ההשפעה של Alloying על נקודות Eutectoid ו Eutectic במערכת Iron-Carbon

מערכת ברזל-פחמן משמשת כבסיס להבנת פלדות וברזלים, אשר נשאר החומרים המתכתיים הנפוצים ביותר בהנדסה. בעוד דיאגרמת שלב ה-F-C בינארית מספקת נתונים של טרנספורמציה מהותית, ⁇ תעשייתית כמעט אף פעם לא מכילה רק ברזל ופחמן. אלמנטים של שלב מתכת כגון מניגאני, כרום, ניקל, סיליקון, mobdenum, ו- vanadium הם הוסיפו בכוונה לשנות תכונות מכניות, קריפטומטריות ותפקודים קריטיים, כלומר, תהליכים גמישים ותפקודים.

מאמר זה מספק סקירה טכנית מקיפה של איך אלמנטים ⁇ גדול לשנות את התגובות eutectoid ו eutectic במערכת Fe-C. אנו נבחן את המנגנונים התרמודינמיים והקינטיים, להציג נתונים כמותיים שבו זמין, ונדון השלכות מעשיות על עיצוב סגסוגת וטיפול חום.ההתמקדות היא הבנה קורא ייצור כי תומך קבלת החלטות בקבלת פלדה, מצא בפועל, ובחירת חומרים.

מימון שלב הברזל-Carbon Diagram

הדיאגרמת שלב בינארית של P-C ממפה את השלבים של שיווי המשקל הקיימים בטמפרטורות שונות ובתוכן פחמן.שני תגובות שונות שולטות בתרשים:

  • (FLT:0) תגובה אקסטקטואידית (FLT:1) ב -72 ° C (1340 ° F) ו-0.6 wt% C: ⁇ (austenite) α (פריט) + Fe3C (cementite) תגובה זו מייצרת פניניט, a lamellar מורכב של ferite ו מלטיטה.
  • (FLT:0) תגובה גלקטית של 1LT (114 ° C (209 °F) ו 4.30 wt% C: נוזל ⁇ (austenite) + Fe3C (cementite) צורות תגובה זו הובילו את בוריט, המבנה האופייני של ברזל לבן.

נקודות אלה אינן קבועות בסגסוגת מסחרית.כל רכיב ⁇ משנה את הפעילות coefficients, ייצוב או עיוות שלבים, ומשנה את מערכות היחסים אנרגיה חופשי גיבס המגדירים גבולות איזון.הבנת הכיוון והעוצמה של שינויים אלה חיונית לחיזוי מבנים מיקרו-מקודדים, תכנון מחזורי טיפול חום ושליטה במאפיינים הסופיים.

נקודת אוקטקטאיד: מכניזם של השפעות מכליות

הנקודה eutectoid מייצגת איזון תלת-phase בין אוסר, ferrite ו מלטיט. Alloying אלמנטים חלוקה בין השלבים האלה באופן שונה, המשפיעים על ההסתברות היחסית שלהם.

  • (FLT:0)Austeniteייצבים מייצבים 1 (למשל, Ni, Mn, Co, Cu): אלמנטים אלה מרחיבים את שדה שלב האנתנסיטי, הורדת הטמפרטורה האקזואידית ומשנה את תכולת הפחמן האלקטרוקואידית לערכים גבוהים יותר.
  • (ב) [13]:0 (ב) ייצוב:0) ייצוב ייצוב ייצוב (למשל, Si, Cr, V, Mo, Al, Ti, W): אלמנטים אלה חוזים את השדה האנתנסיטי, העלאת הטמפרטורה האקזואידית ומשנה את תכולת הפחמן האלקטרוקואידית לערכים נמוכים יותר.

מאן

מנגנזי הוא ייצוב חזק.זה מוריד את הטמפרטורה eutectoid בערך 10-15 מעלות צלזיוס למשקל% Mn הוסיף.מספונטאנית, את תכולת הפחמן האקזואידית עולה - מ-0.7% C עד 0.90% C עם 26% C עם 26% C עם תוספת מעשית של 0.5n C עם תוספת גבוהה סטרית נמוכה (HSLA) פלדה ורמת חום-טופס 1 עד 0, 000 קלף טבעי, 000 000 000 000 000 קל יותר, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

מכיוון שחלוקות מניגנזיות מעדיפות למלטיט, היא גם מייצבת את שלב הקרוסידיד, ומקדמת את היווצרות הפנינה הליברלית ולא קשקשים במהלך קירור איטי.

