Фази в залізно-карбонових сплавах: докладний огляд

Механічна поведінка і термін служби залізовуглецевих сплавів (стебел і чавуни) визначаються сумішшю кристалічних фази, присутніх в їх мікроструктурі. Переміщення температури - чи під час обробки або в сервісі - по-непрямо змінюють, які фази стабільні і як вони трансформуються. Нижче ми вивчаємо ключові фази, які з'являються в системі Fe-C, зв'язуючи їх кристалічні структури інженерам властивостей, спираючись на.

  • Фертит (α-Fe)] – Фаза кузова-центрованого куба (BCC), яка є м'яким і відучим. Ферит розчиняє дуже невелике вуглецеве (max ~0.022 wt% при 727 ° C) і є основною фази в низьковуглецевих сталей. Його структура BCC дає хорошу міцність, але меншу міцність порівняно з іншими фазами.
  • Аустеніт (γ-Fe)] – Фаза з очисткою кубічної (FCC) з значно вищою вуглецевою розчинністю (до 2,14 Вт% при 1148 ° C). Аустеніт стабільний над 727 ° C (для гіпоеутектоїдних сталей) і дозволяє гарячого формування і теплообмінювання через його протоки і можливість розчинити вуглецевий.
  • Цементит (Fe3C) – Міжметалічний сполук з ортромбовою кристалічною структурою. Він надзвичайно жорсткий і крихкий, що містить 6.67 wt% вуглецю. Цементит з'являється як окрема фаза в перлиті і як мережа в гіпереектоїдних сталей, що сприяє високій міцності, але знизу протоки.
  • Pearlite] – Ламельлар еутоїдна структура складається з чергуючих шарів феритового і цементного. Вона утворює при аустеніті еутоїдного складу (0.76 wt% C) охолоджується повільно через 727 ° C. Міжламелларне розпакування регулює механічні властивості: дрібне обмотування підвищує міцність (Високо-рожевий ефект типу).
  • Bainite] – Мікроструктура акуличного (нееслогоподібного), що утворюється при проміжних охолоджувальних нормах, що складаються з феритових пластин і дрібних цементітів частинок. Bainite пропонує гарне поєднання міцності і міцності.
  • Martensite] – Нерівноважний, надсилений твердий розчин вуглецю в BCT (залізований тетрагональний) ґратіце, утворений швидким охолодженням (зчеплення) аустеніту. Мартенсит дуже твердий і ламкий; його твердість підвищується з вуглецевим вмістом.

Кожна з цих етапів має відмінну стійкість діапазону щодо температури та складу, що враховують на схему фази заліза.

Діаграма запобіжної коробки: температура-положення

Фасадна схема рівноваги для Fe-C (до 6.67 wt% C) є основою для розуміння температурних ефектів. Ключові замірні точки включають:

  • Еутоїдна точка [.76 wt% C, 727°C): Аустеніт (γ) розкладається в суміш ферит (α) і цементит (Fe3C) – тобто перлитом.
  • Евектична точка (4.30 wt% C, 1148°C): Рідина перетворює в суміш аустеніту і цементу (ledeburite) в чавунах.
  • Періектична точка (0.17 wt% C, 1493°C): Рідкі реагує з δ-феритом, щоб сформувати аустеніт.

На охолодження фази перетворюються ці межі рівноваги, але на практиці швидкість охолодження може викликати відхилення (нерівноважні перетворення), які виробляють баїн або мартензит.

Діапазони температури для стабільності фази

Над 912°C (для чистого заліза, злегка нижче для сталей)

При цих температурах аустеніт є стабільною фази для більшості вуглецевих вмістів нижче 2.14 Вт%. Це діапазон для гарячого роботи (прокат, кування) і гомогенізації процедур. Латице FCC аустеніт дозволяє високу вуглецеву дифузію, необхідний для карбуризації та інших поверхневих процедур.

Між 727°C і 912°C (гіпоеутоектоїдна область)

У низьковуглецевих сталей стабільні фази ферит і аустеніт в двофазному регіоні. Як перепади температур, ферит починає формуватися при зернових границях аустеніту. Пропорція фериту підвищує до температури еутоїду.

до 727°C

При температурі при еутоїді мікроструктурі рівноважного мікроструктури для рівнинних вуглецевих сталей складається з феритових і цементних (поліліт в екектоїдному складі). Однак якщо охолодження є швидким, аустеніт може перетворюватися в нерівноважні фази, такі як байнит (міжок ~550 ° C і Ms) або мартензит (нижче температура Мс).

Фаза Трансформації Під час опалення та охолодження

Опалення: Ауститизация та Зростання зерна

Коли сталь нагрівається над температурою A3 (для гіпоеутоектоїдної) або A1 (для еутоектоїдної), існуючий ферит і цементитний трансформ до аустеніту. Цей процес вимагає вуглецевого дифузії і зазвичай відбувається над діапазоном температур (20–40°C над критичною лінією). Правильна аустенітизація забезпечує рівномірний розподіл вуглецю. Однак тривалі високі температури викликають аустенітне згортання зерна, що ослаблює кінцевий продукт (Всі-Петчовий ефект: збільшення зерна зменшують міцність виходу).

