טיול עמוק לתוך המיקרוסקוסטריית פלטים היפופואטקטואידים באמצעות הדיאגראם ברזל-חמצן

הקדמה: Iron-Carbon Diagram כקרן לעיצוב פלדה

דיאגרמת שלב הברזל-פחמנית עומדת כאחת הכלים החיוניים ביותר במדעי החומרים וההנדסה המתכתית.זה מספק ייצוג גרפי של השלבים הקיימים בסגסוגת ברזל פחמן בטמפרטורות שונות ורכבי פחמן, המאפשר למהנדסים לחזות אבולוציה מיקרו-מבנהית במהלך עיבוד תרמי.עבור פלדות היפותקטאיד - המכילות פחות מ-0.7% פחמן על ידי משקל - דיאגרמת מגלה שני-פא ייחודי של מיקרו-טקסים של יישומים מכניים והתנהגויות מכניות.

הבנת כיצד דיאגרמת ברזל פחמן מודיעה מיקרו-מבנה של פלדה hypoeutectoid היא מרכזית לבחירת טיפולים מתאימים חום, לחזות ביצועי שירות, ועיצוב ⁇ עבור דרישות ספציפיות. מאמר זה חוקר את השלבים, תכונות מיקרו-מבניות, מתאםי רכוש ושימושים מעשיים של פלדה hypoeutectoid דרך העדשה של מערכת ברזל-פחמן.

שלב Equilibria במערכת הברזל-Carbon

שלב מפתח ומבנה הקריסטל שלהם

דיאגרמת ברזל ממפה את אזורי היציבות של מספר שלבים.בטמפרטורות גבוהות, austenite ( ⁇ -Fe) קיים כפתרון מוצק של פחמן בטמפרטורות גבוהות, המסוגלים לפטור עד 2.11% פחמן בשלב 1148 ° C. מתחת לטמפרטורה של פניית C.7 ° C. מתחת לטמפרטורה של פחמן 6.6 מעלות צלזיוס, אטמוס הופך לא יציב והופך לפרוט (α-a) עם מבנה אקרואטמי (p1) עם חום) נמוך מאוד (R2C) עם חום) עם חום C2D2C.

טמפרטורה קריטית ו-שלב Boundaries

כמה נקודות אי-חלוטיות וקווי גבול על הדיאגרמה רלוונטיות במיוחד עבור פלדות היפותאטואידים. הטמפרטורה A1 (טמפרטורה של אקוקטנואיד) ב 727 מעלות צלזיוס מסמן את הגבול התחתון של יציבות אונטנטית. קו A3 מייצג את הטמפרטורה שבה ferrite מתחיל להיווצר מקו אוסטנטיטנטי במהלך קירור; הוא מלמטה 912C ב 0% לפחמן 727C.

גבולות שלב אלה משתנים עם תוספת של אלמנטים ⁇ , ולכן טיפול חום מעשי לעתים קרובות מתייחס A3 ו A1 טמפרטורה ספציפית לכל ציון פלדה ולא דיאגרמה של Fe-C בינארי לבד.

Defining Hypoeutectoid Steels: קומפוזיציה ו Classification

טווח התוכן של פחמן ונקודת Eutectoid

פלדה Hypoeutectoid מוגדרים על ידי פחמן תוכן מתחת לקומפוזיציה eutectoid של 0.76% C. קטגוריה זו כוללת את הרוב המכריע של פלדה פחמן נמוך פחמן בינוני המשמש בבנייה, רכב, והנדסה כללית. Steels עם 0.02-0.30% C מסווגים בדרך כלל כמו פלדה פחמן נמוך; אלה עם 0.30-0.60% C הם פלדה בינונית מעל 0.60%, אבל עדיין מתחת ל- Cectoid, אבל עדיין יותר מאשר את ה-0.

הנקודה eutectoid ב 0.76% C היא משמעותית כי זה מייצג את ההרכב שבו austenite הופך לחלוטין פניניט ללא כל ferrite ראשוני או מלטיט. Hypoeutectoid פלדה ולכן תמיד מכיל כמות מסוימת של fer teutectoid כי טפסים לפני השינוי eutectoid, עם האיזון להיות פניני.

