Η θερμική επεξεργασία του χάλυβα είναι ο πιο ισχυρός μηχανισμός που επηρεάζει τη δομή και τις ιδιότητές του. Βασίζεται σε τροποποιήσεις κρυσταλλικών δικτυωμάτων ανάλογα με το παιχνίδι των θερμοκρασιών. Ο φερρίτης, ο περλίτης, ο τσιμεντίτης και ο ωστενίτης μπορεί να υπάρχουν σε ένα κράμα σιδήρου-άνθρακα υπό διάφορες συνθήκες. Το τελευταίο παίζει σημαντικό ρόλο σε όλους τους θερμικούς μετασχηματισμούς στον χάλυβα.
Ορισμός
Ο χάλυβας είναι ένα κράμα σιδήρου και άνθρακα, στο οποίο η περιεκτικότητα σε άνθρακα είναι έως και 2,14% θεωρητικά, αλλά τεχνολογικά εφαρμόσιμο το περιέχει σε ποσότητα όχι μεγαλύτερη από 1,3%. Αντίστοιχα, όλες οι δομές που σχηματίζονται σε αυτό υπό την επίδραση εξωτερικών επιδράσεων είναι επίσης ποικιλίες κραμάτων.
Η θεωρία παρουσιάζει την ύπαρξή τους σε 4 παραλλαγές: ένα στερεό διάλυμα διείσδυσης, ένα στερεό διάλυμα αποκλεισμού, ένα μηχανικό μείγμα κόκκων ή μια χημική ένωση.
Ο ωστενίτης είναι ένα στερεό διάλυμα διείσδυσης ατόμου άνθρακα στο προσωποκεντρικό κυβικό κρυσταλλικό πλέγμα σιδήρου, που αναφέρεται ως γ. Το άτομο άνθρακα εισάγεται στην κοιλότητα του γ-πλέγματος του σιδήρου. Οι διαστάσεις του ξεπερνούν τους αντίστοιχους πόρους μεταξύ των ατόμων Fe, γεγονός που εξηγεί το περιορισμένο πέρασμά τους από τα «τοιχώματα» της κύριας δομής. Διαμορφώνεται σε διαδικασίεςμετατροπές θερμοκρασίας φερρίτη και περλίτη με αυξανόμενη θερμότητα πάνω από 727˚С.
Διάγραμμα κραμάτων σιδήρου-άνθρακα
Ένα γράφημα που ονομάζεται διάγραμμα κατάστασης σιδήρου-τσιμεντίτου, κατασκευασμένο πειραματικά, είναι μια σαφής επίδειξη όλων των πιθανών επιλογών για μετασχηματισμούς σε χάλυβες και χυτοσίδηρο. Οι ειδικές τιμές θερμοκρασίας για μια ορισμένη ποσότητα άνθρακα στο κράμα σχηματίζουν κρίσιμα σημεία στα οποία συμβαίνουν σημαντικές δομικές αλλαγές κατά τη διάρκεια των διαδικασιών θέρμανσης ή ψύξης, σχηματίζουν επίσης κρίσιμες γραμμές.
Η γραμμή GSE, η οποία περιέχει τα σημεία Ac3 και Acm, αντιπροσωπεύει το επίπεδο διαλυτότητας άνθρακα καθώς αυξάνονται τα επίπεδα θερμότητας.
| Πίνακας διαλυτότητας άνθρακα στον ωστενίτη σε σχέση με τη θερμοκρασία | |||||
| Θερμοκρασία, ˚C | 900 | 850 | 727 | 900 | 1147 |
| Κατά προσέγγιση διαλυτότητα του C στον ωστενίτη, % | 0, 2 | 0, 5 | 0, 8 | 1, 3 | 2, 14 |
Χαρακτηριστικά της εκπαίδευσης
Ο ωστενίτης είναι μια δομή που σχηματίζεται όταν ο χάλυβας θερμαίνεται. Όταν φτάσει στην κρίσιμη θερμοκρασία, ο περλίτης και ο φερρίτης σχηματίζουν μια αναπόσπαστη ουσία.
