فریت، آستنیت، سیمانیت، پرلیت، بینیت، ساختار Widmanstatten، مارتنزیت، لدبوریت... همه در یک مقاله!

مواد مدرن را می توان به چهار دسته فلزات، پلیمرها، سرامیک ها و مواد کامپوزیتی تقسیم کرد. علیرغم توسعه سریع مواد پلیمری، فولاد در مواد فلزی همچنان پرکاربردترین و مهمترین ماده در فناوری مهندسی است. بنابراین چه عواملی تسلط مصالح فولادی را تعیین می کند. در اینجا یک معرفی مفصل برای طرفداران طلا است.

فولاد از سنگ آهن، با منابع فراوان و قیمت پایین تصفیه می شود. فولاد که به عنوان آلیاژ آهن-کربن نیز شناخته می شود، از آلیاژ آهن (Fe)، کربن (C)، سیلیکون (Si)، منگنز (Mn)، فسفر (P)، گوگرد (S) و سایر مقادیر کمی از عناصر (Cr، V و غیره) تشکیل شده است. با تنظیم محتوای عناصر مختلف در فولاد و فرآیند عملیات حرارتی (چهار آتش سوزی: اطفاء، بازپخت، تمپر و نرمالیزاسیون) می توان انواع ساختارهای متالوگرافی را به دست آورد، به طوری که فولاد دارای خواص فیزیکی متفاوتی است.

فولاد نمونه برداری، صیقل داده شده، صیقل داده می شود و در نهایت با یک عامل خورنده خاص خورده می شود. ساختاری که در زیر میکروسکوپ متالورژیکی مشاهده می شود، ساختار متالورژیکی فولاد نامیده می شود. اسرار مصالح فولادی در این ساختارهای سازمانی نهفته است.

در سیستم Fe-Fe3C می توان انواع آلیاژهای آهن-کربن با ترکیبات مختلف فرموله کرد. ساختارهای تعادلی آنها در دماهای مختلف متفاوت است، اما آنها از ترکیب چند فاز اساسی (فریت F، آستنیت A و سمنتیت Fe3C) تشکیل شده‌اند. این فازهای اساسی در قالب یک مخلوط مکانیکی ترکیب می شوند تا یک ساختار متالوگرافی رنگارنگ در فولاد ایجاد کنند. هشت ساختار متالوگرافی رایج به شرح زیر وجود دارد:

1. فریت

محلول جامد میان بافتی که از حل کردن کربن در فواصل شبکه α-Fe تشکیل می شود، فریت نامیده می شود که دارای ساختار bcc و دارای توزیع دانه های چند ضلعی متساوی است که با نماد F نشان داده می شود.

در فولاد آلیاژی، محلول جامد کربن و عناصر آلیاژی در α-Fe است. مقدار کربن محلول در α-Fe بسیار کم است. در دمای AC1، حداکثر مقدار کربن محلول 0.0218٪ است، اما با کاهش دما، حلالیت به 0.0084٪ کاهش می یابد. بنابراین، مرز دانه فریت خواهد بود سمنتیت سه بار ظاهر می شود. با افزایش محتوای کربن در فولاد، میزان فریت نسبتاً کاهش می یابد و تعداد پرلیت افزایش می یابد. در این زمان فریت شبکه ای و هلالی شکل است.

2. آستنیت

محلول جامد بینابینی که از حل کردن کربن در فواصل شبکه γ-Fe به وجود می‌آید آستنیت نامیده می‌شود که ساختار مکعبی وجهی دارد و فازی با دمای بالا است که با نماد A نشان داده می‌شود.

آستنیت دارای حداکثر حلالیت 2.11% C در 1148 ℃ و محلول جامد 0.77% C در 727 ℃ است. استحکام و سختی بالاتر از فریت، پلاستیسیته و چقرمگی خوب، و غیر مغناطیسی، خواص مکانیکی خاص و محتوای کربن و دانه ها.

فولاد TRIP (فولاد پلاستیکی) فولادی است که بر اساس انعطاف پذیری و انعطاف پذیری خوب آستنیتی ساخته شده است. از تبدیل ناشی از کرنش و پلاستیسیته ناشی از تبدیل آستنیت حفظ شده برای افزایش انعطاف پذیری صفحه فولادی و بهبود شکل دهی صفحه فولادی استفاده می کند. عملکرد آستنیت موجود در فولاد ساختاری کربنی یا آلیاژی در طی فرآیند خنک‌سازی به فازهای دیگر تبدیل می‌شود. تنها پس از اینکه فولاد پرکربن و فولاد کربن دار در دمای بالا کربوره و خاموش شدند، آستنیت می تواند در شکاف های مارتنزیت باقی بماند. ساختار متالوگرافی سفید است زیرا به راحتی خورده نمی شود.

