Структуры сталей при различных температурах

Стали, как указывалось выше, являются сплавами железа с углеродом.

Структуры углеродистых сталей в зависимости от содержания в них углерода, а также структурные превращения, которые происходят в этих сталях при нагреве и медленном охлаждении, изучаются по диаграмме Fe—С.

На рисунке приведена часть
диаграммы Fe—С, характеризующая структуры сталей. Диаграмма дана в несколько упрощенном виде.

Прежде чем рассматривать структурные превращения в сталях, выясним, какие структуры в них встречаются при комнатных температурах и при нагреве.

Линии диаграммы определяют
температуры, при которых в сталях происходят какие-либо структурные, превращения.

Феррит

Феррит
— твердый раствор углерода в железе
а. При комнатной температуре в феррите может растворяться не более чем 0,006% углерода.

Если содержание углерода встали больше чем 0,006%, то, кроме феррита, в структуре стали имеются другие структурные составляющие.

Феррит обладает небольшой прочностью и твердостью, но высокой пластичностью. Он имеет хорошие магнитные свойства.

Цементит

Цементит
— химическое соединение железа с углеродом, отвечающее формуле Fe₃C. Содержание углерода в цементите составляет 6,67% и не изменяется во всем интервале температур, вплоть до температуры плавления.

Цементит является самой твердой структурной составляющей стали. Он имеет высокую прочность, но чрезвычайно
хрупок.

Перлит

Перлит
— механическая смесь феррита и цементита (после травления эта структура имеет перламутровый отлив).

Перлит бывает пластинчатым (цементит в виде пластинок) и зернистым (цементит в виде зернышек). Твердость перлита выше, чем у феррита, но меньше, чем у цементита.

Аустенит

Аустенит
(название дано в честь английского металловеда Аустена) — твердый раствор углерода в железе γ (модификация железа с гранецентрированной кристаллической решеткой). Максимальная растворимость углерода в железе γ составляет 2% при температуре 1130°.

Аустенит имеет невысокую твердость, обладает достаточно высокой прочностью наряду с хорошей пластичностью, большой стойкостью против коррозии, высоким электросопротивлением. Он немагнитен.

Диаграмма железоуглеродистых сплавов

Вернемся к вышеприведенной диаграмме, так линия
АС показывает, при каких температурах при охлаждении начнется процесс кристаллизации в стали. Линия АЕ показывает, при каких температурах кристаллизация закончится, т.е. сплав
затвердеет.

Из диаграммы видно, что чистое железо кристаллизуется при постоянной температуре (1539°).

Сталь с содержанием С=0,8% кристаллизуется не при постоянной температуре, а в некотором интервале температур. Точка 1 определяет температуру начала кристаллизации, точка2
— температуру конца кристаллизации стали с содержанием С = 0,8%.

Таким образом, при температурах ниже линии АЕ сталь будет находиться в твердом состоянии и структура стали будет аустенит. При этом весь углерод, который в стали имеется, будет растворен в аустените.

Структура аустенита сохранится в стали и при последующем охлаждении до температур, определяемых линиямиGS
иSE.

§

Тест с ответами по металловедению – пройти тест онлайн бесплатно

Авторам

8-800-333-85-44

Оформить заявку

Вход

• Справочник
• Онлайн-калькуляторы
• Тесты с ответами

Выполним любые типы работ

• Дипломные работы
• Курсовые работы
• Рефераты
• Контрольные работы
• Отчет по практике
• Эссе

Узнай бесплатно стоимость работы

Машиностроение и материалообработка

Машиностроение и материалообработка

Машиностроение и материалообработка

Машиностроение и материалообработка

• Контрольная работа

  от 1 дня
  /

  от 100 руб

• Курсовая работа

  от 5 дней
  /

  от 1800 руб

• Дипломная работа

  от 7 дней
  /

  от 7950 руб

• Реферат

  от 1 дня
  /

  от 700 руб

• Онлайн-помощь

  от 1 дня
  /

  от 300 руб

Оставляй заявку — и мы пройдем все тесты за тебя!

