Зв’язок між вуглецевим змістом та мартенситом у гнутих сталей

Вступ: Критична роль вуглецю в сталі загартуванні

Сталеві залишається найбільш широко використовуваним інженерним сплавом, а його механічними властивостями є фундаментально керовані тепловою обробкою. Серед різних процесів термообробки, гасіння — рапірне охолодження з аустенітної фази — продукс мартензиту, мікроструктура, яка перешкоджає винятковій твердості і міцності. Вміст вуглецевої сталі є єдиним найбільш впливовим фактором, що регулює мартензитне утворення, його кінцевою структурою і отриманими властивостями. Дана стаття забезпечує всебічне, технічне розвідання взаємозв’язків між вуглецевим змістом і мартензитом у броньованих сталей, покриття механізмів трансформації, механічної поведінки та практичних виробничих мірювань.

Основи формування мартензиту

Мартенсит - це метастазована фаза, утворена дифузією, зсувно-привідна трансформація з очистки кубічної (FCC) аустеніту до структури кузова-центрованого (BCT). Швидкий гасіння (покриття ставок на порядок 100°C/s до 1000°C/s в залежності від вмісту вуглецю) пригнічує дифузію вуглецевих атомів, що посилює їх в міжстимальних місцях залізної решітки. Це наднатурація вуглецю спотворює кубічну решітку в початок тетрагону, з коефіцієнтом C / в порівнянні з вуглецевим перетворенням, що відбувається марметерм.

Ключові характеристики мартензиту включають в себе її акуличну (недлеподібну) морфологію, високу щільність дисклокації, а також тонку підструктуру близків або лат. Сама морфологія залежить від вмісту вуглецю: низьковуглецевих сталей (ниж 0,4% С) як правило, утворюють латунь мартензит з паралельними пластинами, при цьому високовуглецевих сталей (вище 0,6% С) виробляють пластину мартенсит з характерним зигзагм візерунком. Ці відмінності безпосередньо відносяться до трансформаційного штама і здатності аустеніту для розміщення зсувної деформації.

Як перетворює вуглецевий контент Мартенитиз

Вуглецевий як міжштитний елемент сплаву

Вуглеві атоми займають октамедальні міжштучні сайти в рамках FCC аустенітної решітки. Під час гасіння вуглецевий не може швидко дифузувати достатньо, щоб сформувати цементит (Fe3C) або інші карбіди; замість цього він залишається забитим, що перешкоджає сильному тетрагональному спотворенню. Ступінь тетрагональності (C / співвідношення) збільшує від близько 1,0 при 0%C до приблизно 1.08 при 1.2%C. Цей спотворення відповідає за екстремальну твердість мартензиту.

Взаємозв’язок між вуглецевим змістом та температурою Мс є критичним і добре встановленим: кожен 0,1% збільшення вуглецевого вугілля знижує Мс приблизно 30-40°C. Емпіричні формули, такі як рівняння Андрія, дають:

Ms (°C) = 539 – 423(%C) – 30.4(%Mn) – 17.7(%Ni) – 12.1(%Cr) – 7.5(%Mo) + ...

Таким чином, рівнинна вуглецева сталь з 0,8%C має Ms близько 200 ° C, а сталь 0,2% C має Ms близько 500 ° C. Мартензитний обробка (Mf) температура, як правило, 200-250 ° C нижче Ms, хоча в високовуглецевих стальх Mf може знизитися температура приміщення, що веде до збереження аустеніту.

Критичний коефіцієнт охолодження і загартованості

Для формування мартензиту швидкість охолодження повинна перевищувати критичну швидкість охолодження (CCR)— Мінімальна швидкість, яка дозволяє уникнути дифузійних перетворень на перлит або бініт. Вміст вуглецю сильно впливає на CCR. Вищий вуглецевий зрушає перлитний ніс безперервної трансформації охолодження (CCT) до більш тривалого часу, що полегшує досягнення повного мартензиту з повільними кварками (наприклад, масло замість води). Однак дуже високий вуглецевий (вище 0,8%) може фактично збільшити CCR через необхідність уникнути цементу. Сплавні елементи, такі як марганець, хром, нікель, і молібден, часто використовуються подальші, що кривих охолоджують охолоджування, часто, і часто, повинні бути кривих кривих кривих кривих кривих КТ, і часто, щоб кривих кривих кривих кривих кривих .

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

Примітка: Нанесення сплаву можуть істотно змінювати ці діапазони. Для подальших деталей див. ] ASM Міжнародні теплові ресурси.

Вміст вуглецевих і механічних властивостей мартензиту

Твердість і міцність

Важкость мартензиту в якості карбону грубо лінійно з вмістом вуглецю до близько 0,8% С. Класичне рівняння:

Hardness (HRC) ≈ 60√(%C) + 20 (для вмісту вуглецю до 0,8%)
]

Таким чином, при 0.2%C твердість становить близько 47 HRC; при 0,8%C вона досягає близько 67 HRC. За 0.8%C, твердість плато, тому що додаткове вуглецеве залишається в розчині, але збільшення тетрагональності призводить до мікрокреації і зберігають аустеніт. Міцність розриву аналогічно підвищується від 1,000 МПа на 0,2%C мартензиту до більш 2,500 МПа для високовуглецевого мартензиту.

