Φάσεις σε κράμα σιδήρου-καρβονίου: Μια λεπτομερής επισκόπηση

Η μηχανική συμπεριφορά και η διάρκεια ζωής των κραμάτων σιδήρου-άνθρακα (χάλυβες και χυτοσίδηροι) υπαγορεύονται από το μείγμα των κρυσταλλικών φάσεων που υπάρχουν στη μικροδομή τους. Μετατοπίσεις θερμοκρασίας ⁇ είτε κατά την επεξεργασία είτε σε λειτουργία ⁇ άμεσα τροποποιούν ποιες φάσεις είναι σταθερές και πώς μετατρέπονται.

  • Φερίτης (α-Fe) ⁇ Μια κυβική φάση με κέντρο το σώμα (BCC) που είναι μαλακή και όλκιμη. Ο Ferrite διαλύει πολύ λίγο άνθρακα (max ~0.022 wt% στους 727°C) και είναι η κύρια φάση σε χάλυβες με χαμηλές εκπομπές άνθρακα. Η δομή του BCC δίνει καλή σκληρότητα αλλά χαμηλότερη αντοχή σε σύγκριση με άλλες φάσεις.
  • Αυστενίτης (γ-Fe) ⁇ Μια φάση με πρόσωπο-κεντρικό κυβικό (FCC) με πολύ υψηλότερη διαλυτότητα άνθρακα (έως 2,14 wt% στους 1148°C).Ο Αυστενίτης είναι σταθερός πάνω από τους 727°C (για υποευτεκτονοειδείς χάλυβες) και επιτρέπει θερμή διαμόρφωση και θερμική επεξεργασία λόγω της ολκιμότητας και της ικανότητάς του να διαλύει τον άνθρακα.
  • Κημενίτης (Fe3C) ⁇ Μια διαμεταλλική ένωση με ορθορομβική κρυσταλλική δομή. Είναι εξαιρετικά σκληρή και εύθραυστη, που περιέχει 6,67 wt% άνθρακα. Ο τσιμενίτης εμφανίζεται ως μια ξεχωριστή φάση στον μαργαρίτη και ως ένα δίκτυο σε υπερευτεκτοειδείς χάλυβες, που συμβάλλει στην υψηλή αντοχή αλλά μειώνει την ολκιμότητα.
  • Πεαρλίτης ⁇ Μια χωματοειδής ευτεκτοειδής δομή που αποτελείται από εναλλασσόμενα στρώματα φερρίτη και τσιμενίτη. Σχηματίζεται όταν ο ωστενίτης της ευτεκτοειδούς σύνθεσης (0,76 wt% C) ψύχεται αργά μέσω 727°C. Η διαπόσταση του ιντερλαμελλαρίου ελέγχει μηχανικές ιδιότητες: η λεπτότερη διαπόσταση αυξάνει την αντοχή (επίδραση τύπου Hall-Petch).
  • Βαινίτης ⁇ Μια θιγενής (προσομοιάζουσα) μικροδομή που σχηματίζεται με ενδιάμεσους ρυθμούς ψύξης, που αποτελείται από πλάκες φερρίτη και λεπτά σωματίδια τσιμενίτη.
  • Μαρτενσίτης ⁇ Ένα μη-κουβαλημένο, υπερκορεσμένο στερεό διάλυμα άνθρακα σε BCT (μεκεντρικό σώμα τετραγωνικό) πλέγμα, που σχηματίζεται από ταχεία ψύξη (στενοποίηση) του ωστενίτη. Ο μαρτενσίτης είναι πολύ σκληρός και εύθραυστος· η σκληρότητα του αυξάνεται με την περιεκτικότητα σε άνθρακα.

Κάθε μία από αυτές τις φάσεις έχει ένα διακριτό εύρος σταθερότητας όσον αφορά τη θερμοκρασία και τη σύνθεση, όπως συνοψίζονται στο διάγραμμα φάσης σιδήρου-άνθρακα.

