Феррит, аустенит, цементит, жемчуг, бейнит, видманстаттен, мартенсайт, ледебурит... Все в одной статье!

Современные материалы можно разделить на четыре категории – металлы, полимеры, керамика и композиционные материалы. Несмотря на бурное развитие полимерных материалов, сталь в металлических материалах по-прежнему остается наиболее широко используемым и важнейшим материалом в машиностроительных технологиях. Итак, какие факторы определяют доминирование стальных материалов. Вот подробное введение для любителей золота.

Сталь производят из железной руды, которая имеет обильные источники и низкие цены. Сталь, также известная как железо-углеродистый сплав, состоит из железа (Fe), углерода (C), кремния (Si), марганца (Mn), фосфора (P), серы (S) и других небольших количеств элементов (Cr, V и т. д.). Сплав. Регулируя содержание различных элементов в стали и процесс термообработки (четыре огня: закалка, отжиг, отпуск и нормализация) можно получить разнообразные металлографические структуры, благодаря чему сталь имеет различные физические свойства.

Сталь отбирается, полируется, полируется и, наконец, подвергается коррозии с помощью специального коррозионного агента. Структура, наблюдаемая под металлургическим микроскопом, называется металлургической структурой стали. В этих организационных структурах скрыты секреты стальных материалов.

В системе Fe-Fe3C можно получить множество железо-углеродных сплавов различного состава. Их равновесные структуры при разных температурах различны, но они состоят из нескольких основных фаз (феррит F, аустенит А и цементит Fe3C) состава. Эти основные фазы объединяются в виде механической смеси, образуя в стали красочную металлографическую структуру. Существует восемь распространенных металлографических структур:

1. Феррит

Твердый раствор внедрения, образующийся при растворении углерода в междоузлиях решетки α-Fe, называется ферритом, который имеет ОЦК-структуру и равноосное полигональное распределение зерен, что обозначается символом F. Его структура и свойства аналогичны таковым у чистого железа, с хорошей пластичностью и вязкостью, но низкой прочностью и твердостью (30-100 НВ).

В легированной стали это твердый раствор углерода и легирующих элементов в α-Fe. Количество углерода, растворенного в α-Fe, очень мало. При температуре АС1 максимальное количество растворенного углерода составляет 0,0218%, но с понижением температуры растворимость снижается до 0,0084%. Следовательно, граница ферритного зерна будет цементитной, появляющейся трижды. По мере увеличения содержания углерода в стали количество феррита относительно уменьшается, а количество перлита увеличивается. В это время феррит имеет сетчатую и серповидную форму.

2. Аустенит

Твердый раствор внедрения, образующийся при растворении углерода в междоузлиях решетки γ-Fe, называется аустенитом, который имеет гранецентрированную кубическую структуру и представляет собой высокотемпературную фазу, которая обозначается символом А.

Аустенит имеет максимальную растворимость 2,11% C при 1148 ℃ и твердый раствор 0,77% C при 727 ℃; более высокая прочность и твердость, чем у феррита, хорошая пластичность и ударная вязкость, а также немагнитность, особые механические свойства, содержание углерода и зерен. Размер связан, обычно 170 ~ 220 HBS, = 40 ~ 50%.

TRIP-сталь (пластифицированная сталь) — это сталь, разработанная на основе хорошей пластичности и гибкости аустенита. Он использует трансформацию, вызванную деформацией, и пластичность остаточного аустенита, вызванную трансформацией, для увеличения пластичности стальной пластины и улучшения ее формования. производительность. Аустенит в углеродистой или легированной конструкционной стали в процессе охлаждения переходит в другие фазы. Только после науглероживания и закалки при высокой температуре высокоуглеродистой и науглероженной стали в мартенситных зазорах может оставаться аустенит. Металлографическая структура белая, потому что она не подвержена коррозии.

3. Цементит

Цементит – соединение металла, синтезированное углеродом и железом в определенном соотношении. Он представлен молекулярной формулой Fe3C. Содержание углерода в нем составляет 6,69% ​​и образует в сплаве (Fe, M)3C. Цементит тверд и хрупок, пластичность и ударная вязкость практически нулевые, хрупкость очень высокая, твердость 800НВ. В стали он часто распространен в сетчатой, полусетчатой, чешуйчатой, игольчато-чешуйчатой ​​и зернистой форме.

4. Перлит

Механическая смесь, состоящая из феррита и цементита, называется перлитом и обозначается символом P. Ее механические свойства находятся между ферритом и цементитом, с высокой прочностью, умеренной твердостью и определенной степенью пластичности.

Перлит — это продукт эвтектоидного превращения стали, его форма заключается в том, что феррит и цементит попеременно имеют форму отпечатков пальцев и расположены слоями. По распределению карбидов его можно разделить на два типа: чешуйчатый перлит и сферический перлит.

(1) Чешуйчатый перлит: его можно разделить на три типа: крупные чешуйки, средние чешуйки и мелкие чешуйки.

