تاثیر تشکیل آستنیت بر خواص فولاد

I. اندازه دانه آستنیت: تعیین کننده اصلی "تعادل استحکام-چقرمگی" فولاد

1. تأثیر بر استحکام و سختی

• آستنیت با دانه ریز: که از طریق چگالی هسته زایی بالا (به عنوان مثال، از طریق بازپخت کروی یا گرمایش در دمای پایین) تشکیل می شود، پس از کوئنچ به مارتنزیت سوزنی ریز (یا پرلیت ریز در فولاد کم کربن) تبدیل می شود. تعداد زیادی از مرزهای دانه در مارتنزیت ریز به طور موثر حرکت نابجایی ها را مانع می شود (مرزهای دانه به عنوان "مانع" برای نابجایی ها عمل می کنند)، بنابراین به طور قابل توجهی استحکام کششی، استحکام تسلیم و سختی را بهبود می بخشد.
  مثال: برای فولاد 45# (فولاد کربن متوسط) که تحت "گرمایش در 850 درجه سانتیگراد (50 درجه سانتیگراد بالاتر از Ac₃) + کوئنچ آب" قرار می گیرد، دانه های آستنیت ریز هستند (تقریباً درجه 10) و مارتنزیت کوئنچ شده نیز ریز است که منجر به سختی HRC 55-58 می شود. اگر تا 1000 درجه سانتیگراد گرم شود (گرمای بیش از حد)، دانه های آستنیت درشت می شوند (تقریباً درجه 3-4)، مارتنزیت کوئنچ شده درشت می شود و سختی به HRC 50-53 کاهش می یابد.
• آستنیت با دانه درشت: دمای گرمایش بیش از حد بالا یا زمان نگهداری طولانی باعث درشت شدن دانه ها می شود که منجر به تشکیل مارتنزیت ورقه ای درشت پس از کوئنچ می شود. نابجایی ها تمایل به تجمع در مارتنزیت درشت دارند و اثر مانع مرزهای دانه تضعیف می شود - که منجر به کاهش استحکام و سختی می شود. علاوه بر این، "ریزساختارهای بیش از حد گرم شده" (به عنوان مثال، ساختار ویدمن اشتاتن) احتمالاً تشکیل می شوند و عملکرد را بیشتر خراب می کنند.

2. تأثیر بر چقرمگی و شکل پذیری

• آستنیت با دانه ریز: محصولات تبدیل فاز بعدی (مارتنزیت ریز، سوربیت ریز) دارای مرزهای دانه ای هستند که تمرکز تنش را پراکنده می کنند. انتشار ترک نیاز به دور زدن مرزهای دانه بیشتری دارد (مسیر طولانی تر)، بنابراین به طور قابل توجهی چقرمگی ضربه (αk)، چقرمگی شکست (KIC) و شکل پذیری (ازدیاد طول، کاهش سطح) را بهبود می بخشد.
  مثال: برای فولاد کوئنچ و تمپر شده (به عنوان مثال، 40Cr) که در ماشین آلات ساختمانی استفاده می شود، اگر دانه های آستنیت به درجه 8 یا ریزتر تصفیه شوند، چقرمگی ضربه پس از کوئنچ و تمپرینگ در دمای بالا (500-600 درجه سانتیگراد) می تواند از 80 J/cm² فراتر رود. اگر دانه ها به درجه 5 یا درشت تر درشت شوند، چقرمگی ضربه ممکن است به زیر 40 J/cm² کاهش یابد و خطر شکست ترد در دمای پایین را افزایش دهد.
• آستنیت با دانه درشت: ترک های بین دانه ای به راحتی در مارتنزیت درشت تشکیل می شوند و مقاومت در برابر انتشار ترک کم است - که منجر به کاهش شدید چقرمگی می شود. به ویژه در محیط های با دمای پایین (به عنوان مثال، زیر -20 درجه سانتیگراد)، "شکست غیر شکل پذیر" (شکست ترد) ممکن است رخ دهد که یک عامل اصلی در خرابی اجزای مکانیکی است.

