Table of Contents
Εισαγωγή: Ο κρίσιμος ρόλος του άνθρακα στη σκλήρυνση χάλυβα
Μεταξύ των διαφόρων διεργασιών θερμικής επεξεργασίας, απόσβεσης ⁇ ταχεία ψύξη από τη φάση του ωστενίτη ⁇ παράγει μαρτενσίτη, μια μικροδομή που μεταδίδει εξαιρετική σκληρότητα και αντοχή. Η περιεκτικότητα του χάλυβα σε άνθρακα είναι ο μοναδικός παράγοντας με τη μεγαλύτερη επιρροή που διέπει το σχηματισμό μαρτενσίτη, την τελική δομή του, και τις ιδιότητες που προκύπτουν. Αυτό το άρθρο παρέχει μια ολοκληρωμένη, τεχνική διερεύνηση της σχέσης μεταξύ του περιεχομένου του άνθρακα και της μαρτενσίτας σε σβεσμένους χάλυβες, καλύπτοντας μηχανισμούς μετατροπής, μηχανική συμπεριφορά, και πρακτικές πτυχές κατασκευής.
Θεμελιώδη Σχηματισμός του Martensite
Ο μαρτενσίτης είναι μια μετασταθερή φάση που σχηματίζεται από μια άχυρη, διάτμηση με γνώμονα τη μετατροπή από τον εστιασμένο κυβικό (FCC) σε μια δομή τετραγωνικού άξονα σώματος (BCT). Η ταχεία απόσβεση (ρυθμοί ψύξης στη σειρά των 100°C/s σε 1000°C/s ανάλογα με την περιεκτικότητα σε άνθρακα) καταστέλλει τη διάχυση των ατόμων άνθρακα, παγιδεύοντάς τα σε διαστημικές θέσεις του λανθάνοντος σιδήρου. Αυτή η υπερκορείωση του άνθρακα στρεβλώνει το κυβικό πλέγμα σε τετραγωνικό, με την αναλογία c/a να αυξάνεται γραμμικά με την περιεκτικότητα σε άνθρακα. Η μετατροπή συμβαίνει από τη θερμική άποψη ⁇ το κλάσμα του μάρτενσιτου εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία κάτω από τη θερμοκρασία εκκίνησης της μαρτενσίτης (Ms), όχι από το χρόνο.
Τα βασικά χαρακτηριστικά του μαρτενσίτη περιλαμβάνουν την ωτοειδή (όπως η βελόνα) μορφολογία του, υψηλή πυκνότητα εξάρθρωσης, και μια λεπτή υποδομή των διδύμων ή τόρνων. Η μορφολογία αυτή εξαρτάται από την περιεκτικότητα σε άνθρακα: χαλύβδινοι χάλυβες χαμηλού άνθρακα (κάτω από 0,4% C) τείνουν να σχηματίζουν λιθ μαρτενσίτη με παράλληλες πλάκες, ενώ οι υψηλοί ανθρακούχοι χάλυβες (πάνω από 0,6% C) παράγουν μαρτενσίτη πλάκας με χαρακτηριστικό μοτίβο ζιγκ-ζαγκ. Αυτές οι διαφορές σχετίζονται άμεσα με το στέλεχος μετασχηματισμού και την ικανότητα του ωστενίτη να φιλοξενήσει την παραμόρφωση του διατμήματος.
Πώς το περιεχόμενο άνθρακα κυβερνά Martensite Μετασχηματισμός
Ο άνθρακας ως διαμεσολάβημα
Κατά τη διάρκεια της απόσβεσης, ο άνθρακας δεν μπορεί να διαχέεται αρκετά γρήγορα για να σχηματίσει τσιμεντίτη (Fe3C) ή άλλα καρβίδια; αντ 'αυτού, παραμένει παγιδευμένος, επιβάλλοντας μια σοβαρή τετραγωνική παραμόρφωση. Ο βαθμός τετραγωνικότητας (c/a αναλογία) αυξάνεται από περίπου 1,0 στο 0%C σε περίπου 1,08 στο 1,2%C. Αυτή η παραμόρφωση είναι υπεύθυνη για την ακραία σκληρότητα του μαρτενσίτη.