3. سیمانیت

سمنتیت یک ترکیب فلزی است که توسط کربن و آهن به نسبت معینی سنتز می شود. با فرمول مولکولی Fe3C نشان داده می شود. محتوای کربن آن 6.69٪ است و در آلیاژ (Fe, M) 3C تشکیل می شود. سیمانیت سخت و شکننده است، انعطاف پذیری و چقرمگی ضربه تقریباً صفر است، شکنندگی بسیار زیاد است، سختی 800HB است. اغلب در داخل شبکه، نیمه شبکه، پولک، پوسته سوزنی و دانه ای در فولاد توزیع می شود.

4. پرلیت

مخلوط مکانیکی متشکل از فریت و سمنتیت پرلیت نامیده می شود و با نماد P نشان داده می شود. خواص مکانیکی آن بین فریت و سمنتیت، با استحکام بالا، سختی متوسط ​​و درجه خاصی از پلاستیسیته است.

پرلیت محصول تبدیل یوتکتوئید فولاد است و شکل آن به این صورت است که فریت و سمنتیت به طور متناوب شبیه اثر انگشت هستند و به صورت لایه‌ای قرار گرفته‌اند. با توجه به توزیع کاربیدها می توان آن را به دو نوع پرلیت پولکی و پرلیت کروی تقسیم کرد.

(1) پرلیت پولکی: می توان آن را به سه نوع تقسیم کرد: پوسته پوسته درشت، پولک متوسط ​​و پولک ریز.

(2) پرلیت کروی: سمنتیت با بازپخت کروی به دست می آید و به شکل کروی روی ماتریکس فریت توزیع می شود. اندازه کروی های سمنتیت به فرآیند بازپخت کروی، به ویژه سرعت سرد شدن بستگی دارد. پرلیت کروی را می توان به چهار نوع پرلیت تقسیم کرد: کره درشت، کره، کره ریز و نقطه.

5. بینیت

این محصول تبدیل آستنیت فولادی در زیر ناحیه تبدیل پرلیت و بالای نقطه Ms در ناحیه دمای متوسط ​​است. بینیت مخلوطی مکانیکی از فریت و سمنتیت است که ساختاری بین پرلیت و مارتنزیت است که با نماد B نشان داده شده است.

با توجه به دماهای مختلف سازند، آن را به بینیت دانه‌ای، بینیت بالایی (B بالایی) و بینیت پایینی (B پایینی) تقسیم می‌کنند.

بینیت گرانول دارای استحکام کم اما چقرمگی خوب است. بینیت پایینی دارای استحکام بالا و چقرمگی خوب است. بینیت دانه ای بدترین چقرمگی را دارد. شکل بینیت قابل تغییر است. بینیت را از منظر ویژگی های شکل می توان به سه نوع پر مانند، سوزنی و دانه ای تقسیم کرد.

(1) بینیت بالایی: ویژگی بینیت بالایی این است که نوارهای فریت تقریباً به صورت موازی قرار گرفته اند و نوارهای نازک (یا میله ای شکل) سیمانیت به موازات محور سوزن فریت که پر هستند وجود دارد. شکل

(2) بینیت پایینی: به شکل سوزن های نازک است و جهت خاصی دارد و نسبت به مارتنزیت خاموش شده مستعد خوردگی است و بسیار شبیه به مارتنزیت معتدل است که تشخیص آن در میکروسکوپ نوری بسیار دشوار است و تشخیص آن در زیر میکروسکوپ الکترونی آسان است. کاربیدها در فریت سوزنی شکل رسوب می کنند و هم ترازی آنها با محور بلند ورقه فریت زاویه 55 تا 60 درجه است. در بینیت تحتانی هیچ دوقلو وجود ندارد و دررفتگی بیشتر است.

(3) بینیت دانه ای: شکل آن معادل فریت چند ضلعی است و ساختارهای جزیره مانند زیادی در داخل آن وجود دارد. هنگامی که آستنیت فولاد کمی بالاتر از دمای تشکیل بینیت فوقانی سرد می‌شود، بخشی از اتم‌های کربن موجود در فریت رسوب‌شده از فریت و از طریق مرز فاز فریت/آستنیت به آستنیت مهاجرت می‌کنند، به طوری که آستنیت به‌طور نابرابر غنی از کربن است، به‌طوری‌که تبدیل شدن آن از حالت فشرده‌تر به بالا به بالا تبدیل می‌شود. این نواحی آستنیتی معمولاً به شکل جزایری هستند که دانه ای یا دراز هستند و روی ماتریکس فریت پخش می شوند. در طی فرآیند خنک‌سازی مداوم، با توجه به ترکیب آستنیت و شرایط خنک‌سازی، آستنیت در دانه‌ها می‌تواند رخ دهد که تغییرات متعددی به شرح زیر است.

