שימוש בפחמן הברזל דיאגרמת פלדה לשיפור הרדיקת פלדה מעגל הפיתוי

הקדמה: הקרן לטיפול בבטיחות

דיאגרמת ברזל פחמן היא אחד הכלים הבסיסיים ביותר במדעי החומרים והנדסה מכנית.זה מספק ייצוג גרפי של השלבים הקיימים בסגסוגת ברזל פחמן (שיטים וברזלים יצולים) כתפקוד של טמפרטורה ותוכן פחמן. Mastering תרשים זה מאפשר מהנדסים לעצב מחזורי טיפול חום שהופכים את המיקרו של פלדה, להתאים את התכונות המכאניות שלה עבור יישומים ספציפיים.

ללא הבנה ברורה של שינויים בשלב, טיפול חום הופך ניחושים.הדיאגרמה מגלה את הטמפרטורות המדויקות שבהן שלבים כמו ferrite, austenite, ו טופס מלטיט או להיעלם, ומסבירה מדוע קירור מהיר יכול לנעול בשלב קשה, מטבולי בשם Martensite. מאמר זה מרחיב על היחסים בין דיאגרמות ברזל ועידודים מעשיים, המציע מראה עמוק יותר על הדרך של התפתחות פלדה.

Iron-Carbon Diagram: Phases and Critical Points

כדי ליישם את הדיאגרמה ביעילות, עליך קודם להבין את התכונות המרכזיות שלה.הדיאגרמה מבססת את הטמפרטורה על ציר האנכי ותוכן פחמן (בדרך כלל מ 0 עד 6.67% עבור מערכת Fe-Fe-Fe-FealveFLT:03FLT:1C מערכת) על ציר האופקי.השלבים נתקלו בפלדות מסחריות הם:

(FLT:0)Ferrite (α-iron)FreaLT:1: מבנה מעוקב מרוכז בגוף (BCC) רך ודקטיל.זה יכול לפזר רק כמות קטנה מאוד של פחמן (מקסימום -0.022 wt% ב 72 ° C).
(ב) ⁇ (ב"ד): ⁇ (ב"ד): ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(FLT:0)Austenite ( ⁇ -iron) veph:1; מבנה מעוקב ממוקד פנים (FCC) יציב בטמפרטורות גבוהות (בדרך כלל מעל 72 מעלות צלזיוס) אווסטנטי יכול להתמוסס עד 2.11 פחמן וואט% פחמן מקסימום שלה (1148 מעלות צלזיוס).
(ב) ⁇ :0 (ב) ⁇ : תערובת של ferrite ומלטיט שצורות כאשר אוסטנטי מתקרר לאט דרך הטמפרטורה האקטואידית (72 °C) התכונות המכאניות של פנינייט תלויות על ספיגה בין-lamellar.
(ב) [ה]: [ה]] [ה]]: מבנה טטטרגון ממוקד גוף (BCT) שנוצר על ידי טרנספורמציה נטולת היתוך של אוסטן במהלך קירור מהיר.

(הדגשה על הגרף) כולל את ה-FLT:0 (A1 linetureFLT) 1:1 (טמפרטורה של אקוקטנואיד, 72 מעלות צלזיוס), ה-72A3ratedFLT:3 (ההתחלה של היווצרות fer מן אוסטנטי עבור פלדות היפותטי), ואת FLT:4A קוLT5 (התחל של משקעים עבור מחזורי פלדה).

כדי לבחון לעומק את בניית הדיאגרמה ואת גבולות שלב מלא, מתייחס למשאבים חינוכיים מעולים אלה מאוניברסיטת קיימברידג'.

תגובה אוקטקטנואידית: הלב של טיפול בבטיח

ב 72 מעלות צלזיוס ו-0.6 פחמן, הדיאגרמה מציגה נקודה אקוטית.כאן, שלב מוצק אחד (austenite) הופך לשני שלבים מוצקים (פריט מלטיט) על הקירור: ⁇ α + Feectoid:03FLT:1C. תגובה זו היא קריטית כי היא מכתיבת כיצד מיקרו-מבנה מתפתח במהלך קירור איטי (המתקפה) עם Cutite פחות או יותר מאשר תגובה אוטומטית).

