wiadomości o firmie Kompleksowe Wyjaśnienie Typowych Struktur Metalograficznych Stosowanych w Przemysłowej Produkcji Stali

I. Podstawowa struktura roztworu stałego

1. Austenit (A [Feγ (C)])

Austenit to roztwór stały utworzony przez rozpuszczenie węgla i pierwiastków stopowych w γ-Fe. W systemie stali stopowych jest to stabilna struktura, w której węgiel i różne pierwiastki stopowe są rozpuszczone razem w γ-Fe. Jego godną uwagi cechą jest doskonała plastyczność, jednak jego twardość i granica plastyczności są stosunkowo niskie, a wartości twardości w skali Brinella zwykle wahają się od 170 do 220HB. Jest to mikrostruktura o najmniejszej objętości właściwej wśród stali. W warunkach wysokiej temperatury austenit ma silną zdolność do rozpuszczania węgla. W temperaturze 1147°C ilość rozpuszczonego węgla może osiągnąć 2,11%, a gdy temperatura spada do 727°C, ilość rozpuszczonego węgla spada do 0,77%. Pod mikroskopem metalograficznym austenit wykazuje regularny wielokątny kształt ze względu na utrzymanie struktury sieci krystalicznej γ-Fe o strukturze regularnej przestrzennie centrowanej. Ta mikrostruktura obdarza stal doskonałymi właściwościami obróbki na zimno. Podczas procesów obróbki na gorąco, takich jak kucie i walcowanie, obecność austenitu pomaga w plastycznej deformacji stali.

2. Ferryt (F [Feα (C)])

Ferryt to roztwór stały utworzony przez rozpuszczenie węgla i pierwiastków stopowych w α-Fe. Jego właściwości są podobne do tych czystego żelaza, o stosunkowo niskiej twardości, wynoszącej około 80 do 100HB, ale ma doskonałą plastyczność. Gdy pierwiastki stopowe są rozpuszczane w ferrycie, mogą skutecznie zwiększyć wytrzymałość i twardość stali. W temperaturze 727°C rozpuszczalność węgla w ferrycie wynosi tylko 0,022%, a w temperaturze pokojowej jest tak niska jak 0,008%. Ferryt zachowuje strukturę sieci krystalicznej α-Fe o strukturze regularnej przestrzennie centrowanej i wykazuje typowe wielościenne cechy metalograficzne czystych metali w strukturach metalograficznych. Obecność ferrytu obdarza stal dobrą wytrzymałością i podatnością na formowanie na zimno i jest często stosowana w elementach konstrukcyjnych o wysokich wymaganiach dotyczących plastyczności.

II.Związki i struktury mieszane

1. Cementyt (Fe₃C)

Cementyt, związek składający się z żelaza i węgla, znany również jako węglik żelaza. W temperaturze pokojowej większość węgla w stopach żelazo-węgiel występuje w postaci cementytu. Zgodnie z diagramem równowagi żelazo-węgiel, cementyt można podzielić na trzy typy w oparciu o jego ścieżkę wytrącania i morfologię: Cementyt pierwotny krystalizuje i wytrąca się z cieczy wzdłuż linii CD, najczęściej przyjmując postać kolumnową; Cementyt wtórny wytrąca się wzdłuż linii ES z roztworów γ-stałych i często pojawia się w postaci białej sieci. Cementyt trzeciorzędowy wytrąca się wzdłuż linii PQ z roztworu α-stałego i jest również w większości białą siecią. Cementyt ma słaby magnetyzm w środowiskach niskotemperaturowych. Jego magnetyzm znika, gdy temperatura przekracza 217°C. Jego temperatura topnienia wynosi około 1600°C, a zawartość węgla wynosi 6,67%. Twardość cementytu jest niezwykle wysoka, znacznie przekraczająca 700HB, ale jest on niezwykle kruchy i prawie nie ma plastyczności. W stali morfologia i rozmieszczenie cementytu mają znaczący wpływ na wytrzymałość, twardość i odporność na zużycie stali. Na przykład cementyt ziarnisty może zwiększyć wytrzymałość stali, zachowując jednocześnie pewną wytrzymałość.