Διάγραμμα φάσης σιδήρου-καρβονίου: Θερμοκρασία ⁇ Χάρτης σύνθεσης

Το διάγραμμα φάσης ισορροπίας για Fe-C (έως 6,67 wt% C) είναι το θεμέλιο για την κατανόηση των επιπτώσεων της θερμοκρασίας.

  • Αιθεκτροειδές σημείο (0,76 wt% C, 727°C): Ο ωστενίτης (γ) αποσυντίθεται σε μείγμα φερρίτη (α) και τσιμενίτη (Fe3C) ⁇ δηλαδή μαργαρίτη.
  • Ευτακτικό σημείο (4,30 wt% C, 1148°C): Το υγρό μετατρέπεται σε μείγμα ωστενίτη και τσιμενίτη (λεδεμπουρίτη) σε χυτοσίδηρο.
  • Περιτεκτικό σημείο (0,17 wt% C, 1493°C): Το υγρό αντιδρά με δ-φερρίτη για να σχηματίσει ωστενίτη.

Κατά την ψύξη, οι μετασχηματισμοί φάσης καθοδηγούνται από αυτά τα όρια ισορροπίας, αλλά στην πράξη ο ρυθμός ψύξης μπορεί να προκαλέσει αποκλίσεις (μη-ιδρύματα μετασχηματισμών) που παράγουν βαϊνίτη ή μαρτενσίτη.

Εύρος θερμοκρασίας για σταθερότητα φάσης

Πάνω από 912°C (για καθαρό σίδηρο· ελαφρά χαμηλότερα για χάλυβα)

Σε αυτές τις θερμοκρασίες, ο ωστενίτης είναι η σταθερή φάση για τις περισσότερες περιεκτικότητες σε άνθρακα κάτω από 2,14 wt%. Αυτό είναι το εύρος για την θερμή εργασία (τροχοβολία, σφυρηλάτηση) και τις θεραπείες ομογενοποίησης.

Μεταξύ 727°C και 912°C (περιφέρεια υποευectoid)

Σε χάλυβες χαμηλού άνθρακα, οι σταθερές φάσεις είναι ο φερρίτης και ο ωστενίτης σε μια περιοχή δύο φάσεων. Καθώς η θερμοκρασία πέφτει, ο φερρίτης αρχίζει να σχηματίζεται στα όρια των κόκκων του ωστενίτη. Η αναλογία του φερρίτη αυξάνεται μέχρι την θερμοκρασία του ευτεκτοειδούς.

Κάτω των 727°C

Σε θερμοκρασίες κάτω από το ευτεκτοειδές, η μικροδομή ισορροπίας για απλούς χάλυβες άνθρακα αποτελείται από φερρίτη και τσιμενίτη (πελλίτη σε ευτεκτοειδή σύνθεση). Ωστόσο, αν η ψύξη είναι ταχεία, ο ωστενίτης μπορεί να μετατραπεί σε φάσεις μη-ιδρύματος όπως ο βαϊνίτης (μεταξύ ~550°C και Ms) ή ο μαρτενσίτης (κάτω από τη θερμοκρασία Ms).

Μετασχηματισμοί Φάσης Κατά τη διάρκεια της Θέρμανσης και Ψύξης

Θέρμανση: Λιτότητα και ανάπτυξη των σιτηρών

Όταν ένας χάλυβας θερμαίνεται πάνω από τη θερμοκρασία Α3 (για υποτεκτονοειδές) ή Α1 (για ευτεκτονοειδές), ο υπάρχων φερρίτης και τσιμενίτης μετατρέπονται σε ωστενίτη. Αυτή η διαδικασία απαιτεί διάχυση άνθρακα και συνήθως συμβαίνει σε μια σειρά θερμοκρασιών (20 ⁇ 40°C πάνω από την κρίσιμη γραμμή). Η σωστή ωστενοποίηση εξασφαλίζει ομοιόμορφη κατανομή άνθρακα. Ωστόσο, οι παρατεταμένες υψηλές θερμοκρασίες προκαλούν ωστενίτη χονδροκοκκία σιτηρών, η οποία εξασθενεί το τελικό προϊόν (επίδραση Hall-Petch: μεγαλύτεροι κόκκοι μειώνουν την απόδοση αντοχής).

