Η Επίδραση του Σχηματισμού Αυστενίτη στις Ιδιότητες του Χάλυβα

I. Μέγεθος Κόκκων Αυστενίτη: Ο Βασικός Προσδιοριστικός Παράγοντας της «Ισορροπίας Αντοχής-Ανθεκτικότητας» του Χάλυβα

1. Επίδραση στην Αντοχή και τη Σκληρότητα

• Λεπτόκοκκος αυστενίτης: Σχηματίζεται μέσω υψηλής πυκνότητας πυρήνωσης (π.χ., μέσω σφαιροειδούς ανόπτησης ή θέρμανσης χαμηλής θερμοκρασίας), μετατρέπεται σε λεπτό βελονοειδή μαρτενσίτη (ή λεπτό περλίτη σε χάλυβα χαμηλού άνθρακα) μετά τη σκλήρυνση. Ο μεγάλος αριθμός ορίων κόκκων σε λεπτό μαρτενσίτη εμποδίζει αποτελεσματικά την κίνηση των διαστρωμάτων (τα όρια κόκκων δρουν ως «φράγματα» στα διαστρώματα), αυξάνοντας έτσι σημαντικά την αντοχή εφελκυσμού, την αντοχή διαρροής και τη σκληρότητα.
  Παράδειγμα: Για χάλυβα 45# (χάλυβας μέσου άνθρακα) που υποβάλλεται σε «θέρμανση στους 850°C (50°C πάνω από Ac₃) + σκλήρυνση με νερό», οι κόκκοι αυστενίτη είναι λεπτοί (περίπου Βαθμός 10) και ο σκληρυμένος μαρτενσίτης είναι επίσης λεπτός, με αποτέλεσμα σκληρότητα HRC 55–58. Εάν θερμανθεί στους 1000°C (υπερθέρμανση), οι κόκκοι αυστενίτη χοντραίνουν (περίπου Βαθμός 3–4), ο σκληρυμένος μαρτενσίτης γίνεται χονδροειδής και η σκληρότητα πέφτει σε HRC 50–53.
• Χονδροειδής αυστενίτης: Υπερβολικά υψηλές θερμοκρασίες θέρμανσης ή παρατεταμένοι χρόνοι συγκράτησης προκαλούν χονδροειδή κόκκων, οδηγώντας σε χονδροειδή ελασματικό μαρτενσίτη μετά τη σκλήρυνση. Τα διαστρώματα τείνουν να συσσωρεύονται σε χονδροειδή μαρτενσίτη και το φράγμα των ορίων κόκκων εξασθενεί—με αποτέλεσμα μειωμένη αντοχή και σκληρότητα. Επιπλέον, είναι πιθανό να σχηματιστούν «υπερθερμασμένες μικροδομές» (π.χ., δομή Widmanstätten), επιδεινώνοντας περαιτέρω την απόδοση.

2. Επίδραση στην Ανθεκτικότητα και την Ελατότητα

• Λεπτόκοκκος αυστενίτης: Τα προϊόντα μετασχηματισμού φάσης που ακολουθούν (λεπτός μαρτενσίτης, λεπτός σορβίτης) έχουν όρια κόκκων που διασκορπίζουν τις συγκεντρώσεις τάσεων. Η διάδοση ρωγμών απαιτεί παράκαμψη περισσότερων ορίων κόκκων (μεγαλύτερη διαδρομή), βελτιώνοντας έτσι σημαντικά την αντοχή σε κρούση (αk), την αντοχή θραύσης (KIC) και την ελατότητα (επιμήκυνση, μείωση της περιοχής).
  Παράδειγμα: Για σκληρυμένο και μετριασμένο χάλυβα (π.χ., 40Cr) που χρησιμοποιείται σε μηχανήματα κατασκευών, εάν οι κόκκοι αυστενίτη εξευγενιστούν σε Βαθμό 8 ή λεπτότερο, η αντοχή σε κρούση μετά τη σκλήρυνση και την υψηλής θερμοκρασίας μετρίαση (500–600°C) μπορεί να υπερβεί τα 80 J/cm². Εάν οι κόκκοι χοντραίνουν σε Βαθμό 5 ή χονδρότερο, η αντοχή σε κρούση μπορεί να πέσει κάτω από 40 J/cm², αυξάνοντας τον κίνδυνο εύθραυστης θραύσης χαμηλής θερμοκρασίας.
• Χονδροειδής αυστενίτης: Οι ενδοκοκκώδεις ρωγμές σχηματίζονται εύκολα σε χονδροειδή μαρτενσίτη και η αντίσταση στη διάδοση ρωγμών είναι χαμηλή—οδηγώντας σε απότομη μείωση της ανθεκτικότητας. Ειδικά σε περιβάλλοντα χαμηλής θερμοκρασίας (π.χ., κάτω από -20°C), μπορεί να συμβεί «μη ελατή θραύση» (εύθραυστη θραύση), η οποία είναι η κύρια αιτία αστοχίας μηχανικών εξαρτημάτων.