Επιλογές θέρμανσης:
- Ομοιόμορφο, μέχρι να επιτευχθεί η απαιτούμενη τιμή, σύντομη έκθεση,ψύξη. Ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του κράματος, ο ωστενίτης μπορεί να σχηματιστεί πλήρως ή μερικώς.
- Αργή αύξηση της θερμοκρασίας, μακρά περίοδος διατήρησης του επιτυγμένου επιπέδου θερμότητας προκειμένου να ληφθεί καθαρός ωστενίτης.
Ιδιότητες του προκύπτοντος θερμαινόμενου υλικού, καθώς και αυτού που θα λάβει χώρα ως αποτέλεσμα της ψύξης. Πολλά εξαρτώνται από το επίπεδο θερμότητας που επιτυγχάνεται. Είναι σημαντικό να αποτρέψετε την υπερθέρμανση ή την υπερθέρμανση.
Μικροδομή και ιδιότητες
Κάθε μία από τις χαρακτηριστικές φάσεις των κραμάτων σιδήρου-άνθρακα έχει τη δική της δομή πλεγμάτων και κόκκων. Η δομή του ωστενίτη είναι ελασματοειδής, με σχήματα κοντά σε βελονοειδή και λεπιοειδή. Με πλήρη διάλυση του άνθρακα στο γ-σίδηρο, οι κόκκοι έχουν ανοιχτόχρωμο σχήμα χωρίς την παρουσία σκούρων εγκλεισμάτων τσιμενίτη.
Η σκληρότητα είναι 170-220 HB. Η θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι μια τάξη μεγέθους χαμηλότερη από αυτή του φερρίτη. Χωρίς μαγνητικές ιδιότητες.
Οι παραλλαγές ψύξης και η ταχύτητά της οδηγούν στο σχηματισμό διαφόρων τροποποιήσεων της «ψυχρής» κατάστασης: μαρτενσίτης, μπαινίτης, τρωστίτης, σορβίτης, περλίτης. Έχουν παρόμοια βελονοειδή δομή, αλλά διαφέρουν ως προς τη διασπορά σωματιδίων, το μέγεθος κόκκων και τα σωματίδια τσιμενίτη.
Επίδραση της ψύξης στον ωστενίτη
Η αποσύνθεση του ωστενίτη συμβαίνει στα ίδια κρίσιμα σημεία. Η αποτελεσματικότητά του εξαρτάται από τους ακόλουθους παράγοντες:
- Ρυθμός ψύξης. Επηρεάζει τη φύση των εγκλεισμάτων άνθρακα, το σχηματισμό κόκκων, το σχηματισμό του τελικούμικροδομή και τις ιδιότητές της. Εξαρτάται από το μέσο που χρησιμοποιείται ως ψυκτικό.
- Η παρουσία ενός ισοθερμικού συστατικού σε ένα από τα στάδια αποσύνθεσης - όταν χαμηλώνεται σε ένα ορισμένο επίπεδο θερμοκρασίας, διατηρείται σταθερή θερμότητα για ορισμένο χρονικό διάστημα, μετά το οποίο συνεχίζεται η ταχεία ψύξη ή συμβαίνει μαζί με συσκευή θέρμανσης (φούρνος).
Έτσι, διακρίνεται ένας συνεχής και ισόθερμος μετασχηματισμός του ωστενίτη.
Χαρακτηριστικά του χαρακτήρα των μεταμορφώσεων. Γράφημα
Γράφημα σε σχήμα C, το οποίο εμφανίζει τη φύση των αλλαγών στη μικροδομή του μετάλλου στο χρονικό διάστημα, ανάλογα με τον βαθμό μεταβολής της θερμοκρασίας - αυτό είναι το διάγραμμα μετασχηματισμού ωστενίτη. Η πραγματική ψύξη είναι συνεχής. Μόνο ορισμένες φάσεις αναγκαστικής διατήρησης θερμότητας είναι δυνατές. Το γράφημα περιγράφει ισοθερμικές συνθήκες.
Ο χαρακτήρας μπορεί να είναι διάχυτος και μη διάχυτος.
