Table of Contents
Johdanto: Hiili-interstituoitujen teräskarkaisujen kriittinen rooli
Teräs on edelleen yleisimmin käytetty tekninen seos, ja sen mekaaniset ominaisuudet ovat pohjimmiltaan hallinnassa lämpökäsittely. Niistä eri lämpökäsittelyprosessit, sammuttamalla.Nopea jäähdytys austeniittivaihe .Tuottaa martensite, mikrorakenne, joka tuottaa poikkeuksellisen kovuus ja lujuus.Teräksen hiilipitoisuus on yksi vaikutustekijä martensite muodostumista, sen lopullinen rakenne, ja siitä johtuvat ominaisuudet. Tämä artikkeli tarjoaa kattavan, teknisen tutkimuksen suhdetta hiilisisällön ja martensite sammutettu teräs, kattaa muunnosmekanismit, mekaaninen käyttäytyminen, ja käytännön valmistus näkökohdat.
Mårtensite Formation Fundamentals
Martensite on metastabiili vaihe, jonka muodostaa diffuusiokyvytön, shear-vetoinen transformaatio kasvoista kuution (FCC) austeniitti kehon keskipisteistä tetragonaali (BCT) rakenne. Nopea sammutus (jäähdytysnopeus järjestyksessä 100 °C / s 1000 °C / s riippuen hiilisisällön) estää diffuusio hiiliatomien, ansastaa ne interstitiaalisivustoihin rauta lattice. Tämä supersaturaatio hiilen vääristää kuution lattice osaksi tetragonaalinen yksi, jossa c / a suhde kasvaa lineaarisesti hiilipitoisuus. Muuntaminen tapahtuu lämpöisesti.Merten fraktio martensite riippuu vain lämpötila alle martensite alku (Ms) lämpötila, ei ajan.
Märkälihaksen tärkeimmät ominaisuudet ovat sen akukulaarinen (neulan kaltainen) morfologia, korkea sijoiltaanmenotiheys ja kaksosten tai latsien hieno alarakenne.Morfologia itsessään riippuu hiilipitoisuudesta: vähähiiliset teräkset (alle 0,4% C) muodostavat yleensä lahden martensiitin, jossa on rinnakkaislevyt, kun taas hiiliteräkset (yli 0,6% C) tuottavat levymartensiitin, jossa on tyypillinen siksak-malli. Nämä erot liittyvät suoraan muunnoskantaan ja austeniitin kykyyn mukautua leijonan muodonmuutokseen.
Miten hiilisisältö Governs Mårtensite Transformation
Hiili interstitiaalisena seosaineena
Hiiliatomit miehittävät octahedral interstitial sivustoja FCC austeniitti lattice. Sammutuksen aikana, hiili ei voi hajaantua tarpeeksi nopeasti muodostaa sementtiä (Fe3C) tai muita karbidia; sen sijaan se pysyy ansassa, määrää vakava tetragonaalinen vääristymä. aste tetragonaalisuus (c/a suhde) kasvaa noin 1,0 0 °C noin 1,08 klo 1,2% C. Tämä vääristymä on vastuussa äärimmäinen kovuus martensite.
Hiilipitoisuuden ja Ms. lämpötilan välinen suhde on kriittinen ja vakiintunut: kukin 0,1%:n kasvu vähentää Ms noin 30-40 °C. Empiiriset kaavat kuten Andrewsin yhtälö antaa:
Ms (°C) = 539 ... 423(%C) ... 30.4(%Mn) ... 17.7(%Ni) ... 12.1(%Cr) ...
Näin ollen 0,8% hiiliteräksen hiilipitoisuus on noin 200 °C, kun taas 0,2 °C:n teräs on Ms lähes 500 °C. Martensite (Mf) lämpötila on tyypillisesti 200-250 °C alle Ms, vaikka korkeahiilinen teräs Mf voi pudota alle huoneenlämpöön, mikä johtaa edelleen austeniitti.
