Ferrit, Austenit, Zementit, Perlit, Bainit, Widmanstätten-Struktur, Martensit, Ledeburit ... Alles in einem Artikel!

Moderne Materialien können in vier Kategorien unterteilt werden: Metalle, Polymere, Keramik und Verbundwerkstoffe. Trotz der rasanten Entwicklung von Polymerwerkstoffen ist Stahl in Metallwerkstoffen immer noch der am weitesten verbreitete und wichtigste Werkstoff im Maschinenbau. Welche Faktoren bestimmen also die Dominanz von Stahlmaterialien? Hier ist eine ausführliche Einführung für die Goldfans.

Stahl wird aus Eisenerz raffiniert, das reichlich vorhanden ist und niedrige Preise hat. Stahl, auch Eisen-Kohlenstoff-Legierung genannt, besteht aus Eisen (Fe), Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Mangan (Mn), Phosphor (P), Schwefel (S) und anderen kleinen Mengen an Elementen (Cr, V usw.). Legierung. Durch die Anpassung des Gehalts verschiedener Elemente im Stahl und des Wärmebehandlungsprozesses (vier Brände: Abschrecken, Glühen, Anlassen und Normalisieren) können verschiedene metallografische Strukturen erhalten werden, sodass der Stahl unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweist.

Der Stahl wird beprobt, poliert, poliert und schließlich mit einem speziellen Korrosionsmittel korrodiert. Die unter einem metallurgischen Mikroskop beobachtete Struktur wird als metallurgische Struktur von Stahl bezeichnet. In diesen Organisationsstrukturen verbergen sich die Geheimnisse der Werkstoffe Stahl.

Im Fe-Fe3C-System können verschiedene Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen formuliert werden. Ihre Gleichgewichtsstrukturen bei verschiedenen Temperaturen sind unterschiedlich, sie bestehen jedoch aus mehreren Grundphasen (Ferrit F, Austenit A und Zementit Fe3C). Diese Grundphasen werden in Form einer mechanischen Mischung zu einer farbenfrohen metallografischen Struktur im Stahl kombiniert. Es gibt acht gängige metallografische Strukturen:

1. Ferrit

Die interstitielle feste Lösung, die durch Auflösen von Kohlenstoff in den Zwischenräumen des α-Fe-Gitters entsteht, wird Ferrit genannt, das eine bcc-Struktur und eine gleichachsige polygonale Kornverteilung aufweist, die durch das Symbol F dargestellt wird. Seine Struktur und Eigenschaften ähneln denen von reinem Eisen, mit guter Plastizität und Zähigkeit, aber geringer Festigkeit und Härte (30–100 HB).

Bei legiertem Stahl handelt es sich um eine feste Lösung von Kohlenstoff und Legierungselementen in α-Fe. Die in α-Fe gelöste Kohlenstoffmenge ist sehr gering. Bei der AC1-Temperatur beträgt die maximale gelöste Kohlenstoffmenge 0,0218 %, die Löslichkeit nimmt jedoch mit sinkender Temperatur auf 0,0084 % ab. Daher wird die Ferritkorngrenze dreimal so sein, dass Zementit erscheint. Mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt im Stahl nimmt die Menge an Ferrit relativ ab und die Anzahl an Perlit nimmt zu. Zu diesem Zeitpunkt ist der Ferrit netzwerkförmig und halbmondförmig.

2. Austenit

Die interstitielle feste Lösung, die durch die Auflösung von Kohlenstoff in den Zwischenräumen des γ-Fe-Gitters entsteht, wird Austenit genannt. Er hat eine kubisch flächenzentrierte Struktur und ist eine Hochtemperaturphase, die durch das Symbol A dargestellt wird.

Austenit hat eine maximale Löslichkeit von 2,11 % C bei 1148 °C und eine feste Lösung von 0,77 % C bei 727 °C; höhere Festigkeit und Härte als Ferrit, gute Plastizität und Zähigkeit und nicht magnetisch, spezifische mechanische Eigenschaften und Kohlenstoffgehalt und Körner. Die Größe hängt zusammen, im Allgemeinen 170–220 HBS, = 40–50 %.

TRIP-Stahl (plastifizierter Stahl) ist ein Stahl, der auf der Grundlage einer guten Austenitplastizität und Flexibilität entwickelt wurde. Es nutzt die verformungsinduzierte Umwandlung und die umwandlungsinduzierte Plastizität des Restaustenits, um die Plastizität der Stahlplatte zu erhöhen und die Umformung der Stahlplatte zu verbessern. Leistung. Der Austenit in Kohlenstoff- oder legiertem Baustahl wandelt sich während des Abkühlprozesses in andere Phasen um. Erst nachdem kohlenstoffreicher Stahl und aufgekohlter Stahl aufgekohlt und bei hoher Temperatur abgeschreckt wurden, kann Austenit in den Lücken des Martensits verbleiben. Die metallografische Struktur ist weiß, da sie nicht leicht korrodiert.