ציונים סטנדרטיים ועיצובים

פלדה hypoeutectoid הנדסי מסווגת תחת מערכות שונות. AISI-SAE ציונים כגון 1018 (0.18% C), 1045 (0.45% C), ו 1060 (0.60% C) הם יצירות היפותקטאיד נפוצות. פלדה סטרקטיטורי כמו ASTM A36 (0.26% C max) ו- A572 50 גם ליפול בתוך קטגוריה זו.

החלפת חומרים של Hypoeutectoid Steels

Proeutectoid Ferrite: Morphology and Distribution

השלב הראשון להיווצר במהלך קירור של פלדה hypoeutectoid הוא פרוeutectoid ferrite.המורולוגיה שלו תלויה במידה רבה על שיעור הקירור ועל גודל גרגר האנתנטי לפני תנאי קירור איטיים - typical של annealing או נורמליזציה - כמו טנקיטים ספציפיים בגבולות דגנים ולהגדיל דגנים שוויוניים לאורך הגבולות האלה, יצירת רשת גרגרנית מתמשכת זה יכול להיות מופחתת יותר ויותר קצר יותר ויותר.

כמות של ferrite proeutectoid יורדת כמו פחמן תוכן מתקרב ההרכב eutectoid. עבור 0.20% C פלדה, מיקרו-מבנה עשוי להכיל כ 75% ferrite ו-25% פניניט, בעוד פלדה של 0.60% C עשוי לכלול בערך 20% fer ו 80% פניניט.

פרליט: מבנה למלר ו-Interlamellar Spacing

פרליט הוא מוצר decomposition eutectoid המורכב משינוי של lamellae של ferrite ו מלטיט.הטרנספורמציה מתרחשת כאשר האנדרוגני הנותרים (העשיר עד 0.76% C) מגיע הטמפרטורה האקטקטית. Nucleation בדרך כלל מתרחשת בממשקים הפוריים-austenite, ואת המושבות לגדול באופן קורנלי עד שהם על אחד מרחק קצר יותר - כלומר, בין הפרמטר המכריע של ציפוי קלוש (Pic) לבין הטמפרטורות מהירות נמוכה יותר, אשר נקבעת (Dite) בין הטמפרטורות).

המבנה של פניניט מספק מנגנון חזק דמוי מורכב יעיל של חיזוק.הצבה מלטיט הקשה עומס הדוב בעוד lamellae ferrite לספק lamellae לספק ctility. as פחמן עולה, נפח של עלייה פנינייט, העלאת הכוח הכולל ואת הקשות של הפלדה על חשבון של דוקטרליות וכושר.

טרנספורמציה מכניזם במהלך Cooling

ניקיון וצמיחה של Ferrite

כאשר פלדה hypoeutectoid הוא קריר מאזור אוסטיאני לחלוטין, אירוע הטרנספורמציה הראשון הוא הניקוי של הפרוטקטנואיד ferrite. Nucleation מתרחש מעדיף באופן מועדף בגבולות גרגריים אאוסטיים כי אתרים אלה מציעים מחסומים אנרגיה בין-גזעיים נמוכים יותר.כוח הנהיגה להיווצרות הטכסוך מתחת לטמפרטורה A3.

קינטיקה צמיחה פריט נשלטת על ידי דיפוזיה פחמן באוסטנטי.בטמפרטורות טרנספורמציה גבוהות יותר (תחתלול קטן), דיפוזיה מהירה אבל כוח הנהיגה הוא קטן, וכתוצאה מכך coarse, דגנים feraxed ferrite.בתחתיות גדולה יותר, כוח הנהיגה גבוה בשילוב עם דיפוזיה מוגבלת מייצר קנס, לעתים קרובות acifercularferological תחרות בין קצב גרגר וקצב הייצור הסופי קובע.

פנינה פורמולה של פחמן-עשר Austenite

לאחר שהאוסטרנטיט הנותרים מגיע בערך 0.76% C והטמפרטורה נופלת מתחת 727 ° C, הטרנספורמציה האקטואידית ממשיכה. פרליט נרקטה בגבולות גרגר או בממשקים ferrite-austenite.הטרנספורמציה כוללת צמיחה שיתופית של fercfusion ומלטite, עם חלוקת פחמן בין שני השלבים.