Kriittinen jäähdytysnopeus ja erittäin korkea kestävyys
Martensiittia muodostaen jäähdytysnopeuden on oltava suurempi kuin kriittinen jäähdytysnopeus (CCR) .Minimmillään se ei saa hiljentyä (esim. öljyä veden sijasta). Hiilipitoisuus vaikuttaa voimakkaasti CCR:ään. Korkeampi hiili siirtää jatkuvan jäähdytystransformaation (CCT) pearliittinen nenän pitkiin ajoiin, jolloin on helpompi saavuttaa täysi martensiitti hitaammilla sammutuksilla (esim. öljyä veden sijasta). Kuitenkin erittäin korkea hiilipitoisuus (yli 0,8%) voi itse asiassa lisätä CCR:ää, koska sementtisaostumaa on vältettävä. Sementtiä muodostavat elementit, kuten mangaani, kromi, nikkeli ja molybdeeni, jotka siirtävät CCT-käyrää edelleen ja joita käytetään usein vähentämään vaadittua jäähdytysnopeutta.
| 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 |
Huomautus: Seoslisäykset voivat muuttaa näitä vaihteluvälejä merkittävästi. Lisätietoja on ASM Internationals lämpöä käsittelevät resurssit[.
Moretensiten hiilipitoisuus ja mekaaniset ominaisuudet
Kovuus ja vahvuus
Klassinen yhtälö on:
Kilpivyys (HRC) ... 60...(%C) + 20 (hiilipitoisuus enintään 0,8%
Näin ollen 0,2%C kovuus on noin 47 HRC; 0,8%C se saavuttaa noin 67 HRC. Yli 0,8%C, kovuus tasaantuu, koska ylimääräinen hiili pysyy liuoksessa, mutta kasvava tetragonaalisuus johtaa mikrocracking ja säilyttää austeniitti. Vetolujuus samoin nousee noin 1000 MPa varten 0,2%C martensiitti yli 2 500 MPa korkean hiili martensiitti.
Duktiiliys ja kovettuma
Marjojen pinta-ala on luonnostaan hauras, koska sen ylikyllästynyt lattice, korkeat sisäiset jännitykset, ja läsnäolo kaksoisvalmisteiset alueet (erityisesti korkean hiilen teräs). Pitkäikäisyys murtumia putoaa ~10-15% vähähiilisen lahden martensiit alle 1% korkean hiilen levy martensiit. Vaikutus sitkeys myös romahtaa, jolloin lämmittämätön korkean hiilen martensit lähes käyttökelvoton. Tämä kompromissi pakottaa karkaisu askel palauttaa joitakin kanavaa kustannuksella kovuus.
Säilytetty Austenite
Korkea hiilipitoisuus vakauttaa austeniittia alempiin lämpötiloihin, mikä tarkoittaa, että Mf lämpötila voi laskea alle ympäristön. Tämän seurauksena murto-osa austeniittia pysyy muuntamattomana sammutuksen jälkeen. Esimerkiksi 1,0%C-teräs voi säilyttää 10-30% austeniittia. Tämä pehmeämpi vaihe voi vähentää kovuutta ja aiheuttaa dimension epävakautta. Myöhemmillä pakkaskäsittelyillä (kryogeeninen käsittely) tai useilla karkaisusykleillä voidaan muuntaa edelleen austeniittia martensiitiksi. Pieni määrä säilytettäviä austeniittia (5-10%) voi kuitenkin parantaa joissakin sovelluksissa, kuten työkaluteräksissä. Lisää tästä on saatavilla TiedeSuora materiaalikatselmus[].
Käytännön käsittely
Valikoima stanching medium
- Vähähiiliset teräkset (0,02-0,3% C):[ Vaadi nopea jäähdytys (esim. jäävesi tai vesi) CCR:n saavuttamiseksi; silloinkin täysi marteniitti voidaan saavuttaa vain ohuina osina. Näitä käytetään usein kaasuttamiseen pintahiilen lisäämiseksi.
- Keskihiiliteräkset (0,3-0,6% C):[ Vedensammutus on yleistä, mutta öljyä voidaan käyttää seoksissa, joiden kovettuma on parantunut. Kiristys on välttämätöntä, jotta rakenneosille, kuten akselille ja vaihteelle, saadaan aikaan tasapainoisia ominaisuuksia.
