17-4ph en acier inoxydable (ASTM) est un type de durcissement des précipitations martensitique, équivalent à la norme nationale 05CR17NI4CU4NB. Ce type d'acier inoxydable a une faible teneur en carbone et une teneur élevée en Ni et Cr, ce qui le rend hautement soudable et résistant à la corrosion. De plus, l'acier contient un niveau élevé d'éléments d'alliage tels que Cu et NB. Ces éléments précipitent les phases ε-CU, NBC et M23C6 pendant le traitement thermique, améliorant la résistance et la dureté du matériau. En raison de ces avantages, l'acier inoxydable durcissant les précipitations martensitiques 17-4ph est largement utilisé dans les industries de l'aviation, de l'aérospatiale, des produits chimiques et nucléaires. Les propriétés mécaniques de l'acier inoxydable durci par les précipitations sont considérablement influencées par son état de traitement thermique. Le processus de traitement thermique conventionnel pour l'acier inoxydable durcissant les précipitations martensitiques 17-4ph implique un traitement en solution suivi d'un traitement vieillissant. En ajustant la microstructure et en contrôlant la précipitation des phases, la résistance, la dureté et la résistance à la corrosion peuvent être améliorées. Actuellement, la recherche sur les processus de traitement thermique de l'acier inoxydable 17-4ph a atteint un niveau élevé de maturité. Cet article résume et discute brièvement des performances et des mécanismes sous différents processus de traitement thermique.

1.Héminent de 17-4ph en acier inoxydable

17-4ph Le point de transformation martensitique de l'acier inoxydable est au-dessus de la température ambiante. Après le traitement de la solution, la structure matricielle est essentiellement martensitique et sa force a été très élevée. Différents traitements de vieillissement peuvent être effectués sur la base du traitement de la solution pour améliorer la résistance du matériel et répondre aux besoins de diverses pratiques de production.

The chemical composition of 17-4PH stainless steel (by mass fraction,%) is as follows: ≤0.07% carbon (C), ≤1.0% 00Mn,≤1.00Si, ≤0.023% phosphorus (P), ≤0.03% sulfur (S), 15.50 to 17.50% chromium (Cr), 3.00 to 5.00% nickel (Ni), 3.00 à 5,00% de cuivre (Cu) et de 0,15 à 0,45% de niobium (NB). Les principaux éléments de durcissement des précipitations sont le cuivre et le niobium, avec certains cas, y compris l'aluminium et le titane. Ces éléments sont utilisés pour réaliser le processus de renforcement en utilisant leur solubilité. Lorsque l'acier inoxydable 17-4ph est chauffé à sa température d'austénite, la solubilité plus élevée de ces éléments de renforcement dans l'austénite et la solubilité inférieure dans la martensite conduit à la formation d'une structure martensitique sursaturée avec du cuivre et du niobium. La martensite elle-même a une forte résistance et une ténacité, offrant un certain niveau de renforcement. Après le traitement du vieillissement, le cuivre sursaturé et le niobium se dissolvent dans la matrice, améliorant davantage la résistance du matériau. Par conséquent, diverses exigences de performance peuvent être satisfaites par différents processus de traitement thermique.