Обов'язки і тісто

Мартенсит властиво ламки через його наднасичену решітку, високі внутрішні напруження, а також наявність сліпих регіонів (особливо в високовуглецевих сталей). Подовження перелому крапель від ~10-15% в низьковуглецевому антовому мартенситі менше 1% у високовуглецевих пластинах мартензиту. Важкий удар також сливи, що робить нездатний високовуглецевий мартензит практично непристойний. Ця торгово-офія змушує загартувати крок, щоб відновити деяку протоку за рахунок твердості.

Затриманий аустеніт

Висока вуглецева вміст стабілізується аустенітом до низьких температур, що означає температуру Мф може знизитися нижче навколишнього середовища. В результаті дроб аустеніту залишається неперетворним після гасіння. Наприклад, сталь 1.0%C може зберігати 10-30% аустеніт. Ця змішувача фаза може зменшити загальну твердість і викликати мірну нестабільність. Послідовні субцерогенні обробки (крогенна обробка) або кілька циклів загартування використовуються для перетворення збережених аустенітів на мартеніт. Однак невелика кількість збережених аустенітів (5-10%) може поліпшити жорсткість в деяких додатках, таких як сталеві інструмент [:0F [Science[Science]

Практичні наслідки обробки

Вибір середовища квенвершіння

Low-carbon Steels (0.02-0.3% C): Запитайте швидке охолодження (наприклад, льодовий брой або вода) для досягнення CCR; навіть після цього, повний мартензит може бути досягнутий тільки в тонких секціях. Часто ці використовуються для карбюрування для збільшення поверхні вуглецю.
Medium-carbon Steels (0.3-0.6% C):] Водний гасіння є загальним, але масло може бути використаний для сплавів з поліпшеною твердістю. Загартування є важливим для досягнення збалансованих властивостей конструкційних компонентів, таких як вали і редуктори.
Висококарбонові сталі (0.6-1.2% C):] Олія гасіння типово для уникнення тріщин від теплового удару. Мартемпування (аустемпперування варіантів) допоможе зменшити спотворення. Використовуються для різальних інструментів, штампів, підшипників та пружин.

Відповідність темпераменту

Загартування мартензиту викликає опади переходних карбідів (ε-карбід в нижній вуглецевій, цементіту в більшій вуглеці), відновлення дислокації, а також зменшення залишкових стресів. Випадок аскетованої жорсткості при загартування є більш крутим для більш високих вуглецевих сталей, оскільки більш наднасичена вуглецева доступна для формування карбідів. Однак вторинне загартування відбувається в сплавних сталей, що містить сильні карбіди, коли Cr, Mo, V (наприклад, H13 сталеві інструмента) при загартування в діапазоні 500-600°C. Високовуглецеві інструментальні часто вимагають багаторазових затримувачів, щоб зберегти перетворені розміри і стабілізатора.

Сплавові елементи та їх перетворення з вуглецевим

Додавання сплаву елементів модифікує перетворення мартензиту в декількох напрямках:

Нікель і марганець: Температура Нидер Мс, збільшення схильності до збереження аустеніту.
Хром і Молібден: Підвищення твердості, що дозволяє переробляти масло для висококарбонових сталей. Вони також сприяють утворенню карбіду при загартуванні.
Ванадію та титан: Форма дрібних карбідів, які контактні межі зерна та refine, розмір посилки.
Силікон:] Ретард розм'якшення при загартування, вигідно для весняних сталей.

Для поглибленого обговорення впливу сплаву, див. статтю

Вибір правого вуглецевого вмісту для додатків

Інженери подрібнюють вміст вуглецю до вимог служби підтримки:

Low Carbon (0.05-0.25% C) – Корпус-тверджуючі сталі: Core залишається міцним; поверхня карбюрована до 0.8-1.0%C і кварцована для виробництва твердого, зносостійкого корпусу. Приклади: карбовані редуктори, кам'яні вали, штампування.
Medium Carbon (0.3-0.5% C) – Ковані та загартовані сталі: Пропозиція міцності, міцність та втомна стійкість до осі, з'єднувальні штанги, болти та деталі машин.
Високий вуглецевий (0.6-1.2% C) – Суростійкий і інструментальний сталей: Забезпечити максимальну твердість після загартування і загартування, приплив з обережним рельєфом напруги. Використовуються для штампів, ножів, бритарів, холодно-формувальних інструментів, пружинних проводів.
Ультра-високий вуглецевий (1.2-2.0% C) – Спеціальні застосування: Рарелі використовується через екстремальну ламкість; може бути оброблений порошковою металургією або спеціалізованими тепловими процедурами для високо-білих компонентів.

Висновок

Вміст вуглецю сталі є основним змінним управління мартензитом, його кристал структура, і керуючись механічними властивостями. З зсуву температури М і критичного охолодження до диктування твердості, протоку і збереженого аустеніту, роль вуглецю є основою для теплоносіїв і інженерів дизайну. З розумінням між вуглецю, сплаву елементів, і гасіння параметрів, виробники можуть послідовно доставляти сталі з оптимізованою продуктивністю - чи є мета - бритава твердість для леза, розблокування потенціалу автомобільного редуктора, або удару міцності для гірничодобувного інструменту. Міцний контроль вуглецевого вмісту, поєднаний затискач залишається відповідним

Для подальшого читання на сучасних технологіях термообробки див. Технічна бібліотека журналу «Індустріальний» та відповідні стандарти ASTM International.