De Impact van Austenietvorming op Staaleigenschappen

I. Austenietkorrelgrootte: De Kernbepaler van de "Sterkte-Taaiheid Balans" van Staal

1. Impact op Sterkte en Hardheid

• Fijnkorrelig austeniet: Gevormd via hoge nucleatiedichtheid (bijv. door sferoïdiserend gloeien of verwarming bij lage temperatuur), transformeert het in fijn naaldvormig martensiet (of fijn perliet in staal met een laag koolstofgehalte) na afschrikken. Het grote aantal korrelgrenzen in fijn martensiet belemmert effectief de beweging van dislocaties (korrelgrenzen fungeren als "barrières" voor dislocaties), waardoor de treksterkte, vloeigrens en hardheid aanzienlijk worden verbeterd.
  Voorbeeld: Voor 45# staal (staal met een gemiddeld koolstofgehalte) dat wordt onderworpen aan "verwarming bij 850°C (50°C boven Ac₃) + afschrikken in water", zijn de austenietkorrels fijn (ongeveer Graad 10), en het afgeschrikte martensiet is ook fijn, wat resulteert in een hardheid van HRC 55–58. Indien verwarmd tot 1000°C (oververhitting), worden de austenietkorrels grover (ongeveer Graad 3–4), wordt het afgeschrikte martensiet grof, en daalt de hardheid tot HRC 50–53.
• Grofkorrelig austeniet: Overmatig hoge verwarmingstemperaturen of langdurige houdtijden veroorzaken korrelvergroving, wat leidt tot grof lamellair martensiet na afschrikken. Dislocaties hebben de neiging zich op te hopen in grof martensiet, en het barrière-effect van korrelgrenzen verzwakt—wat resulteert in verminderde sterkte en hardheid. Bovendien is de vorming van "oververhitte microstructuren" (bijv. Widmanstätten structuur) waarschijnlijk, wat de prestaties verder verslechtert.

2. Impact op Taaiheid en Vervormbaarheid

• Fijnkorrelig austeniet: Daaropvolgende fase-transformatieproducten (fijn martensiet, fijn sorbiet) hebben korrelgrenzen die spanningsconcentraties verspreiden. Voortplanting van scheuren vereist het omzeilen van meer korrelgrenzen (langer pad), waardoor de kerfslagtaaiheid (αk), breuktaaiheid (KIC) en vervormbaarheid (verlenging, reductie van oppervlakte) aanzienlijk worden verbeterd.
  Voorbeeld: Voor afgeschrikt en gehard staal (bijv. 40Cr) dat wordt gebruikt in bouwmachines, als austenietkorrels worden verfijnd tot Graad 8 of fijner, kan de kerfslagtaaiheid na afschrikken en hoge-temperatuur temperen (500–600°C) meer dan 80 J/cm² bedragen. Als korrels grover worden tot Graad 5 of grover, kan de kerfslagtaaiheid dalen tot onder de 40 J/cm², waardoor het risico op brosse breuk bij lage temperatuur toeneemt.
• Grofkorrelig austeniet: Intergranulaire scheuren vormen zich gemakkelijk in grof martensiet, en de weerstand tegen scheurvoortplanting is laag—wat leidt tot een scherpe daling van de taaiheid. Vooral in omgevingen met lage temperaturen (bijv. onder -20°C) kan "niet-ductiele breuk" (brosse breuk) optreden, wat een belangrijke oorzaak is van het falen van mechanische componenten.