II. Ομοιομορφία Αυστενίτη: Επίδραση στη Σταθερότητα Ιδιοτήτων και την Εσωτερική Τάση του Χάλυβα

1. Επίδραση στην Ομοιομορφία Σκληρότητας και Αντοχής

• Ομοιόμορφος αυστενίτης: Ο άνθρακας και τα στοιχεία κράματος διαχέονται πλήρως στον αυστενίτη, χωρίς τοπικές διαφορές συγκέντρωσης. Κατά τη σκλήρυνση που ακολουθεί, όλες οι περιοχές σχηματίζουν συγχρονισμένα μαρτενσίτη (ή άλλες μικροδομές μετασχηματισμού φάσης), με αποτέλεσμα ομοιόμορφη κατανομή σκληρότητας (π.χ., διαφορά σκληρότητας ≤ 2 HRC σε διαφορετικά μέρη του ίδιου εξαρτήματος) και ελάχιστη διακύμανση αντοχής. Αυτό εξασφαλίζει ομοιόμορφη κατανομή τάσεων στο εξάρτημα και αποφεύγει την τοπική συγκέντρωση τάσεων.
  Παράδειγμα: Ο χάλυβας ρουλεμάν (GCr15) πρέπει να θερμανθεί στους 850–870°C με επαρκή χρόνο συγκράτησης για να εξασφαλιστεί η ομοιόμορφη διάχυση άνθρακα στον αυστενίτη. Μετά τη σκλήρυνση, η σκληρότητα της επιφάνειας είναι ομοιόμορφη (HRC 60–62), γεγονός που εγγυάται ομοιόμορφη φθορά κατά τη λειτουργία του ρουλεμάν και παρατείνει τη διάρκεια ζωής.
• Μη ομοιόμορφος αυστενίτης: Ανεπαρκής θέρμανση (χαμηλή θερμοκρασία, σύντομος χρόνος) ή χονδροειδής αρχική μικροδομή οδηγεί σε ατελή διάχυση άνθρακα στον αυστενίτη, με αποτέλεσμα «περιοχές εμπλουτισμένες σε άνθρακα» (π.χ., κοντά στον αρχικό τσιμεντίτη) και «περιοχές φτωχές σε άνθρακα» (π.χ., αρχικές περιοχές φερρίτη). Κατά τη σκλήρυνση που ακολουθεί:
  • Περιοχές εμπλουτισμένες σε άνθρακα: Σχηματίζουν μαρτενσίτη υψηλού άνθρακα, ο οποίος έχει εξαιρετικά υψηλή σκληρότητα αλλά κακή ανθεκτικότητα;
  • Περιοχές φτωχές σε άνθρακα: Σχηματίζουν μαρτενσίτη χαμηλού άνθρακα ή φερρίτη, ο οποίος έχει χαμηλή σκληρότητα και κακή αντοχή.
    Τελικά, αυτό προκαλεί σοβαρή ανομοιομορφία στη σκληρότητα και την αντοχή του χάλυβα. Τα εξαρτήματα είναι επιρρεπή σε πρόωρη φθορά σε περιοχές χαμηλής σκληρότητας ή σχηματισμό ρωγμών σε εύθραυστες περιοχές υψηλής σκληρότητας.

2. Επίδραση στην Εσωτερική Τάση

• Παραμόρφωση εξαρτημάτων (π.χ., κάμψη, στρέβλωση) και μειωμένη ακρίβεια διαστάσεων;
• Σοβαρές περιπτώσεις: «Ρωγμές σκλήρυνσης» (π.χ., διαμήκεις ρωγμές σχηματίζονται εύκολα σε χάλυβα εργαλείων με ανομοιόμορφη θέρμανση), με άμεσο αποτέλεσμα την απόρριψη εξαρτημάτων.

