Influence sur la résistance à la chaleur des alliages

Acier inoxydable "de qualité alimentaire" 20x23n18

Il est fabriqué à partir d'un alliage réfractaire. Ses propriétés, comme celles des autres aciers résistants à la chaleur, sont étroitement liées à la taille des grains. La taille du grain détermine les processus électrochimiques qui se déroulent dans les zones de joints de grains et la distribution des impuretés autour du cristal. L'accumulation d'impuretés dans les volumes marginaux affaiblit les liaisons réfractaires entre les cristaux à haute température et peut entraîner une perte de résistance.

Influence de la taille des grains sur la résistance au fluage

Dans l'exemple de l'acier 12x18n10t, on a constaté qu'un alliage à gros grains présentait une résistance au fluage plus élevée qu'un alliage laminé à chaud à grains fins. À haute température, les alliages commencent à recristalliser. S'il s'agit d'alliages à gros grains, la pente des lignes du double diagramme n'est pas très forte, ce qui traduit une meilleure résistance au fluage. Les mêmes résultats ont été obtenus lors de l'essai de l'acier chrome-nickel 20x23n18 à gros grains, qui présente une plus grande résistance mais une faible ductilité.

Influence de la taille des grains sur la résistance

À température réduite et ambiante, les alliages à grains fins présentent des caractéristiques de résistance très élevées. À des températures élevées, les alliages à gros grains présentent une meilleure résistance, mais n'ont pas une ductilité suffisante. Cela s'applique aux alliages à structure austénitique et ferritique.

Effet des alliages étrangers dans les zones limites

Le mécanisme d'interaction des impuretés réfractaires n'est pas bien compris, mais il a été établi que les alliages contenant un pourcentage minimum de S, Pb, Bi, Sn, Sb présentent des propriétés réfractaires réduites. La présence de dix millièmes de plomb dans un alliage de nickel-chrome-titane 75-20-2,5 Ti avec 0,7% Al, réduit considérablement les propriétés de résistance à la chaleur de l'alliage. Les grains réfractaires cristallisent en premier lors de la solidification des alliages et les impuretés à bas point de fusion, qui ne se dissolvent pas, s'accumulent dans les zones limites. Elles ont un impact significatif sur la qualité des alliages coulés. Dans les alliages corroyés, l'affaiblissement de la résistance à des températures élevées peut être encore plus important en présence d'impuretés à bas point de fusion. Toutes les impuretés n'ont pas un effet délétère sur la résistance à la chaleur. Il existe un groupe d'éléments (tungstène, molybdène, niobium, bore) dont l'ajout aux alliages augmente la résistance des couches limites. Il est également nécessaire de prendre en compte les éventuels changements de concentration des éléments d'alliage dans la couche limite après diffusion ou la formation de nouvelles phases qui entraînent une perte de résistance à la chaleur et une réduction de la ductilité des alliages. La différence de taille des grains de l'acier 12x18n10t affecte les processus de précipitation du carbure de chrome sur les joints de grains et la tendance de l'acier à la corrosion intergranulaire.

D'autres alliages présentent des variations similaires dans la concentration de solution solide aux joints de grains. On peut le constater dans les différences d'attaquabilité des grains après homogénéisation des alliages à haute température et chauffage ultérieur dans la plage de température de fonctionnement.

Durcissement par dispersion

Ce processus est directement lié à la formation de phases de carbure et d'intermétallure dans les alliages réfractaires et dépend de la taille des grains. Les alliages austénitiques durcis à haute température avec une structure à gros grains démontrent clairement ce processus. Le durcissement par dispersion est très intensif sous l'action combinée de la contrainte et de la température, bien meilleur que sous l'action de la température seule. La quantité critique d'impuretés qui abaisse le point de fusion accélère la rupture des matériaux résistants à la chaleur.