II. Austeniet Uniformiteit: Invloed op de Eigenschapsstabiliteit en Interne Spanning van Staal

1. Impact op Hardheid en Sterkte Uniformiteit

• Uniform austeniet: Koolstof en legeringselementen diffunderen volledig in austeniet, zonder lokale concentratieverschillen. Tijdens het daaropvolgende afschrikken vormen alle regio's synchroon martensiet (of andere fase-transformatie microstructuren), wat resulteert in een uniforme hardheidsverdeling (bijv. hardheidsverschil ≤ 2 HRC over verschillende delen van dezelfde component) en minimale sterktefluctuatie. Dit zorgt voor een uniforme spanningsverdeling in de component en voorkomt lokale spanningsconcentratie.
  Voorbeeld: Lagerstaal (GCr15) moet worden verwarmd tot 850–870°C met voldoende houdduur om een uniforme koolstofdiffusie in austeniet te garanderen. Na afschrikken is de oppervlakt hardheid uniform (HRC 60–62), wat een uniforme slijtage tijdens de werking van het lager garandeert en de levensduur verlengt.
• Niet-uniform austeniet: Onvoldoende verwarming (lage temperatuur, korte tijd) of grove initiële microstructuur leidt tot onvolledige koolstofdiffusie in austeniet, wat resulteert in "koolstofverrijkte regio's" (bijv. in de buurt van origineel cementiet) en "koolstofarme regio's" (bijv. originele ferrietregio's). Tijdens het daaropvolgende afschrikken:
  • Koolstofverrijkte regio's: Vormen martensiet met een hoog koolstofgehalte, dat een extreem hoge hardheid heeft maar een slechte taaiheid;
  • Koolstofarme regio's: Vormen martensiet met een laag koolstofgehalte of ferriet, dat een lage hardheid en een slechte sterkte heeft.
    Uiteindelijk veroorzaakt dit ernstige ongelijkmatigheid in de hardheid en sterkte van staal. Componenten zijn gevoelig voor vroegtijdige slijtage in regio's met lage hardheid of scheurvorming in brosse regio's met hoge hardheid.

2. Impact op Interne Spanning

• Componentvervorming (bijv. buigen, kromtrekken) en verminderde maatnauwkeurigheid;
• Ernstige gevallen: "Afschrik scheuren" (bijv. longitudinale scheuren vormen zich gemakkelijk in gereedschapsstaal met ongelijke verwarming), wat direct resulteert in het afkeuren van componenten.

III. Koolstofgehalte en Legeringselementen in Austeniet: Reguleren van de "Hardheid-Taaiheid Verhouding" van Staal

1. Impact van Koolstofgehalte (De Meest Kernfactor)

• Austeniet met een hoog koolstofgehalte (bijv. staal met een hoog koolstofgehalte met C > 0,6%): Transformeert in martensiet met een hoog koolstofgehalte na afschrikken (hoge koolstofoversaturatie, ernstige roostervervorming). Het heeft een extreem hoge hardheid (HRC 60–65) en een goede slijtvastheid, maar een slechte taaiheid (kerfslagtaaiheid < 20 J/cm²). Het is geschikt voor scenario's die een hoge hardheid en een lage impact vereisen (bijv. snijgereedschappen, matrijzen, lagers).
  Voorbeeld: T10 staal (C = 1,0%) wordt geaustenitiseerd (780–800°C) en afgeschrikt, waardoor een hardheid van HRC 62–64 wordt bereikt, waardoor het geschikt is voor het produceren van handzaagbladen.
• Austeniet met een gemiddeld koolstofgehalte (bijv. staal met een gemiddeld koolstofgehalte met C = 0,25%–0,6%): Transformeert in martensiet met een gemiddeld koolstofgehalte na afschrikken. Na temperen (bijv. hoge-temperatuur temperen bij 500–600°C) wordt het omgezet in "sorbiet", dat een balans vormt tussen hoge sterkte (σb = 800–1200 MPa) en goede taaiheid (αk = 40–80 J/cm²). Dit is de typische staat van constructiestaal (bijv. assen, tandwielen).
  Voorbeeld: 45# staal ondergaat afschrikken en temperen (austenitisatie bij 840°C + afschrikken + temperen bij 550°C), waardoor een sterkte van ongeveer 900 MPa en een kerfslagtaaiheid van ongeveer 60 J/cm² wordt bereikt, waardoor het geschikt is voor het produceren van machinegereedschapspindels.
• Austeniet met een laag koolstofgehalte (bijv. staal met een laag koolstofgehalte met C 100 J/cm²) en goede vervormbaarheid (verlenging > 15%). Het is geschikt voor scenario's die een hoge taaiheid en slagvastheid vereisen (bijv. armen van bouwmachines, auto frames).
  Voorbeeld: Q355 staal (C ≈ 0,18%) wordt afgeschrikt na austenitisatie bij lage temperatuur (880–920°C) om martensiet met een laag koolstofgehalte te verkrijgen, waardoor het geschikt is voor het produceren van constructiecomponenten die worden blootgesteld aan impactbelastingen.