Охолодження: Контроль мікроструктури

Шлях охолодження визначає кінцеву фазу суміш. Три основні засоби трансформації на охолодженні аустеніту:

  1. Pearlite] – Формується повільним охолодженням (охолоджування фурнаце, нормалізування) при температурі близько 700°C. Процес на основі дифузійної речовини: перегородка вуглецевих атомів в цементні шари. Міжламелясте обмотування є неперевершеним, пов'язаною з підолюючим; швидке охолодження дає більш тонкий перлит і більш високу твердість (наприклад, в запатентованій дроту).
  2. Bainite] – Утворено при проміжних охолоджувальних норм (наприклад, в ізотермальному тенденції при 450–550°C). Баїніт вирощує безрізно-шкарпетний механізм зсуву, що знизився відхиленням вуглецю. Нижній байнит (формований при низьких температурах) має дрібні карбіди і більш високу міцність.
  3. Martensite] – Утворено при охолодженні швидкості перевищує критичну швидкість охолодження, обходячи ніс C-випадання. Трансформація є атермальним і дифузійним; аустенітні решітки для формування тетрагональної структури. Температура мартензиту (Ms) залежить від вмісту вуглецю. Для високих вуглецевих сталей Ms нижче температури приміщення, значення, що зберігають аустеніт.

Класична схема Time-Temperature-Transformation (TTT) відображає ці режими. Вибираючи криву охолодження, металурги можуть зацікавити бажані мікроструктури.

Вплив сплаву елементів на стабільність температури

У деяких випадках, коли у вас є манганець, хром, нікель, молібден і т.д., які перенесли фазові межі і трансформацію кінетики. Наприклад:

  • Нікель і марганець розширюють поле аустеніту (нижня температура А3 і зменшують вміст еутоїдного вуглецю).
  • Хром, ванід, і молібденова стабілізаційна ферит і сприяє утворенню сплаву карбідів, підвищення еуектоїдної температури.
  • Сплавні елементи зазвичай сповільнюють дифузії, переклавши кривих ТТТ довший час і полегшуючи формування мартензиту (тобто підвищують жорсткість).

Розуміння цих змін є вирішальним для вибору температури теплового очищення. Наприклад, стандартна 4340 сталь (Ni-Cr-Mo) вимагає більшої аутентифікації температури (840–870°C) ніж рівнина 1045 (780–820°C).

Практичні теплові процедури застосування

Заява

Забезпечення передбачає нагрівання до аустеніту (або вище А1) і охолодження повільно (охолодження фурнаце). Це пом'якшує сталь, знімає внутрішні напруження, і виробляє грубу перлинову мікроструктуру. Повне заспокійливе (вище А3) переробляє зернову структуру; сфероїдування анналювання (на різному А1) утворює гламуровий цементит для максимальної механічної проникності.

Нормалізація

Нагрівання аустеніту і повітряного охолодження виробляє однорідну, дрібну перлинову мікроструктуру. Нормалізація покращує однорідність і механічні властивості, порівняно з прокрученими або лисими умовами. Часто використовується як передобробка для загартування.

Виброгасіння та загартування

Витончення (рапірне охолодження в воді, масло або повітря) від аустеніту виробляє мартензит. Отримана сталь дуже тверда, але крихка і підкреслена. Загартування передбачає перегрів до температури нижче A1 (типово 150–650°C) для забезпечення відтоків вуглецю як дрібних карбідів, зменшення твердості і підвищення жорсткості. Температура загартування регулює кінцевий баланс міцності і провітрюваності.

Ізотермальні теплові процедури

Аустемперування (зчерез до лазні при температурі формування баїніту) дає можливість отримати багіатичні мікроструктури з відмінною жорсткістю. Мартемперування (зчерез лише вище Мс, потім повільне охолодження) зменшує спотворення і тріщини порівняно з прямим гасінням. Обидва процеси використовують температурно-залежні трансформаційні кінетики.

Висновок

Температурні варіації безпосередньо регулюють фазу стабільності в залізо-карбонових сплавах. Розуміння фази діаграми і перетворення кінетики, інженери можуть розробляти цикли термообробки, які виробляють мікроструктури, що пристосовані до певної міцності, твердості та вимог до жорсткості. Чи досягають дрібної перлиніту для рейкової сталі, мартензиту для різальних інструментів або байніту для шестерень, точний контроль обігріву та охолодження є запорукою. Продовжені дослідження в передові високоміцні сталі (AHSS) і індивідуальні процеси гасіння продовжує просувати межі того, що є з Fe-C сплавами.

Для авторитетних посилань, ASM Handbook Volume 4: Теплообмінник та запис діаграми Iron-Carbon на Вікіпедії забезпечують вичерпні деталі. Крім того, бази даних MatWeb пропонує механічні дані для різних теплообробних сталей ]