Introduzione: Il diagramma di fase di ferro-carbo nel trattamento termico

Per chi lavora con l'acciaio, il diagramma di fase ferro-carbonio è uno strumento indispensabile. Mappeggia il rapporto tra temperatura, contenuto di carbonio e le fasi presenti in leghe di ferro-carbonio. I processi di trattamento termico come ricottura, normalizzazione, quenching e temperatura si basano su un preciso controllo della temperatura. Capire dove su questo diagramma i punti di trasformazione critici sono in grado di progettare cicli di calore specifici che producono proprietà meccaniche come la durezza, la durezza, la durezza, la durezza, la durezza, la durezza, la durezza, la durezza, la durezza o la durezza, la durezza, la durezza, la durezza, la durezza, la durezza, la durezza, la duttilità.

Il diagramma stesso è di oltre un secolo, ma rimane fondamentale in metallurgia. Mostra le fasi stabili in equilibrio: liquido, delta ferrite, austenite, ferrite e cementite (Fe3C). La chiave per usare il diagramma è effettivamente nel riconoscere le reazioni invarianti—perite a 1495°C (per il contenuto di carbonio vicino allo 0,09%), eutettico a 1147°C (per la trasformazione liquida di ferro

Quali sono le temperature critiche?

Le temperature critiche sono valori specifici lungo l'asse di temperatura in cui iniziano o finiscono i cambiamenti di fase. Nel contesto del trattamento termico in acciaio, si verificano le temperature alle quali si verificano trasformazioni che possono essere controllate per alterare la microstruttura.

  • Ac1 – La temperatura a cui l'austenite comincia a formarsi da ferrite durante il riscaldamento (chiamato anche la temperatura critica più bassa per gli acciai).
  • Ac3[] – La temperatura alla quale la trasformazione del ferrite all'austenite è completa durante il riscaldamento. Per gli acciai ipereutectoidi, questo viene spesso indicato come la linea Acm, dove la cementite si dissolve in austenite.
  • A1] – La temperatura eutectoide di equilibrio (727°C per acciai al carbonio piani), dove forme di perlite durante il raffreddamento lento.
  • A3 – La linea di equilibrio che separa la regione (austenite + ferrite) dalla regione austenite monofase per gli acciai ipoeutectoidi.

Queste temperature sono etichettate con un sottoscritto “c” (riscaldamento) o “r” (raffreddamento) per indicare se vengono misurate durante il riscaldamento o il raffreddamento, perché si verifica l’isteresi. Nella pianificazione del trattamento termico, si lavora tipicamente con Ac1 e Ac3 per il riscaldamento, e si utilizza diagrammi di trasformazione isotermica (TTT) o raffreddamento continuo (CCT) per percorsi di raffreddamento che deviano dall’equilibrio.

Temperatura critica chiave di lettura dal diagramma

Temperatura Eutectoide (A1)

La temperatura critica più fondamentale è l'eutectoide a 727°C. Questa è la linea orizzontale sul diagramma lungo il quale tutte le linee di contenuto di carbonio convergono. A questa temperatura e ad un tenore di carbonio dello 0,76%, l'austenite si trasforma in perlaite (malattia miscela di ferrite e cementite).

Temperatura critica inferiore (Ac1) e Temperatura critica superiore (Ac3)

Per gli acciai ipoeutectoidi (carbonio < 0.76%), the Ac3 temperature lies above the A1 line on a sloping boundary. For example, a 0.2% carbon steel has an Ac3 around 860°C. Between Ac1 and Ac3, the steel is a mixture of austenite and ferrite; only above Ac3 is it fully austenitic. For hypereutectoid steels (carbon > 0.76%), il limite equivalente è la linea Acm, dove la cementite si dissolve in austenite. In questi acciai, l'austenitizzazione completa si verifica sopra Acm, che può essere vicino a 1100°C per un acciaio al carbonio dell'1,2%, ma molti trattamenti termici conservano intenzionalmente alcune cementite non risolte per la resistenza all'usura.

Ripartizione dei rimbalzi di fase

Per leggere questi dal diagramma, seguire questi passaggi:

  1. Identificare il contenuto di carbonio della vostra lega sull'asse orizzontale.
  2. Disegnare una linea verticale verso l'alto da quel contenuto di carbonio.
  3. L'intersezione con il bordo A3 (per ipoeutectoide) dà la temperatura Ac3 o Ae3. L'intersezione con la linea orizzontale A1 dà l'A1.
  4. Per gli acciai ipereutectoidi, l'intersezione con la linea Acm (a sinistra dalla composizione eutectoide) dà la temperatura a cui il cementite si dissolve completamente.

Queste letture assumono condizioni di equilibrio, realizzabili solo con un riscaldamento o un raffreddamento molto lento, in pratica si adattano a questi valori in base ai tassi di riscaldamento e alla composizione della lega.

