Table of Contents
Pengantar Kata Kata Pengantar: Peran Kritis Karbon dalam Hardening Baja
Baja tidak lagi menjadi paduan teknik yang paling banyak digunakan, dan sifat mekanisnya secara fundamental dikendalikan oleh perlakuan panas. Di antara berbagai proses perawatan panas, pendinginan ⁇ rapid dari fase austenit ⁇ produses martensit, struktur mikro yang memberikan kekerasan dan kekuatan yang luar biasa. Kandungan karbon dari baja adalah faktor tunggal paling berpengaruh yang mengatur pembentukan martensit, struktur akhirnya, dan sifat yang dihasilkan. Artikel ini menyediakan eksplorasi komprehensif, teknis hubungan antara kandungan karbon dan martensit dalam baja quenched, meliputi mekanisme transformasi, perilaku mekanis, dan pertimbangan praktis.
Fondasi Pembentukan Martensit
Martensit adalah fase metastable yang terbentuk oleh struktur tak terdifusi, penjelmaan shear-driven dari kubik yang berpusat pada muka (FCC) austenit ke struktur tetragonal (BCT) yang terpusat pada tubuh. Pencairan cepat (pendinginan tarif pada susunan 100°C/s hingga 1000°C/s tergantung pada kandungan karbon) menekan diffusion atom karbon, menjebaknya di situs interstitial dari latice besi. Supersatur karbon ini mendistorsi latensium menjadi tetragonal, dengan satu rasio ca/a meningkatkan kandungan linear dengan karbon terjadi secara maritim hanya pada suhu dasar kecil (sepuluhsit) tidak bergantung pada suhu yang berada dibawah, tidak bergantung pada suhu yang lebih rendah (sepuluh)
Karakteristik kunci martensit yang halus termasuk morfologi asikularnya (seperti needle), kepadatan dislokasi tinggi, dan substruktur halus kembar atau latit. Morfologi itu sendiri bergantung pada kandungan karbon: baja karbon rendah (kekurangan 0,4% C) cenderung membentuk martensit lath dengan pelat paralel, sementara baja berkarbon tinggi (atas 0,6% C) menghasilkan martensit plat dengan pola zigzag karakteristik. Perbedaan ini langsung berhubungan dengan strain transformasi dan kemampuan austen untuk mengakomodasi deformasi.
Bagaimana Susunan Transformasi Para Pimpinan Kandungan Karbon Martensit
Karbon Karbon sebagai Unsur Pengicau Amunisi Interstisial
Atom karbononal menempati oktahedral interstitial situs di dalam lattice FCC austenit. Selama lunching, karbon tidak dapat berdifusi cukup cepat untuk membentuk semenit (Fe3C) atau karbida lainnya; sebaliknya, tetap terperangkap, imposing distorsi tetragonal parah. Derajat tetragonalitas (c/a rasio) meningkat dari sekitar 1.0 di 0%C ke sekitar 1,08 pada 1,2%C. Distorsi ini bertanggung jawab atas keras ekstrem martensit.
Hubungan antara kandungan karbon dan suhu Ms sangat kritis dan berkembang dengan baik: masing-masing 0,1% peningkatan karbon mengurangi Ms dengan kira-kira 30-40°C. Formula empiris seperti persamaan Andrews memberikan:
⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 539 ⁇ 423(%C) ⁇ 30.4(%Mn) ⁇ 17.7(%Ni) ⁇ 12.1(%Cr) ⁇ 7.5(%Mo) + ...]
Dengan demikian, baja karbon polos dengan 0,8%C memiliki Ms sekitar 200°C, sementara baja 0,2%C memiliki Ms dekat 500°C. Suhu martensit (Mf) biasanya 200-250°C di bawah Ms, meskipun dalam baja karbon tinggi Mf mungkin jatuh di bawah suhu kamar, menyebabkan untuk mempertahankan austenit.