- High-carbon-teräkset (0,6-1,2% C):[ Öljyn sammutus on tyypillistä välttää murtumista lämpöisku. Martempering (austriming variantteja) auttaa vähentämään vääristymiä. Käytetään leikkaamalla työkaluja, kuolee, laakerit, ja jouset.
Häiriöreaktio
Karkaisu martensiitti aiheuttaa saostuma siirtymäkarbidien (ε-karbidi alemmassa hiilessä, sementtiä korkeammassa hiilessä), palautuminen dislocations, ja vähentää jäännösjännityksiä. As-quenkled kovuus pudotus karkaisun aikana on jyrkempi korkeampi hiiliteräksille, koska enemmän ylikyllästynyttä hiiltä on saatavilla muodostaa karbidit. Kuitenkin sekundääri kovettuminen tapahtuu seoksessa teräksissä, jotka sisältävät vahvoja karbidin entisiä kuten Cr, Mo, V (esim., H13 työkaluteräs) karkaisu 500-600 °C:n alueella. Korkeahiilinen työkaluteräkset vaativat usein useita temperamenttisia muuntaa säilynyt austeniitti ja vakauttaa mitat.
Sekoittavat elementit ja niiden vuorovaikutus hiilen kanssa
Seostavien elementtien lisääminen muuttaa martensiitin muuntamista monella tavalla:
- Nickel ja Mangaani: [ Alempi Ms lämpötila, lisää taipumus säilyttää austeniitti.
- Kromi ja molybdeeni:[ Paranna kovettuvuutta, jolloin öljy sammuu korkeahiilisiin teräksiin. Ne myös edistävät karbidin muodostumista karkaisun aikana.
- Vanadium ja titaani:[ Muodostaa hienoja karbidia, joka kiinnittää rakeiden rajoja ja tarkentaa martensite pakkauskoko.
- Silicon:[] jälkeenjääneet pehmenevät karkaisun aikana, hyötyä jousiteräksille.
Seoksesta aiheutuvien vaikutusten syvällistä keskustelua varten ks. Kokonaismalli artikkeli kovettuvuudesta .
Oikean hiilisisällön valitseminen sovelluksiin
Insinöörit räätälöivät hiilipitoisuuden vastaamaan palveluvaatimuksia:
- Heikkohiili (0,05-0,55% C) ... Asia-kovettuva teräs: Ydin pysyy kovana; pinta on kaasutettu 0,8-1,0%C:een ja sammutettu kovan, kulumisenkestävän kotelon tuottamiseksi. Esimerkkejä: kaasutetut vaihteet, akselit, leimaimet.
- Keskihiili (0,3-0,5 C) ... .............................................................................................................................................................................................................................................
- High carbon (0,6-1,2% C) ... ........................................................................................................................................................................................................................................
- Ultra-korkeahiilinen (1,2-2,0% C) ... .......................................................................................................................................................................................................................................
Päätelmä
Terästen hiilipitoisuus on mestarimuuttuja, joka ohjaa martensiitin muodostumista, sen kristallirakennetta ja sitä seuraavia mekaanisia ominaisuuksia. Ms lämpötilan ja kriittisen jäähdytysnopeuden siirtämisestä sanelemiseen, kanavallisuudessa ja säilytyksessä austeniitti, hiilen rooli on perusta lämmönkäsittelijöille ja suunnitteluinsinööreille. Ymmärtämällä hiilen, seosten ja sammuttamisparametrien välisen vuorovaikutuksen valmistajat voivat johdonmukaisesti toimittaa teräksiä optimoidulla suorituskyvyllä. Olipa tavoitteena terän terän terän terävyys, väsymisenkestävyys autovaihteelle tai kaivostyökalun kestävyys. Hiilen sisällön ohjailu yhdistettynä asianmukaisiin sammuttamis- ja karkaisukäytäntöihin on edelleen avain martensitiikan täyden potentiaalin avaamiseen.
Ks. lisätietoja nykyaikaisista lämpökäsittelytekniikoista Teollisuuden lämmityslehden teknisestä kirjastosta ja asiaankuuluvista standardeista ASTM International .