La relación entre el contenido de carbono y la formación de martensitas en aceros anclados
Introducción: El papel crítico del carbono en el endurecimiento del acero
El acero sigue siendo la aleación de ingeniería más utilizada, y sus propiedades mecánicas son controladas fundamentalmente por el tratamiento térmico. Entre los diversos procesos de tratamiento térmico, el enfriamiento de cómputo de la fase austenita, produce martensita, una microestructura que imparte dureza y fuerza excepcionales. El contenido de carbono del acero es el factor más influyente que rige la formación de martensita, su estructura final y las propiedades resultantes.
Fundamentos de formación de martensitas
La martensita es una fase metástaca formada por una transformación indiferente y derivada de cúbicos centrados en la cara (FCC) austenita a una estructura tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). La rápida desconexión (tasas de cooling en el orden de 100°C/s a 1000°C/s dependiendo del contenido de carbono) suprime la difusión de los átomos de carbono
Las características clave de la martensita incluyen su morfología acicular (como la needle), alta densidad de dislocación, y una fina subestructura de gemelos o latigazos. La morfología en sí misma depende del contenido de carbono: aceros de bajo carbono (bajo 0,4% C) tienden a formar martensita de latiga con placas paralelas, mientras que los aceros de alto carbono (ambocance 0,6% C) producen las diferencias de la ceparetinato con una característica
Cómo el contenido de carbono Governs Martensite Transformation
Carbono como elemento de aleación intersticial
Los átomos de carbono ocupan sitios intersticiales octaedral dentro de la celosía austenita FCC. Durante el apagado, el carbono no puede difusar lo suficientemente rápido como para formar cementita (Fe3C) u otros carburos; en lugar, permanece atrapado, imponiendo una distorsión tetragonal severa.El grado de tetragonalidad (c/a ratio) aumenta de alrededor 1.0 a 0%C a aproximadamente 1.08 en el responsable.
La relación entre el contenido de carbono y la temperatura de la Sra es crítica y bien establecida: cada aumento del 0,1% en carbono reduce la Ms por aproximadamente 30-40°C. Las fórmulas empíricas como la ecuación de Andrews dan:
Ms (°C) = 539 – 423(%C) – 30.4(%Mn) – 17.7(%Ni) – 12.1(%Cr) – 7.5(%Mo) + ...
Así, un acero al carbono liso con 0.8%C tiene una Ms alrededor de 200°C, mientras que un 0.2%C de acero tiene cerca de 500°C. La temperatura del acabado martensito (Mf) es típicamente 200-250°C debajo de la Sra, aunque en aceros de alta carbono Mf puede caer por debajo de la temperatura ambiente, lo que conduce a la austenita retenida.
Tasa de enfriamiento crítico y dureza
Para formar martensita, la tasa de refrigeración debe superar la tasa de refrigeración crítica (CCR) - la tasa mínima que evita las transformaciones difusas a la perla o al bainito. El contenido de carbono influye fuertemente en el CCR. El carbono más alto cambia la nariz de la transformación de refrigeración continua (CCT) a más largos tiempos, lo que hace más fácil alcanzar la martensita completa con anchas más lentas (por ejemplo, el 0 óleo de agua).
| 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 |
Nota: Las aleaciones pueden alterar sustancialmente estos rangos. Para más detalles, véase ] Los recursos de tratamiento térmico de ASM International.
Contenido de carbono y propiedades mecánicas de martensita
Dureza y Fuerza
La dureza martensita con posterioridad al carbono es aproximadamente lineal con contenido de carbono hasta alrededor de 0,8%C. Una ecuación clásica es:
Hardness (HRC) ♥ 60√(%C) + 20 (para el contenido de carbono hasta 0,8%)
Así, a 0,2%C la dureza es alrededor de 47 HRC; a 0,8%C alcanza alrededor de 67 HRC. Más allá de 0,8%C, las mesetas de dureza porque el carbono adicional permanece en solución pero la tetragonalidad creciente conduce a la microcracking y mantenida austenita. La fuerza de la tensil aumenta de forma similar a alrededor de 1.000 MPa para un martensito de 0,2%C a más de 2.500 MPa.
Ductility and Toughness
La martensita es inherentemente frágil debido a su celosía supersaturada, altas tensiones internas, y la presencia de regiones gemelas (especialmente en aceros de alto carbono). Elongación a fractura gotas de ~10-15% en alta martensita de baja emisión de carbono a menos de 1% en alta martensita de placa. Reacción del impacto también ciruela, haciendo un esfuerzo de alta presión de alta presión de alta presión de los factores poco inutilizables.
