מערכת ברזל פחמן נשאר אבן הפינה של הנדסה מתכתית מודרנית, השולטת בייצור וטיפול חום של פלדה מטילים ברזל. Mastery של מערכת שלב זה מאפשר למהנדסים להתאים תכונות מכניות כגון כוח, קשיחות, דוקטרינות, ונוקשות על פני מגוון עצום של יישומים תעשייתיים - מבניינים גבוהים ורכיבי רכב לחיתוך כלים וכלי רכב רפואיים.

מימון שלב הברזל-Carbon Diagram

דיאגרמת שלב הברזל ממפה את השלבים היציבים והטרנספורמציות של השלב כתפקוד של טמפרטורה ותוכן פחמן (בדרך כלל עד 6.67 wt% C, הרכב מלטיט) הדיאגרמה חיונית לבחירת פרמטרים עיבוד וחיזוי מיקרו-אורגניזמים הסופיים בשני פלדות פחמן נמוכות ו- C- Carbon-carbons. 2 תגובות קריטיות בחלופה מגדירות את התרגרמה: התגובה eutoid ב- 742C ו- C7C.

Austenite ( ⁇ -Fe)

Austenite הוא פתרון מוצק של פחמן בברזל, יציב בטמפרטורות גבוהות (מעל 727 מעלות צלזיוס עבור eutectoid הרכב) זה יכול להתמוסס עד 2.11 wt% C ב 1147 ° C. Austenite הוא לא מגנטי ורך יחסית, מה שהופך אותו שלב מועדף עבור פעילות גופנית חום וחום.

Ferrite (α-Fe)

Ferrite הוא פתרון מוצק של מעוקב (BCC) עם שפע של פחמן נמוך מאוד (מקסימום 0.022 wt% ב 727 ° C) הוא רך, דוקטריל ומגנטי. פרייט טפסים בטמפרטורת החדר בפלדות פחמן נמוך ומספק את המרחץ לתרום לנוקשות הכוללת וכושר.

Cementite (Fe3C)

Cementite הוא תרכובת בין-מטאלילית (רכב ברזל) המכילה 6.67 wt% C. זה מאוד קשה ושברירי. Cementite מופיע כשלב ייחודי פניניט, ביניט, ו spheroidite, ואת מורפיולוגיות שלה משפיעות מאוד על ההתנהגות המכנית של פלדות.

פרליט

פרליט הוא lamellar (שכבות) מיקרו-מבנה אלקטרו-אידו המורכב מהצלחות של ferrite ו מלטיט.זה טפסים כאשר austenite של ההרכב eutectoid (0.77% C) הוא קריר לאט דרך הטמפרטורה eutectoid.הלחתוך interlamellar קובע את הכוח והקשה - ספיגה מהירה יותר כוח פרל.

Bainite

Bainite הוא מיקרו-מבנה זעיר (כמוני) שנוצר על ידי טרנספורמציה austenite בשיעורי קירור ביניים, בין אלה המייצרים פניניט ו martensite. זה מורכב מהצלחות מפרטקס המכיל חלקיקים מלטיטים משובחים.צורות ביאט גבוה יש נוצות גבוהות יותר ויש לו נוצות לוואי נמוכות בטמפרטורות נמוכות יותר והוא קשה יותר ויותר.

מרטינט

Martensite הוא פתרון מוצק על-טבעי של פחמן בטטטרהגון ממוקד גוף (BCT) lattice, נוצר על ידי קירור מהיר (הקציר) של austenite.הטרנספורמציה מתרחשת ללא דיפוזיה, וכתוצאה מכך שלב קשה מאוד אך בולט. Martensite הוא החיזוק העיקרי בפלדות קשיחות; לאחר מכן משפר את הקשודות על ידי מתן משקעים מבוקרים.

Spheroidite

Spheroidite הוא מיקרו-מבנה שבו מלטיט מניח צורה הרואין (globular) בתוך מאטריקס ferrite.It מופק על ידי חימום ממושך של פלדות פניניות או מרטינסיטי בטמפרטורות ממש מתחת לאוטוטוקאיד. Spheroid הוא רך ודקטי, מה שהופך אותו רצוי להיווצרות קר ושיפור יכולת של פלדה גבוהה פחמן.