הבנת ההרכב eutectoid מאפשר למהנדסים לבחור פלדה שיגיבו בחיזוי כדי להחריף.רוב כלי פלדה ופלדות דלות-כלוי הם hypoeutectoid או ליד-eutectoid, כמו נוכחות של פרוקטנואידים יכול להפחית את הקשידות אם לא מתמוסס כראוי במהלך atenusitization.

עיצוב מעגל הארדינג באמצעות ה-Digram

הארדינג הוא תהליך תלת-שלבי: חימום כדי ליצור austenite הומוגני, הספוג כדי להבטיח פירוק מוחלט של פחמן וסגסוגת אלמנטים, ולאחר מכן quenching בקצב מהיר מספיק כדי לדכא שינויים מבוקרים דיפוזיה (pearlite או bainite) וליצור מרטן.

שלב 1: קבלת טמפרטורה בחירה

פלדה חייבת להיות מחומם מעל ה-FLT:0 (A3cioFLT:1 ), (עבור hypoeutectoid) או FLT:2ACMFLT 3 (עבור היפראוליקטאיד) קו להפוך לחלוטין לאוסטנטית.עבור פלדה hypoeutectoid כמו 1045 (0.45% C), A3 הוא בערך 780 ° C. A2G טיפוסי לטמפרטורה של 8 ° C, 000 לא יכול להיות קשה יותר מאשר מעל ל-C.

עבור פלדות היפראוקטקטדיואידים (למשל, 52100 פלדה נושאת פלדה, 1.0% C), זה נפוץ לחמם רק 30-50 מעלות צלזיוס מעל A1 (72 ° C) כדי להימנע מפירוק כל מלטיט. חלק מלט לא מפוכח יכול לעזור לקבוע גבולות דגנים ולשמור על גודל גרגר דק.ה ⁇ מראה כי תכולת פחמן מעל אזור eutoid, בין Atenite אזור הוא קו של ידע (atenite) לבין ALT (atenite).

שלב 2: זמן כה כואב

ברגע שהחלק מגיע לטמפרטורת היעד, יש להחזיק בו זמן רב מספיק כדי לפזר חלקיקי קרביד ולהוגן את הפצת הפחמן ב austenite. Soaking פעמים תלוי עובי חלקי חום הפרווה והפרע. A נפוץ כלל של אצבע הוא 1 שעה ל 25 מ"מ של ניתוח צלב, אבל עבור פלדות פחמן גבוה, פעמים ארוכות יותר עשוי להיות נחוץ.

שלב 3: רצף ומיזוג

קירור מהיר נדרש להחמיץ את האף של זמן-התקפה (TTT) עקומת קירור קריטית תלויה בנוקשותה של הפלדה, אשר מושפעת מאלמנטים מסגסוגת כמו כרום, molybdenum, ניקל.הדיאגרמת ברזל פחמן לבדה לא יכולה לחזות קשיחות - שכן, אנו משתמשים CCT (שינוי מתמשך) - אבל זה מראה סביב Cp ° CF נמוך יותר פלדה.

במהלך הריצוף, האנתנסיט הופך לנשמרן על ידי תהליך של ערימה ללא היתוך.המבנה המתקבל הוא עלבון עם פחמן, ייצור קשיחות גבוהה אבל גם לחצים פנימיים גבוהים שיכולים לגרום עיוות או סדק אם לא מנוהל. quenching מדיה כוללים מים, שמן, פתרונות פולימרים ואוויר (עבור פלדה מעצימה אוויריים) הוא עשה על בסיס נדרש על קירור או סדק נרחב של ברזל: 1.

