تأثیر تغییرات دما بر پایداری فاز در آلیاژهای آهن- کربن

فازهای موجود در آلیاژهای کربن آهن: یک بررسی دقیق

رفتار مکانیکی و زندگی خدمت از آلیاژهای کربن آهن (خلاق و آهن) توسط مخلوط مراحل کریستالی موجود در میکروساختارها، تغییرات دما - چه در هنگام پردازش و چه در خدمت - به طور مستقیم تغییر می کند که کدام فازها پایدار هستند و چگونه آنها تبدیل می شوند.

[α-Fe] - فاز مکعب بدن محور (BCC) که نرم و لوله است. Ferrite کربن بسیار کمی را حل می کند (حداکثر ~0.022 در 727 درجه سانتیگراد) و فاز اصلی در فولادهای کم کربن است.
فاز مکعب رو به رو (FCC) با مقدار زیادی کربن lubility (تا 2.14٪ در 1148 ° C آستنیت) پایدار است بالاتر از 727 درجه سانتیگراد (برای فولادهای هیپوeutectoid) و ایجاد گرما و گرما گرم به دلیل توانایی آن برای انعطاف پذیری و انتقال کربن.
[Fe3C] - یک ترکیب بین فلزیک با ساختار بلوری یاتorhombic، آن را بسیار سخت و شکننده، حاوی 6.67 wt٪ کربن سیمانیت به عنوان یک فاز جداگانه در مروارید و به عنوان یک شبکه در فولادهای hypereutoid، کمک به قدرت بالا اما کاهش.
- ساختار lamellar eutectoid متشکل از لایه های متناوب از فریتیت و سیمانیت است. آن را تشکیل می دهد زمانی که austenite از ترکیب Eutectoid (0.76 wttttttectoid c) به آرامی از طریق 727 درجه سانتیگراد خنک شده است.
Bainite - یک ساختار کوچک (مانند نیاز) تشکیل شده در نرخ های خنک کننده متوسط، شامل صفحات فریریت و ذرات سیمانی ظریف ترکیب خوبی از قدرت و سختی ارائه می دهد.
- یک محلول غیر تعادل، راه حل جامد فوق اشباع کربن در BCT (شبکه تتراگونal بدن)، که توسط خنک کننده سریع (کینگ) از austenite تشکیل شده است. Martensite بسیار سخت و شکننده است؛ سختی آن با محتوای کربن افزایش می یابد.

هر یک از این مراحل دارای یک محدوده ثبات متمایز با توجه به دما و ترکیب، همانطور که در نمودار فاز آهن کربن خلاصه شده است.

مرحله کربن آهن: نقشه ی تنظیم دما-آب

نمودار فاز تعادل برای Fe-C (تا 6.67 wt٪ C) پایه ای برای درک اثرات دما است. نکات کلیدی invariant عبارتند از:

نقطه ی پوکتوئید [0] [0 ] [0 ] [0 ] [0 ] [0 ] [0 ] [ [0 ] [ [ 1 ] [ ] [0 ] [ ] [ ] ] [ {\displaystyleite]
نقطه ی پوکی (4.30 در C، 1148 درجه سانتیگراد: مایع تبدیل به مخلوطی از austenite و سیمان (ledeburite) در آهن های ریخته شده است.
نقطه پریتctic [0] [0] [0] مایع واکنش با δ-ferrite برای تشکیل austenite.

در خنک کننده، تغییرات مرحله ای توسط این مرزهای تعادل هدایت می شوند، اما در عمل میزان خنک کننده می تواند باعث انحراف (تبدیلات غیر تعادل) شود که باعث ایجاد بینیت یا مارتنمکان می شود.

محدوده دما برای ثبات فاز

بالاتر از 912 درجه سانتیگراد (برای آهن خالص؛ کمی پایین تر برای فولاد)

در این دما، austenite فاز پایدار برای اکثر محتویات کربن زیر 2.14 است.این محدوده برای کار گرم (rolling، build) و درمان های همگن است.شبکه FCC austenite اجازه می دهد تا انتشار کربن بالا، ضروری برای تخلیه و سایر درمان های سطح.

بین 727 درجه سانتیگراد و 912 ° C (منطقهhypoeutectoid)

در فولادهای کم کربن، فازهای پایدار و اکسید در یک منطقه دو فاز هستند، به عنوان قطره دما، فریسیت شروع به شکل در مرزهای دانه ای از آستنیت می کند. نسبت فریت افزایش می یابد تا دمای یوتوکتوئید.

زیر 727 درجه سانتیگراد

در دمای پایین یوکتوئید، ساختار تعادل برای فولادهای ساده کربن شامل جوش و سیمانیت (پلریت در ترکیب یوتوکتوئید) است، با این حال، اگر خنک کننده سریع باشد، austenite می تواند به فازهای غیر تعادل مانند بی (بین ~ 550 درجه سانتیگراد و خانم مار) یا (درجه حرارت کم) تبدیل شود.

تغییرات مرحله ای در هنگام گرم شدن و خنک کردن

گرمایش: آستن و رشد دانه

هنگامی که یک فولاد بالاتر از دمای A3 (برای هیپوeutectoid) یا A1 (برای اتوکتوئید)، تبدیل جوش و سیمانی موجود به austenite است، این فرایند نیاز به انتشار کربن دارد و به طور معمول بیش از طیف وسیعی از دماها رخ می دهد (20-40 درجه سانتیگراد بالاتر از خط بحرانی).