תהליכי טיפול בבטיחות המבוססים על מערכת הברזל-Carbon

דיאגרמת ברזל פחמן מנחה כל ניתוח טיפול חום גדול.על ידי שליטה בטמפרטורה חימום, זמן אחזקה וקצב קירור, מהנדסים יכולים לייצר מגוון רחב של מיקרו-מבנה ונכסים מרכב ⁇ יחיד.

אנליינג

מלא אנמנלינג כרוך חימום פלדה לאזור austenite (בדרך כלל 30-50 מעלות צלזיוס מעל הטמפרטורה הקריטית העליונה A3 או AcioFLT:0 ס"מ) לתוך אזור האנדרוגן (בדרך כלל 30-50 מעלות צלזיוס מעל הטמפרטורה הקריטית העליונה A3 או AcioFLT:0 ס"מ) , שמירה על ההומוגן, ולאחר מכן קירור לאט מאוד בזעם.

נורמליזציה

נורמליזציה של המתכת לתוך אזור austenite ואחריו קירור באוויר עדיין.קצב הקירור הוא מהיר יותר מאשר נשימה, וכתוצאה מכך מיקרון פניניט דק יותר.נורמליזציה גודל דגנים, משפר אחידות, והוא משמש לעתים קרובות כטיפול ראשוני לפני הנוקשות.

המונחים:

קונצ'ינג מהיר קרירה אטמוסיט לטמפרטורת החדר כדי ליצור מרטיניט.השווה (מים, שמן או פולימר) חייב להיות שיעור קירור מספיק כדי למנוע פניניט או היווצרות ביניט, במיוחד בטווח הקריטי בין 550 מעלות צלזיוס ו 250 מעלות צלזיוס. כי פלדה קווינצ'נד הם קשים מאוד אבל גלימה ולא ניתן להשתמש בהם ללא מזג.

טיפול חום אחר

Austempering הוא טיפול אותרמי שבו austenite הוא quenched לטמפרטורה מעל ההתחלה המרטן (MoriFLT:0sphFLT:1) אבל מתחת לאף פניני, מוחזק עד הטרנספורמציה לביט הושלם, ולאחר מכן קריר לטמפרטורה בחדר. Austemperingering מייצרת פלדות בינאריות עם קשיחות ועיוות מינימלי.

יישומים תעשייתיים של פלדה וקטירות

⁇ הנדסה המבוססת על מערכת ברזל פחמן מסווגת בעיקר על ידי תוכן פחמן ומיקרו-מבנה. כל קטגוריה משרתת יישומים ספציפיים המבוססים על דרישות קניין מכני ופיזי.

פלדה דלת פחמימות ( ⁇ 0.25% C)

פלדות אלה הן בעיקר ferrite עם כמויות קטנות של פניניט.הם רכים, דוקטריליים, ונוצלים בקלות - אידיאלי עבור לוחות גוף רכב, מסגרות מבניות, צינורות, ומוצרי מתכת. וריאנטים גבוהים יותר להסתמך על מיקרו-ויידה (Vanadium, niobium, titanium) ולשלוט על מנת להשיג גדלים דגנים יפים וחיזוק.

Medium-Carbon Steels (0.25%-0.60% C)

פלדות פחמן בינוניות משמשות לעתים קרובות במצב חום (מכוס ומנוכל) כדי להשיג כוח גבוה ונוקשות. יישומים כוללים הילוכים, crankshafts, חיבור מוטות, גרזן, ומסילות רכבת. ציונים טיפוסיים כוללים SAE 1040 ו 4140 (כל פלדהoy).

