Table of Contents
Innledning: Den kritiske rollen som karbon i stål Harding
Stål er fortsatt den mest brukte ingeniørlegeringen, og dens mekaniske egenskaper er i utgangspunktet kontrollert av varmebehandling. Blant de ulike varmebehandlingsprosessene, slukker ⁇ rapid kjøling fra austenittfasen ⁇ fremkaller martensitt, en mikrostruktur som gir eksepsjonell hardhet og styrke. Karboninnholdet i stålet er den mest innflytelsesrike faktoren som styrer martensittdannelse, dens endelige struktur og de resulterende egenskapene. Denne artikkelen gir en omfattende, teknisk utforskning av forholdet mellom karboninnhold og martenitt i slukte stål, dekker transformasjonsmekanismer, mekanisk atferd og praktiske produksjonshensyn.
Martensittformasjon Grunnleggende
Martensitt er en metastabil fase dannet av en diffusiv, skjærdrevet transformasjon fra ansiktssentrert kubisk (FCC) austenitt til en kroppssentert tetragonal (BCT) struktur. Den raske slukning (kjølehastigheter på rekkefølgen 100°C/s til 1000°C/s avhengig av karboninnhold) undertrykker diffusjonen av karbonatomer, fange dem i interstitielle steder i jernlatteriet. Denne supersaturering av karbon forvrenger kubisk gitter til en tetragonal én, med c/a-forholdet økende lineært med karboninnhold. Transformasjonen oppstår atermisk - brøkdelen av martenitt bare avhengig av temperatur under martenittstarten (Ms) temperatur, ikke på tid.
Nøkkelkarakteristikkene til martenitt inkluderer dens akikulære (nødvendig) morfologi, høy dislocation densitet og en fin understruktur av tvillinger eller laths. Morfologien selv avhenger av karboninnhold: lavkarbonstål (under 0,4 % C) har en tendens til å danne lat martenitt med parallelle plater, mens høykarbonstål (over 0,6 % C) produsere platemartenitt med et karakteristisk zigzag mønster. Disse forskjellene direkte relaterer seg til transformasjonsstammen og evnen til austenitten til å romme shear deformasjonen.
Hvordan karboninnhold styrer Martensitttransformasjon
Karbon som et interstitiell alloying element
Karbonatomer okkuperer oktaederale interstitielle steder i FCC austenittlatt. Under slukning kan karbon ikke diffusere raskt nok til å danne sementitt (Fe3C) eller andre karboner; i stedet for forblir det fanget, påført en alvorlig tetragonal forvrengning. Graden av tetragonalitet (c/a forhold) øker fra ca. 1,0 ved 0%C til ca. 1,08 ved 1,2 %C. Denne forvrengningen er ansvarlig for ekstrem hardhet av martenitt.
Forholdet mellom karboninnhold og ms-temperatur er kritisk og veletablert: hver 0,1% økning i karbon reduserer ms med ca. 30-40°C. Empiriale formeler som Andrews' ligning gir:
Ms (°C) = 539 ⁇ 423(%C) ⁇ 30.4(%Mn) ⁇ 17.7(%Ni) ⁇ 12.1(%Cr) ⁇ 7,5(%Mo) + ...
Således har et vanlig karbonstål med 0,8 %C en Ms rundt 200°C, mens et 0,2 %C stål har Ms nær 500°C. Martensitt-finish (Mf)-temperaturen er typisk 200-250°C under Ms, selv om i høykarbonstål Mf kan falle under romtemperatur, noe som fører til beholdt austenitt.
Kritisk kjølehastighet og harde
For å danne martenitt må kjølehastigheten overstige den kritiske kjølehastigheten (CCR) ⁇ den minste hastigheten som unngår diffusjonstransformasjoner til perlenitt eller bainit. Karboninnhold påvirker sterkt CCR. Høyere karbon skifter perlenittens nese i den kontinuerlige kjøletransformasjonen (CCT) diagram til lengre tid, noe som gjør det lettere å oppnå full martenitt med langsommere kjølemidler (f.eks. olje i stedet for vann). Men svært høy karbon (over 0,8 %) kan faktisk øke CCR på grunn av behovet for å unngå sementutfelling. Tilsetningselementer som mangan, krom, nikkel og molybden videre skifter CCT-kurvene og brukes ofte til å redusere den nødvendige kjølehastigheten.
| 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 |
Merk: Tilsetninger fra legering kan i vesentlig grad endre disse intervallene. For ytterligere detaljer, se ]ASM Internationals varmebehandlingsressurser.
Carbon innhold og mekaniske egenskaper av Martensite
Hardhet og styrke
As-karbon-quenched martensitt hardhet er omtrent lineær med karboninnhold opp til ca. 0,8%C. En klassisk ligning er:
Hardhet (HRC) ⁇ 60 ⁇ (% C) + 20 (for karboninnhold opp til 0,8%)
Således er ved 0,2%C hardhet ca. 47 HRC; ved 0,8%C når den ca. 67 HRC. Utover 0,8%C, hardhet platåer fordi ytterligere karbon forblir i oppløsning, men den økende tetragonalitet fører til mikrokrakking og beholdt austenitt. Tensil styrke stiger på samme måte fra ca. 1000 MPa for en 0,2%C martenitt til over 2500 MPa for høykarbonmartenitt.
