Propiedades mecánicas dos materiais
As propiedades mecánicas dos materiais refírense ás características mecánicas que presentan os materiais en diversas condicións ambientais (temperatura, medio, humidade) cando se someten a cargas externas (tensión, compresión, flexión, torsión, impacto, tensión alterna, etc.).
A resistencia do aceiro inoxidable está determinada por varios factores, pero **o factor máis crítico e fundamental reside nos diferentes elementos químicos engadidos**, principalmente elementos metálicos. Os diferentes tipos de aceiro inoxidable presentan características de resistencia distintas debido ás diferenzas nas súas composicións químicas.
01 Resistencia (resistencia a tracción, límite de fluencia)
Acero inoxidable martensítico
O aceiro inoxidable martensítico comparte a propiedade de endurecemento por enfriamento dos aceiros de aliaxe ordinarios, o que permite acadar unha ampla gama de propiedades mecánicas mediante a selección de calidades e condicións de tratamento térmico.
O aceiro inoxidable martensítico pertence en xeral ao sistema Fe-Cr-C. Pódese clasificar ademais en aceiro inoxidable de cromo martensítico e aceiro inoxidable de cromo-níquel martensítico. A continuación descríbense as tendencias dos cambios de resistencia debidos ás adicións de cromo, carbono e molibdeno no aceiro inoxidable con cromo martensítico, así como as características de resistencia das adicións de níquel no aceiro inoxidable con cromo-níquel martensítico.
No aceiro inoxidable con cromo martensítico en condicións de enfriamento e temperado, o aumento do contido de cromo aumenta o contido de ferrita, reducindo así a dureza e a resistencia á tracción. Para o aceiro inoxidable con cromo martensítico de baixo carbono en condicións de recocido, o aumento do contido de cromo mellora lixeiramente a dureza mentres diminúe lixeiramente a elongación. Ao contido de cromo fixo, o contido de carbono máis alto aumenta a dureza post-quench pero reduce a plasticidade. As adicións de molibdeno melloran principalmente a resistencia, a dureza e os efectos secundarios de endurecemento. Despois do enfriamento a baixa temperatura, o efecto do molibdeno faise especialmente pronunciado, cun contido típico por debaixo do 1%.
No aceiro inoxidable martensítico de cromo-níquel, un certo contido de níquel reduce o contido de ferrita δ, maximizando a dureza.
A composición química do aceiro inoxidable martensítico normalmente oscila entre o 0.1% e o 1.0% de carbono e entre o 12% e o 27% de cromo, con adicións de molibdeno, wolframio, vanadio e niobio. A súa estrutura cúbica centrada no corpo provoca un rápido descenso da forza a altas temperaturas. Non obstante, por baixo de 600 °C, presenta a maior resistencia a altas temperaturas e resistencia á fluencia entre os aceiros inoxidables.
Aceiro inoxidable ferrítico
A investigación mostra que cando o contido de cromo está por debaixo do 25%, a estrutura ferrítica suprime a formación de martensita, o que leva a unha resistencia reducida ao aumentar o contido de cromo. Por riba do 25%, o fortalecemento da solución sólida mellora lixeiramente a forza. O maior contido de molibdeno promove a formación de ferrita e a precipitación das fases α', σ e χ, aumentando a resistencia mediante solución sólida. Non obstante, isto tamén aumenta a sensibilidade das muescas e reduce a dureza. O molibdeno contribúe máis significativamente á mellora da resistencia do aceiro inoxidable ferrítico que o cromo.
O aceiro inoxidable ferrítico normalmente contén entre un 11% e un 30% de cromo con adicións de niobio e titanio. Ten a menor resistencia a altas temperaturas entre os aceiros inoxidables pero ofrece a maior resistencia á fatiga térmica.
Aceiro inoxidable austenítico
No aceiro inoxidable austenítico, o aumento do contido de carbono mellora a resistencia mediante o reforzo da solución sólida.
O aceiro inoxidable austenítico baséase en cromo e níquel, con adicións de molibdeno, wolframio, niobio e titanio. A súa estrutura cúbica centrada na cara proporciona unha alta resistencia e resistencia á fluencia a temperaturas elevadas. Non obstante, o seu maior coeficiente de expansión térmica ten como resultado unha menor resistencia á fatiga térmica en comparación co aceiro inoxidable ferrítico.