3. Zementit

Zementit ist eine Metallverbindung, die aus Kohlenstoff und Eisen in einem bestimmten Verhältnis besteht. Es wird durch die Summenformel Fe3C dargestellt. Sein Kohlenstoffgehalt beträgt 6,69 % und bildet in der Legierung (Fe, M)3C. Zementit ist hart und spröde, Plastizität und Schlagzähigkeit sind nahezu Null, die Sprödigkeit ist sehr hoch, die Härte beträgt 800HB. Es wird häufig in Netzwerk-, Halbnetzwerk-, Flocken-, Nadelflocken- und Granulatform in Stahl vertrieben.

4. Perlit

Die mechanische Mischung aus Ferrit und Zementit wird Perlit genannt und durch das Symbol P dargestellt. Seine mechanischen Eigenschaften liegen zwischen Ferrit und Zementit, mit hoher Festigkeit, mäßiger Härte und einem gewissen Grad an Plastizität.

Perlit ist das eutektoide Umwandlungsprodukt von Stahl und besteht aus Ferrit und Zementit, die abwechselnd wie Fingerabdrücke geformt und in Schichten angeordnet sind. Entsprechend der Karbidverteilung kann man es in zwei Typen unterteilen: Flockenperlit und Kugelperlit.

(1) Flockenperlit: Es kann in drei Typen unterteilt werden: grobe Flocken, mittlere Flocken und feine Flocken.

(2) Kugelförmiger Perlit: Zementit wird durch sphäroidisierendes Glühen gewonnen und in Sphäroiden auf der Ferritmatrix verteilt. Die Größe der Zementit-Sphäroide hängt vom sphäroidisierenden Glühprozess ab, insbesondere von der Abkühlgeschwindigkeit. Kugelperlit kann in vier Arten von Perlit unterteilt werden: grobe Kugel, Kugel, feine Kugel und Punkt.

5. Bainit

Es ist das Produkt der Umwandlung von Stahlaustenit unterhalb der Perlit-Umwandlungszone und oberhalb des Ms-Punktes in der Mitteltemperaturzone. Bainit ist eine mechanische Mischung aus Ferrit und Zementit, einer Struktur zwischen Perlit und Martensit, dargestellt durch das Symbol B.

Entsprechend der unterschiedlichen Bildungstemperaturen wird es in körnigen Bainit, oberen Bainit (oberes B) und unteres Bainit (unteres B) unterteilt.

Körniger Bainit hat eine geringe Festigkeit, aber eine gute Zähigkeit; Unterer Bainit weist sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine gute Zähigkeit auf. körniger Bainit hat die schlechteste Zähigkeit. Die Form von Bainit ist veränderlich. Aus Sicht der Formeigenschaften kann Bainit in drei Typen unterteilt werden: federartig, nadelartig und körnig.

(1) Oberer Bainit: Das Merkmal des oberen Bainits besteht darin, dass die Ferritstreifen ungefähr parallel angeordnet sind und parallel zur Achse der Ferritnadel dünne Streifen (oder kurze stabförmige) Zementit vorhanden sind, bei denen es sich um Federn handelt. Form.

(2) Unterer Bainit: Er hat die Form dünner Nadeln und eine bestimmte Ausrichtung und ist anfälliger für Korrosion als abgeschreckter Martensit, sehr ähnlich zu angelassenem Martensit, der unter einem Lichtmikroskop äußerst schwer zu unterscheiden ist und unter einem Elektronenmikroskop leicht zu unterscheiden ist; Im nadelförmigen Ferrit sind Karbide ausgeschieden, und ihre Ausrichtung erfolgt in einem Winkel von 55 bis 60 Grad zur Längsachse des Ferritblechs. Im unteren Bainit gibt es keine Zwillinge und es gibt mehr Versetzungen.

