Rauta-hiiliseosten vaiheet: Yksityiskohtaiset yleiskuvat

Rauta-hiiliseosten (terästen ja valurautaisten) mekaaninen käyttäytyminen ja käyttöikä sanellaan niiden mikrorakenteessa olevien kiteiden vaiheiden sekoituksella. Lämpötilan vaihtelut. Olipa kyse käsittelystä tai käytöstä.Muuta suoraan, mitkä vaiheet ovat vakaita ja miten ne muuttuvat. Alla tarkastellaan Fe-C-järjestelmässä näkyviä keskeisiä vaiheita, jotka yhdistävät niiden kristallirakenteet ominaisuusinsinööreihin.

  • Ferriitti (α-Fe)[] . ... Kehon keskiössä oleva kuutio (BCC) vaihe, joka on pehmeä ja pallomainen. Ferriitti liukenee hyvin vähän hiiltä (max ~0,022 wt% 727,C:ssä) ja on ensisijainen vaihe vähähiilisissä terässä. Sen BCC-rakenne antaa hyvää lujuutta mutta vähemmän voimaa kuin muissa vaiheissa.
  • Austeniitti (γ-Fe) ... ....................................................................................................................................................................................................................................
  • Cementiitti (Fe3C)[] . . . . . Ötökkäkiderakenne on metallinen yhdiste, jonka ortorhombinen kristallirakenne on erittäin kova ja hauras, sisältää 6,67 painoprosenttia hiiltä. Sementti on erillinen vaihe helmiliitissä ja hypereutectoid-teräksissä, mikä lisää suurta voimakkuutta mutta vähentää kanavattomuutta.
  • Pearlite[ ... ........................................................................................................................................................................................................................................
  • Bainiitti[ ... ........................................................................................................................................................................................................................................
  • Martensite[ . ... ......................................................................................................................................................................................................................................

Kullakin näistä vaiheista on erillinen stabiiliusalue lämpötilan ja koostumuksen suhteen, kuten rauta-hiilifaasikaaviossa on esitetty.

Rauta-hiili-faasikuva: Lämpötila...

Fe-C:n tasapainovaihekaavio (jopa 6,67 wt% C) on perusta lämpötilan vaikutusten ymmärtämiselle.

  • Eutektoidipiste[ (0,76 painoprosenttia C, 7278/C): Austeniitti (γ) hajoaa ferriittien (α) ja sementin (Fe3C) .
  • Eutaktinen kohta[ (4.30 wt% C, 1148°C): Neste muuttuu valuraudoissa olevan austeniitin ja sementin (ledeburiitin) seokseksi.
  • Periteettinen piste[ (0,17 painoprosenttia C, 1493 °C): Neste reagoi δ-ferriitin kanssa muodostaen austeniitin.

Jäähdytyksessä vaihemuunnokset ohjaavat näitä tasapainorajoja, mutta käytännössä jäähdytysnopeus voi aiheuttaa bainiittia tai martensiittia tuottavia poikkeamia (ei-tasapainoisia muunnoksia).

Vaiheen vakauden lämpötila-alue

Yli 912°C (puhtaan raudan osalta; hieman pienempi terästen osalta)

Näissä lämpötiloissa austeniitti on vakaa vaihe suurimmalle osalle hiilipitoisuudesta alle 2,14 wt%. Tämä on valikoima kuumatyöskentelyä (käämitys, taonta) ja homogenointia varten. Austeniittien FCC-hiiletys mahdollistaa korkean hiilidiffuusion, joka on välttämätöntä kaasuttamiseen ja muihin pintakäsittelyihin.

727 °C - 912°C (hypoeutectoidialue)

Vähähiilisissä terässä vakaat vaiheet ovat ferrittejä ja austeniittia kaksivaiheisella alueella. Lämpötilan pudotessa ferritiini alkaa muodostua austeniittien viljarajoilla. Säteen osuus kasvaa eutektoidin lämpötilaan asti.

Alle 725°C

Eutektoidin alla olevissa lämpötiloissa tasankohiiliteräksen tasapaino-mikrorakenne koostuu ferriittistä ja sementtiitistä (pearliitti eutektoidikoostumuksessa). Jos jäähdytys on nopeaa, austeniitti voi kuitenkin muuttua bainiitin kaltaiseksi ei-tasapainofaasiksi (n.550°C ja Ms) tai martensiitiksi (n. ms. lämpötilan alapuolella).

Vaiheen muunnokset Lämmityksen ja jäähdytyksen aikana

Lämmitys: Austenitisaatio ja viljan kasvu

Kun teräs kuumennetaan yli A3:n lämpötilan (hypoeutectoidin) tai A1:n (eutektoidien osalta), olemassa oleva ferriitti ja sementti muuttuu austeniittiksi. Tämä prosessi edellyttää hiilen diffuusiota ja tyypillisesti tapahtuu yli lämpötila-alueen (20...40 °C kriittisen linjan yläpuolella).Tärkeä austenitointi takaa yhdenmukaisen hiilijakauman. Kuitenkin pitkät korkeat lämpötilat aiheuttavat austeniittiviljan jyrsimistä, mikä heikentää lopputuotetta (Hall-Petch vaikutus: suuremmat viljat vähentävät satovahvuutta).