(2) Сферический перлит: полученный сфероидизирующим отжигом, цементит распределен в сфероиды на ферритной матрице; Размер сфероидов цементита зависит от процесса сфероидизирующего отжига, особенно от скорости охлаждения. Сферический перлит можно разделить на четыре типа перлита: грубая сфера, сфера, мелкая сфера и точка.

5. Бейнит

Это продукт трансформации аустенита стали ниже зоны перлитного преобразования и выше точки Ms в зоне средней температуры. Бейнит — это механическая смесь феррита и цементита, структура между перлитом и мартенситом, обозначенная символом B.

В зависимости от температуры образования его подразделяют на зернистый бейнит, верхний бейнит (верхний B) и нижний бейнит (нижний B).

Зернистый бейнит имеет низкую прочность, но хорошую ударную вязкость; нижний бейнит обладает как высокой прочностью, так и хорошей ударной вязкостью; наихудшую вязкость имеет зернистый бейнит. Форма бейнита изменчива. По характеристикам формы бейнит можно разделить на три типа: перьевой, игольчатый и зернистый.

(1) Верхний бейнит: характеристикой верхнего бейнита является то, что ферритовые полоски расположены примерно параллельно, а также имеются тонкие полоски (или короткие стержнеобразные) цементита, параллельные оси ферритовой иглы, которые представляют собой перья. форма.

(2) Нижний бейнит: он имеет форму тонких игл, имеет определенную ориентацию и более подвержен коррозии, чем закаленный мартенсит, очень похож на отпущенный мартенсит, который чрезвычайно трудно различить под световым микроскопом и легко различить под электронным микроскопом; Карбиды осаждаются в игольчатом феррите и располагаются под углом от 55 до 60 градусов к длинной оси ферритового листа. В нижнем бейните двойников нет, а дислокаций больше.

(3) Зернистый бейнит: форма аналогична полигональному ферриту, внутри имеется множество неправильных островообразных структур. Когда аустенит стали охлаждается до температуры, немного превышающей температуру образования верхнего бейнита, часть атомов углерода в осажденном феррите будет мигрировать из феррита и через границу фаз феррит/аустенит в аустенит, так что аустенит неравномерно богат углеродом, так что превращение аустенита в феррит подавляется. Эти аустенитные области обычно имеют форму островков, которые являются зернистыми или удлиненными и распределены на ферритной матрице. Во время непрерывного процесса охлаждения, в зависимости от состава аустенита и условий охлаждения, в зернах может произойти несколько изменений.

1) Полностью или частично разлагается на феррит и карбид. Под электронным микроскопом можно увидеть гранулированные, стержнеобразные или небольшие комочки карбидов, распределенные в разных направлениях;

2) Часть его превращается в мартенсит, желтоватый под световым микроскопом;

3) Сохранение богатого углеродом аустенита.

Ферритная матрица в зернистом бейните покрыта зернистыми карбидами (небольшая островковая структура изначально представляла собой богатый углеродом аустенит, который при охлаждении разложился на феррит и карбиды или превратился в мартенсит или все еще богатые углеродом аустенитные частицы). Бейнит перьевой формы, матрица — феррит, по краю ферритового листа выделяются полосчатые карбиды. Нижний бейнит, игольчатый феррит, покрыт мелкими чешуйчатыми карбидами, а длинная ось чешуйчатых карбидов составляет примерно от 55 до 60 градусов по отношению к ферриту.

6. Мудрость организации

Это своего рода перегретая структура, которая образуется путем вставки в стальную матрицу кусков ферритовой иглы, пересекающихся друг с другом под углом около 60 градусов. Крупная видманштеттеновая структура снижает пластичность и вязкость стали и повышает хрупкость. Заэвтектоидная сталь образует крупные кристаллы из-за перегрева при нагревании и быстро выпадает в осадок при охлаждении. Поэтому, помимо сетчатых выделений по границе зерна аустенита, часть феррита срезается от границы зерна внутрь зерна. Механизм деформации формируется и размещается в иголках для отделения. Такая распределенная организация называется видманштеттеновой организацией. Когда перегретая заэвтектоидная сталь охлаждается, цементит также образует иглы, простирающиеся от границы зерна к зерну, образуя видманштеттенову структуру.

7. Мартенсит

Пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe называется мартенситом. Мартенсит обладает высокой прочностью и твердостью, но пластичность его очень плохая, почти нулевая. Обозначается символом М и не может выдерживать ударную нагрузку. Мартенсит является продуктом быстрого охлаждения переохлажденного аустенита и трансформации режима сдвига между точками Ms и Mf.

В это время углерод (и легирующие элементы) не успевают диффундировать, но решетка (центр грани) γ-Fe преобразуется в решетку (центр тела) α-Fe, то есть преобразуется твердый раствор (аустенит) углерода в γ-Fe. Это твердый раствор углерода в α-Fe, поэтому мартенситное превращение является «недиффузионным». По металлографическим характеристикам мартенсит можно разделить на реечный мартенсит (низкоуглеродистый) и игольчатый мартенсит.

