Faze în aliaje de fier-carbon: O prezentare detaliată

Comportamentul mecanic și durata de viață a aliajelor de fier-carbon (oțel și fontă) sunt dictate de amestecul de faze cristaline prezente în microstructura lor. Schimbări de temperatură . În timpul prelucrării sau în serviciu sau modifica direct care faze sunt stabile și modul în care acestea se transformă. Mai jos vom examina fazele cheie care apar în sistemul Fe-C, conectarea structurilor lor de cristal la inginerii de proprietăți se bazează pe.

  • Ferrit (α-Fe)
  • Austenite (γ-Fe)
  • Cementite (Fe3C)
  • Pearlite
  • Bainite
  • Martensite

Fiecare dintre aceste faze are un interval de stabilitate distinct în ceea ce privește temperatura și compoziția, astfel cum sunt rezumate în diagrama fazei de fier-carbon.

Diagrama de fază a fierului-carbonului: Temperatură:

Diagrama fazei de echilibru pentru Fe-C (până la 6,67 wt% C) este baza pentru înțelegerea efectelor temperaturii. Punctele variabile cheie includ:

  • Punct eutectoid (0,76 wt% C, 727°C): Austenite (γ) descompune într-un amestec de ferită (α) și cimentită (Fe3C)
  • Punct eutectic (4.30 wt% C, 1148°C): Lichidul se transformă într-un amestec de austenit și cementit (ledeburit) în fontă.
  • Punct peritectic (0,17 wt% C, 1493°C): Reacție lichidă cu δ-ferrit pentru a forma austenită.

La răcire, transformările de fază sunt ghidate de aceste limite de echilibru, dar în practică rata de răcire poate provoca abateri (transformări non-equilibrium) care produc bainite sau martensite.

Intervale de temperatură pentru stabilitatea fazei

Peste 912°C (pentru fier pur; puțin mai mic pentru oțel)

La aceste temperaturi, austenita este faza stabila pentru majoritatea continutului de carbon sub 2,14 wt%. Acesta este intervalul pentru lucrari la cald (rulare, forjare) si tratamente de omogenizare. Lattitia FCC de austenite permite difuzie de carbon ridicat, esentiala pentru carburarea si alte tratamente de suprafata.

Între 727°C și 912°C (zona hipoeutectoidiană)

În otelurile cu emisii reduse de carbon, fazele stabile sunt ferita si austenita într-o regiune cu doua faze. Pe măsură ce temperatura scade, ferita începe să se formeze la limitele de cereale austenite. Proporţia feritei creşte până la temperatura eutectoidă.

Sub 727°C

La temperaturi sub eutectoid, microstructura de echilibru pentru otelurile cu carbon simplu este formata din ferita si cimentit (pearlit in compozitia eutectoidelor). Cu toate acestea, daca racirea este rapida, austenita se poate transforma in faze non-equilibrium precum bainitul (între ~550°C si Ms) sau martita (sub temperatura doamnei).

Transformarea fazelor în timpul încălzirii și răcirii

Încălzire: Austenitarea şi creşterea cerealelor

Atunci când un oțel este încălzit deasupra temperaturii A3 (pentru hipoeutectoid) sau A1 (pentru eutectoid), ferita existentă și cimentitul se transformă în austenit. Acest proces necesită difuzie de carbon și apare de obicei pe o gamă de temperaturi (20

Răcire: controlul microstructurii

Traseul de răcire determină amestecul final de fază. Cele trei produse principale de transformare pe austenita de răcire sunt:

  1. Pearlite[
  2. Bainite
  3. Martensite

Diagrama clasică Time-Temperature-Transformation (TTT) afișează aceste regimuri. Prin alegerea unei curbe de răcire, metalurgiștii pot viza microstructurile dorite.

Efectul elementelor de aliere asupra stabilității temperaturii

Otelurile practice contin mangan, crom, nichel, molibden etc., care schimba limitele fazelor si cinetica de transformare. De exemplu:

  • Nichelul și manganul extind câmpul austenit (temperatura mai scăzută A3 și scad conținutul de carbon eutectoid).
  • Cromul, vanadiu și molibdenul stabilizează ferita și promovează formarea de carburi aliate, crescând temperatura eutectoidă.
  • Elementele de aliajare încetinesc în general difuzia, modificând curbele TTT în perioade mai lungi și făcând mai ușor de format martensite (adică, ele cresc hardenabilitatea).

Înțelegerea acestor schimbări este esențială pentru selectarea temperaturilor de tratament termic. De exemplu, un standard 4340 oțel (Ni-Cr-Mo) necesită temperaturi de sensibilizare mai mari (840

Aplicații practice de tratare a căldurii

AnnakelingCity in New York USA

Anevrizarea implică încălzirea în gama austenitei (sau deasupra A1) și răcirea lentă (răcirea cu furnale). Aceasta înmoaie oțelul, ameliorează stresul intern și produce o microstructura perlată grosieră. Analizarea completă (peste A3) rafinează structura boabelor; sferoidize anneling (chiar sub A1) formează cimentul globular pentru maxima machinabilitate.

Normalizarea

Încălzirea la austenită și răcirea aerului produce o microstructura uniforma, fină perlat. Normalizarea îmbunătățește omogenitatea și proprietățile mecanice în comparație cu condițiile laminate sau turnate. Acesta este adesea utilizat ca un pre-tratament pentru întărire.

Conjugarea şi temperarea

Găurirea (răcire rapidă în apă, ulei, sau aer) din austenite produce martensite. Oţelul rezultat este foarte greu, dar fragil şi stresat. Temperatura implică reîncălzirea la o temperatură sub A1 (de obicei 150

Tratamente termice izotermice

Austempering (câștigând la o baie la temperatura de formare a bainiților) produce microstructuri bainitice cu o rezistență excelentă. Martempering (câștigând la puțin deasupra doamnei, apoi răcire lentă) reduce denaturarea și fisurarea în comparație cu stingerea directă. Ambele procese exploatează cinetica de transformare dependentă de temperatură.

Concluzie

Variaţiile de temperatură guvernează direct stabilitatea fazelor în aliajele cu carbon fier. Prin înţelegerea diagramei fazelor şi cineticii transformării, inginerii pot proiecta cicluri de tratament termic care produc microstructuri adaptate cerinţelor specifice de rezistenţă, duritate şi rezistenţă. Fie că obţinerea perlatului fin pentru oţel feroviar, martensite pentru unelte de tăiere, sau bainit pentru unelte, controlul precis al ratelor de încălzire şi răcire este cheia. Cercetarea continuă în oţeluri avansate de înaltă rezistenţă (AHSS) şi procese de stingere adaptate continuă să împingă limitele a ceea ce este realizabil cu aliaje Fe-C.

Pentru referinţe autorizate, Manualul ASM volumul 4: Tratare termică şi intrarea pe Wikipedia a diagramei de fază a fierului-carbonului oferă detalii complete. În plus, baza de date MatWeb oferă date privind proprietatea mecanică pentru diferite oţeluri tratate termic.]