ניקל

ניקל מתנהג כמו מניגנזי, מוריד את הטמפרטורה eutectoid ואת התוכן פחמן של הנקודה eutectoid. עם זאת, ניקל הוא פחות יעיל carbide לשעבר נוטה להתמוסס בפרוט.זה. זה מוריד את הטמפרטורה eutectoid על ידי כ 5-10 מעלות C ל-1% Ni הוסיף.בפלדות ⁇ פחמן בינוני, תוספת של 3% יכול לעבור את האקווריום ל-700 קמצוגניציה נמוכה יותר.

Chromium

Chromium הוא ferriteייצב ו carbide חזק לשעבר.It מעלה את הטמפרטורה eutectoid באופן משמעותי - על ידי בערך 20-30 מעלות C עבור 1% Cr - ומפחית את התוכן פחמן eutectoid פלדה עם 2% Cr, הנקודה eutectoid יכול לנוע סביב 770 מעלות צלזיוס ו -0.55% Cromium גם מקדם היווצרות של ⁇ , כלומר, כלומר, לחץ דם מורכב יותר, ממטרת מתכתי, הוא קשה, 000.

הנטייה של כרום פירושה שבברזלים ברום גבוה (מעל 10% Cr), התגובה האקטונקטואידית הופכת להיות פחות מוגדרת בגלל שלבי קרבה מרובים coexist.

סיליקון

הסיליקון הוא ייצוב רב עוצמה וסוכן גרפיזציה.זה מעלה את הטמפרטורה האקטונקטית בחדות – על ידי כ-15-25 מעלות C ל-1% Si – ומפחית את תכולת הפחמן האקזואידית.לדוגמה, רמת סיליקון של 2% יכולה להעלות את הטמפרטורה האקזואידית ל-830 מעלות צלזיוס ולצמצם את הפחמן האקזואיד ל-0.50%.

Molybdenum

Molybdenum הוא מייצב מתון ו carbide חזק לשעבר.It מעלה את הטמפרטורה eutectoid בערך 10-15 מעלות C עבור 1% Mo ותחתון את התוכן פחמן eutectoid פחמן מוידיבאנום יעיל במיוחד כדי ליישב את פניניט ו bainite שינויים, מה שהופך אותו מרכיב מפתח לשיפור יכולת קשה בפלדה עמיד חום.

Vanadium

Vanadium הוא אחד מגדולי carbide לשעבר ו ferrite ייצוב.זה מעלה את הטמפרטורה eutectoid על ידי 15-25 מעלות C עבור 1% V באופן משמעותי להפחית את התוכן פחמן eutectoid פחמן , Vanadium carbides (VC, V4C3) הם מאוד יציב ומתנגד coarsing בטמפרטורות גבוהות, מה שהופך את Vanadium חיוני עבור microoyellaed פלדה כי להשיג כוח באמצעות טיפול נמרץ ללא לחץ חזק.

השפעות אינטראקציה

סגסוגת אמיתית מכילה אלמנטים רבים של ⁇ , ואת ההשפעה המשולבת שלהם על הנקודה eutectoid הוא לא רק תוספת.לדוגמה, מניגנס ניקל יחד להפחית את הטמפרטורה eutectoid יותר מאשר כל אלמנט לבד, בעוד chromium וסיליקון שניהם להעלות אותו.אפקט המשולב ניתן להעריך באמצעות משוואות תגמול אמפירית, אבל סגסוגת ניסיונית זהירה נדרשת לחיזוי מדויק.

(ב) [ה]ה] [ה]ה'[דרוש מקור]:2 [=727]=7 [%]=2=2]=2=727+ 20(%Si) + 15(%Cr) + 10(%) + 5(%V) - 12(% Mn) - 10(%N) - 10(%N) - 5(%(%)

סוג זה של משוואה נותן הערכה ראשונה עבור פחמן פשוט ופלדות דלות.עם זאת, בריכוזים גבוהים יותר, ההשפעות הופכות לא ליניאריות, ואת התגובה eutectoid עשוי פיצול לתוך מספר שינויים אם carbide לשעבר exgregate חזק.