(1) Реечный мартенсит: также известный как низкоуглеродистый мартенсит. Мелкие мартенситные полосы примерно одинакового размера выровнены параллельно, образуя мартенситный пучок или мартенситное поле; существует большая разница в ориентации между полями, и в одном исходном поле аустенитных зерен может образоваться несколько различных ориентаций.

Поскольку реечный мартенсит образуется при более высокой температуре, в процессе охлаждения неизбежно происходит самозакалка, а внутри образовавшегося мартенсита осаждаются карбиды, поэтому он подвержен эрозии и потемнению.

(2) Игольчатый мартенсит: также известный как чешуйчатый мартенсит или высокоуглеродистый мартенсит, его основные характеристики таковы: первый лист мартенсита, образующийся в аустенитном зерне, относительно крупный и часто по всему зерну аустенитные зерна разделяются, чтобы ограничить размер мартенсита, образующегося позже, поэтому размер чешуйчатого мартенсита различен и распределение неравномерно.

Игольчатый мартенсит образуется в определенной ориентации. В мартенситных иглах имеется средний гребень. Чем выше содержание углерода, тем более заметен мартенсит. В то же время между мартенситом остается белый остаточный аустенит.

(3) Мартенсит, образовавшийся после закалки, после отпуска также может образовывать три специальные металлографические структуры:

1) Отпущенный мартенсит: относится к чешуйчатому мартенситу, образующемуся при закалке (кристаллическая структура объемноцентрированная, тетрагональная), который разлагается на первой стадии отпуска - углерод в нем десольватируется в виде переходных карбидов - образуются В матрице твердого раствора (кристаллическая структура стала объемноцентрированной кубической) наблюдается сложная структура из чрезвычайно мелких чешуек переходных карбидов (граница раздела с матрицей — целостный интерфейс);

Под металлографическим (оптическим) микроскопом внутреннее строение этой структуры невозможно различить даже при максимальном увеличении. Только черные иглы (форма черных игл и чешуйчатого мартенсита, образующегося при закалке (также известного как белые иглы «α-мартенсита», в основном одинаковы), и эту черную иглу называют «отпущенным мартенситом».

2) Отпущенный троостит: продукт закаленного мартенсита после промежуточного отпуска, для которого характерно: игольчатая форма мартенсита постепенно исчезает, но она еще слабо видна (хромсодержащая легированная сталь, повторно легированный феррит. Температура кристаллизации высокая, поэтому он все еще сохраняет игольчатую форму). Выделившиеся карбиды малы по размеру и их трудно различить под световым микроскопом. Только под электронным микроскопом можно увидеть частицы карбида, которые очень легко поддаются эрозии и структура становится черной.

Если температура отпуска выше верхнего предела или время выдержки немного больше, иглы станут белыми; в это время карбиды концентрируются на краях игл, и твердость стали будет ниже, а прочность уменьшится.

3) Закаленный сорбат: продукт закаленного мартенсита после высокотемпературного отпуска. Его характеристика: матрица сорбата покрыта мелкозернистыми карбидами, которые хорошо различимы под световым микроскопом. Этот тип организации также называют закаленной и закаленной организацией, он имеет хорошее сочетание силы и стойкости. Чем мельче мелкозернистый карбид на феррите, тем выше твердость и прочность и тем хуже ударная вязкость; наоборот, чем ниже твердость и прочность, тем выше ударная вязкость.

8. ледебурит

Эвтектическая смесь в железоуглеродистом сплаве, то есть жидкий железоуглеродистый сплав с массовой долей углерода (содержанием углерода) 4,3%. При 1480 ℃ механическая смесь аустенита и цементита, кристаллизующаяся из жидкости одновременно, называется ледебуритом и обозначается символом Ld.

Поскольку аустенит превращается в перлит при 727°С, ледебурит при комнатной температуре состоит из перлита и цементита. Ледебурит при температуре выше 727°С называют высокотемпературным ледебуритом (Ld), а ледебурит ниже 727°С — низкотемпературным ледебуритом (L'd). По свойствам ледебурит близок к цементиту, отличается высокой твердостью и плохой пластичностью.

ЧАСТЬ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ЭТОЙ СТАТЬЕ ВЗЯТЫ ИЗ ИНТЕРНЕТА И ПРЕДНАЗНАЧЕНЫ ТОЛЬКО ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ И СПРАВКИ. НЕ ИСПОЛЬЗУЙТЕ ЕГО В КОММЕРЧЕСКИХ ЦЕЛЯХ. ЕСЛИ ЕСТЬ КАКОЕ-ЛИБО НАРУШЕНИЕ ПРАВ, ПОЖАЛУЙСТА, СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ, ЧТОБЫ УДАЛИТЬ ЕГО ВОВРЕМЯ!