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Jan 19, 2024

Effets de la teneur en Mn sur la stabilité de l'austénite et les propriétés mécaniques de l'alumine à faible teneur en Ni

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 5769 (2023) Citer cet article 903 Accès aux détails des métriques L'acier austénitique formant de l'alumine à faible teneur en Ni (AFA) résistant à la chaleur est un acier avancé à haute température

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5769 (2023) Citer cet article

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L'acier austénitique formant de l'alumine à faible teneur en Ni (AFA) résistant à la chaleur est un acier inoxydable avancé à haute température avec un coût réduit, une bonne usinabilité, une résistance au fluage à haute température et une résistance à la corrosion à haute température. En utilisant l'approche des premiers principes, cette étude a examiné l'effet de la teneur en Mn sur la stabilité de l'austénite et les propriétés mécaniques au niveau atomique. L'ajout de Mn à l'acier à faible teneur en Ni-AFA augmente le volume unitaire de la cellule avec une augmentation correspondante de la valeur absolue de l'énergie de formation ; l'austénite se formait plus facilement. L'énergie de liaison de la matrice austénitique diminue et reste négative, indiquant la stabilité de l'austénite. À mesure que la teneur en Mn augmente de 3,2 à 12,8 % en poids, le module d'élasticité (B) du système augmente considérablement et le module de cisaillement (G) diminue. De plus, la résistance et la dureté du système diminuent et le coefficient de Poisson de la matrice austénitique augmente avec une élasticité améliorée ; le système présente une excellente plasticité avec une augmentation du B/G. Pour le système Fe22 – Cr5 – Ni3 – Al2, avec l'augmentation de la teneur en Mn, la distribution de la densité électronique entre les atomes est relativement uniforme et les électrons autour des atomes de Mn sont légèrement clairsemés, ce qui réduira légèrement la stabilité structurelle de la matrice. . L'expérience a démontré que la matrice conserve la structure austénitique lors de l'ajout de 3,2 à 12,8 % en poids d'éléments Mn à de l'acier à faible teneur en Ni-AFA. À une teneur en Mn de 8 % en poids, les propriétés mécaniques globales de l'acier AFA à haute teneur en Mn sont optimales, avec une résistance à la traction de 581,64 MPa, une dureté de 186,17 HV et un allongement de 39 %.

L'acier austénitique formant de l'alumine (AFA) est un acier inoxydable avancé résistant aux hautes températures. L'acier forme des films d'oxyde double Al2O3 et Cr2O3 à haute température, ajoutant 1,5 à 3,5 % en poids d'Al1. L'acier AFA présente une excellente résistance au fluage à haute température et à la corrosion entre 500 et 950 °C, soit 50 à 200 °C de plus que les aciers standard résistants à la chaleur n'ayant qu'une couche de Cr2O3. L'acier AFA a des applications potentielles dans les domaines de la production d'électricité, de la pétrochimie et de l'énergie, notamment en tant que composant central des moteurs à vapeur dans les unités ultra-supercritiques2. Dans des conditions de service à long terme à haute température et haute pression, l'acier doit avoir une matrice austénitique stable pour maintenir la résistance à l'oxydation à haute température et d'autres propriétés mécaniques cruciales.

Une teneur élevée en Ni est nécessaire pour contrecarrer l’effet des éléments formant de la ferrite tels que Al et Cr afin d’obtenir une austénite stable et unique. Cependant, le coût et la rareté du Ni ont limité l’application des aciers austénitiques3. Le remplacement du Ni par des éléments peu coûteux, tels que C, N, Mn et Cu, peut réduire la consommation de nickel tout en conservant la résistance à l'oxydation et les propriétés mécaniques à haute température. Le Mn est l'élément de substitution préféré car il s'agit d'un puissant stabilisant austénitique et beaucoup moins cher que le Ni, réduisant considérablement le coût global de production4,5,6. Cependant, le Mn a tendance à former des composés MnS, conduisant à une détérioration des propriétés de corrosion7,8,9. De plus, une teneur élevée en Mn diminue la soudabilité de l’acier10, de sorte qu’une teneur appropriée en Mn est essentielle en cas de substitution partielle du Ni11.

Les méthodes des premiers principes basées sur la théorie fonctionnelle de la densité peuvent être appliquées pour prédire les propriétés mécaniques, de corrosion et d'interface de l'acier au niveau atomique12. Yang et al.13 ont étudié la structure électronique et les propriétés élastiques de l'acier à haute teneur en azote α-Fe (N) dopé par des éléments métalliques grâce à des méthodes fondées sur les premiers principes. Ils ont vérifié que Mn et Ni affaiblissaient légèrement la stabilité de α-Fe (N), améliorant ainsi les performances élastiques globales. Wang et al.14 ont mené une étude des principes premiers sur l'énergie des défauts d'empilement de l'alliage Fe – Mn et ont découvert que les atomes de Mn ont un effet évident à courte portée sur l'énergie des défauts d'empilement dans la matrice. L’ajout de Co et de W à l’acier austénitique résistant à la chaleur Sanicro 25 peut améliorer la stabilité structurelle et thermodynamique15. Huang et al.16 ont étudié les effets des éléments d'alliage sur la stabilité structurelle et le comportement de ségrégation de l'interface γ-Fe(111)/Cr2N(0001) en utilisant les premiers principes. Ils ont conclu que Mn réduisait le comportement de corrosion électrochimique locale de l’interface γ-Fe/Cr2N en réduisant la différence de potentiel de tension (VPD) entre elles. Dong et al.17 ont étudié l'effet de l'Al sur l'optimisation de la composition et les propriétés mécaniques d'un acier résistant à la chaleur AFA. Lorsque Al était présent sous forme de solution solide dans le système d'alliage Fe – Cr – Ni, la matrice austénitique était stable à haute température ; la solution solide d'Al et Al + Si a amélioré la plasticité du système. Il est essentiel et rare d'étudier l'influence de la modification de la teneur en Mn dans l'acier Ni AFA substitué par Mn sur la stabilité structurelle et les propriétés mécaniques par la méthode des premiers principes à l'échelle atomique.