1) به طور کامل یا جزئی به فریت و کاربید تجزیه می شود. در زیر میکروسکوپ الکترونی، توده های دانه ای، میله ای شکل یا کوچکی از کاربیدها که در جهات مختلف توزیع شده اند دیده می شود.

2) بخشی از آن به مارتنزیت تبدیل می شود که در زیر میکروسکوپ نوری مایل به زرد است.

3) هنوز آستنیت غنی از کربن حفظ می شود.

ماتریس فریت در بینیت دانه ای با کاربیدهای دانه ای پوشیده شده است (ساختار جزیره کوچک در ابتدا آستنیت غنی از کربن بود که وقتی سرد شد یا به مارتنزیت یا ذرات آستنیت کربن هنوز غنی تبدیل شد به فریت و کاربید تجزیه می شد). بینیت پر مانند، ماتریس فریت است و کاربیدهای نوار مانند در لبه ورقه فریت رسوب می کنند. بینیت پایین، فریت سوزنی شکل با کاربیدهای پوسته پوسته کوچک پوشیده شده است و محور طولانی کاربیدهای پوسته پوسته تقریباً 55 تا 60 درجه روی فریت است.

6. سازمان حکمت

این یک نوع ساختار فوق گرم است که با وارد کردن قطعات سوزنی فریت که یکدیگر را با زاویه حدود 60 درجه قطع می کنند در یک زمینه فولادی تشکیل می شود. ساختار درشت Widmanstatten باعث کاهش انعطاف پذیری و چقرمگی فولاد و افزایش شکنندگی می شود. فولاد هایپریوتکتوئیدی به دلیل گرم شدن بیش از حد بلورهای درشتی را تشکیل می دهد و در هنگام سرد شدن به سرعت رسوب می کند. بنابراین، علاوه بر بارش شبکه مانند در امتداد مرز دانه آستنیت، بخشی از فریت از مرز دانه به داخل دانه بریده می شود. مکانیسم تغییر شکل شکل می گیرد و در سوزن هایی مرتب می شود تا جدا شود. این نوع سازمان توزیع شده، سازمان ویدمن استاتن نامیده می شود. هنگامی که فولاد هایپریوتکتوئیدی فوق گرم سرد می شود، سمنتیت نیز سوزن هایی را تشکیل می دهد که از مرز دانه تا دانه گسترش می یابد تا ساختار Widmanstatten را تشکیل دهد.

7. مارتنزیت

محلول جامد فوق اشباع کربن در α-Fe مارتنزیت نامیده می شود. مارتنزیت دارای استحکام و سختی بالایی است، اما پلاستیسیته آن بسیار ضعیف و تقریباً صفر است. با علامت M نشان داده می شود و نمی تواند بار ضربه ای را تحمل کند. مارتنزیت محصول سرد شدن سریع آستنیت سرد شده و تغییر حالت برشی بین نقاط Ms و Mf است.

در این زمان، کربن (و عناصر آلیاژی) زمان انتشار ندارند، اما شبکه (مرکز صورت) γ-Fe به شبکه (مرکز بدن) α-Fe تبدیل می‌شود، یعنی محلول جامد (آستنیت) کربن در γ-Fe تبدیل می‌شود. با توجه به ویژگی های متالوگرافی مارتنزیت، می توان آن را به مارتنزیت لت (کم کربن) و مارتنزیت سوزنی تقسیم کرد.

(1) مارتنزیت لت: همچنین به عنوان مارتنزیت کم کربن شناخته می شود. نوارهای ریز مارتنزیت تقریباً به یک اندازه به موازات یکدیگر قرار می گیرند تا یک بسته مارتنزیت یا میدان مارتنزیت را تشکیل دهند. تفاوت زیادی در جهت گیری بین مزارع وجود دارد و چندین جهت مختلف را می توان در یک مزرعه دانه آستنیتی اصلی تشکیل داد.

از آنجایی که مارتنزیت لت در دمای بالاتری تشکیل می‌شود، در طی فرآیند خنک‌سازی به‌طور اجتناب‌ناپذیری خود تلطیف اتفاق می‌افتد و کاربیدها در داخل مارتنزیت تشکیل‌شده رسوب می‌کنند، بنابراین مستعد فرسایش و تیره شدن است.

(2) مارتنزیت سوزنی: همچنین به عنوان مارتنزیت پوسته پوسته یا مارتنزیت پر کربن شناخته می شود، ویژگی های اساسی آن عبارتند از: اولین ورقه مارتنزیت تشکیل شده در دانه آستنیت نسبتاً درشت است و اغلب از طریق کل دانه، دانه های آستنیت برای محدود کردن اندازه مارتنزیت تشکیل شده بعداً تقسیم می شود، بنابراین اندازه مارتنزیت پوسته پوسته متفاوت است.