Duplex de aceiro inoxidable
Os estudos sobre as propiedades mecánicas do aceiro inoxidable dúplex con ~25% de cromo mostran que o aumento do contido de níquel dentro da rexión de dobre fase α+γ aumenta o contido da fase γ. Cando o contido de cromo é do 5%, o límite de fluencia alcanza os picos e a máxima resistencia conséguese ao 10% de níquel.
02 Forza de fluencia
A fluencia refírese á deformación dependente do tempo baixo tensión sostida. A temperaturas elevadas, as cargas máis altas aceleran as taxas de fluencia. Pola contra, as temperaturas máis baixas retardan a fluencia, cunha temperatura limiar por debaixo da cal a fluencia se fai insignificante. Para o ferro puro, este limiar é de ~330 °C, mentres que para o aceiro inoxidable (debido ás medidas de reforzo), supera os 550 °C.
Factores como a fundición, a desoxidación, a solidificación, o tratamento térmico e o procesamento afectan significativamente as propiedades de fluencia. Por exemplo, as probas realizadas en aceiro inoxidable 18-8 nos EE. UU. revelaron unha desviación estándar de ~ 11% no tempo de ruptura por fluencia para mostras do mesmo lingote, mentres que as mostras de diferentes lingotes mostraron desviacións dúas veces máis grandes. As probas alemás en aceiro 0Cr18Ni11Nb demostraron resistencias á fluencia que oscilaban entre <49 MPa e 118 MPa durante 10⁵ horas, o que indica unha variabilidade substancial.
03 Resistencia á fatiga
A fatiga a altas temperaturas implica a falla do material baixo estrés cíclico a temperaturas elevadas. Os estudos demostran que a resistencia á fatiga a alta temperatura do ciclo 10⁸ é aproximadamente a metade da resistencia á tracción a alta temperatura á mesma temperatura.
A fatiga térmica prodúcese durante o quecemento (expansión) e o arrefriamento (contracción), onde se desenvolven tensións internas debido á deformación térmica restrinxida. Os ciclos térmicos rápidos xeran tensións similares a choques, que poden causar fallas fráxiles (choque térmico). Aínda que a fatiga térmica implica unha tensión plástica importante, o choque térmico causa principalmente fracturas fráxiles.
A composición e o tratamento térmico afectan a resistencia á fatiga a altas temperaturas. O aumento do contido de carbono mellora notablemente a resistencia á fatiga, así como a temperatura do tratamento térmico da solución. Os aceiros inoxidables ferríticos presentan xeralmente unha resistencia á fatiga térmica superior. Entre os tipos austeníticos, os aceiros con alto contido de silicio con boa ductilidade a altas temperaturas son os mellores.
Os materiais con menores coeficientes de expansión térmica, menor tensión por ciclo térmico, menor resistencia á deformación e maior resistencia á fractura presentan unha vida útil máis longa á fatiga. Por exemplo, o aceiro inoxidable martensítico 1Cr17 ten a vida á fatiga máis longa, mentres que os graos austeníticos como 0Cr19Ni9 e 2Cr25Ni20 teñen a máis curta. As fundicións son máis propensas a fallas por fatiga térmica que as forxas.
A temperatura ambiente, a resistencia á fatiga do ciclo de 10⁷ é aproximadamente a metade da resistencia á tracción. A resistencia á fatiga mostra unha variación mínima entre as temperaturas ambiente e elevadas.
04 Resistencia ao impacto
A dureza ao impacto refírese á enerxía absorbida durante a carga do impacto. Para o aceiro inoxidable fundido Maraging, a resistencia ao impacto é baixa cun contido de níquel do 5%. O aumento do níquel mellora a resistencia e a tenacidade, pero os valores volven a diminuír por encima do 8 % de níquel. A adición de molibdeno ao aceiro inoxidable martensítico de cromo-níquel mellora a resistencia sen comprometer a tenacidade.
No aceiro inoxidable ferrítico, un maior contido de molibdeno aumenta a resistencia pero aumenta a sensibilidade das muescas, reducindo a tenacidade.
Os aceiros inoxidables austeníticos de cromo-níquel con estruturas austeníticas estables presentan unha excelente tenacidade (tanto a temperatura ambiente como a crioxénica), polo que son axeitados para diversos ambientes. Engadir níquel aos aceiros estables de cromo-manganeso austenítico mellora aínda máis a dureza.
No aceiro inoxidable dúplex, a dureza ao impacto aumenta co contido de níquel, estabilizándose normalmente entre 160-200 J na rexión de dobre fase α+γ.