2. Perlity (P)

Perlit jest mieszaniną mechaniczną ferrytu i cementytu i jest produktem przemiany eutektoidalnej stali węglowej o zawartości węgla 0,77%. Jego mikrostruktura to struktura blaszkowa z naprzemiennie ułożonym ferrytem i cementytem. Wielkość odstępów między blaszkami perlitu zależy od stopnia przechłodzenia podczas rozkładu austenitu. Im większy stopień przechłodzenia, tym mniejszy odstęp między blaszkami perlitu. W oparciu o różnicę w odstępach między blaszkami można go dalej podzielić na perlit, sorbit i troostyt, ale zasadniczo wszystkie są strukturami typu perlit. Gruboziarnisty perlit blaszkowy jest produktem rozkładu austenitu w zakresie wysokich temperatur 650-700 °C, o twardości około 190-230 HB. Blaszki Fe₃C można rozróżnić za pomocą ogólnego mikroskopu metalograficznego (poniżej 500-krotnego powiększenia). Sorbit jest produktem rozkładu austenitu w zakresie temperatur 600-650 °C, o twardości około 240-320HB. Wymaga mikroskopu o dużej mocy (powiększenie 1000 razy), aby rozróżnić blaszki Fe₃C. Troostyt jest produktem rozkładu austenitu w wysokich temperaturach 550-600 °C, o twardości około 330-400 HB. Blaszki Fe₃C można rozróżnić tylko za pomocą mikroskopu elektronowego (powiększenie 10 000 razy). W określonych warunkach obróbki cieplnej, takich jak wyżarzanie sferoidyzujące lub odpuszczanie w wysokiej temperaturze, cementyt może być równomiernie rozłożony w postaci ziarnistej na osnowie ferrytycznej, tworząc perlit sferoidalny, znany również jako perlit ziarnisty. Ta mikrostruktura może skutecznie poprawić obrabialność i wytrzymałość stali.

3. Märtensyt (M)

Märtensyt jest przesyconym roztworem stałym węgla w α-Fe. Gdy stal poddawana jest obróbce austenityzującej w wysokiej temperaturze i jest chłodzona w bardzo szybkim tempie poniżej punktu märtensytu, ze względu na niestabilną strukturę γ-Fe w środowiskach niskotemperaturowych, szybko przekształci się w α-Fe. Jednak ze względu na bardzo szybkie tempo chłodzenia, atomy węgla w stali nie mają czasu na dyfuzję, zachowując w ten sposób skład austenitu fazy macierzystej w wysokich temperaturach. Dlatego märtensyt jest produktem nie-dyfuzyjnej przemiany fazowej, która zachodzi, gdy stal jest szybko chłodzona poniżej punktu märtensytu po austenityzacji. Märtensyt jest w stanie metastabilnym. Ze względu na przesycanie węgla w α-Fe, regularna przestrzennie centrowana struktura krystaliczna α-Fe jest zniekształcona, tworząc regularną przestrzennie kwadratową strukturę krystaliczną. To obdarza märtensyt niezwykle wysoką twardością, wynoszącą około 640 do 760HB, ale sprawia również, że jest on wysoce kruchy, o niskiej udarności, a zmniejszenie pola przekroju i wydłużenie są prawie bliskie zeru. Ze względu na zniekształcenie sieci krystalicznej spowodowane przesyconym węglem, objętość właściwa märtensytu jest większa niż austenitu. Kiedy märtensyt tworzy się w stali, generuje stosunkowo duże naprężenia przemiany fazowej. W normalnych warunkach procesu hartowania märtensyt wykazuje białe, igiełkowate struktury pod pewnymi kątami względem siebie w strukturze metalograficznej. Jednak nie wszystkie struktury märtensytyczne są twarde i kruche. Na przykład stale niskostopowe o wysokiej wytrzymałości zawierające pierwiastki stopowe, takie jak mangan, chrom, nikiel i molibden, po hartowaniu i odpuszczaniu mają mikrostrukturę odpuszczonego niskowęglowego märtensytu. Ta struktura łączy wysoką wytrzymałość z dobrą wytrzymałością i jest szeroko stosowana w budownictwie, produkcji mechanicznej i innych dziedzinach.

• Specjalna struktura metalograficzna
  
  1. Bainit (B)

Bainit jest mieszaniną przesyconego ferrytu i cementytu utworzoną przez przemianę fazową przechłodzonego austenitu w zakresie średnich temperatur (około 250-450 °C). Bainit można dalej podzielić na bainit górny i bainit dolny w oparciu o różnicę w temperaturze jego tworzenia. Bainit górny to mikrostruktura utworzona w pobliżu temperatury tworzenia perlitu. Jego cechą charakterystyczną jest to, że blaszki α-Fe są ułożone równolegle w tym samym kierunku w obrębie ziaren, zaczynając od granic ziaren, z cząstkami cementytu wplecionymi między blaszkami. W strukturze metalograficznej wydaje się pierzasty i może być symetryczny lub asymetryczny. Wytrzymałość bainitu górnego jest niższa niż wytrzymałość drobnoziarnistego perlitu blaszkowego utworzonego w tej samej temperaturze i jest bardziej krucha. Bainit dolny to struktura utworzona w temperaturze około 300°C i pojawia się jako czarne igiełkowate struktury w strukturach metalograficznych. Zarówno bainit górny, jak i dolny są zasadniczo kombinacjami ferrytu i cementytu, ale różnią się morfologią i rozmieszczeniem węglików. Wytrzymałość bainitu dolnego jest podobna do wytrzymałości odpuszczonego märtensytu w tej samej temperaturze, a jego kompleksowe właściwości są lepsze niż bainitu górnego. W niektórych przypadkach jest nawet lepszy niż odpuszczony märtensyt. W przypadku niektórych części, które wymagają dobrego dopasowania wytrzymałości i wytrzymałości, takich jak części wałów wykonane ze stali średniowęglowej, uzyskanie struktury bainitu dolnego poprzez odpowiednią obróbkę cieplną może zwiększyć żywotność części.