1. Traitement de la solution solide Le traitement de la solution solide est un processus de traitement thermique essentiel pour l'acier 17-4ph. Pendant le traitement de la solution solide, la température de chauffage devrait garantir que les éléments du carbone et de l'alliage sont complètement dissous en austénite, mais il ne devrait pas être trop élevé. Pour 17-4ph en acier, AC1 est d'environ 670 ℃, AC3 est d'environ 740 ℃, MS est de 80 à 140 ℃ et MF est d'environ 32 ℃. Par conséquent, la norme recommande une température de traitement de la solution solide de 1020 à 1060 ℃. Différentes températures de solution solide entraînent différentes microstructures et propriétés. Zhao liping, du dommage et d'autres ont étudié la microstructure et les propriétés de l'acier 17-4ph à différentes températures de solution solide, en sélectionnant des températures de traitement de 1000 1040 et 1080 ℃. L'étude a révélé qu'après un traitement de solution solide de 1040 ℃, les échantillons avaient la dureté la plus élevée. En effet, lorsque la température de traitement de la solution solide est basse, la austénite formée pendant le chauffage est inégale et les carbures en alliage dissous sont minimes, conduisant à une dureté de martensite plus faible après extinction. Lorsque la température de traitement de la solution solide est élevée, les grains deviennent plus grossiers et plus de carbures en alliage se dissolvent en austénite, augmentant la stabilité de l'austénite et abaissant le point de transformation de la martensite. En conséquence, la quantité de martensite diminue après la trempe, la quantité d'austénite résiduelle augmente et la dureté diminue. De plus, des températures de chauffage excessivement élevées peuvent entraîner une teneur en ferrite plus élevée dans la structure de la solution solide, affectant l'effet de renforcement final. Par conséquent, il est essentiel de sélectionner la température de traitement de la solution solide appropriée pour assurer les propriétés souhaitées. En raison de la présence de chrome et de nickel en acier 17-4ph, il peut former de la martensite lorsqu'il est refroidi par air. Cependant, pour obtenir une structure de solution solide plus fine, un meilleur renforcement et une ductilité et une ténacité améliorées, le refroidissement de l'huile est couramment utilisé dans la production. La microstructure après le traitement en solution se compose de plaques bainitiques à faible teneur en carbone contenant du cuivre sursaturé et du niobium. Parfois, en raison de la trempe insuffisante ou des températures de chauffage excessivement élevées, une petite quantité d'austénite résiduelle et de ferrite peut rester.

L'acier 17-4ph doit être traité à la chaleur en fonction des performances requises, la température de chauffage et le temps de maintien déterminé en conséquence. Des études ont montré qu'après le traitement de la solution à 1040 ℃, à mesure que la température de vieillissement augmente, les structures martensitiques subissent une température et précipite en continu. À 450 ℃, les précipités en cuivre et en niobium commencent à se former. En 470-480 ℃, les précipités sont fins et largement répartis dans les grains, entraînant la dureté la plus élevée du matériau. À mesure que la température du vieillissement continue d'augmenter, la dureté et la résistance diminuent, tandis que la plasticité et la ténacité augmentent. Étant donné que les changements de dureté et de résistance suivent des modèles similaires, pour les pièces ayant des exigences spécifiques pour la dureté et la résistance, la température de vieillissement doit être strictement contrôlée pour répondre aux exigences d'utilisation. Les changements de résistance et de plasticité au cours du processus de vieillissement de l'acier de 17-4ph sont similaires à ceux de l'acier inoxydable de la précipitation 0CR15NI5CU2tic. Le vieillissement au-dessus de 510 ℃ est considéré comme sur-vieilli. Hou Kai et al. a étudié la ténacité à impact de l'acier de 17-4ph dans des conditions sur-vieillis et a constaté que à mesure que la température de vieillissement augmente, la ténacité à impact du matériau s'améliore progressivement. Pour assurer la formation complète de précipités et un vieillissement efficace, le temps de maintien à la température de vieillissement ne doit généralement pas être inférieur à 4 heures, suivi d'un refroidissement par air. À la même température de vieillissement, différents temps de maintien se traduisent par différentes propriétés finales. La figure 1 montre la courbe de dureté de l'acier de 17-4ph à 350 ℃ Température de vieillissement, avec les changements au fil du temps. Il est évident que le temps de maintien augmente, la dureté des échantillons augmente progressivement. Au début du traitement du vieillissement, l'augmentation de la dureté est relativement lente; Après 6000 h de vieillissement, l'augmentation de la dureté accélère; Environ 9000 h de vieillissement, la dureté atteint son apogée; Après ce point, alors que le temps de vieillissement continue de s'étendre, la dureté commence à diminuer rapidement. Peng Yanhua et al. a mené une étude détaillée sur la relation entre le vieillissement à long terme et les propriétés de traction de l'acier 17-4ph. Les résultats indiquent qu'après 350 ℃ de vieillissement à long terme, la limite d'élasticité et la résistance à la traction augmentent avec le temps de vieillissement prolongé, tandis que la réduction de l'aire et de l'allongement diminue; La surface de fracture passe des structures finees à fosse fine à grossière. L'étude a également révélé qu'après le vieillissement à long terme, la microstructure des changements d'acier 17-4ph, avec une décomposition spinodale commençant à des joints de grains, et les particules ε-Cu précipitées se croissances progressivement, ainsi que la formation d'une petite quantité d'austénite de transformation inversée. Au fur et à mesure que le temps de vieillissement s'étend, la décomposition spinodale se déplace progressivement des joints de grains vers les grains, et un grand nombre de phases G fins orientées précipitent dans la matrice, tandis que la structure matricielle reste bainititique. Le comportement de fracture de l'acier de 17-4ph sous 350 ℃ le vieillissement à long terme a été étudié en utilisant la méthode d'impact oscillographique. Le test d'impact oscillographique fournit diverses informations transitoires sur le temps d'énergie, le temps de chargement et le temps de déviation du processus de déformation et de fracture pendant la fracture d'impact de l'échantillon, qui est essentiel pour comprendre le comportement de déformation et de fracture des matériaux dans des conditions de charge dynamique. Les résultats montrent que les travaux d'initiation des fissures (EI), les travaux de propagation des fissures (EP), les travaux d'impact total (ET) et la ténacité à la fracture dynamique (KID) d'acier 17-4ph diminuent avec l'extension du temps de vieillissement à long terme à 350 ℃