Кристаллические структуры термообработанной стали | L&L печь

28 июля 2021 г.




Красота и элегантность термообработанной стали не ограничиваются поверхностью металла; их также можно увидеть в сложных кристаллических структурах, которые придают металлу его отличительные характеристики.

В этой статье мы рассмотрим природу кристаллической структуры стали, а также свойства, которые обнаруживаются в различных видах стали после термической обработки.

Понимание кристаллических структур стали

В твердом состоянии металлы состоят из кристаллизованных решетчатых структур, которые обычно называют в более общем смысле «кристаллической структурой» металла.

Атомы, составляющие эту особую кристаллическую структуру, могут различаться, хотя нержавеющая сталь преимущественно состоит из атомов железа, а также некоторого количества углерода и небольшого количества других металлов в зависимости от типа.

Стальные кристаллические структуры впервые появляются при затвердевании. В своей жидкой форме железо вообще не является кристаллическим. Однако по мере того, как расплавленный металл начинает остывать, постепенно начинают формироваться кристаллы.

Поскольку металл подвергается нескольким температурным стадиям, образуются различные типы кристаллов. Таким образом, готовая сталь будет содержать следовые количества феррита, аустенита и цементита.

Что делает кристаллические структуры стали такими отличными друг от друга? Эти структуры будут различаться в зависимости от количества углерода, которое они могут поглотить.

Ферритная сталь

Ферритные кристаллические структуры содержат лишь небольшое количество углерода, примерно 0,025%. Это делает ферритную сталь чрезвычайно мягкой и пластичной, хотя отсутствие углерода также означает, что ферритная сталь имеет низкую коррозионную стойкость.

Кроме того, ферритная сталь имеет среднюю прочность, что означает, что ее не рекомендуется использовать в условиях высоких температур.

Свойства ферритной стали

Причина того, что ферритная сталь поглощает так мало углерода, заключается в ограничениях геометрии ее кристаллической структуры. Кристаллическая структура ферритной стали характеризуется расположением в форме куба, в котором атомы железа размещены в каждом углу и один в центре. Именно такое расположение также придает ферритной стали ее отличительные магнитные свойства.

Использование ферритной стали

Поскольку это не самая прочная форма стали, ферритная сталь не находит широкого применения. Однако в некоторых случаях ферритную сталь можно комбинировать с другими элементами (например, хромом) для повышения ее долговечности и коррозионной стойкости.

Ферритная сталь нередко используется в следующих областях:

• Автомобильные выхлопные системы
• Пищевое оборудование и приборы
• Теплообменники
• Бытовая техника

В более крупных приложениях используются другие формы стали для большей долговечности.

Аустенитная сталь

Аустенит — это форма железа, которая может поглощать больше углерода, чем феррит. Аустенит можно получить из феррита, подвергая его воздействию экстремальных температур (1000 °C и более), что позволит его объемно-центрированной кубической кристаллической структуре перейти в гранецентрированную структуру.

Свойства аустенита

Эти гранецентрированные кристаллические структуры стали позволяют аустениту поглощать до 2% углерода, что значительно больше, чем ферритная сталь.

К сожалению, при охлаждении аустенит снова принимает свою ферритную форму. Однако сталь можно заставить сохранить свою структуру путем добавления дополнительных металлов, таких как никель и марганец. Это обеспечивает сохранение аустенитом своей структуры и свойств даже при низких температурах.

Аустенитная сталь легче поддается сварке, чем другие виды стали. Это делает аустенит немного более универсальным и доступным, поскольку различные куски стали можно изготавливать отдельно, а затем сваривать вместе.

Использование аустенита

Из-за долговечности аустенита это одна из наиболее часто используемых форм нержавеющей стали.

Металл в ваших винтах из нержавеющей стали или другом оборудовании почти всегда представляет собой форму аустенита. Этот металл используется из-за его относительной прочности и высокой устойчивости к коррозии.

Устойчивость к коррозии также делает аустенит идеальным выбором для пищевой, фармацевтической и нефтехимической промышленности. Некоторые виды мебели также могут быть изготовлены из аустенитной стали. Эту сталь можно использовать даже для некоторых видов металлоконструкций.