(3) Körniger Bainit: Die Form entspricht dem von polygonalem Ferrit und es gibt viele unregelmäßige inselartige Strukturen im Inneren. Wenn der Austenit des Stahls auf etwas über die obere Bainitbildungstemperatur abgekühlt wird, wandert ein Teil der Kohlenstoffatome im ausgeschiedenen Ferrit aus dem Ferrit und durch die Phasengrenze Ferrit/Austenit in den Austenit, so dass der Austenit ungleichmäßig reich an Kohlenstoff ist, so dass die Umwandlung von Austenit in Ferrit unterdrückt wird. Diese Austenitbereiche haben im Allgemeinen die Form von Inseln, die körnig oder länglich sind und auf der Ferritmatrix verteilt sind. Während des kontinuierlichen Abkühlprozesses kann es je nach Zusammensetzung des Austenits und den Abkühlbedingungen zu Austenitbildung in den Körnern kommen. Folgende Veränderungen sind möglich.

1) Vollständig oder teilweise in Ferrit und Karbid zersetzt. Unter dem Elektronenmikroskop sind körnige, stäbchenförmige oder kleine Karbidklumpen zu erkennen, die in mehrere Richtungen verteilt sind;

2) Ein Teil davon wandelt sich in Martensit um, der unter dem Lichtmikroskop gelblich ist;

3) Der kohlenstoffreiche Austenit bleibt erhalten.

Die Ferritmatrix im körnigen Bainit ist mit körnigen Karbiden bedeckt (die kleine Inselstruktur bestand ursprünglich aus kohlenstoffreichem Austenit, der beim Abkühlen in Ferrit und Karbide zerfiel oder sich in Martensit oder noch kohlenstoffreiche Austenitpartikel umwandelte). Federartiger Bainit, die Matrix ist Ferrit und am Rand des Ferritblechs sind streifenförmige Karbide ausgeschieden. Der nadelförmige Ferrit im unteren Bainit ist mit kleinen flockigen Karbiden bedeckt, und die Längsachse der flockigen Karbide beträgt auf dem Ferrit etwa 55 bis 60 Grad.

6. Weisheitsorganisation

Dabei handelt es sich um eine Art überhitzte Struktur, die durch das Einsetzen einander schneidender Ferritnadelstücke in einem Winkel von etwa 60 Grad in eine Stahlmatrix entsteht. Das grobe Widmanstättengefüge verringert die Plastizität und Zähigkeit des Stahls und erhöht die Sprödigkeit. Der übereutektoide Stahl bildet durch Überhitzung beim Erhitzen grobe Kristalle und fällt beim Abkühlen schnell aus. Zusätzlich zur netzartigen Ausscheidung entlang der Austenit-Korngrenze wird daher ein Teil des Ferrits von der Korngrenze in das Innere des Korns geschnitten. Der Verformungsmechanismus ist in Nadeln zum Heraustrennen geformt und angeordnet. Diese Art der verteilten Organisation wird Widmanstätten-Organisation genannt. Wenn der überhitzte übereutektoide Stahl abgekühlt wird, bildet der Zementit ebenfalls Nadeln, die sich von der Korngrenze bis zum Korn erstrecken und so die Widmanstätten-Struktur bilden.

7. Martensit

Die übersättigte feste Lösung von Kohlenstoff in α-Fe wird Martensit genannt. Martensit hat eine hohe Festigkeit und Härte, aber seine Plastizität ist sehr schlecht, fast Null. Es ist mit dem Symbol M gekennzeichnet und kann keiner Stoßbelastung standhalten. Martensit ist das Produkt der schnellen Abkühlung von unterkühltem Austenit und der Umwandlung des Schermodus zwischen den Ms- und Mf-Punkten.

Zu diesem Zeitpunkt haben Kohlenstoff (und Legierungselemente) keine Zeit zum Diffundieren, aber das Gitter (Flächenzentrum) von γ-Fe wird in das Gitter (Körperzentrum) von α-Fe umgewandelt, d. Entsprechend den metallografischen Eigenschaften von Martensit kann er in Lattenmartensit (kohlenstoffarm) und nadelförmiger Martensit unterteilt werden.

(1) Lattenmartensit: auch bekannt als kohlenstoffarmer Martensit. Die etwa gleich großen feinen Martensitstreifen richten sich parallel zueinander zu einem Martensitbündel bzw. Martensitfeld aus; Es gibt einen großen Orientierungsunterschied zwischen den Feldern, und in einem einzigen ursprünglichen Austenitkornfeld können mehrere unterschiedliche Orientierungen gebildet werden.

