Ferrita, Austenita, Cementita, Perlita, Bainita, Estructura de Widmanstatten, Martensita, Ledeburita... ¡Artículo todo en un solo!

Los materiales modernos se pueden dividir en cuatro categorías: metales, polímeros, cerámicas y materiales compuestos. A pesar del rápido desarrollo de los materiales poliméricos, el acero en materiales metálicos sigue siendo el material más utilizado y más importante en la tecnología de la ingeniería. Entonces, ¿qué factores determinan el predominio de los materiales de acero? Aquí hay una introducción detallada para los fanáticos del oro.

El acero se refina a partir del mineral de hierro, con fuentes abundantes y precios bajos. El acero, también conocido como aleación hierro-carbono, está compuesto por hierro (Fe), carbono (C), silicio (Si), manganeso (Mn), fósforo (P), azufre (S) y otras pequeñas cantidades de elementos de aleación (Cr, V, etc.). Ajustando el contenido de diversos elementos en el acero y el proceso de tratamiento térmico (cuatro fuegos: temple, recocido, revenido y normalizado), se pueden obtener una variedad de estructuras metalográficas, de modo que el acero tiene diferentes propiedades físicas.

El acero se muestrea, se pule, se pule y finalmente se corroe con un agente corrosivo específico. La estructura observada bajo un microscopio metalúrgico se llama estructura metalúrgica del acero. Los secretos de los materiales de acero se esconden en estas estructuras organizativas.

En el sistema Fe-Fe3C se pueden formular una variedad de aleaciones hierro-carbono con diferentes composiciones. Sus estructuras de equilibrio a diferentes temperaturas son diferentes, pero están compuestas por varias fases básicas (ferrita F, austenita A y cementita Fe3C). Estas fases básicas se combinan en forma de una mezcla mecánica para formar una estructura metalográfica colorida en acero. Hay ocho estructuras metalográficas comunes de la siguiente manera:

1. ferrita

La solución sólida intersticial formada al disolver carbono en los intersticios de la red α-Fe se llama ferrita, que tiene una estructura bcc y una distribución de grano poligonal equiaxial, que está representada por el símbolo F. Su estructura y propiedades son similares a las del hierro puro, con buena plasticidad y tenacidad, pero baja resistencia y dureza (30-100 HB).

En el acero aleado, es una solución sólida de carbono y elementos de aleación en α-Fe. La cantidad de carbono disuelto en α-Fe es muy baja. A la temperatura AC1, la cantidad máxima de carbono disuelto es 0,0218%, pero la solubilidad disminuye a 0,0084% a medida que disminuye la temperatura. Por lo tanto, el límite del grano de ferrita será el de Cementita y aparecerá tres veces. A medida que aumenta el contenido de carbono en el acero, la cantidad de ferrita se reduce relativamente y aumenta la cantidad de perlita. En este momento, la ferrita tiene forma de red y de media luna.

2. austenita

La solución sólida intersticial formada al disolver carbono en los intersticios de la red γ-Fe se llama austenita, que tiene una estructura cúbica centrada en las caras y es una fase de alta temperatura, que está representada por el símbolo A.

La austenita tiene una solubilidad máxima de 2,11% C a 1148 ℃ y una solución sólida de 0,77 % C a 727 ℃; mayor resistencia y dureza que la ferrita, buena plasticidad y tenacidad, y propiedades mecánicas específicas no magnéticas y contenido de carbono y granos. El tamaño está relacionado, generalmente 170 ~ 220 HBS, = 40 ~ 50%.

El acero TRIP (acero plastificado) es un acero desarrollado sobre la base de una buena plasticidad y flexibilidad de la austenita. Utiliza la transformación inducida por la deformación y la plasticidad inducida por la transformación de la austenita retenida para aumentar la plasticidad de la placa de acero y mejorar la conformación de la placa de acero. actuación. La austenita en acero estructural al carbono o aleado se transforma en otras fases durante el proceso de enfriamiento. Solo después de carburizar y enfriar el acero con alto contenido de carbono y el acero carburado a alta temperatura, la austenita puede permanecer en los espacios de la martensita. La estructura metalográfica es blanca porque no se corroe fácilmente.

3. cementita

La cementita es un compuesto metálico sintetizado por carbono y hierro en una determinada proporción. Está representado por la fórmula molecular Fe3C. Su contenido de carbono es del 6,69% ​​y forma (Fe, M)3C en la aleación. La cementita es dura y quebradiza, la plasticidad y la tenacidad al impacto son casi nulas, la fragilidad es muy alta y la dureza es 800 HB. A menudo se distribuye en forma de red, semired, escamas, escamas de agujas y granulares en el acero.

4. Perlita

La mezcla mecánica compuesta por ferrita y cementita se denomina perlita y está representada con el símbolo P. Sus propiedades mecánicas se encuentran entre ferrita y cementita, con alta resistencia, dureza moderada y cierto grado de plasticidad.