Мартенситная сталь

При быстрой закалке высокотемпературного аустенита атомы углерода захватываются кристаллическими структурами стали. При этом образуется мартенсит.

Свойства мартенсита

Кристаллическая структура стали в мартенсите содержит относительно большое количество углерода, что делает этот металл чрезвычайно прочным и устойчивым к разрушению. Низкая пластичность (способность изгибаться или скручиваться в проволоку) также делает эту сталь прочной и долговечной.

Кроме того, мартенсит можно выдерживать при относительно низких температурах в течение различных периодов времени в процессе, называемом отпуском. Закалка снижает прочность, повышая ударную вязкость и пластичность. Это позволяет обрабатывать мартенсит и адаптировать его для самых разных применений.

Использование мартенсита

Поскольку мартенсит настолько стабилен и прочен, он является идеальным материалом для столовых приборов, ножей и других высококачественных кухонных принадлежностей. Но помимо кухни мартенсит также находит применение в области медицины, а также в аэрокосмической промышленности.

Точное применение мартенситной стали будет зависеть от содержания углерода, полученного в ходе металлургического процесса.

Нержавеющая сталь типа 410 может быть универсальным материалом, который хорошо подходит для изготовления скобяных изделий, деталей оружия, лопаток турбин и деталей машин. Нержавеющая сталь типа 440 обладает большей твердостью, что может быть идеальным для лезвий, поскольку их не придется часто затачивать. Вы можете найти сталь типа 440 в кухонных столовых приборах и медицинских инструментах.

Заключение

Конфигурация кристаллических структур стали влияет на способность металла поглощать углерод. Это оказывает большое влияние на общее качество и долговечность готового продукта.

Наиболее распространенные формы кристаллической структуры стали включают ферритную, аустенитную и мартенситную сталь, хотя аустенитная и мартенситная сталь имеют более широкий спектр применения из-за их более высокой прочности и долговечности.

Надежная термообработка рядом со мной

L&L Special Furnace Co. разбирается в химических и механических процессах, связанных с термообработанной сталью. Мы гордимся своей давней репутацией, когда речь идет о промышленных печах, печах, сушильных камерах, закалочных емкостях и других системах термообработки.

Мы стремимся к инновациям и качеству изготовления. Вы можете найти наши предприятия, расположенные к югу от Филадельфии, штат Пенсильвания, хотя мы обеспечиваем продажу и обслуживание оборудования по всему миру.

Свяжитесь с нами для ваших потребностей в термообработке, и мы можем сотрудничать с вами, чтобы предоставить доступное и надежное обслуживание.

Что делает закаленную сталь такой твердой?

Обновление: я создал страницу на Patreon для финансирования исследовательских проектов, о которых вы можете прочитать здесь — http://knifesteelnerds.com/how-you-can-help/

Чтобы закалить сталь, вы нагреваете ее до высокой температуры, чтобы образуют фазу, называемую аустенитом, за которой следует быстрая закалка с образованием очень прочной фазы, называемой мартенситом. Твердость является мерой прочности. Я описал процесс образования аустенита в следующем посте: Аустенитизация, часть 1. Подводя итог этому посту:

1. Сталь имеет несколько фаз, точно так же, как вода может быть твердым телом, жидкостью или газом, сталь может иметь различное расположение атомов или «фазы», ​​оставаясь при этом твердой. Две из этих фаз называются аустенитом и ферритом.
2. Аустенит имеет относительно высокую растворимость углерода, в то время как феррит может содержать только очень небольшое количество углерода (<0,02%).

Феррит

3. является магнитным и присутствует при комнатной температуре, а сталь превращается в аустенит при высоких температурах, который не является магнитным.