Σε τυπικούς ρυθμούς μείωσης της θερμότητας, ο κόκκος ωστενίτη αλλάζει με διάχυση. Στη ζώνη της θερμοδυναμικής αστάθειας, τα άτομα αρχίζουν να κινούνται μεταξύ τους. Αυτά που δεν έχουν χρόνο να διεισδύσουν στο σιδερένιο πλέγμα σχηματίζουν εγκλείσματα τσιμενίτη. Ενώνονται με γειτονικά σωματίδια άνθρακα που απελευθερώνονται από τους κρυστάλλους τους. Ο τσιμεντίτης σχηματίζεται στα όρια των κόκκων σε αποσύνθεση. Οι καθαρισμένοι κρύσταλλοι φερρίτη σχηματίζουν τις αντίστοιχες πλάκες. Σχηματίζεται μια διάσπαρτη δομή - ένα μείγμα κόκκων, το μέγεθος και η συγκέντρωση των οποίων εξαρτώνται από την ταχύτητα ψύξης και το περιεχόμενοκράμα άνθρακα. Σχηματίζονται επίσης ο περλίτης και οι ενδιάμεσες φάσεις του: σορβίτης, τρωστίτης, μπαινίτης.
Σε σημαντικούς ρυθμούς μείωσης της θερμοκρασίας, η αποσύνθεση του ωστενίτη δεν έχει χαρακτήρα διάχυσης. Εμφανίζονται σύνθετες παραμορφώσεις κρυστάλλων, μέσα στις οποίες όλα τα άτομα μετατοπίζονται ταυτόχρονα σε ένα επίπεδο χωρίς να αλλάζουν τη θέση τους. Η έλλειψη διάχυσης συμβάλλει στη δημιουργία πυρήνων του μαρτενσίτη.
Επίδραση της σκλήρυνσης στα χαρακτηριστικά της αποσύνθεσης του ωστενίτη. Martensite
Η σκλήρυνση είναι ένας τύπος θερμικής επεξεργασίας, η ουσία της οποίας είναι η ταχεία θέρμανση σε υψηλές θερμοκρασίες πάνω από τα κρίσιμα σημεία Ac3 και Acm, ακολουθούμενη από γρήγορη ψύξη. Εάν η θερμοκρασία μειωθεί με τη βοήθεια νερού με ρυθμό μεγαλύτερο από 200˚С ανά δευτερόλεπτο, τότε σχηματίζεται μια στερεή βελονοειδής φάση, η οποία ονομάζεται μαρτενσίτης.
Είναι ένα υπερκορεσμένο στερεό διάλυμα διείσδυσης άνθρακα στο σίδηρο με κρυσταλλικό πλέγμα τύπου α. Λόγω των ισχυρών μετατοπίσεων των ατόμων, παραμορφώνεται και σχηματίζει ένα τετραγωνικό πλέγμα, το οποίο είναι η αιτία της σκλήρυνσης. Η διαμορφωμένη δομή έχει μεγαλύτερο όγκο. Ως αποτέλεσμα, οι κρύσταλλοι που οριοθετούνται από το επίπεδο συμπιέζονται, γεννιούνται πλάκες που μοιάζουν με βελόνες.
Ο μαρτενσίτης είναι ισχυρός και πολύ σκληρός (700-750 HB). Σχηματίζεται αποκλειστικά ως αποτέλεσμα σβέσης υψηλής ταχύτητας.
Σκληρότητα. Δομές διάχυσης
Ο ωστενίτης είναι ένας σχηματισμός από τον οποίο μπορούν να παραχθούν τεχνητά ο μπαϊνίτης, ο τρωστίτης, ο σορβίτης και ο περλίτης. Εάν η ψύξη της σκλήρυνσης συμβεί στοχαμηλότερες ταχύτητες, πραγματοποιούνται μετασχηματισμοί διάχυσης, ο μηχανισμός τους περιγράφεται παραπάνω.
Ο Τρωστίτης είναι περλίτης, ο οποίος χαρακτηρίζεται από υψηλό βαθμό διασποράς. Σχηματίζεται όταν η θερμότητα μειώνεται κατά 100˚С ανά δευτερόλεπτο. Ένας μεγάλος αριθμός μικρών κόκκων φερρίτη και τσιμενίτη κατανέμεται σε ολόκληρο το επίπεδο. Ο «σκληρυμένος» τσιμεντίτης χαρακτηρίζεται από μια ελασματοειδή μορφή και ο τρωστίτης που λαμβάνεται ως αποτέλεσμα της επακόλουθης σκλήρυνσης έχει μια κοκκώδη απεικόνιση. Σκληρότητα - 600-650 HB.
