La relazione tra il contenuto di carbonio e la formazione di martensite in acciai infesi
Introduzione: Il ruolo critico del carbonio in acciaio indurimento
L'acciaio rimane la lega di ingegneria più utilizzata, e le sue proprietà meccaniche sono fondamentalmente controllate dal trattamento termico. Tra i vari processi di trattamento termico, il raffreddamento a filo dalla fase austenite, produce martensite, una microstruttura che conferisce durezza e resistenza eccezionali. Il contenuto di carbonio dell'acciaio è il singolo fattore più influente che governa la formazione di martensite, la sua struttura finale e le proprietà risultante.
Fondamenti di formazione intensiva
La martensite è una fase metastabile formata da una trasformazione senza diffusione, a forma di taglio da cubico (FCC) austenite a una struttura tetragonale (BCT) con temperatura corpo-centrata.
Le caratteristiche chiave del martensite includono la sua morfologia acicolare (come bisogno), l'alta densità di dislocazione e una sottile sottostruttura di gemelli o lati. La morfologia stessa dipende dal contenuto di carbonio: acciai a basso tenore di carbonio (sotto lo 0,4% C) tendono a formare lath martensite con piastre parallele, mentre gli acciai ad alta trasformazione (sopra 0,6% C) producono marzatensite con una caratteristica zig.
Come il contenuto di carbonio governa la trasformazione dei martensiti
Carbon come elemento di legazione interstiziale
Gli atomi di carbonio occupano siti interstiziali ottaedri all'interno del reticolo dell'austenite della FCC. Durante la quenching, il carbonio non può diffondersi abbastanza velocemente per formare cementite (Fe3C) o altri carburi; invece, rimane intrappolato, imponendo una grave distorsione tetragonale. Il grado di tetragonalità (c/a rapporto) aumenta da circa 1,0 a 0%C a circa,08 a circa,08 a circa,08 a circa,08 a circa,0 a circa,08 a circa,08 a 1.2% di Marness estrema responsabile.
Il rapporto tra il contenuto di carbonio e la temperatura della signora è critico e ben consolidato: ogni aumento dello 0,1% del carbonio riduce la signora di circa 30-40°C.
Ms (°C) = 539 – 423(%C) – 30.4(%Mn) – 17.7(%Ni) – 12.1(%Cr) – 7.5(%Mo) + ...
Così, un acciaio al carbonio con 0,8%C ha una signora di circa 200°C, mentre un acciaio 0.2%C ha la signora vicino a 500°C. La temperatura di finitura martensita (Mf) è tipicamente 200-250°C sotto la signora, anche se in acciai ad alto tenore di carbonio Mf può cadere sotto la temperatura ambiente, portando a austenite mantenuto.
Tasso di raffreddamento critico e instabilità
Per formare la martensite, il tasso di raffreddamento deve superare il tasso di raffreddamento critico (CCR)—il tasso minimo che evita trasformazioni di diffusione a perlite o bainite. Il contenuto di carbonio influenza fortemente il CCR. Il carbonio più elevato sposta il naso di perlite del diagramma di trasformazione di raffreddamento continuo (CCT) a tempi più lunghi, rendendo più facile raggiungere il martensite completo con quenches più lente (ad esempio, olio al posto dell'acqua).
| Carbon Content (wt%) | Typical Ms (°C) | Hardenability | Preferred Quenchant |
|---|---|---|---|
| 0.05 – 0.25 | 450 – 500 | Low | Water |
| 0.30 – 0.50 | 350 – 450 | Moderate | Water (small sections) or oil |
| 0.60 – 0.80 | 200 – 350 | High | Oil or polymer |
| 0.90 – 1.20 | 100 – 200 | Very high | Oil or martempering |
Nota: Le aggiunte della lega possono alterare sostanzialmente questi intervalli. Per ulteriori dettagli, vedere le risorse di trattamento termico di ASM International[.
Carbon Content e Proprietà Meccaniche di Martensite
Durezza e resistenza
La durezza martensite as-carbon-quenched è approssimativamente lineare con il contenuto di carbonio fino a circa lo 0,8%C. Un'equazione classica è:
Hardness (HRC) ≈ 60√(%C) + 20 (per il contenuto di carbonio fino a 0,8%)
Così, a 0,2%C durezza è di circa 47 HRC; a 0.8%C raggiunge circa 67 HRC. Oltre lo 0,8%C, altipiani di durezza perché il carbonio aggiuntivo rimane in soluzione, ma la crescente tetragonalità porta a microcracking e austenite mantenuto. La resistenza alla trazione aumenta simile a circa 1.000 MPa per un martensite di 0.2%C a oltre 2.500 MPa per martensite ad alto carbonio.