Когда сталь медленно охлаждается из высокотемпературной аустенитной фазы, углерод выпадает в осадок, так что может образоваться низкоуглеродистая ферритная фаза, что приводит к получению мягкой стали с низкой твердостью. Углерод выпадает в осадок в виде карбидов или перлита, о чем я расскажу более подробно в следующей статье. Однако, если сталь охлаждается быстро, углерод не успевает выделиться. По мере охлаждения аустенита «движущая сила» или степень, в которой сталь «хочет» превратиться в феррит, увеличивается до точки, когда сталь так сильно хочет превратиться в феррит, что вместо этого превращается в новую фазу, фазу, подобную феррит, но насыщен углеродом и имеет модифицированную кристаллическую структуру для размещения углерода. Вместо «объемно-центрированной кубической» микроструктуры феррита элементарная ячейка имеет вытянутую форму и называется «объемно-центрированной тетрагональной» [1]:

Упрочнение твердого раствора

Атомы углерода намного меньше атомов железа, поэтому они находятся между атомами железа, что называется «межузельным» атомом. Эти атомы углерода напрягают связи атомов железа, что укрепляет материал. Вот удобная схема, чтобы лучше понять деформацию атомной решетки (спасибо Wikipedia) [2]:

Изменение прочности за счет присутствия других (не железных) атомов называется «упрочнением твердого раствора». Углерод вносит большой вклад в твердорастворное упрочнение феррита, и мартенсит ведет себя примерно так же [3]:

Деформация решетки увеличивает прочность, влияя на движение дислокаций, которые представляют собой линейные дефекты в кристаллической структуре, контролирующие прочность материалов. Я представил их и описал, как они влияют на прочность, в следующей статье: Как измельчение зерна приводит к улучшению свойств? Несколько важных вещей, которые следует иметь в виду из этой статьи, следующие:

1. Чем труднее двигаться дислокациям, тем выше прочность/твердость материала.
2. Дислокации не могут легко проходить через себя, поэтому если их достаточное количество, то они не могут легко двигаться. Высокая «плотность дислокаций» приводит к высокой прочности/твердости.
3. В стали существуют различные границы, такие как границы зерен, которые действуют как барьеры для движения дислокаций. Больше границ означает более высокую прочность/твердость.
4. Дислокации движутся по «плоскостям скольжения», которые обычно представляют собой наиболее плотно упакованные плоскости атомов.

Мартенситное превращение

При образовании мартенсита происходит «бездиффузионное» превращение. При обычных превращениях, таких как медленное охлаждение с образованием феррита, атомы должны диффундировать, чтобы сформировать новую фазу. Однако при мартенситном образовании сталь быстро закаливается и не успевает за дальней диффузией атомов. Вместо этого атомы совершают небольшой «сдвиг» в тандеме, образуя новую мартенситную микроструктуру, что называется «сдвиговым преобразованием». Упрощенную схему, показывающую это изменение, см. в следующем [4]: ​​

Вы видите мартенситное превращение в действии в этом потрясающем видео низкоуглеродистой стали с использованием метода, называемого лазерной конфокальной микроскопией [5]: факт приближается к скорости звука. Помните, что превращение происходит без диффузии и зависит не от времени, а только от температуры. Если сталь выдерживают при температуре, при которой образовалось 90% мартенсита, он останется там, пока сталь не будет дополнительно охлаждена. Остальные 10% по-прежнему будут аустенитом, который называется «остаточным аустенитом». Поэтому степень образования мартенсита контролируется температурой [6]:

Полоски начинаются или «зарождаются» на одной границе аустенитного зерна и проходят до тех пор, пока не достигнут границы на другой стороне зерна или другой мартенситной планки. Они зарождаются на границах зерен, потому что это области с высокой энергией, которые предпочтительны для зарождения новых фаз. Они заканчиваются на другой границе, поскольку превращение происходит за счет бездиффузионного сдвигового превращения атомов. Границы — это точки, в которых присутствует различная ориентация атомов, как описано в статье об измельчении зерна, на которую я ссылался ранее. При совершенно другой ориентации атомных плоскостей мартенсит не может образоваться за счет короткого сдвига атомов, поэтому решетка заканчивается на границах, где кристаллическая структура меняет направление, как показано на этом изображении границы зерна с высоким разрешением, полученном с помощью просвечивающего электронного микроскопа. 7]:

Упрочнение дислокаций

Когда происходит трансформация сдвига, создается большая плотность дислокаций, чтобы компенсировать напряжение, создаваемое сдвигом атомов. Как описано ранее, высокая плотность дислокаций приводит к более высокой прочности/твердости. Увеличение содержания углерода в мартенсите приводит к более высокой плотности дислокаций, что отчасти объясняет более высокую прочность мартенсита [8]: переход между «реечным» и «пластинчатым» мартенситом. Вместо этого пластинчатый мартенсит формируется по механизму двойникования, который я не буду рассматривать в этой статье. Для простоты мы будем придерживаться общего вывода о том, что более высокое содержание углерода приводит к более высокой плотности дислокаций, что означает, что дислокации не двигаются так легко, что приводит к более высокой прочности/твердости.

Усиление границ

Границы зерен — не единственные границы, которые препятствуют движению дислокаций, тем самым увеличивая прочность. Внутри мартенсита есть границы «пакетов» и «блоков», которые также препятствуют движению дислокаций [9][10][11]:

Если вы посмотрите видео на Youtube, на которое я ссылался ранее в этой статье, вы также можете иметь возможность видеть пакеты и блоки. Пакет или блок — это группа параллельных реек, и различие между ними требует слишком много описания, чтобы охватить его здесь (одна и та же плоскость привычек для пакетов и одинаковая ориентация для блоков). Поскольку малоугловые границы пакетов и блоков также препятствуют движению дислокаций, размер пакетов или блоков иногда называют «эффективным» размером зерна мартенсита. Размер пакетов/блоков уменьшается за счет уменьшения размера зерна, как показано на этой схеме [12]:

Размер пакетов и блоков контролирует прочность аналогично размеру зерна, поэтому его иногда называют «эффективным» размером зерна. Это очень похоже на график зависимости размера зерна от прочности, как было описано в статье об уточнении зерна, на которую я буду ссылаться, пока вы не нажмете на нее и не прочитаете. Вот график, показывающий корреляцию между размером зерна и размером пакетов и блоков [12]:

Еще один важный фактор, контролирующий размер пакетов и блоков по содержанию углерода; чем выше содержание углерода, тем меньше пакеты и блоки. Это еще один механизм, благодаря которому более высокое содержание углерода приводит к более прочному мартенситу [13][14]:

На схеме видно, как пакеты, блоки и планки уменьшаются в размерах с увеличением содержания углерода. Вы также можете видеть, что в стали с 0,8% C образовалась «пластина» мартенсита, которую я описал в разделе о плотности дислокаций. Более высокое содержание углерода приводит к сдвигу между пластинами и пластинами [15]:

Мартенситные пластины, как правило, нежелательны, поскольку ударная вязкость пластинчатого мартенсита ниже, чем у реечного мартенсита, отчасти из-за «микротрещин», которые образуются в пластинчатом мартенсите [15]. 16]:

Плоскости скольжения

Тип кристаллической структуры материала определяет количество «плоскостей скольжения», вдоль которых происходит скольжение дислокаций. Возможно, вы помните из статьи «Эффект размера зерна», что вы определенно уже читали, что движение дислокаций преимущественно происходит вдоль плотноупакованных плоскостей атомов [17]: плоскостей, доступных для движения дислокаций, поэтому сама микроструктура затрудняет движение дислокаций. Более высокое содержание углерода приводит к большей «тетрагональности» микроструктуры.

Резюме и выводы

Высокая прочность мартенсита достигается благодаря нескольким механизмам. Не совсем известно, какой из механизмов является наиболее важным, но я рассмотрел несколько основных:

1. Упрочнение твердого раствора из-за высокого содержания углерода, приводящее к напряжениям в атомной решетке, препятствующим движению дислокаций.
2. Высокая плотность дислокаций, созданная сдвиговым преобразованием.
3. Высокая плотность границ за счет образования пакетных и блочных границ.
4. Малое количество плоскостей скольжения, доступных для движения дислокаций в BCT.