Come legare gli elementi Shift Temperature critiche

Gli acciai al carbonio al plasma seguono il diagramma semplice, ma la maggior parte degli acciai all'ingegneria contengono manganese, cromo, nichel, molibdeno e altri elementi. Questi elementi di legamento spostano significativamente le temperature critiche. Ad esempio, il cromo solleva i punti A1 e A3 mentre stabilizzano i carburi; il nichel li abbassa.

Una regola semplice del pollice: per ogni 1% del cromo, la temperatura A1 aumenta di circa 15-20°C. Nickel diminuisce l'A1 di circa 10°C all'1%. Silicon solleva anche A1, ma in misura minore. Per un lavoro di precisione, è necessario consultare un diagramma di fase specifico per la lega o utilizzare software termodinamico.

Metodi sperimentali per verificare le temperature critiche

Mentre il diagramma fornisce un punto di partenza, il trattamento termico del mondo reale richiede la verifica.

  • Dilatometria:[] Un campione viene riscaldato durante la misurazione dei cambiamenti dimensionali. Le trasformazioni di fase causano cambiamenti di volume (ad esempio, ferrite-to-austenite è una contrazione). Il punto di inflessione sulla curva di lunghezza-con temperatura corrisponde ad Ac1 e Ac3.
  • Calorimetrimetria di scansione differenziale (DSC) o Analisi termica differenziale (DTA): Queste misurano il calore assorbito o rilasciato durante i cambiamenti di fase.
  • Test di asimosità dopo la quenching parziale:[] Riscaldando campioni a varie temperature appena sopra Ac1 e sopra Ac3, poi quenching, è possibile rilevare il cambiamento di durezza come forme martensite da austenite.
  • Metallografia:[[] Campioni di riscaldamento a diverse temperature, quenching, e l'esame della microstruttura sotto un microscopio. La presenza di ferrite non trasformati o cementite indica che si trovano sotto Ac3 o Acm.
  • Misura della resistenza elettrica:[ La resistenza dell'acciaio cambia con la fase. Un cambiamento improvviso nella resistenza durante il riscaldamento segna la trasformazione.

Per gli ambienti produttivi, la dilatometria è la più comune, spesso specificata in standard quali ASTM A1033, e fornisce valori accurati Ac1 e Ac3 per il controllo del lotto specifico.

Applicare le temperature critiche nel trattamento termico

Annealing

Per gli acciai ipoeutectoidi, l'impastatura di processo è fatta intorno a 20-30°C sotto Ac1, permettendo la ricristallizzazione senza formatura austenite. L'impastatura completa richiede il riscaldamento sopra Ac3 (di solito 30-50°C sopra) e il raffreddamento lento per produrre una perlite grossolana. Per gli acciai ipereutectoidi, la ricottura completa è fatta sopra la rete di cemento Ac1 (in

Conoscere le temperature critiche assicura di non surriscaldare, che porta alla crescita del grano, o sottoriscaldo, che lascia la perlite dura nella struttura.

Normalizzazione

Normalizzazione comporta il riscaldamento a una temperatura di circa 50-80°C sopra Ac3 (per ipoeutectoide) o superiore a Acm (per ipereutectoide) e poi il raffreddamento dell'aria. L'obiettivo è quello di affinare la dimensione del grano e produrre una struttura uniforme di perlite fine. Se la temperatura di riscaldamento è troppo bassa, alcuni ferrite rimane indissolto e la microstruttura finale è patchy.

Acconciatura (Ardening)

Per indurire l'acciaio formando la martensite, è necessario prima riscaldarlo nella regione austenite - sopra Ac3 per gradi ipoeutectoidi. La pratica tipica è quella di riscaldare circa 30-60°C sopra Ac3 per garantire la completa dissoluzione di ferrite e carburi. Per gli acciai ipereutectoidi, l'indurimento è fatto dalla regione (austenite + cementite) (so Ac1 ma non è superiore a Acmdissed

Dopo la quenching, la temperatura di inizio martensita (Ms) è critica, ma non appare sul diagramma di equilibrio. La signora dipende dal contenuto di carbonio e lega. Carbonio più alto e la maggior parte degli elementi di lega (eccetto cobalto) abbassa la signora. È necessario consultare un diagramma TTT o CCT per informazioni sui tassi di raffreddamento, ma la temperatura austenitizing stessa è impostata leggendo il diagramma di fase di ferro-carbonio.

Tempera

Il riscaldamento viene eseguito dopo la disintossicazione e comporta il riscaldamento ad una temperatura inferiore a Ac1, solitamente tra 150°C e 650°C a seconda della durezza e della durezza desiderata. La temperatura critica inferiore imposta il limite superiore: non si tempera mai sopra Ac1 o si rischia di formare austenite fresca al riscaldamento, che creerà martensite non temprato al raffreddamento.