2. Organizacja Widmanstättena

Struktura Widmanstättena występuje zwykle w stali podeutektoidalnej. Powstaje w wyniku przegrzania stali i tworzenia się gruboziarnistego austenitu. W określonych warunkach przechłodzenia, oprócz wytrącania masywnego α-Fe na granicach pierwotnych ziaren austenitu, będą również występować płytkowate α-Fe rosnące od granic ziaren do wnętrza ziaren. Te płatkowe α-Fe mają określony związek orientacji krystalicznej z pierwotnym austenitem, prezentując w ziarnach formy płatkowe, które są pod pewnym kątem względem siebie lub równoległe do siebie, co powszechnie określa się jako struktura Widmanstättena stali podeutektoidalnej. Przegrzana stal podeutektoidalna jest podatna na rozwój struktury Widmanstättena przy stosunkowo szybkim tempie chłodzenia. Kiedy struktura Widmanstättena jest poważna, doprowadzi to do znacznego zmniejszenia udarności i zmniejszenia pola przekroju stali, powodując kruchość stali. Jednak poprzez pełną obróbkę wyżarzania można wyeliminować strukturę Welmanstättena i przywrócić właściwości stali. W procesie produkcji stali kluczem do uniknięcia tworzenia się struktury Widmanstättena jest kontrola temperatury nagrzewania i szybkości chłodzenia.

3. Tkanka pasmowa

Struktura pasmowa jest cechą mikrostruktury stali konstrukcyjnej niskowęglowej po obróbce na gorąco, objawiającą się w postaci struktury pasmowej, w której ferryt i perlit są rozmieszczone warstwami równoległymi do kierunku obróbki. Ta mikrostruktura spowoduje, że właściwości mechaniczne stali wykażą anizotropię. Istnieją różnice w właściwościach stali w kierunku równoległym i prostopadłym do kierunku paska, a także zmniejszy udarność i zmniejszenie pola przekroju stali. Podczas procesu walcowania stali, kontrolując końcową temperaturę walcowania, szybkość chłodzenia i rozsądny współczynnik walcowania oraz inne parametry procesowe, można zmniejszyć lub uniknąć tworzenia się struktury pasmowej.

4. Faza δ

Faza δ to niewielka ilość ferrytu obecna w stali nierdzewnej chromowo-niklowej, zwłaszcza w tych zawierających pierwiastki takie jak niob i tytan. W austenitycznej stali nierdzewnej faza δ odgrywa znaczącą rolę. Może skutecznie zapobiegać tworzeniu się pęknięć krystalicznych w spoinach ze stali nierdzewnej, zmniejszać tendencję do korozji międzykrystalicznej i korozji naprężeniowej, a jednocześnie zwiększać wytrzymałość stali nierdzewnej. Jednak gdy ilość δ-ferrytu przekracza pewien limit (na przykład więcej niż 8%), zwiększy to tendencję stali nierdzewnej do tworzenia wżerów. Ponadto w warunkach wysokiej temperatury faza δ jest podatna na przemianę w fazę σ, a ta przemiana może powodować kruchość metalu. Podczas projektowania składu stali nierdzewnej i formułowania procesu obróbki cieplnej konieczne jest precyzyjne kontrolowanie zawartości fazy δ, aby zrównoważyć jej korzystne i szkodliwe skutki.

5. Faza σ

Faza - σ została odkryta jako faza stopu podczas badania zjawiska kruchości stopów Fe-Cr. W temperaturze pokojowej faza σ jest niemagnetyczna i ma cechy twardości i kruchości. Kiedy faza σ występuje w stopie, zwłaszcza gdy jest rozmieszczona wzdłuż granic ziaren, znacznie zmniejszy plastyczność i wytrzymałość stali. Faza σ generalnie wymaga środowiska wysokotemperaturowego 550-900 °C przez stosunkowo długi czas, aby stopniowo się tworzyć, a jej proces tworzenia doprowadzi do pogorszenia właściwości materiału podczas użytkowania. Tworzenie się fazy σ jest związane z wieloma czynnikami stali, takimi jak jej skład (w tym zawartość pierwiastków takich jak chrom i nikiel), mikrostruktura, temperatura nagrzewania, czas przetrzymywania i wstępna deformacja. W stalach nierdzewnych wysokochromowych i niklowo-chromowych, im wyższa zawartość chromu, tym łatwiej jest utworzyć fazę σ. Ponadto δ-ferryt w stali austenitycznej jest podatny na przemianę w fazę σ, a proces deformacji na zimno również sprzyja tworzeniu się fazy σ, powodując przesunięcie w dół zakresu temperatur, w którym tworzy się faza σ. Podczas produkcji i stosowania stali nierdzewnej konieczne jest ścisłe monitorowanie tworzenia się fazy σ i unikanie jej niekorzystnego wpływu na właściwości materiału poprzez rozsądną kontrolę procesu.