Austenita retenida
El alto contenido de carbono se estabiliza austenito a temperaturas inferiores, lo que significa que la temperatura Mf puede caer por debajo del ambiente. Como resultado, una fracción de austenita permanece sin traducir después de apagar. Por ejemplo, un acero de 1.0%C puede retener 10-30% austenita. Esta fase más suave puede reducir la dureza general y causar inestabilidad dimensional.
Implicaciones de procesamiento práctico
Selección de Quenching Medium
- Aceros de carbono (0.02-0.3% C):] Requiere enfriamiento rápido (por ejemplo, salmuera o agua helada) para llegar al CCR; incluso entonces, el martensito completo sólo puede ser alcanzado en secciones delgadas. A menudo se utilizan para carburar para aumentar el carbono superficial.
- Aceros de medium-carbono (0.3-0.6% C): El anzamiento de agua es común, pero el aceite se puede utilizar para aleaciones con mayor dureza. El templado es esencial para lograr propiedades equilibradas para componentes estructurales como ejes y engranajes.
- Aceros de alto carbono (0.6-1.2% C): El apagado de aceite es típico para evitar el desgarro de los choques térmicos. El martempering (variantes intemporales) ayuda a reducir la distorsión. Se utiliza para cortar herramientas, mueres, rodamientos y manantiales.
Respuesta de la tentación
La martensita templante causa precipitación de carburos de transición (értigo-carburo en carbono inferior, cementado en carbono superior), recuperación de dislocaciones y reducción de tensiones residuales. La caída de dureza asecutada durante el templado es más pronunciada para aceros de carbono más altos porque el carbono más supersaturado está disponible para formar carburos. Sin embargo, el endurecimiento secundario se produce en aceros de aleación que contienen fuertes templados como herramienta de acero templado 13
Aleación de elementos y su interacción con el carbono
La adición de elementos de aleación modifica la transformación martensita de varias maneras:
- Nickel y Manganese: Temperatura de la menor, aumentando la tendencia a retener austenita.
- Cromium y Molybdenum: Mejora la dureza, permitiendo que el aceite se quenche para aceros de alto carbono. También promueven la formación de carburo durante el templado.
- Vanadio y Titanio: Forma carburos finos que marcan los límites de grano y refinan el tamaño de paquete de martensita.
- Silicona: Los retardes se suavizan durante el templado, beneficioso para los aceros de primavera.
Para un debate a fondo sobre los efectos de aleación, consulte el artículo de la Materia Total sobre la dureza.
Elegir el contenido de carbono adecuado para aplicaciones
Los ingenieros a medida de contenido de carbono para satisfacer los requisitos de servicio:
- carbono (0.05-0.25% C) – aceros de endurecimiento de caso: El núcleo permanece duro; la superficie se carbura a 0.8-1.0%C y se engancha para producir un caso duro y resistente al desgaste. Ejemplos: engranajes carburados, camshafts, estampillas.
- carbono medio (0.3-0.5% C) – Aceros anclados y templados: Ofrezca fuerza, resistencia y resistencia a la fatiga para los ejes, conexión de varillas, pernos y piezas de máquina.
- Alto carbono (0.6-1.2% C) – Resistente al desgaste y aceros de herramientas: Proporcionar la máxima dureza después de apagado y templado, aunque con cuidadoso alivio de estrés. Se utiliza para los dies, cuchillos, navajas, herramientas de formación en frío y alambres de primavera.
- carbono ultra-alto (1.2-2.0% C) – Aplicaciones especiales:] Utilizado raramente por la extrema fragilidad; puede ser procesado a través de metalurgia en polvo o tratamientos de calor especializados para componentes de alta costura.
Conclusión
El contenido de carbono del acero es la formación de martensita controla la variable principal, su estructura de cristal y las propiedades mecánicas subsiguientes. Desde el cambio de la velocidad de temperatura y refrigeración crítica para dictar dureza, ductilidad y austenita retenida, el papel del carbono es fundamental para los tratadores de calor y los ingenieros de diseño.
Para más información sobre técnicas modernas de tratamiento térmico, consulte la Biblioteca técnica de la revista industrial de calefacción y los estándares relevantes de ASTM International.