Ο Ο μπαϊνίτης είναι μια ενδιάμεση φάση, η οποία είναι ένα ακόμη πιο διασκορπισμένο μείγμα κρυστάλλων φερρίτη και τσιμεντίτης υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα. Όσον αφορά τις μηχανικές και τεχνολογικές ιδιότητες, είναι κατώτερο του μαρτενσίτη, αλλά υπερβαίνει τον τρωστίτη. Σχηματίζεται σε κλίμακες θερμοκρασίας όταν η διάχυση είναι αδύνατη και οι δυνάμεις συμπίεσης και κίνησης της κρυσταλλικής δομής για μετατροπή σε μαρτενσιτική δεν είναι αρκετές.
Η σορβιτόλη είναι μια χονδροειδής βελονοειδής ποικιλία φάσεων περλίτη όταν ψύχεται με ρυθμό 10˚С ανά δευτερόλεπτο. Οι μηχανικές ιδιότητες είναι ενδιάμεσες μεταξύ του περλίτη και του τρωστίτη.
Ο περλίτης είναι ένας συνδυασμός κόκκων φερρίτη και τσιμεντίτη, που μπορεί να είναι κοκκώδης ή ελασματοειδής. Σχηματίστηκε ως αποτέλεσμα της ομαλής αποσύνθεσης του ωστενίτη με ρυθμό ψύξης 1˚C ανά δευτερόλεπτο.
Ο μπεϊτίτης και ο τρωστίτης σχετίζονται περισσότερο με τις δομές σκλήρυνσης, ενώ ο σορβίτης και ο περλίτης μπορούν επίσης να σχηματιστούν κατά τη διάρκεια της σκλήρυνσης, της ανόπτησης και της κανονικοποίησης, τα χαρακτηριστικά των οποίων καθορίζουν το σχήμα των κόκκων και το μέγεθός τους.
Επίδραση της ανόπτησης σεχαρακτηριστικά αποσύνθεσης ωστενίτη
Πρακτικά όλοι οι τύποι ανόπτησης και κανονικοποίησης βασίζονται στον αμοιβαίο μετασχηματισμό του ωστενίτη. Η πλήρης και ημιτελής ανόπτηση εφαρμόζεται σε υποευυτεκτοειδείς χάλυβες. Τα μέρη θερμαίνονται στον κλίβανο πάνω από τα κρίσιμα σημεία Ac3 και Ac1 αντίστοιχα. Ο πρώτος τύπος χαρακτηρίζεται από την παρουσία μεγάλης περιόδου διατήρησης, η οποία εξασφαλίζει πλήρη μεταμόρφωση: φερρίτης-ωστενίτης και περλίτης-ωστενίτης. Ακολουθεί αργή ψύξη των τεμαχίων στον κλίβανο. Στην έξοδο, λαμβάνεται ένα λεπτώς διασκορπισμένο μείγμα φερρίτη και περλίτη, χωρίς εσωτερικές καταπονήσεις, πλαστικό και ανθεκτικό. Η ατελής ανόπτηση είναι λιγότερο ενεργοβόρα και αλλάζει μόνο τη δομή του περλίτη, αφήνοντας τον φερρίτη ουσιαστικά αμετάβλητο. Η κανονικοποίηση συνεπάγεται υψηλότερο ρυθμό μείωσης της θερμοκρασίας, αλλά και πιο τραχιά και λιγότερο πλαστική δομή στην έξοδο. Για κράματα χάλυβα με περιεκτικότητα σε άνθρακα από 0,8 έως 1,3%, κατά την ψύξη, ως μέρος της κανονικοποίησης, η αποσύνθεση γίνεται προς την κατεύθυνση: ωστενίτης-περλίτης και ωστενίτης-τσιμεντίτης.