Finesse du matériau

Les propriétés de résistance à la chaleur des alliages réfractaires fortement alliés sont gravement compromises par les matériaux à grains multiples dans lesquels des cristaux à grains fins et grossiers sont présents simultanément dans l'échantillon. Un tel mélange peut se produire dans les produits soumis à un traitement sous pression à chaud lorsque les alliages réfractaires sont soumis à des degrés critiques de déformation. Une structure à gros grains se forme là où la déformation plastique est difficile - lors du forgeage d'alliages résistants à la chaleur et lorsque les alliages sont inégalement refroidis pendant la déformation. Les alliages de même structure auront une résistance à la chaleur plus élevée que les alliages ayant une structure granulaire différente. Pour le ZI 437 à 700 °C avec une structure homogène et a=36 kG/mm2, la durée de la charge jusqu'à la rupture = 72 heures. La plupart des alliages ne se rompent pas avant 150-200 heures. Si le matériau a une structure hétérogène, la rupture des alliages se produit dans les 6 à 30 heures. En respectant le régime d'emboutissage exact, il est possible d'éviter l'apparition d'une hétérogénéité dans les pièces. L'hétérogénéité conduit à des propriétés instables et à une moindre résistance à la chaleur.

Poinçonnage

La plupart des alliages présentent de petites piqûres à l'intérieur des joints de grains. Dans la zone des gros grains, les ruptures de fils sont les plus fréquentes. L'étude des alliages a montré que les piqûres se produisent bien avant la rupture de l'alliage. Après l'apparition des premières fractures, la viabilité du matériau est considérablement réduite lorsque la température atteint 700-800 ºC et la contrainte 36/15 kG/mm2. Au départ, une rupture superficielle peu profonde se produit, puis, avec des essais prolongés, le nombre et la profondeur des ruptures augmentent progressivement. À la veille de la rupture, il y a des déchirures à l'intérieur du matériau qui ne sont pas visibles à la surface. Le plus grand nombre de ces déchirures se concentre à proximité du point de rupture. En général, le point de rupture ne coïncide pas avec les premières déchirures.

Métal à grains fins

Alors que les alliages à grains multiples cèdent sous la contrainte à des températures élevées, les alliages à grains fins s'allongent facilement sous cette contrainte. Par conséquent, les matériaux à gros grains et peu ductiles se fissurent aux limites des grains. C'est pourquoi les produits à structure homogène sont considérés comme plus durables.

Milieu gazeux

On a supposé que la formation de fissures dans l'alliage résultait de l'exposition à l'environnement gazeux. Pour vérifier cette hypothèse, une couche de nickel de 10 µm d'épaisseur a été appliquée à la surface. Le nickelage des échantillons a été effectué par voie galvanique. Les essais ont montré que les fissures dues au nickel ne différaient pas de celles des échantillons qui n'étaient pas protégés par du nickel.

Caractéristiques du traitement

Les alliages sont fortement influencés par l'état de surface, ce qui a été vérifié par des essais. La formation d'entailles se produit plus tôt en raison des concentrations de contraintes locales agissant sur les alliages. La macrostructure et la microstructure sont formées par les forces de déformation agissant sur l'alliage pendant le formage à chaud. La surchauffe des disques de turbine forgés à plus de 1160°C pour l'acier EI481 et à plus de 1170°C pour l'acier EI4376 a réduit les caractéristiques de résistance à la chaleur. Dans les deux cas, la surchauffe provoque un élargissement de la structure ainsi qu'une oxydation intergranulaire, difficile à distinguer au microscope. La surchauffe pendant le traitement thermique des alliages réfractaires complexes aura le même effet négatif. Par conséquent, le régime de température de production doit être strictement respecté.

Pendant le travail à chaud sous pression, l'alliage affine sa structure. Les alliages laminés et pressés à chaud ont une structure à grain fin et un état de contrainte. Si les alliages sont vieillis, ils atteignent des propriétés mécaniques élevées à différentes températures, mais à des températures très élevées, ces alliages ont une faible résistance. Cet effet est utilisé pour produire des alliages ayant des propriétés mécaniques plus élevées à des températures modérées. C'est ce que l'on appelle un traitement thermomécanique.

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