High-Carbon Steels (0.60%-1.40% C)

פלדות פחמן גבוהות משמשים היכן קשיחות גבוהה והתנגדות ללבוש נדרשים, כגון חיתוך כלים, מת, מעיינות, חוטים גבוהים סטרנגית.תוכן פחמן גבוה מאפשר היווצרות של כמויות גדולות של מלטיט ו martensite. פלדה כלי (למשל, A2, D2, D2, H13) לשלב אלמנטים נוספים ⁇ (כרום, וניל, מוליד) כדי לשפר את עמידות קשה כדי לרכך.

ברזל

ברזלים יצוקה מכילים רמות פחמן מעל 2.11% (בדרך כלל 2.5%–4%) ומסווגים על ידי צורה של פחמן נוכחי. Gray הטיל ברזל (פלקטי גרפיטי פלסייקטים) מספק יכולת לחות מעולה ומיומנות, המשמש עבור בלוקים מנועים ובסיסי מכונה.לבן הטיל ברזל (פחמן כמו מלטיט) הוא קשה מאוד ללבוש עמיד, אבל מלוטש, המשמש עבור קוצים וציוד מחץ המיוצר ברזל.

יסודות ואפקטים שלהם על מערכת הברזל-קרבון

פלדה הנדסיות לעתים רחוקות מכיל רק ברזל ופחמן. אלמנטים של כלולים מתווספים בכוונה לשנות יציבות שלב, קיננטיקה טרנספורמציה, וכתוצאה מכך נכסים.אלמנטים כגון כרום, ניקל, molybdenum, וניל, סיליקון, ומניגנזה לשנות את הטמפרטורה ואת ההרכב, לשנות את שערי קירור קריטי, ולקדם היווצרות של מבנים ספציפיים.

  • (ב) ,0) מנדרנסראטפל 1: (ה): מוריד את הטמפרטורה האקטונקטואידית ומגדיל את הקשידות; סיועים בדה-חמצן ובשליטה בגופרית.
  • (ב) [ה]: [ה] [ה]]]: [ה] [ה], [ה], [ה]], [ה], [ה],] [ה]]]], [התעלו] [התעלו] [התערו] [התערו] [ה] [הת] [התערו] [ה] [הת] [ה] [ה] [ה"ב"ב"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ב[[ה"ה"ה"ה"ב"ה"ה"ה"ה"ה"ב[[ה"ה"ה"ה"ה"ב"ב],"ב"ה"ה"ה"ה"ב"ב"ה"ה"ב"ב"ה"ב"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ב"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ב"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה
  • (ב) ,0)NickeligtureFLT:1: מוריד את טמפרטורות הטרנספורמציה ומשפר את הקשידות בטמפרטורות נמוכות; מייצב את האנדרוגטי בסגסוגת ניקל גבוהה.
  • (ב) ,0) מ"מ: שיפור יכולת, צמצום הבזבוז המזג, ולהגדיל את הכוח הזמני.
  • (ב) ,0) ,VanadiumphFLT:1: טפסים מטענים יציבים כי לחדד את גודל הדגנים ולספק קשיחות משנית במהלך המזג.
  • (ב) [13]: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

ההשפעה הכמותית של אלמנטים אלה על דיאגרמת ברזל פחמן נתפס לעתים קרובות באמצעות הרעיון של פחמן שווה ערך (CE) הנוסחה CE (למשל, CE = C + (Mn/6) + (Cr+Mo+V) + (Ni+Cu) /15) צופה את הכדאיות והקשות של פלדה המבוססת על הרכב שלה ומשמשת באופן נרחב במפרטים הנדסיים.

חידושים מודרניים ופלדות גבוהות מתקדמות (AHSS)

מערכת ברזל-פחמן ממשיכה להיות הבסיס לציוני פלדה מתקדמים העומדים בדרישות התובעניות של ירידה במשקל, בטיחות התרסקות וקיימות סביבתית - במיוחד בתעשיות הרכב והתעופה.

כפול-שלב (DP) Steels

פלדות DP מורכב ממטריקס רך המכיל איים של מטבוליט קשה.הם מציעים שילוב ייחודי של תשואה רציפה, כוח רבילי גבוה, ודוכסיות טובה, מה שהופך אותם אידיאליים עבור חלקי רכב.מיקרו-מבנה מושג על ידי annealing בין ביקורתי (התחממות בין A1 ו- A3) ואחריו קירור מהיר כדי להפוך את המרטן לtenite כדי להפוך את.