La perlita es el producto de transformación eutectoide del acero, y su forma es que la ferrita y la cementita tienen formas alternas como huellas dactilares y están dispuestas en capas. Según la distribución de los carburos, se pueden dividir en dos tipos: perlita en escamas y perlita esférica.

(1) Perlita en escamas: se puede dividir en tres tipos: escamas gruesas, escamas medianas y escamas finas.

(2) Perlita esférica: obtenida mediante recocido esferoidal, la cementita se distribuye en esferoides sobre la matriz de ferrita; El tamaño de los esferoides de cementita depende del proceso de recocido esferoidizante, especialmente de la velocidad de enfriamiento. La perlita esférica se puede dividir en cuatro tipos de perlita: esfera gruesa, esfera, esfera fina y punteada.

5. bainita

Es el producto de la transformación de la austenita del acero por debajo de la zona de transformación de perlita y por encima del punto Ms en la zona de temperatura media. La bainita es una mezcla mecánica de ferrita y cementita, una estructura entre perlita y martensita, representada por el símbolo B.

Según las diferentes temperaturas de formación, se divide en bainita granular, bainita superior (B superior) y bainita inferior (B inferior).

La bainita granular tiene poca resistencia pero buena tenacidad; la bainita inferior tiene alta resistencia y buena tenacidad; La bainita granular tiene la peor tenacidad. La forma de la bainita es variable. Desde la perspectiva de las características de la forma, la bainita se puede dividir en tres tipos: pluma, aguja y granular.

(1) Bainita superior: la característica de la bainita superior es que las tiras de ferrita están dispuestas aproximadamente en paralelo, y hay tiras delgadas (o cortas en forma de varilla) de cementita paralelas al eje de la aguja de ferrita, que son plumas. forma.

(2) Bainita inferior: tiene forma de agujas finas y cierta orientación, y es más susceptible a la corrosión que la martensita templada, muy similar a la martensita templada, que es extremadamente difícil de distinguir con un microscopio óptico y fácil de distinguir con un microscopio electrónico; Los carburos precipitan en la ferrita acicular y su alineación forma un ángulo de 55 a 60 grados con el eje longitudinal de la lámina de ferrita. No hay maclas en la bainita inferior y hay más dislocaciones.

(3) Bainita granular: la forma es equivalente a la ferrita poligonal y hay muchas estructuras irregulares en forma de islas en su interior. Cuando la austenita del acero se enfría a una temperatura ligeramente superior a la temperatura superior de formación de bainita, una parte de los átomos de carbono en la ferrita precipitada migrarán desde la ferrita y a través del límite de fase ferrita/austenita hacia la austenita, de modo que la austenita es desigualmente rica en carbono, de modo que se suprime la transformación de austenita a ferrita. Estas regiones de austenita generalmente tienen forma de islas, granulares o alargadas y distribuidas sobre la matriz de ferrita. Durante el proceso de enfriamiento continuo, según la composición de la austenita y las condiciones de enfriamiento, la austenita en los granos puede ocurrir. Varios cambios son los siguientes.

1) Descompuesto total o parcialmente en ferrita y carburo. Bajo el microscopio electrónico se pueden observar grumos granulares, en forma de varillas o pequeños de carburos distribuidos en múltiples direcciones;

2) Parte de ella se transforma en martensita, que al microscopio óptico adquiere un color amarillento;

3) Seguir manteniendo la austenita rica en carbono.

La matriz de ferrita en la bainita granular está cubierta con carburos granulares (la estructura de la pequeña isla era originalmente austenita rica en carbono, que se descomponía en ferrita y carburos cuando se enfriaba o se transformaba en martensita o partículas de austenita aún ricas en carbono). Bainita con forma de pluma, la matriz es ferrita y los carburos en forma de tiras precipitan en el borde de la lámina de ferrita. La ferrita acicular de bainita inferior está cubierta con pequeños carburos escamosos, y el eje largo de los carburos escamosos está aproximadamente entre 55 y 60 grados en la ferrita.

6. Organización de la sabiduría

Es un tipo de estructura sobrecalentada, que se forma insertando piezas de agujas de ferrita que se cruzan entre sí en un ángulo de aproximadamente 60 grados en una matriz de acero. La tosca estructura de Widmanstatten reduce la plasticidad y tenacidad del acero y aumenta la fragilidad. El acero hipereutectoide forma cristales gruesos debido al sobrecalentamiento cuando se calienta y precipita rápidamente cuando se enfría. Por lo tanto, además de la precipitación en forma de red a lo largo del límite del grano de austenita, una parte de la ferrita se corta desde el límite del grano hacia el interior del grano. El mecanismo de deformación se forma y dispone en agujas para separarse. Este tipo de organización distribuida se denomina organización de Widmanstatten. Cuando el acero hipereutectoide sobrecalentado se enfría, la cementita también formará agujas que se extenderán desde el límite del grano hasta el grano para formar la estructura de Widmanstatten.

