Table of Contents
导言:碳在钢铁硬化中的关键作用
钢仍然是最广泛使用的工程合金,其机械性质基本上由热处理控制。在各种热处理工艺中,冲洗-从奥斯汀阶段快速冷却-生产马滕斯泰尔,这是一种微结构,具有非凡的硬度和强度。钢的碳含量是指导马滕斯泰尔形成、其最终结构及其产生的特性的最有影响力的因素。本条对在炼钢中碳含量与马滕斯泰尔泰尔之间的关系进行了全面的技术性探索,涵盖了转化机制、机械行为和实际制造因素。
马尔滕斯泰斯的形成基础
Martensite是无扩散、剪切驱动的从面部立方体(FCC)的角质变换成体质四角体结构形成的可调和的相位. 快速的结晶(在100°C/s到1000°C/s之间,视碳含量而定)抑制碳原子的传播,将其困在铁丝网的间歇点中. 碳的超饱和使立方体的纹曲扭曲成四角形,C/a比随碳含量的线性增加. 变换发生在侧面上——半边点只取决于离马腾地起始温度(Ms)以下的温度,而不是在时间上。
玛腾斯的特征包括它的(nedle-like)形态,高离散密度,以及双胞胎或拉丝的细细亚结构. 形态本身取决于碳含量:低碳钢(低于0.4% C)往往与平行板块形成玛腾斯,而高碳钢(高于0.6% C)则产生具有特征zigzag图案的板块玛腾斯,这些差异直接与变异菌株和奥氏体适应剪变形的能力有关.
碳含量如何转化
碳作为间歇合金元素
碳原子占据着FCC austenite latice内的八面体间歇点。在平息过程中,碳的散射速度不足以形成水泥(Fe3C)或其他碳化物;相反,碳原子仍然被困住,造成严重的四边形扭曲。 四边形(c/a)的度从0C的约1.0度提高到1.2C的约1.08度。 这种扭曲是马腾岩极端硬度的原因。
碳含量与Ms温度之间的关系是关键和公认的:碳含量每增加0.1%,Ms就减少大约30-40°C。
Ms(°C) = 539–423(%C)–30.4(%Mn)–17.7(%Ni)–12.1(%Cr)–7.5(%Mo)+.
]
因此,0.8%C的平面碳钢的Ms温度在200°C左右,而0.2%C的钢的Ms温度在500°C附近。 martensite finish(Mf)温度一般低于Ms,尽管在高碳钢中Mf可能低于室温,从而导致保留了奥氏剂。
临界冷却率和耐力
碳含量对CCR有重大影响。 碳含量较高,将连续冷却转化图(CCT)的珍珠鼻孔转移到更长的时间,使得用更慢的quenches(如石油而不是水)实现完全的 Martenite(如石油)变得更容易。 然而,由于需要避免水泥降水,非常高的碳(高于0.8%)实际上可以增加CCR。 锰、铬、镍和钼等合金元素进一步转移CCT曲线,并经常被用来降低所需的冷却率。
| 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 |
注:合金添加可以大大改变这些范围。详情见ASM国际热处理资源。
马腾斯的碳含量和机械属性
硬度和强度
碳-碳化马腾酸盐硬度大致呈线性,碳含量可达0.8%C。一个古典式的方程式是:
和谐(HRC) + 60 + (碳含量最高为0.8%)
因此,在0.2%C硬度为47HRC;在0.8%C硬度为67HRC。 在0.8%C之外,硬度高原因为碳含量增加而仍在溶解之中,但四边形的增加导致微裂和保留了奥氏体。 耐久性强度同样从0.2%C马腾岩的约1,000兆帕上升到2,500多兆帕。
轻率和坚韧
马尔滕斯泰特由于超饱和的纹饰、高内压以及双胞胎区域(特别是在高碳钢中 ) , 其内在的脆性是天然的。 低碳螺旋岩的裂缝从~10—15%下降到高碳板岩的不到1%。 撞击强度也暴跌,使得未温和的高碳岩浆几乎无法使用。 这一权衡迫使人们采取温和步骤,以牺牲硬度为代价恢复某些电磁性。
保留奥斯汀式
高碳含量稳定了欧氏至低温,这意味着Mf温度可以下降到环境以下。因此,在平整后,有一小部分欧氏至高温的欧氏至高温仍无法变形。例如,1.0%C钢可保留10-30%欧氏至高温的欧氏至高温。这一较软的相可以降低整体硬度并造成维不稳定。随后的次零处理(致冷处理)或多个温化循环被用来将保留的欧氏至高温转换为马腾斯。然而,少量的欧氏至高温(5-10%)可以提高某些应用的强度,例如工具钢。从科学迪雷特工程材料概览中可以找到更多的数据。
实际处理影响
选择中导
- 低碳钢(0.02-03 % C): 需要快速冷却(如冰水或水)才能到达CCR;即使如此,完全的马腾基也只能用薄的区段实现。这些常用于加碳化,以增加表面碳。
- 中碳钢(0.3-0.6% C): 水结是常见的,但油可用于硬性增强的合金. 温和对于实现轴和齿轮等结构部件的平衡性能至关重要.