II. یکنواختی آستنیت: تأثیر بر پایداری خواص و تنش داخلی فولاد

1. تأثیر بر یکنواختی سختی و استحکام

• آستنیت یکنواخت: کربن و عناصر آلیاژی به طور کامل در آستنیت پخش می شوند، بدون هیچ گونه تفاوت غلظت موضعی. در طول کوئنچ بعدی، تمام مناطق به طور همزمان مارتنزیت (یا سایر ریزساختارهای تبدیل فاز) را تشکیل می دهند که منجر به توزیع سختی یکنواخت (به عنوان مثال، تفاوت سختی ≤ 2 HRC در قسمت های مختلف یک جزء) و حداقل نوسان استحکام می شود. این امر توزیع تنش یکنواخت را در جزء تضمین می کند و از تمرکز تنش موضعی جلوگیری می کند.
  مثال: فولاد یاتاقان (GCr15) باید تا 850-870 درجه سانتیگراد با زمان نگهداری کافی گرم شود تا از انتشار یکنواخت کربن در آستنیت اطمینان حاصل شود. پس از کوئنچ، سختی سطح یکنواخت است (HRC 60-62)، که سایش یکنواخت را در طول عملکرد یاتاقان تضمین می کند و عمر سرویس را افزایش می دهد.
• آستنیت غیر یکنواخت: گرمایش ناکافی (دمای پایین، زمان کوتاه) یا ریزساختار اولیه درشت منجر به انتشار ناقص کربن در آستنیت می شود که منجر به ایجاد "مناطق غنی از کربن" (به عنوان مثال، نزدیک سمانتیت اصلی) و "مناطق تهی از کربن" (به عنوان مثال، مناطق فریت اصلی) می شود. در طول کوئنچ بعدی:
  • مناطق غنی از کربن: مارتنزیت با کربن بالا را تشکیل می دهند که سختی بسیار بالایی دارد اما چقرمگی ضعیفی دارد؛
  • مناطق تهی از کربن: مارتنزیت یا فریت کم کربن را تشکیل می دهند که سختی کم و استحکام ضعیفی دارد.
    در نهایت، این امر باعث ناهمواری شدید در سختی و استحکام فولاد می شود. اجزا مستعد سایش زودرس در مناطق با سختی کم یا تشکیل ترک در مناطق ترد با سختی بالا هستند.

2. تأثیر بر تنش داخلی

• تغییر شکل جزء (به عنوان مثال، خم شدن، تاب برداشتن) و کاهش دقت ابعادی؛
• موارد شدید: "ترک های کوئنچ" (به عنوان مثال، ترک های طولی به راحتی در فولاد ابزار با گرمایش ناهموار تشکیل می شوند) که مستقیماً منجر به از بین رفتن جزء می شود.

III. محتوای کربن و عناصر آلیاژی در آستنیت: تنظیم "نسبت سختی به چقرمگی" فولاد

1. تأثیر محتوای کربن (مهمترین عامل)

• آستنیت با کربن بالا (به عنوان مثال، فولاد پرکربن با C > 0.6٪): پس از کوئنچ به مارتنزیت با کربن بالا تبدیل می شود (فوق اشباع کربن بالا، اعوجاج شدید شبکه). این ماده دارای سختی بسیار بالا (HRC 60-65) و مقاومت در برابر سایش خوب اما چقرمگی ضعیف (چقرمگی ضربه < 20 J/cm²) است. برای سناریوهایی که به سختی بالا و ضربه کم نیاز دارند (به عنوان مثال، ابزارهای برش، قالب ها، یاتاقان ها) مناسب است.
  مثال: فولاد T10 (C = 1.0٪) آستنیته می شود (780-800 درجه سانتیگراد) و کوئنچ می شود و به سختی HRC 62-64 می رسد و برای تولید تیغه اره دستی مناسب است.
• آستنیت با کربن متوسط (به عنوان مثال، فولاد کربن متوسط با C = 0.25٪-0.6٪): پس از کوئنچ به مارتنزیت با کربن متوسط تبدیل می شود. پس از تمپرینگ (به عنوان مثال، تمپرینگ در دمای بالا در 500-600 درجه سانتیگراد)، به "سوربیت" تبدیل می شود که استحکام بالا (σb = 800-1200 مگاپاسکال) و چقرمگی خوب (αk = 40-80 J/cm²) را متعادل می کند. این حالت معمولی فولاد ساختاری (به عنوان مثال، شفت ها، چرخ دنده ها) است.
  مثال: فولاد 45# تحت کوئنچ و تمپرینگ (آستنیته کردن در 840 درجه سانتیگراد + کوئنچ + تمپرینگ در 550 درجه سانتیگراد) قرار می گیرد و به استحکام تقریباً 900 مگاپاسکال و چقرمگی ضربه تقریباً 60 J/cm² می رسد و برای تولید دوک ماشین ابزار مناسب است.
• آستنیت کم کربن (به عنوان مثال، فولاد کم کربن با C 100 J/cm²) و شکل پذیری خوب (ازدیاد طول > 15٪) است. برای سناریوهایی که به چقرمگی بالا و مقاومت در برابر ضربه نیاز دارند (به عنوان مثال، بازوهای ماشین آلات ساختمانی، قاب های خودرو) مناسب است.
  مثال: فولاد Q355 (C ≈ 0.18٪) پس از آستنیته کردن در دمای پایین (880-920 درجه سانتیگراد) کوئنچ می شود تا مارتنزیت کم کربن به دست آید و برای تولید اجزای ساختاری که تحت بارهای ضربه ای قرار می گیرند مناسب است.