הנקודה האינטיקטית: השפעות על סולידריות ברזל

התגובה האקטקטית במערכת Fe-C חשובה באותה מידה, מאחר שהיא שולטת במימוש של ברזלי יצוקה.האקט היציב (graphite + austenite) מתרחשת ב 115 מעלות צלזיוס עם -4.20% C, בעוד שחומרי האלקטרוניקה המטבוליים (cementite + austenite) מתרחשים ב-114 ° C עם -4.30% C בפועל, המערכת היציבה מקודמת על ידי אלמנטים של C, בעוד שקודמים על ידי רכיבי C, בעוד שקודמים (Ricial), בעוד שקודמים, בעוד ש- C, בעוד שקודמים, בעוד שקודמים, C, בעוד שקודמים, בעוד שקודמים, , בעוד שקודמים, , , , , , , , , , , , ⁇ , , , , , , , , , , ⁇ , , ⁇ ⁇ , בעוד ש- NPTSb ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ , ⁇ , , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ,

סיליקון

הסיליקון הוא הגרף העיקרי של ברזל יצוקה.זה משנה את ההרכב האקלקטי לצריכת פחמן נמוכה יותר, מעלה את הטמפרטורה האקטקטית.ברז אפור טיפוסי עם 2.5% Si יש טמפרטורה אקולוגית יציבה סביב 1155-1160 מעלות צלזיוס ורכב אקולוגי ליד 3.8–4.0% C. הסיליקון גם מרחיב את טווח ההתארגנות, המשפיע על הפחתה ואכילה התנהגות בדלפקיר.

Chromium

Chromium מקדם את הטמפרטורות המטלטלות (מבנה ברזל לבן) ומפחית את הנטייה הגרף.It מעלה את הטמפרטורה האקלקטית מעט (בסביבות 2-5 מעלות צלזיוס ל-1% Cr) ומעביר את התוכן הפחמן הגלקטי למעלה למעלה?למעשה, כרום מקדם היווצרות פחמן דו-חמצני, כך שחומרי המטסול הופכים דומיננטיים ב- C2%) לשימוש בתרכובות פחמן- 30 מעלות צלזיוס (C) להגדלת כמותן (Cer) לטמפרטורה נמוכה יותר ל- 30%) לכדי חומר פחמן (C70%) לכדי חומר פחמן (חומר פחמן (בייטטומטיקהילה) ו-30%) לצריכת פחמן (במטר) לצריכת פחמימות) לטבולית (במטר (כטרנטיעתית) לצריכת פחמן (בצורה נמוכה יותר ויותר) לכדי חומר קטנטמימין) ו-30%) לכדי צריכת פחמימות (כטרנטיעת פחמימות (כטרנטימנטאלית) לכדי צריכת פחמן (כטרנטיבות) לכדי חומר קטנטמימין) לכדי חומר פחמן (במטר) ו- 30.

ניקל

ניקל הוא גרף מתון ו anusteniteייצב.It מוריד את הטמפרטורה eutectic ומזיז את ההרכב eutectic לתכנים פחמן גבוהים יותר.בברזלים דוקטריליים (Ni-Resist Types), תוכן ניקל של 15-30% לייצר ממטרה אנכית מלאה ולקדם היווצרות גרפיט יציבה.

מאן

למניגנזי יש השפעות מורכבות על eutectic. בכמויות נמוכות (0.5-1.0%), הוא מקדם את eutectic metastable על ידי יצירת MnS וצמצום ההשפעה של sulfur. עם זאת, ברמות גבוהות יותר (מעל 2%), מעשי מניגנזה כמו ייצוב אוסטן ויכולים לקדם היווצרות גרפיט אם סיליקון הוא גם נוכח בפועל, האדם הוא לעתים קרובות מבוקר על ידי 0.4 דונם כדי לייצר ברזל.

Molybdenum ו-Vanadium

הן molybdenum ו- vanadium הם ייצובי carbide חזקים.הם להפחית את התוכן פחמן של חומר eutectic ולהגדיל את הטמפרטורה האקלקטית.בברזל לבן סגסוגת, אלמנטים אלה מוסיפים ליצור שלבים קשיחים (M2C, M6C, MC) אשר משפרים עמידות לחתוך.

נתונים קוונטיים ומודלים חיזוי

הבנת גודל השינויים היא חיונית לתכנון ⁇ .השולחן הבא מספק שינויים משוערים למשקל של אחוז מסגסוגת פלדה דלה (עד 5% תוכן ⁇ הכולל):

Approximate Effect of Alloying Elements on Eutectoid Temperature and Carbon Content
Element ΔTeutec (°C per 1 wt%) ΔCeutec (wt% C per 1 wt%)
Mn-10 to -15+0.05 to +0.08
Ni-5 to -100 to -0.05
Cr+15 to +25-0.08 to -0.15
Si+15 to +25-0.10 to -0.15
Mo+10 to +15-0.05 to -0.10
V+15 to +25-0.10 to -0.15
Cu-5 to -100 to +0.03

ערכים אלה הם משוערים ותלויים על בסיס פחמן תוכן אינטראקציה עם אלמנטים אחרים. עבור חישובים מדויקים יותר, כלים תרמודינמיקה חישוביים כגון Thermo-Calc או FactSage הם כעת סטנדרטיים בפרקטיקה תעשייתית. הם יכולים לחזות שלב שוויוני עבור מערכות מרובות-קודש וליצור חלקים איזוטופיים להראות כיצד נקודות אקוטיות ואקוטיות עם סגסוגת.