הפלסטיות (TRIP) Steels

פלדות TRIP לשמור על כמות משמעותית של metastable שמרה על אננס בטמפרטורת החדר. במהלך עיוות פלסטי, austenite זה הופך למתח, אשר מגביר את הפחתת העבודה ועיכובים צוואר. TRIPs להשיג מאוד גבוה וקליטת אנרגיה, המשמש עבור רכיבים הקשורים לרסקות.

פלדה מורכבת (CP)

פלדות CP מכיל תערובת של מרטינט, ביניט, ולפעמים נשמר austenite במריצה טחנית היטב.הם מספקים כוח גבוה עם ctility מתון ומשמשים עבור רכיבים כאסאסים ופרי גלגל שבו ההתנגדות עייפות היא קריטית.

פלדה חמה (עיתונות Harding)

בלחץ הקשודות (בטיעת חם), פלדה בורון-מנדנגי ריק הוא מועשר, ולאחר מכן נוצר בו זמנית ונשען למוות מגניב.התוצאה היא חלק מרטיני עם כוח גבוה מאוד (עד 1500-2000 MPa) ו- מינימלי קפיצה, המשמש עבור B-pils ו- Door beams.התהליך מסתמך על שליטה מדויקת של שלב הברזל-פחמינטינמינטי.

מודלים של מודלים ותרמודינמיקה

עיצוב ⁇ מודרני ואופטימיזציה תהליכים מסתמכים יותר ויותר על תרמודינמיקה חישובית (שיטת CALPHAD) וסימולציות קינטיות. כלים כמו Thermo-Calc ו- DICTRA מאפשרים למהנדסים לחזות שברירי שלב, טמפרטורות טרנספורמציה ופרופילים דיפוזיה עבור מערכות מרובות-קודמות.מודלים אלה להפחית את הצורך בניסויים ניסיוניים וטרור ולהאיץ את הפיתוח של ציוני פלדה חדשים.

מחקר בפלדות מתקדמות של צמיחה גבוהה ממשיך לחקור ארכיטקטורות מיקרו-מבנה חדשות, כולל פלדה בינונית-Mn אשר משתמשת בחיזוקים חזקים וננו-התחמשות מסיבית.ההבנה הבסיסית של מערכת ברזל-פחמנית נותרה סלע שעליו נבנות חידושים אלה.

אחריות וכיוונים עתידיים

כמו תעשיית הפלדה העולמית שואפת לניטרליות פחמן עד שנת 2050, מערכת ברזל-פחמן ממלאת תפקיד בפיתוח תהליכי הפחתת ישירה מבוססי מימן (H2-DRI) אשר מחליפים את קוקה בזעם פיצוץ, צמצום משמעותי של פליטות CO2.בנוסף, מחזור של פלדה נשאר יעיל מאוד כי שלב פחמן ברזל מאפשר התאוששות נכסים צפויה.

מערכת ברזל-פחמן, בעוד שבמשך יותר ממאה שנים בתיאור החיוני שלה, ממשיכה להניע חדשנות חומרית.מהנדסים ומניפולורגיסטים השולטים בעקרונותיה מצוידים בעיצוב חומרים לאתגרים הנדסיים התובעניים ביותר – מצנרת ים עמוקה ועד מטוסים היפרוזיים.

(ב) לקריאה נוספת על דיאגרמות שלב וטיפול בחום, ייעוץ משאבים סמכותיים כגון:0ASM InternationalFLT:1 חומרים מסד נתונים חומרים ו-FLT:2World Steel Association EvolutionFLT 3: אלה המעוניינים בתרמודינמיקה חישובית צריכים לחקור את מסד הנתונים FLT:4 Thermo-Calc SoftwareFalLT:5 פתרונות, ונתוני רכוש מכני מפורט, אשר מספק את מסד הנתונים ה-FLT 7.