Ψύξη: Μικροδομή ελέγχου

Η διαδρομή ψύξης καθορίζει το μείγμα τελικής φάσης. Τα τρία κύρια προϊόντα μετατροπής στην ψύξη του ωστενίτη είναι:

  1. Πεαρλίτης ⁇ Σχηματίζεται με αργή ψύξη (ψύξη φουρνιού, ομαλοποίηση) σε θερμοκρασίες κοντά στους 700°C. Η διαδικασία βασίζεται στη διάχυση: άτομα άνθρακα χωρίζονται σε στρώματα τσιμενίτη. Η διαπόσταση ιντερλαμελλάρ έχει αντιστρόφως σχέση με την υποψύξη· η γρήγορη ψύξη δίνει λεπτότερο μαργαρίτη και μεγαλύτερη σκληρότητα (π.χ., σε πατενταρισμένο σύρμα).
  2. Βαινίτης ⁇ Σχηματίζεται με ενδιάμεσους ρυθμούς ψύξης (π.χ. σε ισοθερμική απόσβεση στους 450 ⁇ 550°C).Ο βαϊνίτης αναπτύσσεται με μηχανισμό άχυρου διαχύσεως ακολουθούμενο από απόρριψη άνθρακα. Ο χαμηλότερος βαϊνίτης (που διαμορφώνεται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες) έχει λεπτά καρβίδια και υψηλότερη αντοχή.
  3. Martensite ⁇ Σχηματίζεται όταν η ταχύτητα ψύξης υπερβαίνει την κρίσιμη ταχύτητα ψύξης, παρακάμπτοντας τη μύτη της C-curve. Ο μετασχηματισμός είναι αθερμικός και δεν έχει διάχυση· το ψαλίδι lattites lattite για να σχηματίσει τετραγωνική δομή. Η θερμοκρασία εκκίνησης martensite (Ms) εξαρτάται από την περιεκτικότητα σε άνθρακα. Για τους υψηλούς χάλυβες άνθρακα, η Ms είναι κάτω από τη θερμοκρασία του δωματίου, που σημαίνει ότι διατηρείται austenites μπορεί να υπάρχει.

Το κλασικό διάγραμμα Time-Temperature-Transformation (TTT) εμφανίζει αυτά τα καθεστώτα. Επιλέγοντας μια καμπύλη ψύξης, οι μεταλλουργοί μπορούν να στοχεύσουν επιθυμητές μικροκατασκευές.

Επίδραση των Στοιχείων Κράμασης στη Σταθερότητα της Θερμοκρασίας

Πρακτικοί χάλυβες περιέχουν μαγγάνιο, χρώμιο, νικέλιο, μολυβδαίνιο, κλπ., τα οποία μετατοπίζουν τα όρια της φάσης και την κινητική μετασχηματισμού. Για παράδειγμα:

  • Το νικέλιο και το μαγγάνιο επεκτείνουν το πεδίο του ωστενίτη (χαμηλότερη θερμοκρασία Α3 και μειώνουν την περιεκτικότητα σε ευτεκτοειδή άνθρακα).
  • Χρώμιο, βανάδιο, και μολυβδαίνιο σταθεροποιούν φερρίτη και να προωθήσει το σχηματισμό των καρβιδίων κράματος, αυξάνοντας την θερμοκρασία ευτεκτοειδών.
  • Τα κραματοποιημένα στοιχεία επιβραδύνουν γενικά τη διάχυση, μετατοπίζοντας τις καμπύλες TTT σε μεγαλύτερες χρονικές περιόδους και καθιστώντας ευκολότερη τη δημιουργία μαρτενσίτη (δηλαδή αυξάνουν τη σκληρότητα).

Η κατανόηση αυτών των αλλαγών είναι ζωτικής σημασίας για την επιλογή θερμοκρασιών επεξεργασίας. Για παράδειγμα, ένα πρότυπο 4340 χάλυβα (Ni-Cr-Mo) απαιτεί υψηλότερες θερμοκρασίες λιτότητας (840 ⁇ 870°C) από το απλό 1045 (780 ⁇ 820°C).