Jäähdytys: Kontrolloiva mikrorakenne

Jäähdytyspolku määrittää lopullisen vaiheen seoksen. Kolme tärkeintä muunnostuotetta jäähdytysausteniittia ovat:

  1. Pearlite[ ...] Muodostetaan hitaalla jäähdytyksellä (furnassijäähdytys, normalisointi) lämpötiloissa lähellä 700 °C. Prosessi perustuu diffuusioon: hiiliatomien väliseinä sementtiittikerroksiin. Interlamellarien välinen väli on käänteisesti yhteydessä alijäähdytykseen; nopea jäähdytys antaa hienompaa helmiä ja kovempaa kovuutta (esim. patentoidussa langasta).
  2. Bainiitti[ . ... ......................................................................................................................................................................................................................................
  3. Martensite[ . Muodollinen, kun jäähdytysnopeus ylittää kriittisen jäähdytysnopeuden, ohittaen C-käyrän nenän. Muunnos on lämpö- ja diffuusiokyvytön; austeniittisakset muodostavat tetragonaalisen rakenteen. Martensite-käynnistyslämpötila (Ms) riippuu hiilipitoisuudesta. Korkeahiiliteräksille Ms on alle huoneen lämpötilan, mikä tarkoittaa, että austeniitti voi olla olemassa.

Klassinen aika-Lämpötila-transformaatio (TTT) -kaavio näyttää nämä järjestelmät. Valitsemalla jäähdytyskäyrän metallilurgistit voivat kohdistaa haluttuja mikrorakenteita.

Sekoittavien elementtien vaikutus lämpötilan vakauteen

Käytännön teräs sisältää mangaania, kromia, nikkeliä, molybdeenia jne., jotka muuttavat vaiherajat ja muunnoskinetiikkaa. Esimerkiksi:

  • Nikkeli ja mangaani laajentavat austeniittikenttää (alempi A3-lämpötila ja pienentävät eutektoidin hiilipitoisuutta).
  • Kromi, vanadiini ja molybdeenistabilointi ferritoidaan ja edistetään seoskarbidien muodostumista, mikä nostaa eutektoidin lämpötilaa.
  • Seoselementit yleensä hidastavat diffuusiota, siirtävät TTT-käyrät pidempiin ajoista ja helpottavat martensiittien muodostumista (eli ne kovettavat).

Näiden muutosten ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää lämpökäsittelyn lämpötilojen valinnassa. Esimerkiksi standardi 4340 teräs (Ni-Cr-Mo) vaatii korkeampia autentisoivia lämpötiloja (840...870°C) kuin tavallinen 1045 (780...820°C).

Käytännön lämmönhoitosovellukset

Anneling

Annealing sisältää lämmitys austeniitti (tai yläpuolella A1) ja jäähdytys hitaasti (furnace jäähdytys). Tämä pehmentää terästä, lievittää sisäisiä paineita, ja tuottaa karkea helmiliitin mikrorakenne. Täysi hehkutus (yli A3) jalostaa raerakenne; pallomaalauksen ( juuri alle A1) muodostaa pallomainen sementtiite maksimaalisen koneellista.

Normaloidaan

Austeniitti- ja ilmajäähdytystehon lämmittäminen tuottaa yhtenäisen, hienon helmiliitin mikrorakenteen. Normalisointi parantaa homogeenisuutta ja mekaanisia ominaisuuksia verrattuna valssattuihin tai valettuihin olosuhteisiin. Sitä käytetään usein esikäsittelynä kovettamiseen.

Tukahdutus ja kimmoke

Austeniittien rouhiminen (nopea jäähdytys vedessä, öljyssä tai ilmassa) tuottaa martensiitin. Tuloksena oleva teräs on hyvin kovaa mutta haurasa ja stressaantunutta. Karkaisussa on kyse uudelleenkuumenemisesta alle A1:n (tyypillisesti 150.650°C) lämpötilaan, jotta hiilisaostumat olisivat hienoja karbidia, mikä vähentäisi kovuutta ja lisäisi sitkeyttä. Karkaisulämpötila säätelee lujuus- ja kanavatasapainoa.

Isoterminen lämpökäsittely

Austempering (peruuttaminen kylpyammeessa bainiittimuodostelman lämpötila) tuottaa bainiittisia mikrorakenteita erinomaisella sitkeydellä. Martempering (peruuttaa juuri edellä Ms, sitten hidas jäähdytys) vähentää säröä ja krakkaus verrattuna suoraan sammutukseen. Molemmat prosessit hyödyntää lämpötilasta riippuvaa transformaatiokinetiikkaa.

Päätelmät

Lämpötilavaihtelut ohjaavat suoraan vaihevakautta rauta-hiiliseoksissa. Ymmärtämällä vaihekaavion ja muunnoskinetiikkaa insinöörit voivat suunnitella lämmönkäsittelysyklit, jotka tuottavat mikrorakenteita, jotka on räätälöity erityislujuuden, kovuuden ja lujuuden vaatimuksiin. Saavutetaanpa hienohelmi rauta- ja terästeräkselle, martensiitille työkalujen leikkaamiseen tai bainiittiin, avain on lämmitys- ja jäähdytysnopeuden tarkka hallinta. Jatkotutkimus edistyneiden korkeajänniteisten terästen (AHSS) ja räätälöityjen sammutusprosessien tutkimisesta jatkaa Fe-C-seosten avulla saavutettavien rajojen työntämistä.

Arvonmäärityksen osalta ASM-käsikirjan niteessä 4: Lämpökäsittely ja rauta-hiili-faasikaavion Wikipediassa on kattava tieto. Lisäksi MatWeb-tietokanta tarjoaa mekaanisia kiinteistötietoja erilaisista lämpökäsitellyistä teräksistä.[