Da sich Lattenmartensit bei einer höheren Temperatur bildet, kommt es während des Abkühlvorgangs zwangsläufig zu einer Selbstanlassung, und Karbide werden im Inneren des gebildeten Martensits ausgeschieden, so dass dieser anfällig für Erosion und Verdunkelung ist

(2) Nadelförmiger Martensit: Auch als schuppenförmiger Martensit oder Martensit mit hohem Kohlenstoffgehalt bekannt. Seine grundlegenden Eigenschaften sind: Die erste in einem Austenitkorn gebildete Martensitschicht ist relativ grob und häufig. Durch das gesamte Korn werden die Austenitkörner geteilt, um die Größe des später gebildeten Martensits zu begrenzen, sodass die Größe des schuppenförmigen Martensits unterschiedlich ist und die Verteilung unregelmäßig ist.

Es bildet sich nadelförmiger Martensit in einer bestimmten Ausrichtung. In den Martensitnadeln befindet sich ein Mittelgrat. Je höher der Kohlenstoffgehalt, desto offensichtlicher ist der Martensit. Gleichzeitig liegt zwischen dem Martensit weißer Restaustenit vor.

(3) Der nach dem Abschrecken gebildete Martensit kann nach dem Anlassen auch drei spezielle metallografische Strukturen bilden:

1) Gehärteter Martensit: bezieht sich auf den beim Abschrecken gebildeten schuppenförmigen Martensit (die Kristallstruktur ist raumzentriert und tetragonal), der in der ersten Stufe des Anlassens zersetzt wird – der darin enthaltene Kohlenstoff wird in Form von Übergangskarbiden desolvatisiert – gebildet Schnittstelle mit der Matrix ist eine kohärente Schnittstelle);

Unter einem metallographischen (optischen) Mikroskop lässt sich die innere Struktur dieser Struktur auch bei maximaler Vergrößerung nicht erkennen. Nur schwarze Nadeln (die Form der schwarzen Nadeln und des beim Abschrecken gebildeten flockigen Martensits (auch bekannt als Die weißen Nadeln von „α-Martensit“ sind grundsätzlich gleich), und diese schwarze Nadel wird „vergüteter Martensit“ genannt.

2) Gehärteter Troostit: das Produkt von abgeschrecktem Martensit nach dem Tempern bei mittlerer Temperatur, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die nadelförmige Form von Martensit allmählich verschwindet, aber immer noch schwach sichtbar ist (chromhaltiger legierter Stahl, der neu legierte Ferrit. Die Kristallisationstemperatur ist hoch, sodass die nadelartige Form weiterhin erhalten bleibt). Die ausgeschiedenen Karbide sind klein und unter dem Lichtmikroskop schwer zu unterscheiden. Nur unter dem Elektronenmikroskop sind die Karbidpartikel zu erkennen, die sehr leicht erodieren und die Struktur schwarz werden lassen.

Liegt die Anlasstemperatur über der Obergrenze oder ist die Verweilzeit etwas länger, erscheinen die Nadeln weiß; Zu diesem Zeitpunkt konzentrieren sich die Karbide an den Kanten der Nadeln und die Härte des Stahls wird geringer und die Festigkeit nimmt ab.

3) Vergütetes Sorbat: das Produkt von abgeschrecktem Martensit nach Hochtemperaturanlassen. Sein Merkmal ist: Die Sorbatmatrix ist mit feinkörnigen Karbiden bedeckt, die im Lichtmikroskop deutlich zu unterscheiden sind. Diese Art der Organisation wird auch als vergütete Organisation bezeichnet und weist eine gute Kombination aus Festigkeit und Zähigkeit auf. Je feiner das feinkörnige Karbid auf dem Ferrit ist, desto höher sind Härte und Festigkeit und desto schlechter ist die Zähigkeit. im Gegenteil: Je geringer die Härte und Festigkeit, desto höher die Zähigkeit.

8. Ledeburit

Das eutektische Gemisch in der Eisen-Kohlenstoff-Legierung, also die flüssige Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit einem Massenanteil an Kohlenstoff (Kohlenstoffgehalt) von 4,3 %. Bei 1480℃ wird die mechanische Mischung aus Austenit und Zementit, die gleichzeitig aus der Flüssigkeit kristallisiert, als Ledeburit bezeichnet, dargestellt durch das Symbol Ld.

Da sich Austenit bei 727 °C in Perlit umwandelt, besteht Ledeburit bei Raumtemperatur aus Perlit und Zementit. Zur Unterscheidung wird der Ledeburit oberhalb von 727 °C als Hochtemperatur-LEDeburit (Ld) und der Ledeburit unterhalb von 727 °C als Niedertemperatur-LEDeburit (L'd) bezeichnet. Die Eigenschaften von Ledeburit ähneln denen von Zementit, mit hoher Härte und geringer Plastizität.

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