2. Impact van Legeringselementen

• Korrelverfijnende elementen (Ti, Nb, V): Vormen fijne carbiden (bijv. TiC, NbC) die de austenietkorrelgroei voorkomen, wat resulteert in fijnkorrelig austeniet. Na afschrikken verbetert dit de sterkte en taaiheid van staal (bijv. microgelegeerd hoogsterkte staal Q690, dat Nb toevoegt om korrels te verfijnen, waardoor een sterkte van meer dan 690 MPa wordt bereikt met behoud van uitstekende taaiheid).
• Taaiheid-verbeterende elementen (Ni): Ni verlaagt de martensiettransformatie temperatuur (Ms-punt), vermindert de brosheid van martensiet en verfijnt de martensietmicrostructuur—waardoor staal met een hoog koolstofgehalte een hoge hardheid kan behouden en tegelijkertijd de taaiheid wordt verbeterd (bijv. matrijzenstaal Cr12MoV met toegevoegd Ni, waarvan de kerfslagtaaiheid met meer dan 30% toeneemt).
• Slijtvastheid-verbeterende elementen (Cr, Mo): Cr en Mo vormen slijtvaste carbiden (bijv. Cr₇C₃, Mo₂C). Deze carbiden lossen gedeeltelijk op tijdens austenitisatie en precipiteren na afschrikken en temperen, waardoor de slijtvastheid van staal aanzienlijk wordt verbeterd (bijv. slijtvast staal NM450, dat Cr en Mo toevoegt, waardoor het slijtverlies met 50% wordt verminderd in vergelijking met gewoon staal).

IV. Austenietstabiliteit: Invloed op de Maatvastheid en Warmtebehandelingsprocesaanpassing van Staal

1. Impact op Maatvastheid

• Zeer stabiel austeniet: Neigt ertoe om restausteniet (austeniet dat niet is getransformeerd in martensiet) te vormen tijdens afkoeling. Restausteniet transformeert langzaam in martensiet bij kamertemperatuur (gepaard met volumevergroting), waardoor "verouderingsvervorming" van componenten en verminderde maatnauwkeurigheid ontstaat (bijv. precisie matrijzen of meters met overmatig restausteniet kunnen na enkele maanden gebruik een maatvergroting van 0,1%–0,3% ervaren).
  Oplossing: Bevorder de transformatie van restausteniet in martensiet via "cryogene behandeling" (-80°C tot -196°C), of stabiliseer restausteniet via "lage-temperatuur temperen" (150–200°C) om daaropvolgende vervorming te minimaliseren.
• Laag-stabiel austeniet: Transformeert gemakkelijk volledig in martensiet tijdens afkoeling, met een laag restaustenietgehalte (< 5%). Componenten hebben een goede maatvastheid, waardoor ze geschikt zijn voor precisieonderdelen (bijv. lagers, tandwielen).

2. Impact op Warmtebehandelingsprocesaanpassing

• Zeer stabiel austeniet (bijv. gelegeerd staal): De C-curve verschuift naar rechts, waardoor de kritische afkoelsnelheid wordt verminderd. Oliekoeling (in plaats van waterkoeling) kan worden gebruikt om afschrikharding te bereiken, waardoor vervorming en scheuren veroorzaakt door afkoelspanning worden verminderd (bijv. 40Cr staal kan HRC 50–55 bereiken via olieafschrikken, terwijl 45# staal waterafschrikken vereist).
• Laag-stabiel austeniet (bijv. staal met een laag koolstofgehalte, puur ijzer): De C-curve verschuift naar links, wat resulteert in een hoge kritische afkoelsnelheid. Extreem snelle afkoeling (bijv. waterkoeling, sproeikoeling) is vereist om martensiet te verkrijgen; anders wordt perliet (lage hardheid) gemakkelijk gevormd. Dus de procesaanpassing is slecht (bijv. staal met een laag koolstofgehalte wordt meestal niet alleen afgeschrikt en vereist chemische warmtebehandeling zoals carboneren).

Conclusie: Austenietvorming is de "Broncontrole" van Staaleigenschappen

• Voor sterkte-taaiheid balans (bijv. constructiecomponenten), moet fijnkorrelig, uniform austeniet met een gemiddeld koolstofgehalte worden gecontroleerd;
• Voor hoge hardheid en slijtvastheid (bijv. gereedschappen, matrijzen), moet austeniet met een hoog koolstofgehalte en fijnkorrelig worden gecontroleerd;
• Voor hoge maatnauwkeurigheid (bijv. precisieonderdelen), moet austeniet met een laag restaustenietgehalte worden gecontroleerd.