Le traitement thermique conventionnel pour l'acier inoxydable 17-4ph implique une solution et un vieillissement. Des études récentes ont montré que la réalisation d'un traitement d'ajustement avant le vieillissement peut modifier considérablement les propriétés mécaniques et de résistance à la corrosion du matériau. Le but de ce traitement d'ajustement est d'ajuster les points de transformation MS et MF de l'acier, il est donc également connu sous le nom de traitement de transformation de phase. Après avoir ajouté le traitement d'ajustement, la ténacité à impact du matériau se double plus de la même solution et des températures vieillissantes, et sa résistance à la corrosion est également considérablement améliorée. Yang Shiwei et ses collègues ont utilisé des méthodes telles que l'immersion chimique, les courbes de polarisation, les courbes de polarisation cyclique et l'impédance électrochimique pour étudier la résistance à la corrosion de l'acier 17-4ph dans l'eau de mer artificielle dans des conditions de vieillissement en solution et de solution + ajustement + vieillissement. L'étude a révélé qu'après l'acier inoxydable 17-4ph subit un traitement d'ajustement suivi du vieillissement, le potentiel d'auto-corrosion et le potentiel de piqûre augmentent, tandis que le taux de corrosion annuel diminue, améliorant considérablement sa résistance à la corrosion de l'eau de mer par rapport aux échantillons vieillis directement. En effet, le traitement d'ajustement empêche efficacement la formation de zones pauvres en chrome, qui sont cruciales pour maintenir une bonne résistance à la corrosion. De plus, la structure de martensite devient plus fine, améliorant l'uniformité de la microstructure du matériau. Les microstructures après le vieillissement de la solution et la solution + ajustement + vieillissement sont illustrées à la figure

2. On peut voir que la microstructure après traitement d'ajustement a des joints de grains plus claires, des plaques de martensite uniformément fines et une relation d'orientation claire. En revanche, la microstructure après le vieillissement de la solution montre à elle seule des plaques de martensite grossière et une grande quantité de précipités blancs aux joints de grains. Après le traitement d'ajustement, la structure martensitique hérite "génétiquement" des caractéristiques de la miniaturisation à l'état ajusté. Les joints de grains sont connectés pour former un réseau, et les grains principalement composés de martensite et d'austénite résiduelle y sont encapsulés. Ce type de structure est lié à la production d'austénite de transformation plus inverse en acier.

De nombreux chercheurs ont également étudié les effets de l'ajustement du temps de traitement et de la température. Les études ont révélé que si les ajustements du temps et de la température avaient un impact limité sur la microstructure du matériau, à mesure que le temps d'ajustement augmentait, la structure de martensite est devenue plus fin et plus uniforme. À mesure que la température de traitement augmentait, la résistance du matériau a progressivement augmenté, mais sa plasticité et sa ténacité ont diminué. Après le traitement d'ajustement de 816 ℃, à mesure que la température du vieillissement augmentait, la résistance du matériau a progressivement diminué, tandis que sa plasticité et sa ténacité augmentaient progressivement.