خنک کننده: کنترل میکروساختار

مسیر خنک کننده ترکیب مرحله نهایی را تعیین می کند. سه محصول اصلی در مورد خنک کردن austenite عبارتند از:

- با خنک کننده آهسته (شتاب کننده، عادی سازی) در دما نزدیک به 700 درجه سانتیگراد، فرایند مبتنی بر انتشار است: اتم های کربن به لایه های سیمان تقسیم می شوند. فاصله بینلاملا به طور معکوس به زیرکوزولینگ مرتبط است؛ سریع خنک کننده خوب و مروارید بالاتر (به عنوان مثال ثبت اختراع در سیم).
باینیت - با نرخ خنک کننده متوسط (به عنوان مثال، در ایزوترمال فرو ریختن در ۴۵۰-۵ درجه سانتیگراد) Bainite با یک مکانیسم پراکنده اوار پس از رد کربن رشد می کند.
- هنگامی که نرخ خنک کننده بیش از نرخ خنک کننده بحرانی است، دور زدن بینی از C-curensite. تحول یک گرما و بی انتشار است؛ شبکه ای که اورها برای تشکیل یک ساختار تتراگونی استفاده می کنند، دمای شروع مارتین محل (M) بستگی به محتوای کربن بالا دارد، اتاق خانم می تواند به معنای دمای بالا باشد.

نمودار زمان- ⁇ -ترجمه (TTT) این رژیم ها را با انتخاب یک منحنی خنک کننده، متالورژییست ها می توانند ساختارهای میکرو را هدف قرار دهند.

تأثیر عناصر آلیاژی بر ثبات دما

فولادهای عملی حاوی منگنز، کروم، نیکل، مولیبدن و غیره هستند که مرزهای فاز و خویشاوندی تحول را تغییر می دهند.

نیکل و منگنز زمینه اکیدایت را گسترش می دهند (درجه حرارت A3 را پایین می آورند و محتوای کربن پاک را کاهش می دهند).
Chromium، vanadium و molybdenum باعث ایجاد جوش و ترویج تشکیل کاربیدهای آلیاژی، افزایش دمای فراکتوئید می شوند.
عناصر آلیاژ به طور کلی انتشار را آهسته می کنند، منحنی های TTT را به زمان طولانی تر تغییر می دهند و باعث می شوند که شکل گیری مارتنsite (به عنوان مثال، آنها سخت تر می شوند).

درک این تغییرات برای انتخاب دمای حرارتی بسیار مهم است.برای مثال، یک فولاد استاندارد 4340 (Ni-Cr-Mo) نیاز به درجه حرارت بالاتر (48-870 درجه سانتیگراد) نسبت به 1045 (780-820 درجه سانتیگراد).

برنامه های کاربردی درمان حرارتی

آن

آنالینگ شامل گرمایش به محدوده آستنیت (یا بالاتر از A1) و خنک کردن آهسته (شتاب آور گوگرد) است، این فولاد را نرم می کند، استرس های داخلی را تسکین می دهد و یک میکروساختار مروارید ضخیم تولید می کند (بالای A3) ساختار دانه را اصلاح می کند؛ تبخیر کننده (فقط در زیر A1) باعث ایجاد سیمانی برای حداکثر ماتین می شود.

عادی سازی

گرمایش به خنک کننده هوا و اکراه یک ساختار یکنواخت، ریزه مروارید خوب تولید می کند. عادی سازی همگن و خواص مکانیکی را در مقایسه با شرایط as-rolled یا بازیگران بهبود می بخشد.این اغلب به عنوان یک پیش درمان برای سخت شدن استفاده می شود.

سرقت و گرم کردن

ترک کردن (در آب، روغن یا هوا) از austenite باعث می شود که فولاد حاصل بسیار سخت است، اما شکننده و استرس زا.گرم کردن شامل گرم شدن دوباره به دمای زیر A1 (معمولا 150-650 درجه سانتیگراد) برای اجازه دادن به کربن به عنوان مواد ریز، کاهش سختی و افزایش کنترل های شدید دمای گرم و تعادل نهایی است.

درمان های حرارتی Iso Heat

اشباع (که به حمام در دمای تشکیل بایت) تولید می کند ساختارهای میکروکولی با سختی عالی. مارتمپرینگ (که به بالای خانم، سپس خنک کننده آهسته) باعث کاهش تحریف و کرک در مقایسه با خاموش کردن مستقیم می شود.

نتیجه گیری

تغییرات دما به طور مستقیم بر ثبات فاز در آلیاژهای کربن آهن حکومت می کنند.با درک نمودار فاز و شخصیت های تحول، مهندسان می توانند چرخه های درمان گرما را طراحی کنند که ساختارهای ریز را به قدرت خاص، سختی و الزامات سخت افزاری تولید کنند، چه دستیابی به مروارید خوب برای فولاد آهن، Martensite برای برش ابزارها، یا بیونیک برای دنده ها، کنترل دقیق گرمایش و خنک کننده، ادامه تحقیقات کلیدی (C) به چه مقدار زیادی از محدودیت های پیشرفته ای (قدرت بالا) ادامه می دهد.

برای مراجع معتبر، ASM Handbook Volume 4: Heat Cureing و ورود نمودار کربن آهن در ویکی پدیا جزئیات جامع ارائه می دهد.