השלכות מעשיות על פלדה ורכיבי ברזל

טיפול חום ב Steels

השינוי בטמפרטורה eutectoid משפיע ישירות על טמפרטורות אינטנסיביות לטיפול חום.אם פלדה מכילה 1.5% Cr (התעוררות eutectoid על ידי -30 ° C), הטמפרטורה הקונבנציונלית של 850 מעלות צלזיוס עשוי להיות לא מספיק כדי לפזר את הפחמימות באופן מלא. עלייה של 880-900 מעלות צלזיוס יידרש.

שינויים בתוכן פחמן אקוטימי גם משפיעים על בחירת רמות פחמן עבור מיקרו-מבנה מסוים. פלדה ⁇ המיועד למבנה מרטיני מטבולי ממוזג חייב להיות תוכן פחמן מעל eutectoid המזוזה כדי להימנע מכמויות גדולות של fer פרוקטנואיד.עבור 2% Cr פלדה, פחמן eutectoid הוא כ-0.55%, כך ש-0.40% C יהיה בעל שיקול משמעותי לפני נטילת פנינה, זהירות, הדורשת שיקול דעת זהיר.

סולידריות ברזל

במצאות, משמרת ההרכב האקלקטי שולטת בכמות הגרף שנוצר, נטיות מתכווצות, והסיכון של צונן (ברזל לבן) לדוגמה, ברזל אפור עם 2.0% Si יש פחמן דו-אטיבי של כ 3.9%.אם התוכן פחמן בפועל הוא 3.5%, הברזל הוא hypoeutectic, ו-pritenite dendrites צורה לפני האקטקטי הזה יכול להפחית את הנפיחות של סיליקון, אבל גם עם סגסוגת סיליקון עם סיליקון עם סיליקון יכול להיות מופחתת עם סגסוגת סיליקון עם סיליקון.

גלי ברזל דוטלי משתמשים בטיפול מגנזיום כדי לפענח גרפיט, אבל הטמפרטורה האקטקטית עדיין מושפעת מאלמנטים ⁇ . ניקל תוספת לייצר ברזל נקטה רסיסט דורש התאמה פחמן שווה ערך כדי לשמור על נפיחות.הטמפרטורה האינטקטית של כ 5-10 מעלות צלזיוס ל-1% Ni פירושה כי לשפוך טמפרטורה חייב להיות נמוך יותר כדי להימנע ממומים.

נושאים מתקדמים: Eutectoid במערכות High-Alloy

בפלדות אל-חלד ובפלדות כלי, התגובה האלקטרונית הפשוטה הופכת להיות מורכבת יותר.לדוגמה, ב-18% Cr-8% Ni (טיפוס 304) נירוסטה, eutectoid הוא כמעט מדוכא כי chromium מייצב fers מעל טווח רחב, ניקל מייצב את austenite.השלב מראה פתרון רציף בין fer ו atenusite בטמפרטורות גבוהות, אך עדיין לא ניתן לגרום ל- Cagcide C2C3 (אך עדיין להיות).

פלדה מהירה גבוהה (למשל, AISI M2) מכיל כמויות גדולות של tungsten, molybdenum, chromium, וניל, פחמן. התגובה eutectoid מוחלפת על ידי אקווטקטנו מורכב דמוי decomposition של מחזורים גבוהים של חום גבוה כל austenite לתוך fer וסוגים מרובים של carbide (MC, M2C, M23C).

התחממות וטמפרטורה: השפעות משניות

למרות שלא ישירות חלק נקודות eutectoid או eutectic, אלמנטים סגסוגת להשפיע גם על טמפרטורת ההתחלה של מרטיניט (Ms) שכן גב' מושפעת על ידי הרכב של austenite בטמפרטורת הטרנספורמציה, שינויים בתוכן פחמן אלקטרוניקאיד באופן עקיף להשפיע על גב 'אטרקאיד גבוה יותר פחמן (מתוספת Mn) פירושו כי austenite ב eutoid יש תוכן גבוה יותר כי יש לחץ דם כי יש צורך פחמן דבקה, אשר עשוי להפחית את פחמן Ctenus חזק יותר, 000.