אופטימיזציה של מחזורי הפיתוי לנכסים

כמו-quenched martensite הוא גם מתפתל עבור כמעט כל שימוש מעשי. טמפינג מחממת את הפלדה לטמפרטורה מתחת לקו A1, ומאפשר פחמן לחטוא כמו carbides קנס ואת המרגל כדי להיפטר לתוך ממרטן ממוזג.הדיאגרמת ברזל פחמן עוזר לקבוע את הגבול העליון של מזג: לעולם לא עולה על קו A1, או המבנה יהיה resau resen מחדש לייצר אפקט מכווץ לא מכווץ.

שלב של טמפינג

הפיתוי מתחלק בדרך כלל לארבעה שלבים ככל שהטמפרטורה עולה:

(ב) ⁇ :0) ,1 (30-200 מעלות צלזיוס) ,(ה) ⁇ : פחמן במרטן מבולבל מתחיל לצלוח וליצור epsilon carbides (FecioFLT:22.4FLT 3:C) , הליטנטיצ' המנופי מתכווץ, צמצום הגמישות נותר גבוה, אך חלק מהלחץ מתרחש.
(FLT:0)Stage 2 (200-300°C) אנדרל 1: austenite Retained (המבנה המצופה) הופך לבישט או לפריט בתוספת carbides. זה יכול לגרום לעלייה קלה בגלימות (התחילת הריסות) אם לא נשלטת.
(ב) ⁇ :0 (300-450 מעלות צלזיוס) ⁇ 1: Cementite (FeveFLT:23cioFLT 3C) מתחיל להיווצר מ carbides epsilon ואת הממטריקס.הפלדה הופכת רכה יותר אך קשה יותר.
(FLT:0)Stage 4 (450 ° C-A1): הפעלת תחלואה של carbides מתרחשת, ואת ferrite matrix מחלים.Hardness ממשיך לרדת, ו ductility והשפעה על עלייה. מעל 550 מעלות צלזיוס, התנגדות מצמררת עשוי גם להיות משופר בחדות מסוימות.

הטמפרטורה האופטימלית של מזג תלוי בביקוש הקשיחות הסופי.עבור כלים, מזג אוויר נמוך (150-200 מעלות צלזיוס) שומר על קשיחות גבוהה. עבור רכיבים מבניים בכפוף להשפעה, מזג של 400-650 מעלות צלזיוס מספק קשיחות טובה יותר.הדיאגרמה אינה יכולה לציין את הטמפרטורה המדויקת, אבל זה מזכיר לנו כי הטמפרטורה חייבת להישאר מתחת A1 כדי למנוע אנתיט חדש עבור הרבה נמוך-2, אבל זה עדיין יכול להיות קצת יותר סביב סגסוגת A3, אבל זה עדיין על פני השטח.

זמן רב ומחזורים מרובים

תרגול תעשייתי לעתים קרובות משתמש כפול או משולש עבור פלדה ביצועים גבוהים, במיוחד אלה המכילים austenite נשמר משמעותי.כל מחזור מתנוצר נוסף Decomposes לשמור austenite ומקל על הלחץ.זמני טיפוסי טווח בין 1 ל 2 שעות לכל מחזור.הדיאגרמת ברזל פחמן אין תפקיד ישיר בתזמון, אבל הבנה כי שיעור הטרנספורמציה עולה עם טמפרטורה (התנהגות arrius) עוזר בהגדרות.

חשוב לציין כי מזג בטמפרטורות מעל 300 מעלות צלזיוס בפלדות ⁇ מסוימות יכול לגרום לחיסול מזג אוויר אם זיהומים כמו זרחן משקעים לגבולות דגנים.האגרמת ברזל פחמן לא מראה את ההשפעות האלה - הרכב כימי חום טיפול היסטורי חומר.

