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Jan 19, 2024

Effetti del contenuto di Mn sulla stabilità dell'austenite e sulle proprietà meccaniche dell'allumina a basso contenuto di Ni

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 5769 (2023) Cita questo articolo 903 Accessi Dettagli metriche L'acciaio austenitico resistente al calore (AFA) che forma allumina a basso contenuto di Ni è un avanzato materiale resistente alle alte temperature

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L'acciaio austenitico resistente al calore (AFA) a basso contenuto di Ni che forma allumina è un acciaio inossidabile avanzato per alte temperature con costi ridotti, buona lavorabilità, resistenza allo scorrimento ad alta temperatura e resistenza alla corrosione ad alta temperatura. Utilizzando l’approccio dei principi primi, questo studio ha esaminato l’effetto del contenuto di Mn sulla stabilità dell’austenite e sulle proprietà meccaniche a livello atomico. L'aggiunta di Mn all'acciaio a basso contenuto di Ni-AFA aumenta il volume della cella unitaria con un conseguente aumento del valore assoluto dell'energia di formazione; l'austenite si formava più facilmente. L’energia di legame della matrice austenitica diminuisce e rimane negativa, indicando la stabilità dell’austenite. Quando il contenuto di Mn aumenta dal 3,2 al 12,8% in peso, il modulo di massa del sistema (B) aumenta in modo significativo e il modulo di taglio (G) diminuisce. Inoltre, la resistenza e la durezza del sistema diminuiscono e il rapporto di Poisson della matrice austenite aumenta con una migliore elasticità; il sistema ha un'ottima plasticità con aumento del B/G. Per il sistema Fe22–Cr5–Ni3–Al2, con l'aumento del contenuto di Mn, la distribuzione della densità elettronica tra gli atomi è relativamente uniforme e gli elettroni attorno agli atomi di Mn sono leggermente sparsi, il che ridurrà leggermente la stabilità strutturale della matrice . L'esperimento ha dimostrato che la matrice mantiene la struttura austenitica quando si aggiungono il 3,2–12,8% in peso di elementi Mn all'acciaio a basso contenuto di Ni-AFA. Con un contenuto di Mn dell'8% in peso, le proprietà meccaniche complessive dell'acciaio AFA ad alto contenuto di Mn sono ottimali, con una resistenza alla trazione di 581,64 MPa, una durezza di 186,17 HV e un allungamento del 39%.

L'acciaio austenitico che forma allumina (AFA) è un acciaio inossidabile avanzato resistente alle alte temperature. L'acciaio forma pellicole di doppio ossido di Al2O3 e Cr2O3 ad alte temperature, aggiungendo l'1,5–3,5% in peso di Al1. L'acciaio AFA ha un'eccellente resistenza allo scorrimento viscoso alle alte temperature e alla corrosione a 500–950 °C, 50–200 °C in più rispetto agli acciai resistenti al calore standard che hanno solo lo strato Cr2O3. L'acciaio AFA ha potenziali applicazioni nei settori della produzione di energia, petrolchimico ed energetico, in particolare come componente principale dei motori a vapore nelle unità ultra-supercritiche2. In condizioni di servizio a lungo termine ad alta temperatura e alta pressione, l’acciaio deve avere una matrice austenitica stabile per sostenere la resistenza all’ossidazione ad alta temperatura e altre proprietà meccaniche cruciali.

È necessario un elevato contenuto di Ni per contrastare l'effetto degli elementi che formano ferrite come Al e Cr per ottenere un'austenite stabile e singola. Tuttavia, il costo e la scarsità del Ni hanno limitato l’applicazione degli acciai austenitici3. La sostituzione del Ni con elementi economici, come C, N, Mn e Cu, può ridurre il consumo di nichel mantenendo la resistenza all'ossidazione ad alta temperatura e le proprietà meccaniche. Il Mn è l'elemento sostitutivo preferito in quanto è un forte stabilizzante austenitico e molto più economico del Ni, riducendo significativamente il costo di produzione complessivo4,5,6. Tuttavia, il Mn tende a formare composti MnS, portando ad un deterioramento delle proprietà di corrosione7,8,9. Inoltre, un contenuto elevato di Mn riduce la saldabilità dell’acciaio10, quindi un contenuto di Mn appropriato è fondamentale nella sostituzione parziale del Ni11.

I metodi dei principi primi basati sulla teoria del funzionale della densità possono essere applicati per prevedere le proprietà meccaniche, di corrosione e interfacciali dell'acciaio a livello atomico12. Yang et al.13 hanno studiato la struttura elettronica e le proprietà elastiche dell'acciaio ad alto contenuto di azoto α-Fe (N) drogato con elementi metallici attraverso metodi di principi primi. Hanno verificato che Mn e Ni indebolivano leggermente la stabilità di α-Fe (N), migliorando le prestazioni elastiche complessive. Wang et al.14 hanno condotto uno studio sui principi primi sull'energia dei guasti di impilamento della lega Fe-Mn e hanno scoperto che gli atomi di Mn hanno un evidente effetto a corto raggio sull'energia dei guasti di impilamento nella matrice. L'aggiunta di Co e W all'acciaio austenitico resistente al calore Sanicro 25 può migliorare la stabilità strutturale e termodinamica15. Huang et al.16 hanno studiato gli effetti degli elementi di lega sulla stabilità strutturale e sul comportamento di segregazione dell'interfaccia γ-Fe(111)/Cr2N(0001) utilizzando i principi primi. Hanno concluso che il Mn riduce il comportamento di corrosione elettrochimica locale dell’interfaccia γ-Fe/Cr2N riducendo la differenza di potenziale di tensione (VPD) tra di loro. Dong et al.17 hanno studiato l'effetto dell'Al sull'ottimizzazione della composizione e sulle proprietà meccaniche di un acciaio AFA resistente al calore. Quando l'Al era presente come soluzione solida nel sistema di leghe Fe-Cr-Ni, la matrice austenitica era stabile alle alte temperature; la soluzione solida di Al e Al+Si ha migliorato la plasticità del sistema. È essenziale e raro studiare l'influenza dell'alterazione del contenuto di Mn nell'acciaio AFA con Mn sostituito al Ni sulla stabilità strutturale e sulle proprietà meccaniche mediante il metodo dei principi primi su scala atomica.