בקירור מתמשך (בניגוד לטרנספורמציה נוספת), פניניט טפסים על פני מגוון של טמפרטורות, וכתוצאה מכך הפצה של התכווצויות בין-lamellar.חלק פניניט שצורות בטמפרטורות נמוכות יותר (ספאם פיננסי) תורמים באופן לא פרופורציונלי לעוצמה הכוללת.זו הסיבה שפלדות נורמליות לעתים קרובות מציגות כוח גבוה יותר מאשר פלדות מחוסמות של אותו הרכב - קצב הקירור המהיר יותר מייצר פנינים דקים.

עקבו אחרי Cooling Transformation Diagrams

לטיפול חום מעשי, דיאגרמות קירור מתמשך (CCT) שימושיות יותר מאשר דיאגרמת ברזל איזון פחמן לבדו. דיאגרמות CCT להראות את הטרנספורמציה להתחיל ולסיים טמפרטורות עבור ferrite, פנינייט, ביניט, ומחרר כפונקציות של קצב קירור.עבור פלדות היפותקאיד, עלייה איטית יותר של קירור (הקרירה) לייצר קורקטה פניניט ופניניט, בעוד ששיעורי קירור מתון (מחדש) יעיל מאוד) יעיל יותר (מחדשניטרידחסין) יעיל יותר (מחדשניטרידגן יעיל יותר ויותר, כלומר, לחץ דם מהיר יותר, לחץ דם מהיר יותר, כדי לייצב את רמת קירור גבוהה יותר, לחץ דם גבוה יותר, כדי להשיג את רמת קירור גבוהה יותר, לחץ דם גבוה יותר, יעיל יותר, לחץ דם גבוה יותר, יעיל יותר, לחץ דם גבוה יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר (מחדשניטרידגן פחמן (מחדשנימי) יעיל יותר, יעיל יותר, לחץ דם מגנטית פחמן (מתחמי) יעיל יותר, לחץ דם מגנטית פחמן (מחדשניטריבית) יעיל יותר, יעיל יותר, לחץ דם מהירה יותר, לחץ דם גבוה יותר,

גורמים המשפיעים על מבנה ה-As-Cooled Micro Structure

תוצאות קוליות

קצב קירור הוא המשתנה המשמעותי ביותר לעיבוד עבור פלדות hypoeutectoid.בשיעורי קירור איטי מאוד (1 ° C /מין או פחות), את התוספת ואת הפניניט להתרחש בטמפרטורות גבוהות, לייצר מיקרואורגניזמים coarse עם גרגרי ferrite גדולים ורחבה פניניט עמוק עדיין ירידה בקצב הקרוז, עלייה של קצב קירור, ירידה, טמפרטורות מפרות, לשלוט על גודל דגנים, פניניאליטה intertraite ירידה, ירידה של לחץ גבוה יותר, ירידה, ירידה בנפח הדקה, ירידה של פנינים ירידה, ירידה של ציפוי גבוה יותר, ירידה, ירידה של ציפוי דק יותר, ירידה של ציפוי דק יותר, ירידה, ירידה במשקל.

בפועל, עובי חלק ממלא תפקיד מרכזי כי חלקים כבדים יותר מגניב יותר לאט במרכז מאשר על פני השטח.זה יכול לייצר מבנה מיקרו-מבנה בעל ערך גבוה יותר, חומר חזק יותר על פני השטח וקוסר, חומר רך יותר בליבת מהנדסים חייב לקחת בחשבון את זה בעת תכנון רכיבים גדולים.

הקודם Austenite Grain Size

גודל גרגרי אנתנטי לפני הטרנספורמציה פועל שליטה חזקה על המיקרו-מבנה האחרון של דגנים. דגנים יפים מספקים יותר שטח גבול דגנים נפח יחידה, יצירת אתרי ניונקיה נוספים עבור ferrite. זה תוצאות בגודל דק יותר ferrite דגנים לאחר טרנספורמציה, אשר משפר את שניהם כוח (אפקט Hall-Petch) ונוקשות.

