Связь между содержанием углерода и образованием мартенсита в закаленных сталях

Введение: Критическая роль углерода в закаливании стали

Сталь остается наиболее широко используемым инженерным сплавом, и ее механические свойства в основном контролируются термической обработкой. Среди различных процессов термообработки, гашение - быстрое охлаждение от аустенитной фазы - производит мартенсит, микроструктуру, которая придает исключительную твердость и прочность. Содержание углерода в стали является единственным наиболее влиятельным фактором, регулирующим образование мартенсита, его конечную структуру и полученные свойства. Эта статья обеспечивает всестороннее техническое исследование взаимосвязи между содержанием углерода и мартенсита в закаленных сталях, охватывая механизмы трансформации, механическое поведение и практические производственные соображения.

Мартенсит Формирование Основы

Мартенсит представляет собой метастабильную фазу, образованную диффузионным, сдвиговым преобразованием из лицевого кубического (FCC) аустенита в телоцентрированную тетрагональную (BCT) структуру. Быстрое закалывание (скорость охлаждения порядка 100°C/s до 1000°C/s в зависимости от содержания углерода) подавляет диффузию атомов углерода, захватывая их в промежуточные участки железной решетки. Эта перенасыщенность углерода искажает кубическую решетки в тетрагональную, причем отношение c/a увеличивается линейно с содержанием углерода. Трансформация происходит атермально — фракция мартенсита зависит только от температуры ниже температуры начала мартенсита (Ms), а не от времени.

Ключевые характеристики мартенсита включают его ацикулярную (игольчатую) морфологию, высокую плотность дислокации и тонкую подструктуру близнецов или лятов. Сама морфология зависит от содержания углерода: низкоуглеродистые стали (ниже 0,4% С) имеют тенденцию образовывать лат-мартенсит с параллельными пластинами, в то время как высокоуглеродистые стали (выше 0,6% С) производят пластинчатый мартенсит с характерным зигзагообразным рисунком. Эти различия напрямую связаны с штаммом трансформации и способностью аустенита приспосабливаться к деформации сдвига.

Как углеродный контент влияет на трансформацию мартенсита

Углерод как промежуточный легирующий элемент

Атомы углерода занимают октаэдрические интерстициальные участки в решетке аустенита FCC. Во время закалки углерод не может диффундировать достаточно быстро, чтобы сформировать цементит (Fe3C) или другие карбиды; вместо этого он остается в ловушке, накладывая сильное тетрагональное искажение. Степень тетрагональности (соотношение c/a) увеличивается примерно с 1,0 при 0%C до примерно 1,08 при 1,2%C. Это искажение отвечает за чрезвычайную твердость мартенсита.

Взаимосвязь между содержанием углерода и температурой Ms является критической и хорошо установленной: каждое увеличение углерода на 0,1% уменьшает Ms примерно на 30-40°C. Эмпирические формулы, такие как уравнение Эндрюса, дают:

Ms (°C) = 539 - 423 (%C) - 30,4 (%Mn) - 17,7 (%Ni) - 12,1 (%Cr) - 7,5 (%Mo) + ...
]

Таким образом, простая углеродистая сталь с 0,8%C имеет Ms около 200°C, в то время как сталь 0,2%C имеет Ms около 500 °C. Температура мартенситового покрытия (Mf) обычно составляет 200-250°C ниже Ms, хотя в высокоуглеродистых сталях Mf может опускаться ниже комнатной температуры, что приводит к удержанному аустениту.

Критическая скорость охлаждения и закаливаемость

Для образования мартенсита скорость охлаждения должна превышать критическую скорость охлаждения (CCR) - минимальную скорость, которая избегает диффузионных превращений в перлит или бейнит. Содержание углерода сильно влияет на CCR. Более высокий углерод сдвигает перлитный нос диаграммы непрерывного преобразования охлаждения (CCT) в более длительное время, что облегчает достижение полного мартенсита с более медленными закалками (например, масло вместо воды). Однако очень высокий углерод (выше 0,8%) может фактически увеличить CCR из-за необходимости избегать осадков цементита. Легирующие элементы, такие как марганец, хром, никель и молибден, далее смещают кривые CCT и часто используются для снижения требуемой скорости охлаждения.

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

Примечание: Добавления сплавов могут существенно изменить эти диапазоны. Для получения более подробной информации см. Ресурсы термообработки ASM International .

Содержание углерода и механические свойства мартенсита

Твердость и сила

Твердость мартенсита, утолщенного углеродом, примерно линейна с содержанием углерода до 0,8% C. Классическое уравнение:

Тяжесть (HRC) ≈ 60√(%C) + 20 (для содержания углерода до 0,8%)

Таким образом, при 0,2%С твердость составляет около 47 HRC; при 0,8%С она достигает около 67 HRC. За 0,8%С твердость плато, потому что дополнительный углерод остается в растворе, но увеличение тетрагональности приводит к микротрещине и удержанию аустенита. Прочность на растяжение также повышается от около 1000 МПа для 0,2%С мартенсита до более 2500 МПа для высокоуглеродного мартенсита.