مارتنزیت سوزنی شکل در جهت خاصی تشکیل می شود. یک برآمدگی میانی در سوزن های مارتنزیت وجود دارد. هر چه محتوای کربن بیشتر باشد، مارتنزیت آشکارتر است. در همان زمان، آستنیت سفید باقی مانده بین مارتنزیت وجود دارد.

(3) مارتنزیت تشکیل شده پس از کوئنچ نیز می تواند سه ساختار متالوگرافی خاص را پس از تمپر تشکیل دهد:

1) مارتنزیت تمپر شده: به مارتنزیت پوسته پوسته ای اطلاق می شود که در حین خاموش کردن ایجاد می شود (ساختار کریستالی بدن محور و چهار ضلعی است) که در مرحله اول تلطیف تجزیه می شود - کربن موجود در آن به صورت کاربیدهای انتقالی حل می شود - در ماتریس محلول جامد مرکزی (ساختار کریستالی بسیار ریز به بدنه پیچیده ای تبدیل شده است). تکه های کاربید (رابط با ماتریس یک رابط منسجم است).

در زیر میکروسکوپ متالوگرافی (نوری)، ساختار داخلی این سازه را نمی توان تشخیص داد حتی اگر تا حداکثر بزرگنمایی بزرگنمایی شود. فقط سوزن‌های سیاه (شکل سوزن‌های سیاه و مارتنزیت پوسته‌دار که در حین خاموش کردن ایجاد می‌شوند (همچنین به عنوان سوزن‌های سفید «α مارتنزیت» شناخته می‌شوند، اساساً یکسان هستند) و به این سوزن سیاه «مارتنزیت تمپر شده» می‌گویند.

2) تروستیت تمپر شده: محصول مارتنزیت خاموش شده پس از تلطیف دمای متوسط، که مشخصه آن این است: شکل سوزنی مارتنزیت به تدریج ناپدید می شود، اما هنوز به طور ضعیف قابل مشاهده است (فولاد آلیاژی حاوی کروم، فریت مجدد آلیاژ شده، دمای تبلور بالا است، بنابراین هنوز شکل سوزن را حفظ می کند). کاربیدهای رسوب شده کوچک هستند و تشخیص آنها در زیر میکروسکوپ نوری دشوار است. فقط در زیر میکروسکوپ الکترونی می توان ذرات کاربید را دید که بسیار راحت فرسایش می یابد و ساختار سیاه می شود.

اگر دمای تلطیف بالاتر از حد بالایی باشد یا زمان ماند کمی بیشتر باشد، سوزن ها سفید به نظر می رسند. در این زمان کاربیدها روی لبه های سوزن متمرکز می شوند و سختی فولاد کمتر و استحکام کاهش می یابد.

3) سوربات معتدل: محصول مارتنزیت خاموش شده پس از تلطیف در دمای بالا. ویژگی آن این است: ماتریس سوربات با کاربیدهای دانه ریز پوشیده شده است که می توان آنها را به وضوح در زیر میکروسکوپ نوری تشخیص داد. این نوع سازماندهی را سازماندهی خاموش و معتدل نیز می نامند، ترکیب خوبی از قدرت و صلابت دارد. هر چه کاربید دانه ای ریز روی فریت ریزتر باشد، سختی و استحکام بالاتر و چقرمگی بدتر است. برعکس، سختی و استحکام کمتر و چقرمگی بالاتر است.

8. لدبوریت

مخلوط یوتکتیک در آلیاژ آهن-کربن، یعنی آلیاژ آهن-کربن مایع با کسر جرمی کربن (محتوای کربن) 4.3٪. در دمای 1480 درجه سانتیگراد، مخلوط مکانیکی آستنیت و سمنتیت که همزمان از مایع متبلور شده اند، لدبوریت نامیده می شود که با نماد Ld نشان داده می شود.

از آنجایی که آستنیت در دمای 727 درجه سانتیگراد به پرلیت تبدیل می شود، لدبوریت در دمای اتاق از پرلیت و سمنتیت تشکیل شده است. برای تمایز، لدبوریت بالاتر از 727 درجه سانتیگراد، لدبوریت با دمای بالا (Ld) و لدبوریت زیر 727 درجه سانتیگراد، لدبوریت با دمای پایین (L'd) نامیده می شود. خواص لدبوریت مشابه سمنتیت، با سختی بالا و انعطاف پذیری ضعیف است.

بخشی از تصاویر این مقاله از اینترنت گرفته شده است و فقط برای یادگیری و ارجاع است. از آن برای مقاصد تجاری استفاده نکنید. در صورت وجود هرگونه تخلف، لطفاً با ما تماس بگیرید تا به موقع آن را حذف کنید!