El compuesto Fe-CR en esta estructura cristalina tetragonal se forma lentamente cuando el contenido de cromo es> 20%, y la temperatura es 600 ~ 800 ℃. Tiene alta dureza y alta fragilidad, lo que reducirá seriamente la dureza de la articulación. Por lo tanto, el acero inoxidable ferrita o dúplex debe enfriarse rápidamente después de soldar para omitir este rango de temperatura; La otra es la fase α ', cerca de 475 ℃, las aleaciones con contenido de cromo> 14% causarán "475 ℃ Facturitment" debido a la precipitación de los coprecipitados ricos en cromo. Los componentes de acero inoxidable soldado deben evitar servir en el rango de temperatura de 400 ~ 540 ℃ durante mucho tiempo para evitar la falla de la fragmentación.

El diagrama de fase ternaria Fe-CR-C es la clave para el diseño del proceso de soldadura del acero inoxidable de martensita y ferrita, porque el carbono, como un elemento de formación de austenita fuerte, cambiará significativamente el equilibrio de fase del sistema Fe-CR, expandirá el área de bucle de fase γ y permitirá altas aleaciones de cromium a altas austenitas a altos temperaturas. Para simplificar el análisis, generalmente se usa un "diagrama de fase pseudo-binario" con contenido de cromo fijo (como la sección transversal de Fe-C con contenido de cromo al 13%), lo que puede mostrar claramente el impacto del carbono en el tejido. Tome el diagrama de fase pseudo-binaria con el contenido de cromo del 13% como ejemplo: cuando el contenido de carbono es inferior al 0.1%, la aleación es ferrita completa a alta temperatura, y la estructura de la ferrita se puede retener después de un enfriamiento rápido. Esta es la base para mantener una buena resistencia a la corrosión después de la soldadura de acero inoxidable de ferrita; Cuando el contenido de carbono es superior al 0.1%, una estructura mixta entre austenita y ferrita se forma primero a alta temperatura, y después de enfriar por debajo de 1200 ℃, se transforma completamente en austenita. Después de un enfriamiento rápido, se forma martensite. Esta es la base del aumento de la resistencia a través del "apagado + emprendedor" después de la soldadura de acero inoxidable martensita. Al mismo tiempo, el diagrama de fase Fe-CR-C también muestra que después de agregar carbono, se precipitarán dos tipos de carburos: (Cr, Fe) ₂₃C₆ y (Cr, Fe) ₇C₃, especialmente aleaciones de alto cromo. La región de fase de ferrita se expande y se requiere un mayor contenido de carbono para formar austenita. Si el contenido de carbono se controla de manera incorrecta durante la soldadura, es fácil hacer que los carburos precipiten los límites del grano y causen corrosión intergranular. Por lo tanto, el diagrama de fase debe coincidir con precisión con la relación de carbono a cromo, y equilibrar la resistencia y la resistencia a la corrosión.

El diagrama de fase ternaria Fe-C-ni es el soporte teórico central para la soldadura de austenita y acero inoxidable dúplex. Como un elemento estabilizador de austenita, el níquel puede expandir la región de fase de austenita y mantenerla estable a temperatura ambiente. Esta característica es la base estructural del acero inoxidable de austenita, como 304 y 316, y el acero inoxidable dúplex como 2205. El diagramas de proyección de fase líquida y sólida de este diagrama de fase puede interpretar claramente el comportamiento de solidificación de la aleación: la curva negra gruesa en el diagrama de proyección de fase líquida se divide en dos áreas: "ferrita de precipitación inicial" y "austenita inicial". Hay puntos eutécticos ternarios cercanos al punto de componente 48CR-44NI-8FE, que formará una estructura eutéctica especial cuando se solidifique; Las dos curvas negras gruesas en el diagrama de proyección de fase sólida son las regiones bifásicas de austenita y ferrita. La dirección de la flecha representa la tendencia de caída de temperatura, y la proporción bifásica se puede controlar a través del ajuste de los componentes durante la soldadura. El diagrama de fase pseudo-binaria con contenido de hierro fijo (como la sección transversal de Cr-Ni con contenido de hierro al 70%) es más intuitiva: la región triangular entre la línea de fase continua y la línea de fase líquida es la región trifásica "Austenítica + ferrita + fase líquida". La aleación a la izquierda permanece austenita después de la solidificación, y la aleación a la derecha es principalmente ferrita después de la solidificación. Para el acero inoxidable dúplex, los componentes deben estar cerca del límite derecho de la zona trifásica. La ferrita se precipita primero a alta temperatura. Durante el proceso de enfriamiento, parte de la ferrita se convierte en austenita, y finalmente se forma una estructura bifásica de austenita de 1: 1 ± 10%. Si los componentes se desvían de este rango, conducirá a una ferrita excesiva (menor dureza) o austenita excesiva (resistencia insuficiente). Durante la soldadura, la relación CR/Ni debe controlarse estrictamente en función del diagrama de fase.

A medida que el sistema de aleación de acero inoxidable se vuelve más complejo, las limitaciones de los diagramas de fase tradicionales emergen gradualmente, yLos diagramas de fase personalizados construidos por el software de cálculo termodinámico, como el termocalcal, proporcionan una guía más precisa para soldadura especial de acero inoxidable. Además, el cálculo del gráfico de fase también puede generar una curva de "fase de fracción de volumen". El valor central de estos diagramas de fase para la soldadura de acero inoxidable se refleja en"Predicción de enseñanza - Prevención y control de defectos - Optimización del proceso - Composición de composición" Cuatro dimensiones: en términos de predicción del tejido, la composición de fase de la soldadura y la zona afectada por el calor se puede predecir a través del diagrama de fase, como si el acero austenita precipitará la ferrita y si el acero dúplex tendrá fases σ, evitando el riesgo de imbalance de los tejidos en el avance; En términos de prevención y control de defectos, la velocidad de enfriamiento de soldadura se puede determinar en función del diagrama de fase para evitar el fragilización de fase σ, el fragilidad de 475 ° C y la corrosión intergranular causada por los carburos y reducir las grietas de soldadura; En términos de optimización del proceso, el diagrama de fase define claramente los parámetros de temperatura clave y guía la configuración de la entrada de calor de soldadura y los parámetros de tratamiento térmico posterior a la solilla; En términos de coincidencia de componentes, la relación de elementos del material base al metal de relleno se puede optimizar a través del diagrama de fase, como el contenido de carbono del acero martensita y la relación CR/Ni del acero dúplex para garantizar que el rendimiento de la articulación coincida con el material base.

En campos estrictos como la industria química, la energía nuclear y la ingeniería marina, la seguridad y la efectividad a largo plazo de las estructuras soldadas de acero inoxidable dependen completamente de la orientación científica de los diagramas de fase. Ya sea para evitar la corrosión intergranular después de soldar acero austenítico o evitar el fragilización después de la soldadura de acero dúplex, el diagrama de fase está conectado.El puente clave del "diseño de composición - implementación del proceso - garantía de rendimiento". Con el desarrollo continuo de la tecnología de computación termodinámica, la guía de los diagramas de fase sobre la soldadura de acero inoxidable será más precisa, proporcionando un apoyo teórico más sólido para la investigación y el desarrollo y la aplicación de estructuras de soldadura de acero inoxidable de alta gama.