Чтобы получить стальное изделие с желаемыми свойствами, основные металлургические принципы используются для управления тремя вещами:
Композиция > Обработка > Микроструктура = Cвойства
Это означает, что состав стали и маршрут обработки должны тщательно контролироваться, чтобы получить надлежащую микроструктуру. Конечная микроструктура имеет первостепенное значение при определении свойств стального продукта. В этом разделе будет рассмотрено, как развиваются различные микроструктуры и уникальные характеристики каждого микроструктурного компонента в стали. В следующем разделе будет обсуждаться, как состав сплава также играет важную роль.
Диаграмма равновесия железа с углеродом.
Поскольку большинство сталей содержат углерод, основные принципы развития микроструктуры можно объяснить диаграммой равновесия железо-углерод. Эта диаграмма, показанная на рис. 1, представляет собой карту фаз, которые существуют в железе при различных содержаниях углерода и температурах в условиях равновесия. Железо представляет собой интересный химический элемент, поскольку он подвергается трехфазным изменениям при нагревании от комнатной температуры до жидкости.
Например, от комнатной температуры до 912°С чистое железо существует в виде феррита (также называемого альфа-железом), с 912 до 1394°С оно существует в виде аустенита (гамма-железа), с 1394 до 1538°С оно снова существует в виде феррита (дельта). железа), а при температуре выше 1538∘C это жидкость. Другими словами, при нагревании железо претерпевает аллотропно-фазовые превращения из феррита в аустенит при 912°С, аустенит в феррит при 1394°С и феррит в жидкость при 1538°С. Каждое превращение претерпевает изменение в кристаллической структуре или расположении атомов железа в кристаллической решетке. Следует помнить, что все химические элементы в их твердой форме имеют определенное расположение атомов, которые, по сути, являются основными строительными блоками при производстве элемента в форме, которую мы наблюдаем физически. Эти атомные структуры образуют решетчатую структуру, содержащую миллиарды атомов, систематически выровненных. Некоторые из этих решеток имеют кубическое расположение, с атомом в каждом углу куба и другим атомом в центре куба. Такое расположение называется телесно-центрированным кубическим (ОЦК). У других есть атом в каждом углу куба и атомы в центре каждой грани куба. Это называется гранецентрированная кубика (ГЦК). Другие расположения являются гексагональными, некоторые являются тетрагональными и т.д. например, чистое железо в виде феррита имеет ОЦК-структуру. Аустенит имеет ГЦК расположение. При нагревании ОЦК-феррит превращается в ГЦК-аустенит при 912∘C. Эти устройства или кристаллические структуры придают стали различные свойства. Например, ОЦК-ферритная нержавеющая сталь будет иметь свойства, значительно отличающиеся от ГЦК-аустенитной нержавеющей стали.
Рис. 1. Бинарно-фазовая диаграмма железо-углерод. (Источник: Сталь: Принципы термообработки и обработки, ASM International, Material Park, OH, 1990, стр. 2.) Перепечатано с разрешения ASM International.
Поскольку чистое железо очень мягкое и имеет низкую прочность, оно не представляет большого коммерческого интереса. Следовательно, углерод и другие легирующие элементы добавляются для улучшения свойств. Добавление углерода к чистому железу оказывает глубокое влияние на феррит и аустенит, как обсуждалось выше. Один из способов понять влияние углерода — изучить диаграмму железо-углерод (рис. 1). Это бинарная (двухэлементная) диаграмма температуры и состава (содержания углерода), построенная в условиях, близких к равновесным. На этой диаграмме при добавлении углерода в железо поля ферритной и аустенитной фаз расширяются и сжимаются в зависимости от уровня углерода и температуры. Также существуют поля, состоящие из двух фаз, например, феррит плюс аустенит.
Поскольку углерод имеет небольшой атомный диаметр по сравнению с железом, его называют элементом внедрения, поскольку он может заполнять промежутки между атомами железа в кубической решетке. Азот — это еще один элемент внедрения. С другой стороны, такие элементы, как марганец, кремний, никель, хром и молибден, имеют атомные диаметры, подобные железу, и называются замещающими легирующими элементами. Таким образом, эти замещающие элементы могут замещать атомы железа в углах куба, гранях или центральных положениях. Существует много бинарных фазовых диаграмм (Fe – Mn, Fe – Cr, Fe – Mo и т.д) и третичных фазовых диаграмм (Fe – C – Mn, Fe – C – Cr и т.д.), показывающих влияние промежуточного и элементы замещения на фазовых полях феррита и аустенита.
Mechanical Engineers’ Handbook, Materials and Engineering Mechanics
Zainab Raheem
researchgate.net/publication/334612135_Mechanical_Engineers%27_Handbook_Materials_and_Engineering_Mechanics