Tahap Pendinginan dan Kesulitan yang Kritis
Untuk membentuk martensit, tingkat pendinginan harus melebihi tingkat pendinginan kritis (CCR) ⁇ tingkat minimum yang menghindari transformasi difusional menjadi mutiara atau bainite. Kandungan karbon sangat memengaruhi CCR. Karbon yang lebih tinggi menggeser hidung mutiara dari transformasi pendinginan berkelanjutan (CCT) diagram ke waktu yang lebih lama, membuatnya lebih mudah mencapai martensit penuh dengan quenches yang lebih lambat (mis., minyak daripada air).Namun, karbon yang sangat tinggi (above 0,8%) dapat meningkatkan CCR karena perlu menghindari presipitasi semen. Semua elemen seperti mangan, chroium, dan mobCT yang digunakan untuk mengurangi tingkat pendinginan dan sering kali terjadi perubahan.
| 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 |
Catatan: Penambahan Alloy dapat mengubah jangkauan ini secara substansial. Untuk rincian lebih lanjut, lihat ASM International's heat asting resources.
Kandungan Karbon dan Sifat Mekanis Martensit
Kekerasan dan Kekuatan
Kekerasan martensit cair as-karbon berkuah karbon adalah kira-kira linear dengan kandungan karbon hingga sekitar 0,8%C. Persamaan klasik adalah:
[[Efleksi:0]]Kekerasan (HRC) ⁇ 60 ⁇ 6(%C) + 20 (untuk kandungan karbon hingga 0,8%)[
Dengan demikian, pada kekerasan 0,2%C sekitar 47 HRC; pada 0,8%C mencapai sekitar 67 HRC. Di luar 0,8%C, hardness plateaus karena sisa karbon tambahan dalam larutan tetapi peningkatan tetragonalitas mengarah ke microcracking dan mempertahankan austenit. Kekuatan tensile serupa naik dari sekitar 1.000 MPa untuk martensit 0,2%C menjadi lebih dari 2.500 MPa untuk martensit berkarbon tinggi.
Kemandulan dan Ketangguhan
Kerang karena kecekatan super jenuhnya, tekanan internal yang tinggi, dan kehadiran daerah kembar (terutama di baja tinggi karbon) . Kepanjangan pada fraktur turun dari ~10-15% di bawah karbon lath martensit menjadi kurang dari 1% di martensit lempeng karbon tinggi. Dampak ketangguhan juga plummet, membuat martensit tinggi karbon yang tidak tertemperasi hampir tidak dapat digunakan. ini memaksa langkah yang bertemperamen untuk memulihkan beberapa duk dengan biaya dari keras.
Ditahan
Kandungan karbon tinggi fluorezia stabil austenit untuk menurunkan suhu, artinya suhu Mf dapat jatuh di bawah ambien. Akibatnya, sebagian kecil austenit tetap tidak tertransformasi setelah zench. Sebagai contoh, baja 1.0%C dapat mempertahankan 10-30% austenit. Fase yang lebih lunak ini dapat mengurangi kekerasan secara keseluruhan dan menyebabkan ketidakstabilan dimensi. Perawatan sub-nol lanjutan (cryogenic processing) atau siklus tempering ganda digunakan untuk mengubah austenit ke marsit. Namun, sejumlah kecil austenit yang dipertahankan (0%) dapat meningkatkan ketangguhan yang tangguh dalam beberapa aplikasi, seperti alat baja. Lebih banyak lagi dari ini adalah dari [3][TFLc] [3]
Implikasi Pengolahan Praktis
Pemilihan Lulusan Medium
- [6]](FLT:0]]Low-karbon baja (0.02.3% C): Memerlukan pendinginan cepat (mis., iced brine atau air) untuk mencapai CCR; bahkan kemudian, martensit penuh hanya dapat dicapai dalam bagian tipis. Seringkali ini digunakan untuk karburizing untuk meningkatkan karbon permukaan.
- [EfolfT:0]]Medium-karbon baja (0.3-0.6% C): Penghapusan air adalah umum, tetapi minyak dapat digunakan untuk paduan dengan hardenabilitas yang lebih baik. Tempering sangat penting untuk mencapai sifat yang seimbang untuk komponen struktural seperti poros dan roda gigi.
- [Oflear](OfGALT:0]] Baja karbon-tinggi (0.6-1.2% C):[ Penghapusan minyak adalah tipikal untuk menghindari retak dari guncangan termal. Martempering (varian penguraian) membantu mengurangi distorsi. Digunakan untuk alat potong, dies, bearing, dan spring.