Duttilità e Tosse
Il martensite è intrinsecamente fragile a causa della sua reticenza supersaturi, delle elevate sollecitazioni interne e della presenza di regioni gemellate (soprattutto in acciai ad alto tenore di carbonio).
Austenite in pensione
L'alto contenuto di carbonio si stabilizza a temperature più basse, il che significa che la temperatura Mf può cadere sotto l'ambiente. Di conseguenza, una frazione di austenite rimane non trasparente dopo la quenching. Ad esempio, un acciaio 1.0%C può mantenere il 10-30% austenite. Questa fase più morbida può ridurre la durezza complessiva e causare instabilità dimensionale.
Implicazioni di lavorazione pratiche
Selezione di Quenching Medium
- Acciai a basso tenore di carbonio (0.02-0.3% C):[ Richiedere un raffreddamento rapido (ad esempio, salamoia a freddo o acqua) per raggiungere il CCR; anche allora, la martensite completa può essere raggiunta solo in sezioni sottili. Spesso questi sono utilizzati per carburare per aumentare il carbonio superficiale.
- Acciai di carbonio-medio (0.3-0.6% C): L'irraggiamento dell'acqua è comune, ma l'olio può essere utilizzato per leghe con una maggiore indurabilità.
- Acciai ad alto tenore di carbonio (0.6-1.2% C): L'asportazione dell'olio è tipica per evitare la rottura da shock termico.
Risposta alla tentazione
La temperatura di acciaio di acciaio di spessore superiore di 500 gradi di carbonio, il recupero di dislocazioni e la riduzione di sollecitazioni residue. La caduta di durezza as-quenched durante la temperatura è più ripida per gli acciai al carbonio più elevati, perché più carbonio sovrasaturato è disponibile per formare carburi. Tuttavia, l'indurimento secondario avviene in acciai in lega contenenti forti stabilizzanti in carburo come Cr, Mog.
Elementi di legatura e loro interazione con il carbonio
L'aggiunta di elementi leganti modifica la trasformazione martensita in diversi modi:
- Nickel e Manganese:[ Bassa temperatura della signora, aumentando la tendenza a mantenere l'austenite.
- Chromium e Molibdeno:[[] Migliorare l'induribilità, permettendo l'allacciamento dell'olio per acciai ad alto tenore di carbonio, promuovendo anche la formazione del carburo durante la tempera.
- Vanadium e titanio:[[] Formare carburi fini che perno i confini del grano e affinare la dimensione del pacchetto martensite.
- Silicon:[] I retard si ammorbidiscono durante la tempra, benefica per gli acciai primaverili.
Per una discussione approfondita degli effetti delle leghe, fare riferimento all'articolo Total Materia su induribilità[].
Scegliere il contenuto di carbonio giusto per le applicazioni
Gli ingegneri adattano il contenuto di carbonio per soddisfare i requisiti di servizio:
- Carbone basso (0.05-0.25% C) – Acciaio temprante:[[] Il nucleo rimane duro; la superficie è carburata a 0,8-1,0%C e rifilata per produrre un caso duro, resistente all'usura. Esempi: ingranaggi carburati, alberi a camme, timbrature.
- Carbone medio (0.3-0.5% C) – Acciaio legato e temperato:[[ Offrire resistenza, resistenza alla fatica e resistenza agli assi, barre di collegamento, bulloni e parti della macchina.
- High carbon (0.6-1.2% C) – Resistente all'usura e agli utensili:[[] Fornisce massima durezza dopo la tempra e la tempra, anche se con un attento sollievo dallo stress.
- Carbone alto-ltra (1.2-2,0% C) – Applicazioni speciali:[ Raramente usato a causa di estrema fragilità; può essere elaborato tramite metallurgia a polvere o trattamenti termici specializzati per componenti ad alto rendimento.
Conclusioni
Il contenuto di carbonio dell'acciaio è la formazione principale di controllo variabile del martensite, la sua struttura di cristallo e le proprietà meccaniche che ne derivano. Dal spostare la temperatura della signora e il tasso di raffreddamento critico per dettare durezza, duttilità e austenite mantenuto, il ruolo del carbonio è fondamentale per i trattati di calore e gli ingegneri di progettazione.
Per ulteriori informazioni sulle moderne tecniche di trattamento termico, vedere la libreria tecnica della rivista [[]] e gli standard rilevanti ASTM International[.