Pratiche fasi per la pianificazione del trattamento termico

Sulla base di tutto quanto discusso, ecco una procedura per la pianificazione di un trattamento termico utilizzando il diagramma di fase ferro-carbonio e le temperature critiche:

  1. Determinare il contenuto di carbonio del vostro acciaio.[] Controllare le specifiche della lega (ad esempio, 1040 ha 0,40%C, 1095 ha 0,95%C).
  2. Scelga i confini di fase appropriati.[] Usare il diagramma di equilibrio per trovare le temperature A1 e A3 (o Acm) per quel contenuto di carbonio. Ad esempio, un acciaio 1040 ha A1 = 727°C, A3 ≈ 790°C.
  3. Adjust for legaing elements. Se l'acciaio contiene >0,5% Mn, 1% Cr, ecc, applicare i fattori di correzione da fogli di dati di trattamento termico. Un approccio migliore è quello di utilizzare lo standard ASTM per la determinazione di Ac1 e Ac3 da dilatometria se i dati del lotto non sono disponibili.
  4. Seleziona il tipo di trattamento termico. Per indurimento, imposta la temperatura di austenitizzazione a Ac3 + 50°C (per ipoeutectoide) o Ac1 + 50°C (per ipereutectoide).Per ricottura, utilizzare Ac3 + 30°C o Ac1 – 20°C a seconda del grado.
  5. Determinare tempo di attesa. La pratica tipica è di 1 ora per pollice di spessore, ma regolare per dimensioni della sezione e preriscaldamento del forno. Le temperature critiche definiscono solo i limiti termici; il tempo deve essere sufficiente per sciogliere i carburi e omogeneizzare l'austenite.
  6. ]Il diagramma di fase non mostra cinetica, quindi fai riferimento a un diagramma di CCT per la lega specifica[ per determinare il tasso di raffreddamento necessario per evitare la perlite o la bainite e raggiungere la martensite.
  7. Verificare i risultati.[] Utilizzare test di durezza, la metallurgia, o la dilatometria per confermare che la microstruttura di destinazione è stata raggiunta.

Questo processo garantisce risultati di trattamento termico riproducibile evitando insidie comuni come l'austenitizzazione insufficiente, la sgrossatura dei cereali o la distorsione dei componenti.

Errori comuni quando si utilizzano le temperature critiche

Diversi errori si verificano quando gli ingegneri si affidano al diagramma di fase ferro-carbonio in modo errato:

Ignorando la differenza tra l'equilibrio e le temperature pratiche

In un forno reale, i tassi di riscaldamento di 10-50°C al minuto significano che l'Ac1 reale è fino a 30°C più alto dell'equilibrio A1. Questo è noto come surriscaldamento. Se si imposta il forno esattamente alla temperatura di equilibrio, l'acciaio non si trasformerà.

Surriscaldamento di acciai ipereutectoidi

Il riscaldamento di un acciaio al carbonio dell'1% nella regione dell'austenite monofase (sopra Acm) dissolve tutti i cementiti, ma provoca anche un'altissima coltura di grana e una temperatura molto bassa della signora, promuovendo l'austenite conservata.

Assumendo che tutti gli acciai abbiano lo stesso A1

Una credenza comune è che A1 è sempre 727°C. Mentre questo è vero per acciaio al carbonio normale, gli acciai in lega possono avere temperature A1 che vanno da 700°C a quasi 800°C. Ad esempio, gli acciai per utensili come D2 hanno un A1 vicino a 780°C a causa di cromo elevato.

Trascurare i gradienti del carbonio

Se l'acciaio è stato carburato o decarburato, il contenuto di carbonio superficiale differisce dal nucleo. Il diagramma si applica in modo diverso ad ogni profondità. Il trattamento termico deve fattore nella composizione del caso; altrimenti, il nucleo non può indurire, o il caso può sciogliersi. Un tipico acciaio carburante utilizza una temperatura austenitizing più bassa per il nucleo e un potenziale di carbonio più alto per la cassa.

Considerazioni avanzate: Diagrammi non-equilibrio

Per i processi di raffreddamento, è necessario diagrammi di trasformazione isotermica (TTT) e rli] diagrammi di trasformazione di raffreddamento continuo (CCT). Questi diagrammi sono costruiti per specifiche temperature di ingrandimento e contenuto di carbonio.

Per la tempra e la tempra, è necessario conoscere anche le temperature di inizio martensita (Ms) e di finitura martensita (Mf). Anche se non sul diagramma di equilibrio, la signora può essere stimata da formule come l'equazione di Andrews: Ms (°C) = 539 - 423(%C) - 30.4(%Mn) - 17,7(%Ni) - 12.1(% phaseCr) - 7,5(% diagram)))

Conclusioni

Identificare le temperature critiche sul diagramma di fase ferro-carbonio è una capacità che ogni professionista del trattamento termico deve padroneggiare. Inizia con la comprensione dei confini A1, A3, e Acm e come cambiano con il contenuto di carbonio e lega.