Table of Contents
Introducere: Rolul critic al carbonului în consolidarea oţelului
Oţel rămâne aliajul de inginerie cel mai utilizat pe scară largă, iar proprietăţile sale mecanice sunt controlate fundamental prin tratament termic. Printre diferitele procese de tratare termică, decolorare hyperth, degajarerapid de la faza austenite austenite austences martensite, o microstructură care oferă duritate şi rezistenţă excepţionale. Conţinutul de carbon al oţelului este singurul factor cel mai influent care guvernează formarea de martensite, structura sa finală, şi proprietăţile rezultate. Acest articol oferă o explorare cuprinzătoare, tehnică a relaţiei dintre conţinutul de carbon şi martensite în oţeluri stinse, acoperind mecanisme de transformare, comportament mecanic, şi considerente practice de producţie.
Fundamente de formare a martensite-ului
Martensitul este o fază metastabilă formată dintr-o transformare fără difuzie, cu forfecare de la austenită cubică centrată pe faţă (FCC) la o structură tetragonală centrată pe corp (BCT). Stingerea rapidă (ratele de răcire la ordinul de 100°C/s la 1000°C/s în funcţie de conţinutul de carbon) suprimă difuzia atomilor de carbon, prinzând-i în situri interstiţiale ale lattiei de fier. Această suprasaturare a carbonului distorsionează lattiţa cubică într-una tetragonală, cu c/a raport crescând liniar cu conţinutul de carbon. Transformarea are loc în mod vulgar fracţiunea de martitetă depinde numai de temperatura sub temperatura de pornirea la Martensite-ului (Ms), nu de timp.
Caracteristicile cheie ale martensite-ului includ morfologia sa aciculară (ca un ac) şi densitatea ridicată a dislocării şi o substructură fină a gemenilor sau a laţilor. Morfologia însăşi depinde de conţinutul de carbon: oţelurile cu emisii scăzute de carbon (sub 0,4% C) tind să formeze lath Martenit cu plăci paralele, în timp ce oţelurile cu carbon ridicat (peste 0,6% C) produc plăci de martensite cu un model caracteristic de zigzag. Aceste diferenţe se referă direct la tulpina de transformare şi capacitatea austenitei de a acomoda deformarea scenică.
Cum conţinutul de carbon conduce transformarea martensite
Carbonul ca element de aliere interstițială
Atomii de carbon ocupă situri interstiţiale octadrale în cadrul austenitei FCC. În timpul stingerii, carbonul nu poate difuza suficient de rapid pentru a forma cimentită (Fe3C) sau alte carburi; în schimb, rămâne prins, impunând o distorsiune tetragonală severă. Gradul tetragonalităţii (c/a raport) creşte de la aproximativ 1,0 la 0%C la aproximativ 1,08 la 1,2%C. Această distorsiune este responsabilă pentru duritatea extremă a martensitei.
Relaţia dintre conţinutul de carbon şi temperatura dnei este critică şi bine stabilită: fiecare creştere de 0,1% a carbonului reduce dna cu aproximativ 30-40°C. Formulele empirice, cum ar fi ecuaţia Andrews, dau:
Ms (°C) = 539
Astfel, un otel cu carbon simplu cu 0,8%C are o doamna in jur de 200°C, in timp ce un otel de 0,2%C are doamna aproape 500°C. Temperatura finisajului (Mf) este de obicei 200-250°C sub doamna, desi in oteluri cu carbon ridicat Mf poate scadea sub temperatura camerei, ceea ce duce la o austenita mentinuta.
Rata critică de răcire și de risc
Pentru a forma martensite, rata de răcire trebuie să depășească rata critică de răcire (CCR) . Rata minimă care evită transformările difuzive la perlat sau bainit. Conținutul de carbon influențează puternic CCR. Mai mare carbonul schimbă de fapt nasul perlitat al transformării continue de răcire (CCT) la perioade mai lungi, ceea ce face mai ușor pentru a realiza complet martensite cu stinguri mai lente (de exemplu, ulei în loc de apă). Cu toate acestea, foarte mare carbon (peste 0,8%) poate crește CCR datorită necesității de a evita precipitațiile de ciment. Elemente de sub formă de mangan, crom, nichel și molibden în continuare se schimbă curbele CCT și sunt adesea utilizate pentru a reduce rata de răcire necesară.
| 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 |
Notă: Adăugăturile de aluminiu pot modifica substanțial aceste intervale. Pentru detalii suplimentare, a se vedea ASM International
Conținutul de carbon și proprietățile mecanice ale martensite-ului
Duritate şi putere
Duritatea martensite-ului cu conţinut de carbon este aproximativ liniară, cu un conţinut de carbon de până la 0,8%C. O ecuaţie clasică este:
Harness (HRC)
Astfel, la o duritate de 0,2%C este de aproximativ 47 HRC; la 0,8%C ajunge la aproximativ 67 HRC. Dincolo de 0,8%C, platouri de duritate, deoarece carbonul suplimentar rămâne în soluție, dar tetragonalitatea în creștere duce la microcracking și austenit reținut. Rezistența la tracțiune crește în mod similar de la aproximativ 1000 MPa pentru un martensite de 0,2%C la peste 2500 MPa pentru martensite de înaltă carbon.