III. Περιεκτικότητα σε Άνθρακα και Στοιχεία Κράματος στον Αυστενίτη: Ρύθμιση της «Αναλογίας Σκληρότητας-Ανθεκτικότητας» του Χάλυβα

1. Επίδραση της Περιεκτικότητας σε Άνθρακα (Ο Πιο Βασικός Παράγοντας)

• Αυστενίτης υψηλού άνθρακα (π.χ., χάλυβας υψηλού άνθρακα με C > 0,6%): Μετατρέπεται σε μαρτενσίτη υψηλού άνθρακα μετά τη σκλήρυνση (υπερκορεσμός υψηλού άνθρακα, σοβαρή παραμόρφωση πλέγματος). Έχει εξαιρετικά υψηλή σκληρότητα (HRC 60–65) και καλή αντοχή στη φθορά, αλλά κακή ανθεκτικότητα (αντοχή σε κρούση < 20 J/cm²). Είναι κατάλληλο για σενάρια που απαιτούν υψηλή σκληρότητα και χαμηλή κρούση (π.χ., εργαλεία κοπής, μήτρες, ρουλεμάν).
  Παράδειγμα: Ο χάλυβας T10 (C = 1,0%) αυστενιτοποιείται (780–800°C) και σκληρύνεται, επιτυγχάνοντας σκληρότητα HRC 62–64, καθιστώντας το κατάλληλο για την κατασκευή λεπίδων χειροπρίονων.
• Αυστενίτης μέσου άνθρακα (π.χ., χάλυβας μέσου άνθρακα με C = 0,25%–0,6%): Μετατρέπεται σε μαρτενσίτη μέσου άνθρακα μετά τη σκλήρυνση. Μετά τη μετρίαση (π.χ., μετρίαση υψηλής θερμοκρασίας στους 500–600°C), μετατρέπεται σε «σορβίτη», ο οποίος εξισορροπεί την υψηλή αντοχή (σb = 800–1200 MPa) και την καλή ανθεκτικότητα (αk = 40–80 J/cm²). Αυτή είναι η τυπική κατάσταση του δομικού χάλυβα (π.χ., άξονες, γρανάζια).
  Παράδειγμα: Ο χάλυβας 45# υποβάλλεται σε σκλήρυνση και μετρίαση (αυστενιτοποίηση στους 840°C + σκλήρυνση + μετρίαση στους 550°C), επιτυγχάνοντας αντοχή περίπου 900 MPa και αντοχή σε κρούση περίπου 60 J/cm², καθιστώντας το κατάλληλο για την κατασκευή ατράκτων εργαλειομηχανών.
• Αυστενίτης χαμηλού άνθρακα (π.χ., χάλυβας χαμηλού άνθρακα με C 100 J/cm²) και καλή ελατότητα (επιμήκυνση > 15%). Είναι κατάλληλο για σενάρια που απαιτούν υψηλή ανθεκτικότητα και αντοχή σε κρούση (π.χ., βραχίονες μηχανημάτων κατασκευών, πλαίσια αυτοκινήτων).
  Παράδειγμα: Ο χάλυβας Q355 (C ≈ 0,18%) σκληρύνεται μετά από αυστενιτοποίηση χαμηλής θερμοκρασίας (880–920°C) για να ληφθεί μαρτενσίτης χαμηλού άνθρακα, καθιστώντας το κατάλληλο για την κατασκευή δομικών εξαρτημάτων που υποβάλλονται σε φορτία κρούσης.

2. Επίδραση των Στοιχείων Κράματος

• Στοιχεία εξευγενισμού κόκκων (Ti, Nb, V): Σχηματίζουν λεπτά καρβίδια (π.χ., TiC, NbC) που αποτρέπουν την ανάπτυξη κόκκων αυστενίτη, με αποτέλεσμα λεπτόκοκκο αυστενίτη. Μετά τη σκλήρυνση, αυτό βελτιώνει την αντοχή και την ανθεκτικότητα του χάλυβα (π.χ., μικροκραματωμένος χάλυβας υψηλής αντοχής Q690, ο οποίος προσθέτει Nb για να εξευγενίσει τους κόκκους, επιτυγχάνοντας αντοχή άνω των 690 MPa διατηρώντας παράλληλα εξαιρετική ανθεκτικότητα).
• Στοιχεία ενίσχυσης ανθεκτικότητας (Ni): Το Ni μειώνει τη θερμοκρασία μετασχηματισμού μαρτενσίτη (σημείο Ms), μειώνει την ευθραυστότητα του μαρτενσίτη και εξευγενίζει τη μικροδομή του μαρτενσίτη—επιτρέποντας στον χάλυβα υψηλού άνθρακα να διατηρεί υψηλή σκληρότητα βελτιώνοντας παράλληλα την ανθεκτικότητα (π.χ., χάλυβας μήτρας Cr12MoV με προσθήκη Ni, του οποίου η αντοχή σε κρούση αυξάνεται κατά περισσότερο από 30%).
• Στοιχεία ενίσχυσης αντοχής στη φθορά (Cr, Mo): Το Cr και το Mo σχηματίζουν ανθεκτικά στη φθορά καρβίδια (π.χ., Cr₇C₃, Mo₂C). Αυτά τα καρβίδια διαλύονται μερικώς κατά την αυστενιτοποίηση και κατακρημνίζονται μετά τη σκλήρυνση και τη μετρίαση, βελτιώνοντας σημαντικά την αντοχή στη φθορά του χάλυβα (π.χ., χάλυβας ανθεκτικός στη φθορά NM450, ο οποίος προσθέτει Cr και Mo, μειώνοντας την απώλεια φθοράς κατά 50% σε σύγκριση με τον συνηθισμένο χάλυβα).