Η σχέση μεταξύ περιεκτικότητας σε άνθρακα και θερμοκρασίας Ms είναι κρίσιμη και καλά τεκμηριωμένη: κάθε αύξηση 0,1% του άνθρακα μειώνει την Ms κατά περίπου 30-40°C. Εμπειρικοί τύποι όπως η εξίσωση του Andrews δίνουν:
Ms (°C) = 539 ⁇ 423(%C) ⁇ 30.4(%Mn) ⁇ 17.7(%Ni) ⁇ 12.1(%Cr) ⁇ 7.5(%Mo) + ...
Έτσι, ένας απλός ανθρακούχος χάλυβας με 0,8% C έχει μια Ms γύρω στους 200°C, ενώ ένα 0,2% C χάλυβας έχει Ms κοντά στους 500°C. Η θερμοκρασία του μαρτενσίτη (Mf) είναι συνήθως 200-250°C κάτω από Ms, αν και σε χάλυβα υψηλής άνθρακα Mf μπορεί να πέσει κάτω από τη θερμοκρασία δωματίου, οδηγώντας σε διατήρηση του ωστενίτη.
Κρίσιμος ρυθμός ψύξης και σκληρότητας
Για να σχηματιστεί μαρτενσίτη, ο ρυθμός ψύξης πρέπει να υπερβαίνει το κρίσιμο ρυθμό ψύξης (CCR) ⁇ το ελάχιστο ποσοστό που αποφεύγει τους μετασχηματισμούς διάχυσης σε μαρλερίτη ή βαϊνίτη. Η περιεκτικότητα σε άνθρακα επηρεάζει έντονα το CCR. Ο υψηλότερος άνθρακας μετατοπίζει τη μύτη του μαργαρίτη του διαγράμματος συνεχούς ψύξης (CCT) σε μεγαλύτερες χρονικές περιόδους, καθιστώντας ευκολότερη την επίτευξη πλήρους μαρτενσίτη με βραδύτερες αποσβέσεις (π.χ., λάδι αντί για νερό). Ωστόσο, πολύ υψηλός άνθρακας (πάνω από 0,8%) μπορεί να αυξήσει πραγματικά το CCR λόγω της ανάγκης αποφυγής καθίζησης του τσιμενίτη.
| Carbon Content (wt%) | Typical Ms (°C) | Hardenability | Preferred Quenchant |
|---|---|---|---|
| 0.05 – 0.25 | 450 – 500 | Low | Water |
| 0.30 – 0.50 | 350 – 450 | Moderate | Water (small sections) or oil |
| 0.60 – 0.80 | 200 – 350 | High | Oil or polymer |
| 0.90 – 1.20 | 100 – 200 | Very high | Oil or martempering |
Σημείωση: Οι προσθήκες κραμάτων μπορούν να μεταβάλουν σημαντικά αυτές τις περιοχές. Για περισσότερες λεπτομέρειες, βλέπε τους πόρους θερμικής επεξεργασίας της ASM International.
Περιεχόμενο άνθρακα και μηχανικές ιδιότητες του Martensite
Σκληρότητα και Δύναμη
Η σκληρότητα του μαρτενσίτη με την πίεση του άνθρακα είναι χονδρικά γραμμική με περιεκτικότητα σε άνθρακα έως περίπου 0,8%C. Μια κλασική εξίσωση είναι:
Βαθμός (HRC) ⁇ 60 ⁇ (%C) + 20 (για περιεκτικότητα σε άνθρακα έως 0,8%)
Έτσι, στο 0,2%C η σκληρότητα είναι περίπου 47 HRC, στο 0,8%C φτάνει περίπου 67 HRC. Πέρα από 0,8%C, τα οροπέδια σκληρότητας επειδή επιπλέον άνθρακα παραμένει σε διάλυμα, αλλά η αυξανόμενη τετραγωνικότητα οδηγεί σε μικροπυρόλυση και διατήρηση του ωστενίτη. Η αντοχή σε εφελκυσμό αυξάνεται παρόμοια από περίπου 1.000 MPa για ένα 0,2%C μαρτενσίτη σε πάνω από 2.500 MPa για μαρτενσίτη υψηλού άνθρακα.
Ασκηση και Σκληρότητα
Η μαρτενσίτη είναι εγγενώς εύθραυστη λόγω του υπερκορεστού πλέγματος, των υψηλών εσωτερικών τάσεων και της παρουσίας αδελφοποιημένων περιοχών (ιδιαίτερα σε χάλυβες υψηλού άνθρακα). Επιμήκυνση σε κατάγματα από ~10-15% σε μαρτενσίτη με χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα σε μαρτενσίτη σε λιγότερο από 1% σε μαρτενσίτη πλάκας υψηλού άνθρακα. Η σκληρότητα πρόσκρουσης επίσης κατακρημνίζεται, καθιστώντας την ασυγκράτητη μαρτενσίτη υψηλού άνθρακα σχεδόν μη χρησιμοποιήσιμη. Αυτό το εμπόριο-off αναγκάζει ένα μετριοπαθή βήμα για την αποκατάσταση κάποιας ολκιμότητας σε βάρος της σκληρότητας.