Πρακτικές εφαρμογές θερμικής επεξεργασίας

Ανοιξιάτικη

Η ανοάλωση περιλαμβάνει θέρμανση στην περιοχή του ωστενίτη (ή πάνω από το A1) και ψύξη αργά (ψύξη του καμινιού). Αυτό μαλακώνει το χάλυβα, ανακουφίζει τις εσωτερικές καταπονήσεις, και παράγει μια χονδροειδή μικροδομή μαργαρίτη. Πλήρης ανόπτηση (άνω από το A3) ραφιναρίσματος δομή των σιτηρών; σφαιροειδής ανόπτηση (κάτω ακριβώς από το A1) σχηματίζει σφαιρωτό τσιμεντίτη για μέγιστη μηχανικότητα.

Κανονικοποίηση

Η θέρμανση σε ωστενίτη και ψύξη αέρα παράγει μια ομοιόμορφη, λεπτή μικροδομή μαργαρίτη. Η κανονικοποίηση βελτιώνει την ομοιογένεια και τις μηχανικές ιδιότητες σε σύγκριση με τις συνθήκες που έχουν ελαθεί ή χυτευτεί.

Αδυσώπητο και Εμπρόσθιο

Η θερμοκρασία που προκύπτει είναι πολύ σκληρή αλλά εύθραυστη και πιεσμένη. Η θερμοκρασία που μετριέται περιλαμβάνει την επαναθέρμανση σε θερμοκρασία κάτω από την Α1 (συνήθως 150-650 °C) ώστε να επιτρέπει την καθίζηση άνθρακα ως λεπτά καρβίδια, μειώνοντας τη σκληρότητα και αυξάνοντας την αντοχή.

Ισοθερμικές Θερμικές Θεραπείες

Η ωστεμπρέυση (στεγνοποίηση σε ένα λουτρό σε θερμοκρασία σχηματισμού μπαϊνίτη) αποδίδει μπαινιτικές μικροκατασκευές με εξαιρετική σκληρότητα. Η μαρτεμπερέν (στεναγμός σε λίγο πάνω από την κα, κατόπιν αργή ψύξη) μειώνει τη στρέβλωση και την ρωγμή σε σύγκριση με την άμεση απόσβεση. Και οι δύο διεργασίες εκμεταλλεύονται την κινητική μετασχηματισμού εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία.

Συμπέρασμα

Οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας ρυθμίζουν άμεσα τη σταθερότητα φάσης στα κράματα σιδήρου-άνθρακα. Κατανοώντας το διάγραμμα φάσης και την κινητική μετασχηματισμού, οι μηχανικοί μπορούν να σχεδιάσουν κύκλους θερμικής επεξεργασίας που παράγουν μικροκατασκευές προσαρμοσμένες σε συγκεκριμένες απαιτήσεις αντοχής, σκληρότητας και σκληρότητας. Είτε επιτυγχάνοντας λεπτό μαρτενσίτη για σιδηροτροχιές, είτε βενίτη για εργαλεία κοπής, ο ακριβής έλεγχος των ρυθμών θέρμανσης και ψύξης είναι το κλειδί.Συνεχής έρευνα για προηγμένα χάλυβα υψηλής αντοχής (AHSS) και προσαρμοσμένες διαδικασίες απόσβεσης συνεχίζει να ωθεί τα όρια του τι είναι εφικτό με τα κράματα Fe-C.

Για τις έγκυρες αναφορές, το εγχειρίδιο ASM Volume 4: Θερμοθεραπεία και η καταχώρηση διαγραμμάτων φάσης σιδήρου-καρβονίου στη Βικιπαίδεια παρέχουν περιεκτικές λεπτομέρειες. Επιπλέον, η βάση δεδομένων MatWeb προσφέρει μηχανικά δεδομένα ιδιοκτησίας για διάφορους χαλύβδινους που έχουν υποστεί θερμική επεξεργασία.