- 高碳钢(0.6-1.2% C): 石油结壳是典型的,以避免热冲击的裂缝. Martempering(自动变体)有助于减少扭曲. 用于切割工具,死,轴承,和弹簧.
急迫的反应
温和的马滕斯因过渡碳化物(碳中碳的碳化物,碳中的水泥化物)的降水、脱落的恢复和剩余压力的减少而产生降水。温和过程中的硬度下降对碳钢更为陡峭,因为碳化物的超饱和度较高,因此可以形成碳化物。然而,在碳化物中含有碳化物强的前身的合金钢如Cr、Mo、V(如H13工具钢)的,在500-600°C范围内温和时,其二次硬度会降低。 高碳工具钢通常需要多种温才能转化出保留铀化物和稳定维度。
合金元素及其与碳的交互作用
添加合金元素可以以以下几种方式改变马腾斯变换:
- 尼克尔和曼格纳内斯:[ 降低Ms温度,增加保留奥氏剂的倾向.
- 铬和钼:[]增强硬性,允许高碳钢用油清气,在调温时还促进碳化物的形成.
- ⁇ 和 ⁇ :[] 形成细细的碳化物,以钉住谷物界限,并精炼马腾斯特包大小.
- 硅:[] 减温时软化,对弹簧钢有利.
关于合金效应的深入讨论,参见关于硬性化的马泰里亚总计文章.
选择应用的右碳含量
工程师根据服务要求调整碳含量:
- 低碳(0.05-0.25% C) — 硬化的钢: 核心仍然坚固;表面被化为0.8-1.0 % C,并被冲洗以产生一个硬的,耐磨的病例. 例如:软化齿轮,凸轮,印章.
- 中性碳(0.3-0.5 % C) — ⁇ 和温钢:[] 提供强度,坚韧度,以及轴,连接棒,螺栓,和机零部件的疲劳阻力.
- 高碳(0.6-1.2%) – 耐穿钢和工具钢: 平和后提供最大硬度,尽管有谨慎的应力缓解。 用于死亡、刀具、剃刀、冷造型工具和弹簧电线。
- 紫高碳(1.2-2.0 % C) – 特殊用途:[ 由于极端脆性而很少使用;可以通过粉末冶金或高装部件的专门热处理处理处理.
结论
钢的碳含量是控制马腾场形成、晶体结构以及随后的机械特性的主要变量。 从Ms温度和临界冷却率转向硬度、电阻和保留奥氏度,碳的作用是热处理器和设计工程师的基础。 通过理解碳、合金元素和压抑参数之间的相互作用,制造商可以始终如一地以优化性能交付钢材 — — 无论目标是否是刀片的剃刀-磨削硬度、汽车齿轮的疲劳耐力、还是采矿工具的撞击强度。 碳含量的严格控制,加上适当的压抑和温控做法,仍然是释放马腾钢全部潜力的关键。
关于现代热处理技术的进一步解读,见工业热处理杂志的技术库[ 和相关标准,来自ASTM International[。