217-4ph Mécanisme de renforcement du traitement thermique en acier inoxydable.

Pendant la solution solide, le traitement de l'acier inoxydable martensitique 17-4ph, le cuivre et le niobium se dissolvent dans les grains d'austénite. Lors du refroidissement, ce processus se traduit par une martensite sursaturée contenant du cuivre et du niobium, conduisant au premier renforcement. Pendant le processus de vieillissement, les éléments sursaturés précipitent des grains, entraînant un deuxième renforcement de la matrice. Il s'agit du principal mécanisme de renforcement de l'acier 17-4ph.

Différents processus de traitement thermique peuvent produire différentes microstructures et propriétés, mais le mécanisme de renforcement est le même: il est lié à la précipitation des précipités. La distribution de précipités tels que ε-Cu, NBC et M23C6 varie, conduisant à différentes propriétés de matériau. Dans les alliages durcis par les précipitations, la limite d'élasticité est déterminée par l'effet des phases de renforcement sur les dislocations. Lorsque les particules de phase de renforcement sont extrêmement fines et dispersées, elles forment une couche dense qui bloque les lignes de dislocation, les empêchant de passer à travers ces particules, augmentant ainsi la limite d'élasticité de l'alliage et provoquant finalement une fragilisation. Inversement, lorsque les particules de phase de renforcement sont plus grandes et moins densément distribuées, les dislocations peuvent contourner ces particules en fonction du mécanisme OWRRONE, empêchant le blocage de la ligne de dislocation et réduisant la limite d'élasticité de l'alliage. C'est pourquoi, dans l'acier à l'âge de 17 à 4 h, alors qu'il existe de nombreux grains d'austénite de transformation inverse, les particules ε-Cu dans la transformation inverse à l'austénite sont plus fines et plus peu réparties que celles de la martensite, offrant peu ou pas d'obstruction aux luxations, ce qui réduit la limite d'élasticité de l'alliage. Généralement, après extinction, l'acier de 17-4ph conserve une petite quantité d'austénite résiduelle, qui sont des particules très fines qui deviennent le noyau de la transformation inverse austénite pendant la trempe. Par conséquent, plus la austénite résiduelle dans l'alliage, plus la austénite de transformation inverse est générée pendant le vieillissement. Par conséquent, lorsque le contenu des éléments qui favorise la formation de martensite (comme c) dans l'alliage diminue, tandis que le contenu des éléments qui stabilisent l'austénite (comme N) est trop élevé, plus la tastenite résiduelle se formera après la trempe et la transformation inverse, l'austénite se formera après la température, réduisant ainsi la limite de réduction de l'Alloy. À mesure que la température de vieillissement augmente, l'austénite de transformation inverse commence à se former et à se développer, entraînant une augmentation de la quantité d'austénite résiduelle à température ambiante et une diminution de la résistance. Par conséquent, pour les matériaux ayant des besoins en résistance, il est essentiel de développer un processus de traitement thermique raisonnable et de contrôler strictement la quantité d'austénite de transformation inverse dans la microstructure. ε-Cu est la phase de renforcement primaire dans l'acier 17-4ph. Ces dernières années, la recherche sur sa morphologie a augmenté. Les pays étrangers ont commencé plus tôt, tandis que la recherche intérieure, en particulier à Harbin Turbine Factory, a été plus approfondie. On croyait généralement que "dans tous les cas, ε-Cu est sphérique". Cependant, l'usine de turbine de Harbin a constaté que les phases ε-Cu précipitées à partir de la matrice martensitique sont des tiges courtes lisses, tandis que celles précipitées à partir de l'austénite (transformation inverse austénite) sont sphériques. En effet, les phases austénite et ε-CU ont des réseaux cubiques centrés sur le visage, et leur énergie interfaciale est très faible, entraînant des phases sphériques ε-Cu. En revanche, la martensite a un réseau cubique centré sur le corps, qui diffère considérablement du réseau cubique centré sur le visage des phases ε-Cu, conduisant à une énergie interfaciale élevée et aux phases ε-Cu de type tige. Zhang Hongbin et al. ont également étudié la morphologie des phases ε-Cu dans l'acier 17-4ph et ont constaté que les phases ε-Cu précipitées à partir de la matrice martensitique sont presque sphériques