IV. Σταθερότητα Αυστενίτη: Επίδραση στη Σταθερότητα Διαστάσεων του Χάλυβα και στην Προσαρμοστικότητα της Θερμικής Επεξεργασίας

1. Επίδραση στη Σταθερότητα Διαστάσεων

• Εξαιρετικά σταθερός αυστενίτης: Τείνει να σχηματίζει διατηρημένο αυστενίτη (αυστενίτης που δεν μετατρέπεται σε μαρτενσίτη) κατά την ψύξη. Ο διατηρημένος αυστενίτης μετατρέπεται αργά σε μαρτενσίτη σε θερμοκρασία δωματίου (συνοδευόμενος από διαστολή όγκου), προκαλώντας «γήρανση παραμόρφωσης» των εξαρτημάτων και μειωμένη ακρίβεια διαστάσεων (π.χ., μήτρες ακριβείας ή μετρητές με υπερβολικό διατηρημένο αυστενίτη μπορεί να παρουσιάσουν αύξηση διαστάσεων 0,1%–0,3% μετά από αρκετούς μήνες χρήσης).
  Λύση: Προωθήστε τη μετατροπή του διατηρημένου αυστενίτη σε μαρτενσίτη μέσω «κρυογονικής επεξεργασίας» (-80°C έως -196°C) ή σταθεροποιήστε τον διατηρημένο αυστενίτη μέσω «μετρίασης χαμηλής θερμοκρασίας» (150–200°C) για να ελαχιστοποιήσετε την επακόλουθη παραμόρφωση.
• Αυστενίτης χαμηλής σταθερότητας: Μετατρέπεται εύκολα πλήρως σε μαρτενσίτη κατά την ψύξη, με χαμηλή περιεκτικότητα σε διατηρημένο αυστενίτη (< 5%). Τα εξαρτήματα έχουν καλή σταθερότητα διαστάσεων, καθιστώντας τα κατάλληλα για εξαρτήματα ακριβείας (π.χ., ρουλεμάν, γρανάζια).

2. Επίδραση στην Προσαρμοστικότητα της Θερμικής Επεξεργασίας

• Εξαιρετικά σταθερός αυστενίτης (π.χ., χάλυβας κράματος): Η C-καμπύλη μετατοπίζεται προς τα δεξιά, μειώνοντας τον κρίσιμο ρυθμό ψύξης. Η ψύξη με λάδι (αντί για ψύξη με νερό) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επίτευξη σκλήρυνσης με σκλήρυνση, μειώνοντας την παραμόρφωση και τη ρωγμή που προκαλείται από την τάση ψύξης (π.χ., ο χάλυβας 40Cr μπορεί να φτάσει HRC 50–55 μέσω ψύξης με λάδι, ενώ ο χάλυβας 45# απαιτεί ψύξη με νερό).
• Αυστενίτης χαμηλής σταθερότητας (π.χ., χάλυβας χαμηλού άνθρακα, καθαρός σίδηρος): Η C-καμπύλη μετατοπίζεται προς τα αριστερά, με αποτέλεσμα υψηλό κρίσιμο ρυθμό ψύξης. Απαιτείται εξαιρετικά γρήγορη ψύξη (π.χ., ψύξη με νερό, ψύξη με ψεκασμό) για να ληφθεί μαρτενσίτης. Διαφορετικά, ο περλίτης (χαμηλή σκληρότητα) σχηματίζεται εύκολα. Έτσι, η προσαρμοστικότητα της διαδικασίας είναι κακή (π.χ., ο χάλυβας χαμηλού άνθρακα συνήθως δεν σκληρύνεται μόνος του και απαιτεί χημική θερμική επεξεργασία όπως η ανθράκωση).