Фазы в железо-углеродных сплавах: подробный обзор

Механическое поведение и срок службы железо-углеродных сплавов (сталь и чугун) диктуются смесью кристаллических фаз, присутствующих в их микроструктуре. Сдвиги температуры - будь то во время обработки или в эксплуатации - непосредственно изменяют, какие фазы стабильны и как они трансформируются. Ниже мы рассмотрим ключевые фазы, которые появляются в системе Fe-C, связывая их кристаллические структуры со свойствами, на которые полагаются инженеры.

  • Феррит (α-Fe) — кубическая фаза, ориентированная на тело (BCC), которая является мягкой и пластичной. Феррит растворяет очень мало углерода (максимум ~ 0,022 мас.% при 727 °C) и является основной фазой в низкоуглеродистых сталях. Его структура BCC дает хорошую прочность, но меньшую прочность по сравнению с другими фазами.
  • Аустенит (γ-Fe) — Лицевая кубическая (FCC) фаза с гораздо более высокой растворимостью углерода (до 2,14 мас.% при 1148 °C).Аустенит стабилен выше 727 °C (для гипоэвтектоидных сталей) и обеспечивает горячее образование и термическую обработку из-за его пластичности и способности растворять углерод.
  • Цементит (Fe3C) — интерметаллическое соединение с орторгомбической кристаллической структурой. Он чрезвычайно твердый и хрупкий, содержит 6,67 мас.% углерода. Цементит появляется как отдельная фаза в перлите и как сеть в гиперэвтектоидных сталях, что способствует высокой прочности, но снижает пластичность.
  • Пирлит — ламеллярная эвтектоидная структура, состоящая из чередующихся слоев феррита и цементита. Образуется при медленном охлаждении аустенита эвтектоидной композиции (0,76 мас.% С) до 727°С. Межламеллярное расстояние контролирует механические свойства: более тонкое расстояние увеличивает прочность (эффект типа Холла-Петча).
  • Байнит — Ацикулярная (игла-подобная) микроструктура, образованная при промежуточных скоростях охлаждения, состоящая из ферритовых пластин и мелких частиц цементита.Байнит предлагает хорошее сочетание прочности и прочности.
  • Мартенсит — неравновесный, перенасыщенный твердый раствор углерода в решетке BCT (тетрагональной) с центром тела, образующийся при быстром охлаждении (закалке) аустенита.Мартенсит очень твердый и хрупкий; его твердость увеличивается с содержанием углерода.

Каждая из этих фаз имеет определенный диапазон стабильности по отношению к температуре и составу, как резюмировано на фазовой диаграмме железо-углерод.

Диаграмма железно-углеродной фазы: карта температуры и состава

Равновесная фазовая диаграмма для Fe-C (до 6,67 мас.% С) является основой для понимания температурных эффектов.

  • Эвтектоидная точка (0,76 мас.% С, 727°С): аустенит (γ) разлагается на смесь феррита (α) и цементита (Fe3C) — то есть перлит.
  • Эвтектическая точка (4,30 мас.% С, 1148°С): Жидкость превращается в смесь аустенита и цементита (ледебурита) в чугунах.
  • Перитектическая точка (0,17 масс.% С, 1493°С): Жидкость реагирует с δ-ферритом с образованием аустенита.

При охлаждении фазовые преобразования руководствуются этими границами равновесия, но на практике скорость охлаждения может вызывать отклонения (неравновесные преобразования), которые производят бейнит или мартенсит.

Температурные диапазоны для стабильности фазы

Выше 912 °C (для чистого железа; немного ниже для сталей)

При этих температурах аустенит является стабильной фазой для большинства содержаний углерода ниже 2,14 мас.%. Это диапазон для горячей обработки (ката, ковки) и гомогенизации. Решетка FCC аустенита позволяет осуществлять высокую диффузию углерода, необходимую для карбюрации и других поверхностных обработок.

Между 727°C и 912°C (гипоэвтектоидная область)

В низкоуглеродистых сталях стабильные фазы — феррит и аустенит в двухфазной области.По мере падения температуры феррит начинает формироваться на зерновых границах аустенита. Доля феррита увеличивается до эвтектоидной температуры.

Ниже 727°C

При температурах под эвтектоидом равновесная микроструктура для простых углеродистых сталей состоит из феррита и цементита (перлит в эвтектоидном составе).Однако, если охлаждение происходит быстро, аустенит может трансформироваться в неравновесные фазы, такие как бейнит (между ~ 550 ° C и Ms) или мартенсит (ниже температуры Ms).

Фазовые трансформации при нагревании и охлаждении

Отопление: аустенитизация и рост зерна

При нагревании стали выше температуры А3 (для гипоэвтектоида) или А1 (для эвтектоида) существующий феррит и цементит превращаются в аустенит. Этот процесс требует диффузии углерода и обычно происходит в диапазоне температур (20–40 °C выше критической линии). Правильная аустенитизация обеспечивает равномерное распределение углерода. Однако длительные высокие температуры вызывают огрубление зерна аустенита, что ослабляет конечный продукт (эффект Холла-Петча: большие зерна снижают прочность выхода).