שיקולים מעשיים עבור עיצוב מחזור

בעוד דיאגרמת ברזל פחמן מספקת את השלב התיאורטי שוויוני, טיפול חום אמיתי חייב לקחת בחשבון עבור גיאומטריה חלקית, אווירת פרווה, ופעולות עוקבות.כאן הם נקודות מפתח עבור קשיחות מוצלחת ומזג:

(FLT:0)DecarburburizationFLT:1: ההשמדה פלדה באווירה מחמצן יכולה להסיר פחמן מן פני השטח, שינוי ההרכב היעיל.
(FLT:0) ,Distortion ו-Cracking: (ההשקפת מהירה יוצרת מתחים תרמיים וטרנספורמציה.Preheating צורות מורכבות, באמצעות מתפתל (הכניסה רק למעלה, לאחר מכן קירור אוויר), או טכניקות לעיתונות קווינץ' יכולות להפחית את הבעיות.
(FLT:0) בחירת הימין פלדה FLT:103) הגרף עוזר לבחור פלדה עם התוכן פחמן הנכון עבור קשיחות צפויה. עבור חלקים מעודנים (מעגל), הליבה ובמקרה יש רמות פחמן שונות, כך גם הדיאגרמה וגם הבנה ⁇ יש צורך.
(FLT:0) טיפול אפס אפס אפס (FLT:1: עבור קשיות מקסימלית (למשל, בנשאות או כלים), קירור מתחת לטמפרטורת החדר (למשל, 80 מעלות צלזיוס) ממיר את אוסטנטי למתח לפני המזג.זה מבוסס על הרעיון של גב'-מאפ, שמקורו בתרשים.

בנוסף, כלים חישוביים מודרניים (כמו JMatPro®) לדמות שברים ונכסים באמצעות מערכת ברזל פחמן כבסיס, כולל אפקטים רב-תחומיים.

מחקר: Harding 4140 Steel Shaft

שקול 4140 פלדה (0.40% C, 0.9% Cr, 0.2% Mo) פיר הדורש קשיחות של 42-46 HRC. תרשים ברזל פחמן מציין כי ב 0.40% C, קו A3 הוא סביב 760 ° C. הטמפרטורה המומלצת היא 845 ° C (1550F) לאחר ההיתוך שמן, כמו גם קשה להיות שמירה על 255 עד 2, 000 C) כדי ירידה קשה כדי ירידה במשקל (ב) עד 475 שעות).

ללא הדיאגרמה, מפעיל עשוי להתחמם בטעות ל-950 מעלות צלזיוס (גידול דגנים מצטבר) או מתחת ל-800 מעלות צלזיוס (בקיצור מוחלט של אננסיזציה) הדיאגרמה מספקת את החלון הבטוח.

מסקנה: The Iron-Carbon Diagram

דיאגרמת ברזל פחמן נשאר סלע של טיפול בחום פלדה.זה מגלה את טמפרטורות הטרנספורמציה הקריטיות שיש לכבד במהלך ההרחבה וההתקפיות.זה מזהיר מפני הסכנות של חימום יתר (גידול דגנים בלתי פוסק, התכה חלקית בפחמן גבוה) ותחת חימום (שינוי מוחלט).זה מגדיר את הגבולות של מזג ועוזר לפרש שינויים מיקרו-מבנה.

עם זאת, הדיאגרמה היא רק נקודת התחלה. פלדות בעולם האמיתי מכילות מניגאניות, סיליקון, כרום, ואלמנטים אחרים שמשנים את גבולות השלבים ואת הקינטיקה של טרנספורמציה.כדי ליישם את הדיאגרמה ביעילות, מהנדסים חייבים גם להתייעץ עם דיאגרמות TTT / בית המשפטT, להבין את ההשפעות של תוספות ⁇ , ולשקול מגבלות מעשיות כמו יכולת פסטה וגודל חלק.

עבור אלה המבקשים להעמיק את ההבנה שלהם, ASM Handbook Volume 4: Heat Treating ואת הטקסט הקלאסי (FLT:0) steels: טיפול חום ועקרונות עיבוד 1:1 על ידי ג'ורג' קראוס מציעים הדרכה נרחבת.הדיאגרמת ברזל היא לא שיריד מיושן; זה סיכום של אלפי ניסויים, וליישם אותו כראוי מעלה טיפול חום ממלאכה למדע.