Ductilitatea şi duritatea
Martensite este în mod inerent fragilă din cauza lattiției sale supersaturate, tensiuni interne ridicate, și prezența regiunilor înfrățite (în special în oțelurile cu emisii ridicate de carbon). Alungirea la fracturi scade de la ~10-15% în lath martensite cu emisii scăzute de carbon la mai puțin de 1% în plăci de înaltă carbon martensite. Duritatea impactului, de asemenea, slăbește, făcând netemperat de mare carbon martite aproape inutilizabile. Acest compromis-off forțează un pas temperare pentru a restabili unele ductilitate în detrimentul duritate.
Austenite reţinute
Conţinutul ridicat de carbon stabilizează austenita la temperaturi mai mici, ceea ce înseamnă că temperatura Mf poate scădea sub ambient. Ca rezultat, o fracţiune de austenită rămâne netransformată după stingere. De exemplu, un oţel de 1,0%C poate reţine 10-30% austenit. Această fază mai moale poate reduce duritatea totală şi poate provoca instabilitatea dimensională. Tratamentele ulterioare sub-zero (procesare criogenică) sau cicluri multiple de temperare sunt folosite pentru a converti austenita reţinută în martensite. Cu toate acestea, o cantitate mică de austenit reţinut (5-10%) poate îmbunătăţi duritatea în unele aplicaţii, cum ar fi oţelurile de scule. Mai multe despre aceasta este disponibil din ScienceDirect de inginerie de imagine.
Implicații practice de procesare
Selectarea mijlocului de quesching
- Oţeluri cu emisii scăzute de carbon (0,02-0,3% C] Necesită răcire rapidă (de exemplu, sărare cu gheaţă sau apă) pentru a ajunge la CCR; chiar şi atunci, Martenditul complet poate fi obţinut numai în secţiuni subţiri. Adesea acestea sunt folosite pentru carburarea pentru creşterea carbonului de suprafaţă.
- Oteluri cu carbon-mediu (0,3-0,6% C] Stingerea apei este frecventă, dar uleiul poate fi utilizat pentru aliaje cu o mai mare rezistenta. Temperatura este esentiala pentru a realiza proprietati echilibrate pentru componente structurale precum arborii si uneltele.
- Oteluri cu carbon ridicat (0,6-1,2% C] Stingerea uleiului este tipica pentru a evita fisurarea din soc termic. Martempering (variatii de autentificare) ajuta la reducerea denaturării. Folosit pentru instrumente de taiere, morti, rulmenti si arcuri.
Răspuns prompt
Tempering martensite provoacă precipitații de carburi de tranziție (ε-carbid în carbon mai scăzut, cimentit în carbon mai mare), recuperarea de dislocări, și reducerea stresului rezidual. Ca-clinchetat scade duritate în timpul temperamentului este mai abrupt pentru oțel carbon mai mare, deoarece mai mult carbon suprasaturat este disponibil pentru a forma carburi. Cu toate acestea, întărire secundară apare în oțeluri aliate care conțin exteri puternici de carburi, cum ar fi Cr, Mo, V (de exemplu, oțel de scule H13) atunci când temperare în gama 500-600°C. Oteluri de scule cu carbon ridicat necesită adesea mai multe temperari pentru a transforma austenite reținute și dimensiuni stabilizate.
Elemente de aliere și interacțiunea lor cu carbonul
Adăugarea elementelor de aliaj modifică transformarea martensite în mai multe moduri:
- Nickel și mangan: Temperatura mai mică a doamnei, crescând tendința de a păstra austenita.
- Chromiul și Molibdenul: Creșterea rezidabilității, permițând stingerea uleiului pentru oțelurile cu emisii ridicate de carbon. De asemenea, acestea promovează formarea de carburi în timpul temperarii.
- Vanadium și titan: Formați carburi fine care au limite de cereale și rafinați dimensiunea pachetului de martensite.
- Silicon: Retarzi înmuiaţi în timpul temperamentului, benefici pentru oţelurile de primăvară.
Pentru o discuție aprofundată a efectelor aliajului, a se vedea Total articolul Materia privind hardenabilitatea.
Alegerea conținutului corect de carbon pentru aplicații
Inginerii adaptează conținutul de carbon la cerințele de serviciu corespunzătoare:
- Ciocol scăzut (0,05-0,25% C)
- Carbon de mediu (0,3-0,5% C)
- Carbon ridicat (0,6-1,2% C)
- Ultra-high carbon (1,2-2,0% C)
Concluzie
Conţinutul de carbon al oţelului este principala variabilă de control a formării de martensite, structura sa de cristal, şi proprietăţile mecanice care rezultă. De la trecerea temperaturii Ms şi rata critică de răcire la dictarea duritate, ductilitate, şi păstrat austenite, rolul carbonului este fundamental pentru tratatoare de căldură şi ingineri de proiectare. Prin înţelegerea interplacării între carbon, aliajarea elementelor, şi de stingere parametri, producătorii pot livra în mod constant oţeluri cu performanţă optimizată . Deşi obiectivul este de a descuia lama-ascuţire pentru o lamă, rezistenţă la oboseală pentru un echipament auto, sau de impact pentru un instrument de minerit. Controlul diligent al conţinutului de carbon, combinat cu practici adecvate de de desfacere şi temperare, rămâne cheia pentru a debloca întregul potenţial al oţelurilor martensitice.
Pentru a citi mai departe despre tehnicile moderne de tratament termic, a se vedea Biblioteca tehnică a revistei Industrial Heating și standardele relevante din ASTM International.