Наука и производство

Микроструктура стали

Почему микроструктура стали имеет важное значение? Что необходимо об этом знать и для чего нам эти знания?

Микроструктура стали отвечает за макроповедение или, другими словами, за свойства материала стали. Любой чистый элемент мягкий и пластичный. Поэтому обручальные кольца никогда не делаются из чистого 24-каратного золота. Они обычно изготавливаются из 12-каратного золота, что составляет 50 процентов золота и 50 процентов «примесей».

Чистое железо чрезвычайно мягко и не используется в структурных заявлениях. Железо с содержанием углерода до 2 процентов известно как сталь, делает его наиболее широко используемым материалом в мире.

Визуализация

Микроскопически чистое железо можно представить как трехмерную решетку сложенных бильярдных шаров. Для большинства низкоуглеродистых сталей более 99% микроструктуры по-прежнему составляют железо. Остальные элементы объединяются, образуя, обычно, менее 1 процента от общего состава. Между элементами всегда будут присутствовать пробелы. Эти небольшие промежутки известны как междоузлия. Мельчайшие элементы, такие как углерод и азот, могут поместиться в эти промежутки. Более крупные атомы, такие как марганец, магний, кремний и фосфор, замещают железо в решетке.

Когда очень небольшая доля промежутков между решеткой железа занята атомами углерода, говорят, что эта сталь без внедрения (IF) имеет микроструктуру феррита . Феррит имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую структуру. Феррит – это микроструктурная фаза, которая является мягкой, пластичной и похожей на чистое железо.

Исследование микроструктуры стали

Влияние послесварочной термообработки на микроструктуру, твердость, ударную вязкость при низких температурах и морфологию разрушения зоны термического воздействия стали ASTM 4130 исследовали с помощью оптической микроскопии, испытания на твердость – сканирующей электронной микроскопии. Результаты показали, что уровни твердости снижаются, а уровни твердости крупнозернистой HAZ (CGHAZ) и мелкозернистой HAZ (FGHAZ) улучшаются при увеличении времени выдержки. После термообработки типичная микроструктура в зоне термического воздействия (HAZ) состоит из закаленного мартенсита, феррита и бейнита. Более высокая твердость и более низкая ударная вязкость в зоне термического воздействия в основном вызваны появлением бейнита и крупнозернистого отпущенного мартенсита.

Зазоры немного больше в фазе, известной как аустенит, которая имеет гранецентрированную кубическую (FCC) кристаллическую структуру. При температуре около 2100 градусов по Фаренгейту (1150 градусов по Цельсию) в аустенитную микроструктуру может поместиться до 2 процентов углерода.

Микроструктура стали имеет следующие физические свойства:

Сталь медленно охлаждается от температуры, углерод вытесняется из раствора, аустенит превращается в комбинацию феррита и другой фазы, называемой цементитом, также известным как карбид железа, который имеет химический состав Fe3C. Количество образующегося цементита зависит от количества углерода в стали. Феррит не может содержать более 60 частей углерода, остальная часть превращается в цементит.

В отличие от феррита, цементит имеет характеристики керамики: очень твердый и хрупкий, с низкой ударной вязкостью и небольшой устойчивостью к образованию и распространению трещин. Смесь феррита и цементита называется перлит.

При более быстром охлаждении происходит другая динамика. Выше критической скорости охлаждения (обычно быстрее, чем 86 градусов F в секунду, в зависимости от сплава). Избыток углерода аустенита FCC не успевает диффундировать из кристаллической структуры и образовывать цементит. Вместо этого углерод улавливается теперь уже почти чистым железом и вытесняется в промежуточные участки, которые недостаточно велики для размещения атомов углерода. Это искажает и деформирует кристаллическую матрицу в телоцентрированную тетрагональную структуру, образуя твердую фазу, называемую мартенситом .

При более высоких уровнях углерода больше углерода замораживается в структуре BCT, что еще более напрягает кристаллическую матрицу. Вот почему твердость мартенсита увеличивается с уровнем углерода. Объем структуры мартенсита BCT больше, чем у аустенита FCC, поэтому недавно преобразованный мартенсит сжимается окружающей матрицей.

Мартенсит нагревается, углерод имеет возможность диффундировать из структуры BCT, и уменьшает искажение кристаллической матрицы. Это приводит к снижению твердости и повышенной ударной вязкости. Эта термообработка дает микроструктуру феррита и карбида железа (Fe3C), называемую отпущенным мартенситом. Мартенситная матрица с высокой степенью деформации приводит к увеличению количества центров зародышеобразования Fe3C в отпущенном мартенсите, что приводит к дисперсному распределению Fe3C, чем в пластинчатой ​​(слоистой) структуре перлита. Объем феррита BCC меньше, чем у мартенсита BCT, так, при отпуске мартенсита некоторые остаточные напряжения сжатия мартенсита от перехода аустенит-мартенсит снимаются.

Остаточный аустенит

Остаточный аустенит – это термин, данный аустениту, который не превращается в мартенсит во время гашения. Количество остаточного аустенита является функцией нескольких факторов, в том числе содержания углерода и легирования, что способствовует сохранению аустенитной структуры.

Бейнит – это еще одна микроструктура стали, которая может образовываться при охлаждении аустенита. Обычно он состоит из комбинации феррита, цементита и остаточного аустенита. Скорость охлаждения для образования бейнита ниже скорости охлаждения, необходимой для образования мартенсита, углерод имеет некоторую возможность диффундировать из аустенита FCC, что позволяет формировать феррит BCC. Оставшийся аустенит обогащен углеродом, что приводит к осаждению цементита. Медленные скорости охлаждения, которые производят плоскослойную, хрупкую структуру перлита, не существуют; более высокие скорости охлаждения, необходимые для получения бейнита, дают более жестким компонентам микроструктуры достаточно энергии для превращения в более округлую форму.

Бейнитные микроструктуры стали имеют лучший баланс прочности и пластичности. Скорость охлаждения достаточно высока для увеличения прочности. Округлые твердые микроструктурные компоненты не так склонны к возникновению и распространению трещин,в отличие от плоских и удлиненных. Баланс между прочностью и вязкостью – вот почему все большее количество автомобильных колес и рычагов подвески изготавливаются из бейнитных сталей.

Микроструктура стали подвержена дефектам

Поверхностные микротрещины и внутренние дефекты могут быть введены в микроструктуру во время затвердевания. Прочность изменяется из-за образования дефектов и микротрещин в литейном производстве. Добавки в расплавленную сталь, химические элементы и сплавы, могут создавать собственные и экзогенные включения в микроструктуру. Наличие включений изменяет чистоту стали и влияет на свойства материала металлопродукции. Формирование включений в микроструктуре стали при затвердевании. Элементы присадок к стали в основном контролируют такие свойства материала, как прочность при растяжении, пластичность, вязкость, свариваемость, стойкость к напряжениям, трещинообразование, коррозионное поведение. Эти свойства для стали определяются каждым специальным применением литейной машины. Часть существенных и сопутствующих элементов химически реагируют друг с другом и образуют неметаллические включения, такие как сульфид марганца, окись алюминия или нитрит титана, которые могут быть желательны или нет, в зависимости от применения стали.

Тысячи различных сталей в современной сталелитейной промышленности могут быть в различных системах классификации. Основным фактором при классификации стали является ее углеродное содержание из-за влияния на конечную стоимость.

Вы можете обсудить эту статью на нашем форуме, достаточно нажать на кнопку ниже.

Метки
Обсудить статью на форуме

Related Articles

Back to top button
Close