Sambutan yang Menggoda
Martensit Tempering menyebabkan presipitasi karbida transisi (pere-karbida di karbon bawah, semenit di karbon yang lebih tinggi), pemulihan dislokasi, dan pengurangan tekanan residial. Penurunan kekerasan as-quenched selama tempering lebih curam untuk baja karbon yang lebih tinggi karena karbon superated lebih tersedia untuk membentuk karbida.Namun, hardening sekunder terjadi dalam baja paduan yang mengandung bekas karbida kuat seperti Cr, Mo, V (contoh, H13 tool steel) ketika temperamen dalam kisaran 500°-C. Seringkali alat baja berpendingin multipleh untuk mempertahankan dimensi dan stabil.
Unsur Alloying dan Interplaynya dengan Karbon
Penambahan unsur paduan yang memodifikasi transformasi martensit dalam beberapa cara:
- [[ZANFAILT:0]]Nickel dan Manganese: Suhu Ms Bawah, meningkatkan kecenderungan untuk mempertahankan austenit.
- [O] ¡FLT:0]]Chromium dan Molybdenum: Perkuat kekerasan, memungkinkan pemuasan minyak untuk baja berkarbon tinggi.Mereka juga mempromosikan pembentukan karbida selama bertemperatur.
- [[ZOLT:0]]Vanadium dan Titanium: Bentuk karbida halus yang menjepit batas biji-bijian dan mendefinisikan ulang ukuran paket martensite.
- [ZOFLT:0]]Silicon: Retards melunak selama bertemperamen, bermanfaat untuk baja pegas.
Untuk diskusi mendalam mengenai efek paduan, mengacu pada Total Materia artikel mengenai hardensibility.
Acar - Acar yang Benar Memilih Kandungan Karbon yang Benar untuk Aplikasi
Mesin mesin penjahit kandungan karbon sesuai dengan persyaratan layanan:
- [ZOFLT:0]]Low karbon (0,05-0,25% C) ⁇ Case-hardening baja: Inti tetap tangguh; permukaan terkarbur menjadi 0,8-1,0%C dan dikumandangkan untuk menghasilkan kasus tahan-keras dan aus. Contoh: karburized gear, camshafts, stempel.
- [[ZOUBALT:0]]Medium karbon (0,3-0,5% C) ⁇ Ditundukkan dan ditempam baja: Tawarkan kekuatan, ketangguhan, dan ketahanan kelelahan untuk akles, menghubungkan batang, baut, dan bagian mesin.
- []]]($2]]High carbon (0.6-1.2% C) ⁇ Wear-resistant and tool steels: Menyediakan hardness maksimum setelah meredakan dan mewatak, albeit dengan relief stres yang hati-hati. Digunakan untuk dies, pisau, pisau cukur, alat pembentuk dingin, dan kawat pegas.
- [ZOZT:0]]Ultra-high carbon (1.2-2,0% C) ⁇ Aplikasi khusus: Jarang digunakan karena kecuraman ekstrem; mungkin diproses melalui metalurgi bubuk atau perlakuan panas khusus untuk komponen alas tinggi.
Kekecualian Kesimpulan
Kandungan karbon baja yang dimiliki oleh para ahli variabel induk mengendalikan pembentukan martensit, struktur kristalnya, dan sifat mekanis yang memikat. Dari pergeseran suhu dan tingkat pendinginan Ms kritis untuk mendikte keras, laksilitas, dan mempertahankan austenit, peran karbon adalah fondasi untuk penguji panas dan insinyur desain. Dengan memahami interplay antara karbon, elemen pencampuran, dan parameter quean, produsen dapat secara konsisten mengantarkan baja dengan kinerja yang dioptimalkan ⁇ whether Tujuan adalah hardness silet-shrpp untuk sebuah bilah, kelelahan untuk sebuah kendaraan otomotif, atau dampak yang tangguh untuk alat tambang. Dilipen dari kandungan karbon, dikombinasikan dengan mudah marah dan tetap stabil, dan tetap memiliki potensi untuk membuka baja penuh.
Untuk pembacaan lebih lanjut pada teknik pengobatan panas modern, lihat Industrial Heating magazine's technical library dan standar relevan dari ASTM International.