המונחים:

בעוד דיאגרמת ברזל בינארית יוצרת את הבסיס, פלדה hypoeutectoid מסחרית תמיד מכילים אלמנטים ⁇ שמשנים יציבות שלב וטרנספורמציה קינטית. Manganese, נוכח כמעט בכל הפלדה ברמות של 0.5-2.0%, מייצבים austenite ו מוריד את הפרמטרים האקטואידיים של Cen-זמנית שיפור פניניט ומשפר את הכוח באמצעות פתרון מוצק מחזק, בדרך כלל 0.2-0.5%, מחזקים את הביצועים של CRM, ו-ARM, משפרים את קצב חום גבוה יותר, ו-ARM.

מערכות יחסים מיקרו-תרבותיות

כוח ועוצמה תלויים ב- Ferrite-Pearlite Ratio

התכונות המכאניות של פלדה hypoeutectoid לעקוב אחר מגמה צפויה עם תוכן פחמן. as פחמן עולה, הנפח של פניניט עלייה, וגם כוח התשואות ועלייה של כוח Tenile. עבור 0.20% C פלדה, כוח התשואה עשוי להיות סביב 250 MPa עם 30% elongation. ב 0.60% C, כוח מניב יכול להגיע 400-450 MPa, אבל elongation טיפות עד 15-18% זה סחר בין כוח ל-חמצני הוא בערך ל טמפרטורות נמוכות יותר עבור זיהום פלדה בינונית ל טמפרטורות גבוהות יותר.

מקור: Ferrite Grain Size

אפקט הדגנים של ה-ferrite משפיע על כוח באמצעות מערכת היחסים של הול-פטר: ⁇ FLT:0ycioFLT:1 = ⁇ 0 + kearFLT:2dFLT 3-1/2, שבו d הוא ה- fereyrated גרגרים מעכב את גודל החנקן מ-20 מיקרומטר ל-5 מיקרומטר יכול להגדיל את הכוח על ידי 100-150a, בעוד ש- MPa מחדש של חומרים מסגסוגת קלה לאחר מכן.

פרליט אינטרדלונר ספיגה וכוח

[הכוח פרלני] עוקב אחר מערכת יחסים הפוכה עם דחיסות בין-לאלר, בדומה לאפקט הול-פטרצ'ך.פינר ספאק מגביר את מספר ממשקי ה- ferrite-cementite לנפח יחידה, אשר מונעים את תנועת ההיגוי.

טיפול ב- Hypoeutectoid Steels

מלא אנליז

מלא annealing כרוך חימום פלדה hypoeutectoid עד 30-50 מעלות צלזיוס מעל טמפרטורת A3, מחזיק להבטיח את ההשתמדה מלאה, ולאחר מכן קירור לאט בתוך הפרווה. קצב קירור איטי מייצר קורקטה פניניט עם לחץ פנימי מינימלי.טיפול זה מרכך את הפלדה, משפר את הדלונות ואת המיומנות, ומחדד את המבנה לאחר עבודה חם הוא משמש בדרך כלל בינוני או פלדה קר.

נורמליזציה

נורמליזציה כוללת austenitizing מעל A3 ואחריו קירור אוויר.הקצב הקירור המהיר יותר בהשוואה ל-nealing מחדד את גודל גרגר הפרוטטקס ומצמצמצמצת פנינים בין-lamellar ספיגה, ומייצרת מיקרו-מבנה חזק יותר, חזק יותר.נורמליזציה מבטלת מבני גרגר מעבודה או ליהוק ומספקת מיקרו-מבנה אחיד יותר.

המונחים:

עבור פלדה hypoeutectoid עם תוכן פחמן מספיק (בדרך כלל מעל 0.30% C), quenching מלמעלה A3 מייצרת טמפרטורות ממרנטו, שלב קשה, שבריר עם מבנה tetragonal ממוקד גוף. Quenching דורש שיעור קירור מעל קצב קריטי עבור הרכב פלדה ספציפית וגודל חלק. טמפינג מבוצע על ידי התחממות לטמפרטורה מתחת A1 מבנים (מפרק) אשר מאפשר איזון גבוה יותר של microactird) לתוך חלקיקים בלחץ גבוה יותר ויותר.

Ausforming and Thermomechanical Processing

מסלולי עיבוד מתקדמים משלבים עיוות עם טרנספורמציה כדי להשיג תכונות גבוהות יותר.בבגלגול מבוקר, פלדה hypoeutectoid הוא deformed באזור austenite בטמפרטורות שבו התחדשות מודחקת, יצירת צפיפות גבוהה של להקות deformation ודגנים austenite מעודן. סובסט מייצרת דגנים דק מאוד.