Αυστηρή
Η υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα σταθεροποιεί τον ωστενίτη σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, που σημαίνει ότι η θερμοκρασία Mf μπορεί να πέσει κάτω από το περιβάλλον. Ως αποτέλεσμα, ένα κλάσμα του ωστενίτη παραμένει αμετάβλητο μετά την απόσβεση. Για παράδειγμα, ένα 1,0%C χάλυβα μπορεί να διατηρήσει 10-30% ωστενίτη. Αυτή η μαλακότερη φάση μπορεί να μειώσει τη συνολική σκληρότητα και να προκαλέσει τη διαστασιακή αστάθεια. Μεταγενέστερες υπο-μηδέν θεραπείες (κρυογενής επεξεργασία) ή πολλαπλούς κύκλους μετρίασης χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή διατηρημένου ωστενίτη σε μαρτενσίτη. Ωστόσο, μια μικρή ποσότητα διατηρημένου ωστενίτη (5-10%) μπορεί να βελτιώσει τη σκληρότητα σε ορισμένες εφαρμογές, όπως χαλύβδινα εργαλεία. Περισσότερα σχετικά με αυτό είναι διαθέσιμο από την ScienceDirect engineering materials survisory.
Πρακτικές Επιπτώσεις Επεξεργασίας
Επιλογή του μέσου της παύσης λειτουργίας
- Χάλυβες χαμηλού άνθρακα (0,02-0,3% C):[[LFT:1] Απαιτεί γρήγορη ψύξη (π.χ., παγωμένη άλμη ή νερό) για να φτάσει στο CCR· ακόμη και τότε, η πλήρης μαρτενσίτης μπορεί να επιτευχθεί μόνο σε λεπτά τμήματα. Συχνά αυτά χρησιμοποιούνται για την carburing για την αύξηση του επιφανειακού άνθρακα.
- Χάλυβες μεσαίου-άνθρακα (0,3-0,6% C): Η απόσβεση νερού είναι κοινή, αλλά το πετρέλαιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για κράματα με βελτιωμένη σκληρότητα.
- Χάλυβες υψηλού άνθρακα (0,6-1,2% C):[[LFT:1] Η απόσβεση πετρελαίου είναι τυπική για να αποφευχθεί η ρωγμή από το θερμικό σοκ. Η μαρτεμπεροποίηση (παραλλαγές αυτεπάγγελτων) βοηθά στη μείωση της παραμόρφωσης. Χρησιμοποιείται για εργαλεία κοπής, μήτρες, ⁇ λεμάν και ελατήρια.
Ανταπόκριση σε Επιταχυντές
Η martensite tempering προκαλεί καθίζηση των καρβιδίων μετάβασης (ε-καρβίδιο σε χαμηλότερο άνθρακα, τσιμεντίτη σε υψηλότερο άνθρακα), ανάκτηση των εξαρθρώσεων, και μείωση των υπολειπόμενων καταπονήσεων. Η as-στεγμένη πτώση σκληρότητας κατά τη διάρκεια της σκλήρυνσης είναι πιο απότομη για υψηλότερο χάλυβα άνθρακα, επειδή πιο υπερκορεσμένος άνθρακας είναι διαθέσιμος για τη δημιουργία καρβιδίων. Ωστόσο, η δευτερογενής σκλήρυνση συμβαίνει σε χάλυβες κράματος που περιέχουν ισχυρή καρβίδιο πρώην όπως Cr, Mo, V (π.χ., H13 χάλυβας εργαλείων) κατά τη μέτρηση στην περιοχή 500-600 °C. Χάλυβες εργαλείων υψηλής άνθρακα απαιτούν συχνά πολλαπλές θερμοκρασίες για να μετατρέψει διατηρούνται austenite και σταθεροποιημένες διαστάσεις.
