De transformatie van staal tijdens het afkoelen

De Transformatie van Staal Tijdens Afkoeling       

Afkoeling is een onmisbare stap in het warmtebehandelingsproces.        

Nadat een stalen onderdeel is verhit en op een bepaalde temperatuur is gehouden om austeniet met fijne en uniforme korrels te verkrijgen, wordt vervolgens afkoeling uitgevoerd.

• Onderkoeld Austeniet: Austeniet dat ongetransformeerd blijft (qua structuur) onder het kritieke punt A₁.
• Op dit punt transformeert onderkoeld austeniet niet onmiddellijk; in plaats daarvan bevindt het zich in een thermodynamisch onstabiele toestand (als een onstabiele structuur) en zal het uiteindelijk transformeren.
• Afhankelijk van de mate van onderkoeling (d.w.z. de verschillende transformatietemperaturen), ondergaat onderkoeld austeniet drie soorten transformatie:
• Perliet transformatie
• Bainiet transformatie
• Martensiet transformatie

• Transformatieconditie: Onderkoeld austeniet transformeert in een perlietachtige structuur binnen het temperatuurbereik van A₁ → 550°C.
• Transformatieproduct: Een mechanische mengselstructuur bestaande uit afwisselende lamellen van ferriet en cementiet.
• Perliet is een van de vijf meest fundamentele structuren in ijzer-koolstoflegeringen. Het wordt aangeduid met de letter "P" (van "Perliet"). De naam is afkomstig van de parelachtige glans.     
•   

Sorbiet (S)

Vormingstemperatuur: 650 ~ 600°C; het heeft relatief dunne lamellen, met een dikte van ongeveer 80 ~ 150 nm. De lamellen zijn moeilijk te onderscheiden onder een optische microscoop en kunnen alleen worden geïdentificeerd als de lamellaire structuur van ferriet en cementiet onder een optische microscoop met hoge vergroting (bij 800 ~ 1500× vergroting).

Troostiet (T)

Vormingstemperatuur: 600 ~ 550°C; het heeft extreem dunne lamellen, met een dikte van ongeveer 30 ~ 80 nm. De lamellaire kenmerken kunnen helemaal niet worden onderscheiden onder een optische microscoop en kunnen alleen worden geïdentificeerd onder een elektronenmicroscoop.

Austenitiseertemperatuur en austenietkorrelgrootte vóór transformatie beïnvloeden alleen de grootte van perlietkolonies, maar hebben geen invloed op de lamellaire afstand.

Van perliet (P) naar sorbiet (S) en vervolgens naar troostiet (T), hoe lager de temperatuur, hoe kleiner de lamellaire afstand en hoe hoger de sterkte en hardheid. Ze verschillen alleen in lamellaire fijnheid en eigenschappen, zonder wezenlijk onderscheid.

Net als het austenitiseringsproces tijdens het verwarmen, is het perliettransformatieproces tijdens het afkoelen ook een proces van nucleatie en groei in de vaste toestand.

Evenzo, vanwege de onregelmatige atomaire rangschikking aan korrelgrenzen, samen met meer defecten zoals vacatures en dislocaties, treedt atomaire herschikking gemakkelijk op, dus cementiet nucleeert eerst aan de austenietkorrelgrenzen.

Nadat cementiet nucleeert, begint het te groeien. Tijdens het groeiproces neemt het koolstofgehalte van het austeniet aan beide zijden van de cementiet af, wat de nucleatie van ferriet bevordert. De twee nucleëren en groeien afwisselend, waardoor meerdere lamellaire structuren worden gevormd die bestaan uit ferriet en Fe₃C.

Tegelijkertijd beginnen nucleatie en groei ook gelijktijdig in andere delen van de korrelgrenzen, waardoor meerdere perlietkolonies met verschillende oriëntaties worden gevormd.

Deze perlietkolonies groeien en versmelten tot een continue massa, en uiteindelijk wordt de hele structuur getransformeerd in perliet; dus de transformatie van onderkoeld austeniet naar perliet is voltooid.

Omdat ijzer- en koolstofatomen voldoende diffunderen als gevolg van de hoge temperatuur tijdens de transformatie van austeniet naar perliet, wordt dit proces een diffusietype transformatie genoemd.

• Transformatieconditie: Onderkoeld austeniet transformeert binnen het temperatuurbereik van 550°C ~ Ms. Voor eutectoïde staal is de Ms-temperatuur 230°C.
• Transformatieproduct: Een twee-fasen mechanisch mengsel van Fe₃C (cementiet) en koolstof-oververzadigd ferriet, aangeduid met de letter "B".
• In 1930 observeerden E.S. Davenport en E.C. Bain voor het eerst de metallografische structuur van het transformatieproduct in staal na isothermische transformatie bij gemiddelde temperatuur. Later, ter ere van Bains bijdragen, werd deze structuur "Bainiet" genoemd.
• Op basis van de verschillen in hun microstructurele morfologieën kan bainiet worden ingedeeld in:
• Bovenste Bainiet (B_u)
• Onderste Bainiet (B_l)

• Morfologie: Veerachtig.

   

  Discontinue staafvormige cementiet (Fe₃C) is verdeeld tussen parallelle ferrietlatten die vanuit de austenietkorrelgrenzen in het korrelinterieur groeien.

  

• Onderste Bainiet (B₍lower₎ / Bₗ)

   

  Morfologie: Bamboe-bladachtig. Fijne vlokkige carbiden (Fe₃C) zijn verdeeld op de ferrietnaalden.

  Prestatiekenmerken van Onderste Bainiet:

  De carbiden in onderste bainiet zijn fijn en gelijkmatig verdeeld. Naast hoge sterkte en hardheid heeft het ook een goede plasticiteit en taaiheid, waardoor het een veelgebruikte structuur is in de industriële productie. Het verkrijgen van de onderste bainietstructuur is een van de methoden om staalmaterialen te versterken.

  Onder de voorwaarde van dezelfde hardheid is de slijtvastheid van de onderste bainietstructuur aanzienlijk beter dan die van martensiet, die 1 tot 3 keer die van martensiet kan bereiken. Daarom is het verkrijgen van onderste bainiet als de matrixstructuur in ijzer- en staalmaterialen een doel dat door onderzoekers en ingenieurs wordt nagestreefd.

  

   

   

  1) Vormingsproces van Bovenste Bainiet

   

  Wanneer de transformatietemperatuur relatief hoog is (550 ~ 350°C), worden ferrietkernen bij voorkeur gevormd in de koolstofarme gebieden van austeniet. Deze kernen groeien vervolgens parallel vanuit de austenietkorrelgrenzen in het korrelinterieur. Ondertussen, naarmate het ferriet groeit, diffunderen de overtollige koolstofatomen in het omringende austeniet. Ten slotte precipiteert kort staafvormige of kleine vlokkige Fe₃C (cementiet) tussen de ferrietlatten, discontinu verdeeld tussen de parallelle en dichte ferrietlatten, waardoor veerachtige bovenste bainiet wordt gevormd.