7. martensita

La solución sólida sobresaturada de carbono en α-Fe se llama martensita. La martensita tiene gran resistencia y dureza, pero su plasticidad es muy pobre, casi nula. Está indicado con el símbolo M y no puede soportar cargas de impacto. La martensita es el producto del rápido enfriamiento de la austenita subenfriada y la transformación del modo de corte entre los puntos Ms y Mf.

En este momento, el carbono (y los elementos de aleación) no tienen tiempo de difundirse, pero la red (centro de la cara) de γ-Fe se transforma en la red (centro del cuerpo) de α-Fe, es decir, la solución sólida (austenita) de carbono en γ-Fe se transforma. Es una solución sólida de carbono en α-Fe, por lo que la transformación de martensita es "no difusión". Según las características metalográficas de la martensita, se puede dividir en martensita en listón (baja en carbono) y martensita acicular.

(1) Martensita de listón: también conocida como martensita baja en carbono. Las finas tiras de martensita de aproximadamente el mismo tamaño se alinean en paralelo para formar un haz de martensita o un campo de martensita; existe una gran diferencia en la orientación entre campos y se pueden formar varias orientaciones diferentes en un único campo de granos de austenita original.

Dado que la martensita en listón se forma a una temperatura más alta, inevitablemente se producirá un autotemplado durante el proceso de enfriamiento y los carburos se precipitarán dentro de la martensita formada, por lo que es susceptible a la erosión y al oscurecimiento.

(2) Martensita acicular: también conocida como martensita en escamas o martensita con alto contenido de carbono, sus características básicas son: la primera lámina de martensita formada en un grano de austenita es relativamente gruesa y, a menudo, en todo el grano, los granos de austenita se dividen para limitar el tamaño de la martensita formada más tarde, por lo que el tamaño de la martensita en escamas es diferente y la distribución es irregular.

La martensita en forma de aguja se forma en una determinada orientación. Hay una cresta media en las agujas de martensita. Cuanto mayor es el contenido de carbono, más evidente es la martensita. Al mismo tiempo, entre la martensita se encuentra una austenita blanca retenida.

(3) La martensita formada después del templado también puede formar tres estructuras metalográficas especiales después del templado:

1) Martensita templada: se refiere a la martensita en escamas formada durante el enfriamiento (la estructura cristalina está centrada en el cuerpo y tetragonal), que se descompone en la primera etapa del templado; el carbono que contiene se desolvata en forma de carburos de transición formados. En la matriz de la solución sólida (la estructura cristalina se ha vuelto cúbica centrada en el cuerpo), hay una estructura compleja de escamas de carburo de transición extremadamente finas (la interfaz con la matriz es una interfaz coherente);

Bajo un microscopio metalográfico (óptico), la estructura interna de esta estructura no se puede distinguir incluso si se amplía al máximo. Solo agujas negras (la forma de las agujas negras y la martensita escamosa formada durante el enfriamiento (también conocida como Las agujas blancas de "martensita α" son básicamente las mismas), y esta aguja negra se llama "martensita templada".

2) Troostita templada: el producto de la martensita templada después del revenido a temperatura intermedia, que se caracteriza por: la forma acicular de la martensita desaparecerá gradualmente, pero aún es apenas visible (acero aleado que contiene cromo, ferrita realeada La temperatura de cristalización es alta, por lo que aún mantiene la forma de aguja). Los carburos precipitados son pequeños y difíciles de distinguir bajo el microscopio óptico. Sólo bajo el microscopio electrónico se pueden ver las partículas de carburo, que se erosionan muy fácilmente y la estructura se vuelve negra.

Si la temperatura de templado es superior al límite superior o el tiempo de retención es ligeramente más largo, las agujas aparecerán blancas; en este momento, los carburos se concentran en los bordes de las agujas, la dureza del acero será menor y la resistencia disminuirá.

3) Sorbato templado: producto de la martensita templada después del revenido a alta temperatura. Su característica es: la matriz de sorbato está recubierta de carburos granulares finos, que se pueden distinguir claramente al microscopio óptico. Este tipo de organización también se llama organización apagada y templada, tiene una buena combinación de fuerza y ​​dureza. Cuanto más fino sea el carburo granular fino de la ferrita, mayor será la dureza y resistencia, y peor será la tenacidad; por el contrario, cuanto menor sea la dureza y la resistencia, y mayor la tenacidad.

8. ledeburita

La mezcla eutéctica en la aleación hierro-carbono, es decir, la aleación líquida hierro-carbono con una fracción másica de carbono (contenido de carbono) del 4,3%. A 1480 ℃, la mezcla mecánica de austenita y cementita cristalizada en el líquido al mismo tiempo se llama ledeburita, representada por el símbolo Ld.

Dado que la austenita se transforma en perlita a 727°C, la ledeburita se compone de perlita y cementita a temperatura ambiente. En aras de la distinción, la ledeburita por encima de 727 °C se llama ledeburita de alta temperatura (Ld), y la ledeburita por debajo de 727 °C se llama ledeburita de baja temperatura (L'd). Las propiedades de la ledeburita son similares a las de la cementita, con alta dureza y escasa plasticidad.

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