יישומים מעשיים של Hypoeutectoid Steels

פלדה מבנית ובנייה

פלדה hypoeutectoid דלת פחמן (0.15-0.30% C) הם עמוד השדרה של תעשיית הבנייה. A36 פלדה, עם כ - 0.25% C, מספק יכולת טובה, כוח מתון (250 MPa תשואה), ודוכסיות מעולה עבור beams, עמודות, ו הצלחת. גבוה יותר צמיחה ציונים כמו A992 (0.23% Cmax, עם ביצועים מבניים נמוכים) ומיקרו-SatericemiOS (S) מבטיח ביצועים נמוכים יותר של מבנים, אפילו יותר של פלדה, אפילו יותר, אפילו יותר, כמו CRIC) של מבנים תעשייתיים סטנדרטיים מתאימים.

רכב ותחבורה

פלדה hypoeutectoid בינונית (0.30-0.50% C) משמשים רכיבים רכב הדורשים כוח גבוה יותר. AISI 1045 פלדה, למשל, משמש עבור axles, פירים, הילוכים, ו crankshafts. רכיבים אלה לעתים קרובות לקבל לוחות מכווצים וממזגים כדי להשיג את השילוב הדרוש של כוח, קשיחות, ועייפות.

דרישות פיפיר ואנרגיה

Hypoeutectoid microalloyed פלדה הם החומרים העיקריים עבור צינורות שמן וגז. ציונים כגון X65 ו X70 מכילים פחמן נמוך (0.10% או פחות) בשילוב עם תוספות קטנות של niobium, וניליום, ו titanium. מבוקר מתגלגל מייצר מיקרו-פריט פורמולה עם כמות קטנה של פנינים או ביאטיט, השגת כוח של 450 ותרמיתות ברזל עם סגסוגת מעולה של ברזל.

תכונות של Hypoeutectoid Micro Structures

מיקרוסקופ אופטי ו-Enchching

ניתוח מיקרו-מבנה של פלדה hypoeutectoid משתמשת microscopy אופטי על דגימות מלוטש וched. Standard וכו 'hants כגון 2% Nital (חומצה מורכבת באתנול) לחשוף את הferrite כמו אזורי שמירה אור ופניניט כמו כהה, lamellar מושבות. חלקיק הפנינה מספק הערכה מהירה של תוכן פחמן באמצעות הכלל לינארית הוא נמדדת גרגרים ישירות עם מדידה אופטית של פלדה.

סורק אלקטרון מיקרוסקופיה

סריקת מיקרוסקופיה אלקטרונים (SEM) מספקת החלטה גבוהה יותר לבדיקת פנינייט interlamellar ספאcing ו- ferrite תכונות.דמיית אלקטרונים שנייה מגלה את הטופוגרפיה התלת מימדית של משטחים מעוקלים, בעוד backscattered אלקטרונים מראה ניגודיות בין ferrite ו- מלטite. Energy-disive X-ray spectroscopy (S) לזהות סגסוגת ו-apertexafiltexation תכונות מחקר ראשוניות.

מסקנה

דיאגרמת ברזל פחמן נשאר המסגרת החיונית להבנת מיקרו-מבנה פלדה hypoeutectoid ואת מערכת היחסים שלהם לעיבוד ונכסים. מן הצומת של פרוקטקטקטנואידים לגדילה שיתופית של lamellae פניניט, כל שלב של טרנספורמציה יכול להיות מפרש באמצעות שלב שוויוניות ועקרונות קינטית שנקבעו על ידי הדיאגרמה.מהנדסים ומטלורגיסטים משתמשים בידע זה כדי לבחור יצירות, עיצובים, טיפולים רחבים לחיזוי רכב.

בעוד פלדות מודרניות משלבות אלמנטים רבים של ⁇ ודרכי עיבוד מורכבים, המושגים הבסיסיים הנגזרים ממערכת ברזל בינארית נותרים מרכזיים בהנדסה חומרים. Mastery של עקרונות אלה מאפשר פיתוח של פלדה עם מבנים מותאמים העונים לדרישות דורשות של תשתיות עכשוויות, תחבורה ומערכות אנרגיה.