Κράμα Στοιχεία και η αλληλεπίδραση τους με τον άνθρακα
Η προσθήκη κραμάτων στοιχείων τροποποιεί τον μετασχηματισμό μαρτενσίτη με διάφορους τρόπους:
- Νικέλ και Μαγγάνιο: Χαμηλότερη θερμοκρασία κα, αυξάνοντας την τάση διατήρησης του ωστενίτη.
- Χρώμιο και μολυβδαίνιο:[[LFT:1]] Ενίσχυση της σκληρότητας, επιτρέποντας τη σάφρυνση του πετρελαίου για χάλυβα υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα.
- Βανάδιο και Τιτάνιο: Σχηματίστε λεπτά καρβίδια που καρφώνουν όρια κόκκων και ραφινάρισμα μεγέθους πακέτων μαρτενσίτη.
- Σιλικόν: Καθυστερήσεις μαλακώνουν κατά τη διάρκεια της σκλήρυνσης, ευεργετικές για τους χάλυβες ελατηρίου.
Για μια εις βάθος συζήτηση των επιπτώσεων του κράματος, ανατρέξτε στο Σύνολο άρθρο Materia για τη σκληρότητα.
Επιλογή του σωστού περιεχομένου άνθρακα για εφαρμογές
Μηχανικοί προσαρμόζουν την περιεκτικότητα σε άνθρακα για να ταιριάζουν με τις απαιτήσεις υπηρεσιών:
- Χαμηλός άνθρακας (0.05-0.25% C) ⁇ χάλυβας σκληρυντικής περίπτωσης: Ο πυρήνας παραμένει σκληρός· η επιφάνεια είναι καρβουνισμένη στο 0.8-1.0%C και σβήνεται για να παράγει μια σκληρή, ανθεκτική στη φθορά περίπτωση. Παραδείγματα: καρμπυραρισμένα εργαλεία, εκκεντροφόροι, σφραγίσεις.
- Μερίδιο άνθρακα (0,3-0.5% C) ⁇ Τεταμένη και μετριασμένη χάλυβας: Προσφέρει δύναμη, σκληρότητα, και αντοχή στην κόπωση για άξονες, ράβδους σύνδεσης, μπουλόνια, και μέρη μηχανών.
- Υψηλός άνθρακας (0,6-1,2% C) ⁇ Ανθεκτικοί στη φθορά και χάλυβαι εργαλείων:[ Παρέχετε μέγιστη σκληρότητα μετά τη σβέση και τη σκλήρυνση, αν και με προσεκτική ανακούφιση από το στρες. Χρησιμοποιείται για μήτρες, μαχαίρια, ξυράφια, εργαλεία ψυχρής μορφοποίησης και καλώδια ελατηρίου.
- Υψηλός άνθρακας Ultra (1,2-2,0% C) ⁇ Ειδικές εφαρμογές:[[1]] Σπάνια χρησιμοποιείται λόγω της ακραίας εύθραυστης κατάστασης, μπορεί να υποστεί επεξεργασία μέσω μεταλλουργίας σκόνης ή εξειδικευμένων θεραπειών για εξαρτήματα υψηλής ενδυμασίας.
Συμπέρασμα
Η περιεκτικότητα του χάλυβα σε άνθρακα είναι η κύρια μεταβλητή που ελέγχει το σχηματισμό μαρτενσίτη, την κρυστάλλινη δομή του, και τις επακόλουθες μηχανικές ιδιότητες. Από τη μετατόπιση της θερμοκρασίας Ms και κρίσιμο ρυθμό ψύξης σε υπαγορεύοντας σκληρότητα, ολκιμότητα, και διατηρούνται austenite, ο ρόλος του άνθρακα είναι θεμελιώδους για τους θεριστές θερμότητας και μηχανικούς σχεδιασμού. Με την κατανόηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ άνθρακα, κραμάτων στοιχεία, και παραμέτρους απόσβεσης, οι κατασκευαστές μπορούν να παρέχουν σταθερά χάλυβα με βελτιστοποιημένη απόδοση ⁇ αν ο στόχος είναι ξυράφι-σχίσιμο σκληρότητα για μια λεπίδα, αντοχή στην κόπωση για ένα εργαλείο αυτοκινήτων, ή αντοχή στην πρόσκρουση για ένα εργαλείο εξόρυξης.
Για περαιτέρω ανάγνωση των σύγχρονων τεχνικών θερμικής επεξεργασίας, βλέπε την Τεχνική βιβλιοθήκη του περιοδικού Βιομηχανική Θέρμανση και σχετικά πρότυπα από ASTM International].