Плотность и жесткость

Мартенсит по своей природе хрупок из-за его перенасыщенной решетки, высоких внутренних напряжений и наличия двойных областей (особенно в высокоуглеродистых сталях). Удлинение до разрыва падает с ~ 10-15% в низкоуглеродном мартенсите до менее 1% в высокоуглеродном мартенсите пластин. Устойчивость к удару также падает, делая невозмутимый высокоуглеродный мартенсит почти непригодным. Этот компромисс заставляет закаливание шага, чтобы восстановить некоторую пластичность за счет твердости.

Сохраненный аустенит

Высокое содержание углерода стабилизирует аустенит до более низких температур, что означает, что температура Mf может опускаться ниже окружающей среды. В результате, часть аустенита остается нетрансформированной после закалки. Например, сталь 1,0%C может удерживать 10-30% аустенита. Эта более мягкая фаза может снизить общую твердость и вызвать нестабильность размеров. Последующие суб-нулевые обработки (криогенная обработка) или несколько циклов закалки используются для преобразования сохраненного аустенита в мартенсит. Однако небольшое количество сохраненного аустенита (5-10%) может улучшить прочность в некоторых приложениях, таких как инструментальные стали. подробнее об этом можно узнать из обзора инженерных материалов ScienceDirect.

Практические последствия обработки

Выбор Quenching Medium

Низкоуглеродистые стали (0,02-0,3% C): Требуют быстрого охлаждения (например, ледяной рассол или вода) для достижения CCR; даже тогда полный мартенсит может быть достигнут только в тонких секциях.
Среднеуглеродистые стали (0,3-0,6% С): Закалка воды распространена, но масло может использоваться для сплавов с улучшенной закалкой. Закалка имеет важное значение для достижения сбалансированных свойств для структурных компонентов, таких как валы и шестерни.
Высокоуглеродистые стали (0,6-1,2% C): Закалка масла типична для предотвращения растрескивания от теплового удара. Сглаживание (варианты аустемперирования) помогают уменьшить искажения. Используется для режущих инструментов, штампов, подшипников и пружин.

Умеренный ответ

Умерение мартенсита вызывает осаждение переходных карбидов (ε-карбид в нижнем углероде, цементит в более высоком углероде), восстановление дислокаций и снижение остаточных напряжений. По мере утолщения падение твердости при закалке более круче для более высоких углеродистых сталей, поскольку для образования карбидов доступно более перенасыщенное углеродное упрочнение. Однако вторичное затвердевание происходит в легированных сталях, содержащих сильные карбидные бывшие, такие как Cr, Mo, V (например, инструментальная сталь H13) при закалке в диапазоне 500-600°C. Высокоуглеродистые инструментальные стали часто требуют нескольких темперов для преобразования удерживаемого аустенита и стабилизации размеров.

Легирующие элементы и их взаимодействие с углеродом

Добавление легирующих элементов изменяет мартенситное преобразование несколькими способами:

Никель и марганец: Более низкая температура Ms, увеличивающая тенденцию к удержанию аустенита.
Хром и молибден: Повышают закаливаемость, позволяя закалывать маслом высокоуглеродистые стали. Они также способствуют образованию карбида при закалке.
Ванадий и титан: Образуйте мелкие карбиды, которые зажимают границы зерна и утончают размер пакетов мартенсита.
Силикон: Замедляет смягчение при закалке, полезно для пружинных сталей.

Для углубленного обсуждения эффектов сплава обратитесь к статье Total Materia о закаливаемости .

Выбор правильного углеродного контента для приложений

Инженеры адаптируют содержание углерода в соответствии с требованиями к обслуживанию:

Низкий уровень углерода (0,05-0,25% C) - Закалка корпуса стали: Ядро остается жестким; поверхность наносится до 0,8-1,0% C и закаляется для получения твердого, износостойкого корпуса. Примеры: закаленные передачи, распределительные валы, штамповки.
Средний углерод (0,3-0,5% C) — закаленные и закаленные стали: Предлагают прочность, прочность и усталостное сопротивление для осей, соединительных стержней, болтов и деталей машины.
Высокий углерод (0,6-1,2% C) — Износостойкие и инструментальные стали: Обеспечивает максимальную твердость после закалки и закалки, хотя и с тщательным снятием напряжения. Используется для штампов, ножей, бритв, холодообразующих инструментов и пружинных проводов.
Ультра-высокий углерод (1.2-2,0% C) — Специальные применения: Редко используется из-за крайней хрупкости; может быть обработан с помощью порошковой металлургии или специализированных термических обработок для компонентов высокой износостойкости.

Заключение

Содержание углерода в стали является основной переменной, контролирующей образование мартенсита, его кристаллическую структуру и последующие механические свойства. От смещения температуры Ms и критической скорости охлаждения до диктовки жесткости, пластичности и сохраненного аустенита, роль углерода является основополагающей для термообработчиков и инженеров-проектировщиков. Понимая взаимодействие между углеродом, легирующими элементами и параметрами гашения, производители могут последовательно поставлять стали с оптимизированной производительностью - будь то острая твердость для лезвия, утомляющая стойкость для автомобильной шестерни или ударная вязкость для горнодобывающего инструмента. Прилежный контроль содержания углерода в сочетании с соответствующими методами гашения и закалки остается ключом к раскрытию полного потенциала мартенситных сталей.

Для дальнейшего чтения о современных методах термообработки см. техническую библиотеку журнала промышленного отопления и соответствующие стандарты ASTM International.