Dukilitet og hardhet
Martensitt er iboende sprøtt på grunn av sin overmettede gitter, høye interne stress og tilstedeværelsen av tvillingede regioner (spesielt i høykarbonstål). Langvarighet til brudd dråper fra ~ 10-15% i lavkarbonlatenitt til mindre enn 1% i høykarbonplatemartensitt. Effekt styrke også plummetter, noe som gjør utempret høykarbonmartensitt nesten ubrukelig. Dette handels-off tvinger et tempererende skritt for å gjenopprette noe dualitet på bekostning av hardhet.
Opptatt austenitt
Høyt karboninnhold stabiliserer austenitt til lavere temperaturer, noe som betyr at Mf-temperaturen kan falle under omgivelsene. Som et resultat, en brøkdel av austenitt forblir utransformert etter slukning. For eksempel kan et 1,0 % C stål beholde 10-30 % austenitt. Denne mykere fasen kan redusere total hardhet og forårsake dimensjonell ustabilitet. Etterfølgende sub-null behandlinger (krystallogen behandling) eller flere tempereringssykluser brukes til å konvertere beholdt austenitt til martenitt. Men en liten mengde beholdt austenitt (5-10 %) kan forbedre seighet i enkelte applikasjoner, som verktøystål. Mer om dette er tilgjengelig fra ScienceDirekt ingeniørmateriale oversikt.
Praktiske prosesser
Valg av Quenching Medium
- Lavkarbonstål (0,02-0.3% C): Kreve rask kjøling (f.eks. islake eller vann) for å nå CCR; selv da kan full martenitt bare oppnås i tynne seksjoner. Ofte brukes disse for å karburisere for å øke overflatekarbon.
- Mediumkarbonstål (0,3-0,6 % C): Vannslukning er vanlig, men olje kan brukes til legeringer med forbedret hardhet. Tempering er essensiell for å oppnå balanserte egenskaper for strukturelle komponenter som akseler og gir.
- High-karbon stål (0,6-1,2 % C): Oljesluking er typisk for å unngå sprekk fra termisk sjokk. Martempering (audtempererende varianter) bidrar til å redusere forvrengningen. Brukt til skjæreverktøy, dør, lager og fjærer.
Temperasjon
Temperasjonsmartenitt forårsaker nedbør av overgangskarbider (ε-karbid i lavere karbon, sement i høyere karbon), utvinning av dislokasjoner og reduksjon av restbelastninger. Den as-quenchede hardhet faller under temperering er brattere for høyere karbonstål fordi mer overmettet karbon er tilgjengelig for å danne karbohydrater. Imidlertid oppstår sekundær herding i legering stål som inneholder sterke karbohydrater som Cr, Mo, V (f.eks. H13 verktøystål) når temperering i 500-600 ° C området. Høykarbon verktøystål krever ofte flere temperamenter for å transformere beholdt austenitt og stabilisering dimensjoner.
Tilknyttede elementer og deres samspill med karbon
Tilsetningen av legeringselementer modifiserer martensitttransformasjonen på flere måter:
- Nickel og Manganesisk: Lavere Ms-temperatur, øker tendensen til å holde austenitt.
- Chromium og Molybden: Forbedre hardheten, noe som gjør det mulig å stenge olje for høykarbonstål. De fremmer også karbiddannelse under temperering.
- Vanadium og Titanium: Forme fine karbider som pinner korngrenser og raffinere martensittpakkestørrelse.
- Silicon: Retards mykner under temperering, fordelaktig for vårstål.
For en grundig diskusjon om legeringseffekter, se Total Materia artikkel om hardhet.
Velg riktig karboninnhold for applikasjoner
Ingeniører skreddersydd karboninnhold som passer til servicekravene:
- Lavt karbon (0,05-0,25% C) ⁇ Case-herding stål: Core forblir tøff; overflaten er karburisert til 0,8-1,0% C og slukt for å produsere et hardt, slitesterkt tilfelle. Eksempler: karburiserte gir, kamshafter, stempling.
- Mellomliggende karbon (0,3/05% C) ⁇ Quenched og herdet stål: Tilbyr styrke, seighet og utmattelsesmotstand for aksler, tilkoblingsstænger, bolter og maskindeler.
- High cobon (0,6-1,2 % C) ⁇ Wear-resistente og verktøystål: Gi maksimal hardhet etter slukning og temperering, om enn med forsiktig stress relief. Brukes til døende, kniver, barbermaskiner, kalde-forme verktøy og vårtråder.
- Ultra-høyt karbon (1,2 ⁇ 2,0 % C) ⁇ Spesielle anvendelser: Sjeldent brukt på grunn av ekstrem sprøhet; kan behandles via pulvermetallurgi eller spesialiserte varmebehandlinger for høy slitasjekomponenter.
Konklusjon
Karboninnholdet i stål er den mestervariable styringen av martensittdannelsen, dens krystallstruktur og den påfølgende mekaniske egenskapene. Fra å skifte MS-temperatur og kritisk kjølehastighet til å diktere hardhet, dualitet og beholdt austenitt, karbons rolle er grunnleggende for varmebehandlere og designingeniører. Ved å forstå samspillet mellom karbon, legeringselementer og slukke parametre, kan produsentene konsekvent levere stål med optimalisert ytelse - uansett om målet er barberharp hardhet for et blad, tretthet motstand for et bilutstyr eller slag seighet for et gruveverktøy. Diligent kontroll av karboninnhold, kombinert med passende slukning og temperering praksis, forblir nøkkelen til å låse opp det fulle potensialet av martensitiske stål.
For videre lesing av moderne varmebehandlingsteknikker, se Industrial Heating Magazines tekniske bibliotek og relevante standarder fra ASTM International].