アイアンカーボン合金のフェーズ: 詳細な概要

鉄鋼および鋳鉄合金(鋼および鋳鉄)の機械的動作と耐用年数は、その微細構造に存在する結晶相の混合物によって決定されます。 温度変化 - 処理中またはサービス中でも - 間接的に、どのフェーズが安定しているか、そしてどのように変化するかを変更します。 以下では、Fe-Cシステムに表示される重要なフェーズを調べ、特性エンジニアに結晶構造をリンクしています。

  • フェライト(α-Fe) - 軟質で延性のある体中心の立方体(BCC)相。フェライトは、非常に小さな炭素(最大〜0.022 wt% 727°C)を溶解し、低炭素鋼の第一次フェーズです。そのBCC構造は、他のフェーズと比較して良好な靭性が低い強度を与えます。
  • []Austenite(γ-Fe)[ - はるかに高い炭素容解性(1148°Cで2.14 wt%まで)の顔中心の立方体(FCC)相)相。 Austeniteは727°C(低周波鋼用)よりも安定しており、その延性および炭素を溶解する能力のために熱成形および熱処理を有効にします。
  • Cementite(Fe3C) - 整形外科結晶構造を有するインターメタル化合物。それは、6.67 wt%炭素を含む非常に硬くて脆性です。 セメント酸塩は、真珠石の別のフェーズとして表示され、過食症鋼のネットワークとして、高強度が貢献しますが、延性を低下させます。
  • Pearlite - フェライトとセキュリタイトのレイヤーを交互に構成されたラメラのエutectoid構造。 腸の組成物(0.76 wt% C)のアステナイトが727°Cを通じてゆっくりと冷却されると形成される。 インターラマーの間隔制御機械的特性:微小間隔の増加強度(Hall-Petchタイプ効果)。
  • Bainite - 中間冷却速度で形成されるクエンザック(針状)のマイクロ構造は、フェライトプレートと微細な重粒子で構成されています。 Bainiteは、強度と靭性の良好な組み合わせを提供します。
  • [マルテンサイト] - Austeniteの急速な冷却(焼入れ)によって形作られたBCT(ボディ中心のテトラゴン)格子のカーボンの非平衡、過飽和固体解決。 マルテンサイトは非常に硬く、脆弱です。 その硬度は炭素含有量の増加します。

これらのフェーズのそれぞれに、鉄カーボン相図でまとめた温度と組成に関して異なる安定性範囲があります。

アイアンカーボンフェーズ図:温度-コンポジションマップ

Fe-C(最大6.67 wt% C)の平衡相図は、温度効果を理解するための基礎です。 主な差異点は次のとおりです。

  • []Eutectoid point] (0.76 wt% C、727°C): 亜硫酸(γ)はフェライト(α)とポリチライト(Fe3C)の混合物に分解します。つまり、真珠のような。
  • エチュクティックポイント](4.30 wt% C、1148°C):液体は、鋳鉄のアステナイトとセディライト(レデバーライト)の混合物に変換します。
  • [Peritectic point]] (0.17 wt% C, 1493°C):液体はδフェライトと反応して、アステナイトを形成します。

冷却では、相変化はこれらの平衡境界線で導かれていますが、実際には冷却速度は、bainiteまたはマルテンサイトを生成する逸脱(非平衡変換)を引き起こす可能性があります。

段階安定性のための温度較差

912°C以上(純鉄用、鋼材用は若干下)

これらの温度では、アステナイトは、2.24 wt%以下のほとんどの炭素含有量のための安定したフェーズです。 これは、熱作業(圧延、鍛造)および均質化処理のための範囲です。 AZTENITEのFCC格子は、高炭素拡散を可能にし、浸炭や他の表面処理のために不可欠です。

727°C～912°C(ヒポエチコイド領域)

低炭素鋼鉄では、安定したフェーズはフェライトであり、二相地域でausteniteです。温度低下として、フェライトはausteniteの穀物の境界で形成し始めます。フェライトの割合は、腸の温度まで増加します。

727°C以下

エクセクノイドの下の温度では、平原炭素鋼のための平衡の微細構造はフェライトおよび無水ケイ酸(Eutectoidの構成の真珠)から成っています。しかし、冷却が急速である場合、アステナイトはバインナイト(~550°CおよびMsの間で)またはマルテンサイト(下Msの温度)のような非平衡相に変形できます。

加熱・冷却における相変化

加熱: 増量と穀物の成長

A3温度(低周波)またはA1(過酸化物のために)上、鋼が加熱されると、既存のフェライトと無水路が変化します。このプロセスは、炭素拡散を必要とし、通常、温度範囲(重要な線上の20〜40°C)以上で発生します。適切な増減は、均一な炭素分布を保証します。しかし、長期高温は、亜硫酸粒が引き起こし、最終製品(すべての粒が低下する)が増加します。