Сочетание этих механизмов создает очень прочный/твердый мартенсит, который мы знаем и любим; все механизмы увеличиваются за счет содержания углерода, и действительно, мы обнаруживаем, что прочность мартенсита в значительной степени зависит от содержания углерода [18]: в этой статье, чтобы лучше понять, как работает мартенситное превращение и как оно делает сталь твердой и прочной. Некоторые из этих деталей больше, чем необходимо, чтобы знать, как сделать нож. Суть в том, что закалка стали от высокой температуры делает ее твердой, превращение в мартенсит делает ее твердой, а большее количество углерода в мартенсите делает ее более твердой. Эта информация должна способствовать вашему пониманию при чтении других статей о термической обработке, таких как то, что я написал в части 1, 2 и 3 аустенизации. статья понимает, как присутствует углерод в мартенсите, что такое «тетрагональность», плотность дислокаций мартенсита, и поэтому я могу описать, как все эти вещи модифицируются при отпуске.

Бонус! Почему мартенсит тетрагональный?

Вы, возможно, задавались вопросом: почему мартенситное тело центрировано тетрагонально (удлиненный куб), а не просто куб большего размера? Почему углерод преимущественно расположен в одном направлении? Что ж, я рад, что ты спросил, дорогой читатель. Мы должны вернуться к гранецентрированной кубической микроструктуре высокотемпературного аустенита, который имеет межузельные атомы углерода между связями железо-железо [19]:

Две элементарные ячейки аустенита показаны не просто так, потому что, когда вы соедините две из них вместе, вы можете найти элементарную ячейку, которая очень похожа на объемно-центрированный кубический феррит, как показано темными линиями на этой схеме [19]. ]. Это приводит к преимущественному увеличению в вертикальном, или «с», направлении с сокращением в горизонтальном, или «а», направлении, и, следовательно, степень «тетрагональности» увеличивается с более высоким содержанием углерода [19].][20]:

 

---

[1] Взято с http://www.seas.upenn.edu/~chem101/sschem/solidstatechem.html

[2] https://en. wikipedia.org/wiki/Strengthening_mechanisms_of_materials

[3] Пикеринг, Ф. Б. «Микролегирование 75». Union Carbide Corp., Нью-Йорк, NY  9 (1977).

[4] https://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/kap_8/backbone/r8_4_1.html

[5] https://www.youtube.com/watch?v =OQ5lVjYssko

[6] http://labs.mete.metu.edu.tr/sma/smatext/MART.htm

[7] https://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/iss/ kap_5/backbone/r5_3_1.html

[8] Морито С., Дж. Нисикава и Т. Маки. «Плотность дислокаций в реечном мартенсите в сплавах Fe-C и Fe-Ni». ISIJ международный  43.9 (2003): 1475-1477.

[9] Мардер, Дж. М. «Морфология массивного железоникелевого мартенсита». Пер. ASM  62 (1969): 1–10.

[10] Иноуэ, Тору, Сёити Мацуда, Ёсихиро Окамура и Коити Аоки. «Разрушение низкоуглеродистого мартенсита отпуска». Труды Японского института металлов  11, вып. 1 (1970): 36-43.

[11] Мацуда С., Т. Иноуэ, Х. Мимура и Ю. Окамура. «Вязкость и эффективный размер зерна в термически обработанных низколегированных высокопрочных сталях». Пер. Железо Сталь инст. яп.  12, вып. 5 (1972): 325-333.

[12] Фурухара Т., К. Кикумото, Х. Сайто, Т. Секине, Т. Огава, С. Морито и Т. Маки. «Фазовое превращение из мелкозернистого аустенита». ISIJ международный  48, №. 8 (2008): 1038-1045.

[13] Морито С., Х. Танака, Р. Кониши, Т. Фурухара и Т. Маки. «Морфология и кристаллография реечного мартенсита в сплавах Fe-C». Acta Materialia  51, вып. 6 (2003): 1789-1799.

[14] Маки, Тадаши. «Морфология микроструктуры, состоящей из реечного мартенсита».