Охлаждение: контроль микроструктуры

Путь охлаждения определяет конечную фазовую смесь. Три основных продукта преобразования на охлаждающем аустените:

  1. Пирлит — образуется при медленном охлаждении (охлаждении печи, нормализации) при температурах около 700°С. Процесс основан на диффузии: атомы углерода разделяются на слои цементита. Межламеллярный интервал обратно связан с недостаточным охлаждением; быстрое охлаждение дает более тонкий перлит и более высокую твердость (например, в запатентованной проволоке).
  2. Бейнит — образуется при промежуточной скорости охлаждения (например, при изотермическом закалке при 450—550°С).Байнит растет благодаря диффузионному механизму сдвига с последующим отторжением углерода.Нижний бейнит (образуется при более низких температурах) имеет тонкие карбиды и более высокую прочность.
  3. Мартенсит — образуется, когда скорость охлаждения превышает критическую скорость охлаждения, минуя нос C-кривой. Преобразование является атермальным и диффузионным; решетки аустенита сдвигаются, образуя тетрагональную структуру. Температура начала мартенсита (Ms) зависит от содержания углерода. Для высокоуглеродистых сталей Ms ниже комнатной температуры, что означает, что сохраненный аустенит может существовать.

Классическая диаграмма времени-температуры-преобразования (TTT) отображает эти режимы.Выбирая кривую охлаждения, металлурги могут нацеливаться на нужные микроструктуры.

Влияние легирующих элементов на температурную стабильность

Практические стали содержат марганец, хром, никель, молибден и т.д., которые меняют фазовые границы и кинетику трансформации.

  • Никель и марганец расширяют аустенитное поле (понижают температуру А3 и снижают содержание эвтектоида в углероде).
  • Хром, ванадий и молибден стабилизируют феррит и способствуют образованию карбидов сплава, повышая эвтектоидную температуру.
  • Легирующие элементы обычно замедляют диффузию, сдвигая кривые ТТТ в более длительное время и облегчая образование мартенсита (то есть они увеличивают упрочняемость).

Понимание этих сдвигов имеет решающее значение для выбора температур термообработки. Например, стандартная сталь 4340 (Ni-Cr-Mo) требует более высоких температур аустенизации (840-870 ° C), чем обычная 1045 (780-820 ° C).

Практическое применение термической обработки

отжигание

Отжиг включает нагревание до диапазона аустенита (или выше A1) и медленное охлаждение (охлаждение печи). Это смягчает сталь, снимает внутренние напряжения и производит грубую микроструктуру перлитов. Полное отжиг (выше A3) очищает структуру зерна; сфероидизирует отжиг (чуть ниже A1) образует шаровой цементит для максимальной обрабатываемости.

нормализовать

Нагрев до аустенита и охлаждение воздуха производят однородную, тонкую перлитовую микроструктуру. Нормализация улучшает однородность и механические свойства по сравнению с условиями проката или литья. Часто используется в качестве предварительной обработки для затвердевания.

Умереть и закаливаться

Усыхание (быстрое охлаждение в воде, масле или воздухе) из аустенита производит мартенсит. Полученная сталь очень твердая, но хрупкая и напряженная. Умерение включает в себя повторное нагревание до температуры ниже А1 (обычно 150-650 ° C), чтобы обеспечить осадки углерода в виде мелких карбидов, снижая твердость и увеличивая твердость. Температура закалки контролирует окончательный баланс прочности и пластичности.

Изотермическая термическая обработка

Аустемперинг (утолщение ванны при температуре образования байнитов) дает байнитные микроструктуры с отличной прочностью. Мартемперинг (утолщение чуть выше Ms, затем медленное охлаждение) уменьшает искажение и растрескивание по сравнению с прямым утолщением. Оба процесса используют температурно-зависимую кинетику трансформации.

Заключение

Изменения температуры непосредственно определяют стабильность фазы в железо-углеродных сплавах. Понимая фазовую диаграмму и кинетику трансформации, инженеры могут проектировать циклы термообработки, которые производят микроструктуры, адаптированные к конкретным требованиям прочности, твердости и вязкости. Независимо от того, достигается ли тонкий перлит для рельсовой стали, мартенсит для режущих инструментов или бейнит для шестерен, точный контроль скорости нагрева и охлаждения. Продолжение исследований в передовых высокопрочных сталях (AHSS) и специализированных процессах закалки продолжает раздвигать границы того, что достижимо с помощью сплавов Fe-C.

Для авторитетных ссылок, ASM Handbook Volume 4: Heat Treating и запись фазовой диаграммы железного углерода в Википедии предоставляют исчерпывающие детали. Кроме того, база данных MatWeb предлагает данные о механических свойствах для различных термообработанных сталей.