Ένας άλλος τύπος θερμικής επεξεργασίας που βασίζεται σε δομικούς μετασχηματισμούς είναι η ομογενοποίηση. Ισχύει για μεγάλα εξαρτήματα. Συνεπάγεται την απόλυτη επίτευξη της ωστενιτικής χονδρόκοκκης κατάστασης σε θερμοκρασίες 1000-1200 ° C και έκθεση στον κλίβανο έως και 15 ώρες. Οι ισοθερμικές διεργασίες συνεχίζονται με αργή ψύξη, η οποία βοηθά στην εξομάλυνση των μεταλλικών κατασκευών.
Ισοθερμική ανόπτηση
Κάθε μία από τις αναφερόμενες μεθόδους επιρροής του μετάλλου για απλοποίηση της κατανόησηςθεωρείται ως ισόθερμος μετασχηματισμός του ωστενίτη. Ωστόσο, καθένα από αυτά μόνο σε ένα ορισμένο στάδιο έχει χαρακτηριστικά χαρακτηριστικά. Στην πραγματικότητα, οι αλλαγές συμβαίνουν με μια σταθερή μείωση της θερμότητας, η ταχύτητα της οποίας καθορίζει το αποτέλεσμα.
Μία από τις μεθόδους που πλησιάζουν περισσότερο στις ιδανικές συνθήκες είναι η ισοθερμική ανόπτηση. Η ουσία του συνίσταται επίσης στη θέρμανση και τη διατήρηση μέχρι την πλήρη αποσύνθεση όλων των δομών σε ωστενίτη. Η ψύξη εφαρμόζεται σε διάφορα στάδια, γεγονός που συμβάλλει σε μια πιο αργή, μεγαλύτερη και θερμικά σταθερότερη αποσύνθεση.
- Η ταχεία πτώση της θερμοκρασίας στους 100˚C κάτω από το σημείο Ac1.
- Αναγκαστική διατήρηση της επιτευχθείσας τιμής (με τοποθέτηση στον κλίβανο) για μεγάλο χρονικό διάστημα μέχρι να ολοκληρωθούν οι διαδικασίες σχηματισμού φάσεων φερρίτη-περλίτη.
- Ψύξη σε ακίνητο αέρα.
Η μέθοδος εφαρμόζεται επίσης σε κραματοποιημένους χάλυβες, οι οποίοι χαρακτηρίζονται από την παρουσία υπολειπόμενου ωστενίτη στην ψυχρή κατάσταση.
Κατακρατημένος ωστενίτης και ωστενιτικοί χάλυβες
Μερικές φορές είναι δυνατή η ατελής αποσύνθεση όταν υπάρχει κατακρατημένος ωστενίτης. Αυτό μπορεί να συμβεί στις ακόλουθες περιπτώσεις:
- Πολύ γρήγορη ψύξη όταν δεν συμβαίνει πλήρης αποσύνθεση. Είναι δομικό συστατικό του μπαινίτη ή του μαρτενσίτη.
- Χάλυβας με υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα ή χαμηλής περιεκτικότητας σε κράμα, για τον οποίο οι διαδικασίες ωστενιτικών διασκορπισμένων μετασχηματισμών είναι περίπλοκες. Απαιτεί ειδικές μεθόδους θερμικής επεξεργασίας όπως ομογενοποίηση ή ισοθερμική ανόπτηση.
Για υψηλά κράματα -δεν υπάρχουν διαδικασίες των περιγραφόμενων μετασχηματισμών. Το κράμα χάλυβα με νικέλιο, μαγγάνιο, χρώμιο συμβάλλει στο σχηματισμό του ωστενίτη ως κύρια ισχυρή δομή, η οποία δεν απαιτεί πρόσθετες επιρροές. Οι ωστενιτικοί χάλυβες χαρακτηρίζονται από υψηλή αντοχή, αντοχή στη διάβρωση και αντοχή στη θερμότητα, αντοχή στη θερμότητα και αντοχή σε δύσκολες επιθετικές συνθήκες εργασίας.
Ο ωστενίτης είναι μια κατασκευή χωρίς το σχηματισμό της οποίας δεν είναι δυνατή η θέρμανση σε υψηλή θερμοκρασία του χάλυβα και η οποία εμπλέκεται σε όλες σχεδόν τις μεθόδους θερμικής επεξεργασίας του για τη βελτίωση των μηχανικών και τεχνολογικών ιδιοτήτων.