冷却: 制御の微細構造

冷却パスは、最終相混合を決定します。 冷却アステナイトの3つの主要な変換製品は次のとおりです。

  1. Pearlite - 700°C付近の温度で遅い冷却(風力冷却、正規化)によって形成される。 プロセスは拡散ベースです:炭素原子は、セメント化層に分割します。 インターラスペーシングは、過冷に関連しています。 速い冷却は、より微細な真珠ライトと高硬度(例えば、特許を取られたワイヤーで)を与えます。
  2. [:Bainite] - 中冷速度で形成(例えば、450〜550°Cで焼入れ)。 Bainiteは、拡散のないせん断メカニズムによって成長し、カーボン拒絶反応を伴います。 低いバインナイト(低温で形成)は、優れた炭化物と高強度を持っています。
  3. マルテンサイト - 冷却速度がCカーブの鼻を迂回する重要な冷却速度を超えたときに形成される。 変形は熱く、拡散しない; 突然変色するせん断は、正弦構造を形成する。 マルテンサイトスタート温度(Ms)は炭素含有量に依存する。 高炭素鋼の場合、Mは室温下にあり、保留アッテンライトは、存在する可能性がある。

古典的なタイム温度変化(TTT)図は、これらのレジムを表示します。冷却曲線を選択すると、冶金士は目的のマイクロ構造を標的することができます。

温度安定性に関する元素の合金化の影響

実用的な鋼は、段階境界と変形キネティックスをシフトするマンガン、クロム、ニッケル、モリブデンなどを含みます。 例えば:

  • ニッケル・マンガンは、アステナイトフィールド(A3温度を下げて、エutectoidカーボン含有量を削減)を拡大します。
  • クロム、バナジウムおよびモリブデンはフェライトを安定させ、合金の炭化物の形成を促進します、eutectoid温度を上げます。
  • 合金化要素は、一般的に拡散を遅くし、TTT曲線を長時間シフトし、マルテンサイト(つまり、それらは難しさを増加させる)を形成するのを容易にします。

熱処理温度の選択には、これらのシフトを理解することが重要です。例えば、標準4340鋼(Ni-Cr-Mo)は、平1045(780-820°C)よりも高い温度(840〜870°C)を必要とします。

実用的な熱処理の適用

アニール

アニールは、オーステナイト範囲(またはA1以上)への加熱とゆっくりと冷却(炉冷却)を含みます。これにより、鋼を柔らかくし、内部のストレスを取り除き、粗い真珠状マイクロ構造を作り出します。完全なアニール(A1上)は、穀物構造を精製します。アニールを分離する(A1)は、加工性を最大限にするために、目に見えるセメントを形にします。

ノーマライズ

強風化し、空冷に加熱すると、均一で微細な真珠石の微細構造が生成されます。 正規化は、均等または鋳造条件と比較して均質性と機械的特性を向上させます。 硬化のための前処理として頻繁に使用されます。

癒やし、和らげること

油、空気の冷却を水、油、または空気で焼入れする。 その結果、鋼は非常に硬く、脆弱でストレスが生じる。 緩和には、炭素の析出を微細な炭化物として許可するために、A1(典型的に150〜650°C)の下の温度に再加熱し、硬度を削減し、靭性を増加させる。 温度調整は、強度と延性の最終的なバランスを制御します。

不法な熱処理

油和(バチナイト形成温度で入浴)は、優れた靭性を有するバニスティック微細構造を収量します。マーチリング(Msのすぐ上への焼入れ、冷却を遅くする)は、直接焼入れと比較して歪みや割れを低減します。どちらのプロセスも温度依存の変換キネティックスを悪用します。

コンテンツ

温度変化は、鉄カーボン合金の段階の安定性を直接管理します。フェーズ図と変換キネシスを理解することで、エンジニアは、特定の強度、硬度、靭性要件に合わせた微細構造を生成する熱処理サイクルを設計できます。レール鋼の微細な真珠石化を達成するかどうか、切削工具のマルテンサイト、またはギアのバインナイト、加熱および冷却速度の正確な制御は、重要なことです。高度な高強度鋼(AHSS)と調整された加工は、どの合金を継続するのかを継続するかどうかは、フェラリアスが重要なことです。

[] 権威ある参照のために、 ASMハンドブックの巻4: 熱処理とウィキペディア上の鉄カーボン相図のエントリは、包括的な詳細を提供します。 さらに、MaatWebデータベースは、さまざまな熱処理鋼の機械的特性データを提供しています。[