ניתוח של Alloys תעשייתיים ספציפיים

SAE 4140 (0.40C, 0.90Mn, 0.95Cr, 0.25Mo)

בדגם זה Cr-Mo פלדה, ההשפעות המשולבות של Cr (+0.95% × 20 ° C = +19 ° C) ו Mo (+0.25% × 12 ° C= + °C) להעלות את הטמפרטורה האתקוטאידית ל- 749 מעלות צלזיוס, בעוד Mn (-0.90% × 12C= −8 ° C) מפצה חלקית, נותן מהירויות של 0.

דוקטריון ברזל גובה 60-40-18 (3.5C, 2.5Si, 0.4Mn, 0.05Mg)

עם 2.5% Si, הטמפרטורה האקלקטית היציבה עולה בערך 1160 מעלות צלזיוס והרכב האקטקטי הוא בערך 3.8% C. מכיוון שהפחמן האמיתי הוא 3.5% (היפוקט), צורות ראשוניות ראשוניות ראשוניות, אשר בברזל דוקטרקטיל מקדם נוד נוח, אך סיליקון גם מדכא היווצרות מלטיט, להבטיח כי הגרף האקטקטי הוא phericite לחלוטין phericsactic מונע על ידי racicicic.

ברזל לבן גבוה (5% Cr, 3%C, 2%Mo)

כאן ההרכב האקטקטי משתנה באופן דרמטי. Chromium ב 15% מקטין את הסוליום פחמן ב austenite ומקדם M7C3 carbides. הטמפרטורה האקלטית עולה ל-1200-1220 ° C. Molybdenum עוד יותר מייצב M2C carbides.המטריקס הופך תערובת של אטמוסיט מסיבי carbides הבנת שינוי זה מאפשר לטמפרטורות המתאימות כדי למזג אווירי (450) כאשר הוא מנקה תקין.

אתגרים בחיזוי אפקטים משולבים

בעוד רגרסיות ליניאריות שימושיות עבור הדרכה, הם נכשלים בתוכן ⁇ גבוה או כאשר אלמנטים אינטראקציה סינרגיסט באופן סינרגי. לדוגמה, כרום ו molybdenum הן צורה carbides והן יכולות להתחרות על פחמן. Vanadium carbide הוא יציב מאוד ויכול למעשה לנעול פחמן, צמצום פחמן יעיל זמין עבור התגובה eutectoid. במקרים כאלה, הרעיון של "מקבילה" (CE) היה צורך בזהירות +CE) כמו 0.03% Cvacted עבור פחמן (%) היה צורך ברזל מפותחת (%) עבור פחמן (%) היה צורך בזהירות.

תרמודינמיקה חישובית מודרנית מספקת את הגישה האמינה ביותר. על ידי קלט ההרכב הכימי המלא ושימוש מסדי נתונים אומתיים, אחד יכול compute isopleths כי להראות במדויק eutectoid ו eutectic הרכבים וטמפרטורות.זה עכשיו סטנדרטי בעיצוב ⁇ עבור חלל, רכב, ויישומים כלי.

מסקנה

אלמנטים מכווצים משנה ביסודו את נקודות eutectoid ו eutectic במערכת ברזל פחמן, שינוי הן הטמפרטורות והרכבות שבו תגובות אלה invariant להתרחש. Austenite התייצבות כגון Manganese ניקל מוריד את הטמפרטורה eutectoid ולהגדיל את התוכן פחמן שלה, בעוד fert ו carbide התייצבות כמו chromis, סיליקון, mobdenum, ונומטרדיום ברזל מגביר את הגרף, הם גם את חומר פחמן, ולהגדיל את חומר פחמן, 000 יציב.

שינויים אלה יש השלכות ישירות על טיפול חום, בקרת הגשמה, ונכסים מכניים סופיים. הבנה מעמיקה של אפקטים של ⁇ מאפשר למהנדסים לייעל מיקרו-מבנה עבור תנאי שירות ספציפיים, בין אם זה אומר לייצר פלדה פנינית מלאה עבור התנגדות ללבוש או ברזל דוקטרילי עם יכולת מעולה.עם סיוע של כלים חיזויים וניסוי זהיר, ⁇ יכול להיות מותאם בדיוק כדי להשיג את האיזון הרצוי של כוח, קשיחות, קשיחות, תהליך קשה.

לקריאה נוספת, ייעוץ מקורות סמכותיים כגון:0ASM Handbook, Volume 3: Alloy Phase DiagramsFLT:1 ו-FLT:2MatWeb Material Property DataFLT 3 (המדריך המעשי על עיצוב ⁇ ניתן למצוא ב-FLT:4Steel UniversityFLT:5, אשר מציע קורסים אינטראקטיביים על שינויים בסגסוגת פלדה.