2. تأثیر عناصر آلیاژی

• عناصر تصفیه کننده دانه (Ti، Nb، V): کاربیدهای ریز (به عنوان مثال، TiC، NbC) را تشکیل می دهند که از رشد دانه آستنیت جلوگیری می کنند و در نتیجه آستنیت با دانه ریز ایجاد می شود. پس از کوئنچ، این امر استحکام و چقرمگی فولاد را بهبود می بخشد (به عنوان مثال، فولاد پر استحکام میکروآلیاژی Q690 که Nb را برای تصفیه دانه ها اضافه می کند و به استحکام بیش از 690 مگاپاسکال می رسد در حالی که چقرمگی عالی را حفظ می کند).
• عناصر افزایش دهنده چقرمگی (Ni): Ni دمای تبدیل مارتنزیت (نقطه Ms) را کاهش می دهد، تردی مارتنزیت را کاهش می دهد و ریزساختار مارتنزیت را تصفیه می کند - فولاد پرکربن را قادر می سازد تا سختی بالا را حفظ کند در حالی که چقرمگی را بهبود می بخشد (به عنوان مثال، فولاد قالب Cr12MoV با Ni اضافه شده که چقرمگی ضربه آن بیش از 30٪ افزایش می یابد).
• عناصر افزایش دهنده مقاومت در برابر سایش (Cr، Mo): Cr و Mo کاربیدهای مقاوم در برابر سایش (به عنوان مثال، Cr₇C₃، Mo₂C) را تشکیل می دهند. این کاربیدها در طول آستنیته شدن تا حدی حل می شوند و پس از کوئنچ و تمپرینگ رسوب می کنند و مقاومت در برابر سایش فولاد را به طور قابل توجهی بهبود می بخشند (به عنوان مثال، فولاد مقاوم در برابر سایش NM450 که Cr و Mo را اضافه می کند و تلفات سایش را 50٪ در مقایسه با فولاد معمولی کاهش می دهد).

IV. پایداری آستنیت: تأثیر بر پایداری ابعادی و سازگاری فرآیند عملیات حرارتی فولاد

1. تأثیر بر پایداری ابعادی

• آستنیت بسیار پایدار: تمایل به تشکیل آستنیت باقی مانده (آستنیت به مارتنزیت تبدیل نشده) در طول خنک شدن دارد. آستنیت باقی مانده به آرامی در دمای اتاق به مارتنزیت تبدیل می شود (همراه با انبساط حجم) و باعث "تغییر شکل پیری" اجزا و کاهش دقت ابعادی می شود (به عنوان مثال، قالب ها یا گیج های دقیق با آستنیت باقی مانده بیش از حد ممکن است پس از چندین ماه استفاده، افزایش ابعادی 0.1٪-0.3٪ را تجربه کنند).
  راه حل: تبدیل آستنیت باقی مانده به مارتنزیت را از طریق "تیمار برودتی" (-80 درجه سانتیگراد تا -196 درجه سانتیگراد) ارتقا دهید، یا آستنیت باقی مانده را از طریق "تمپرینگ در دمای پایین" (150-200 درجه سانتیگراد) تثبیت کنید تا تغییر شکل بعدی به حداقل برسد.
• آستنیت با پایداری کم: به راحتی در طول خنک شدن به طور کامل به مارتنزیت تبدیل می شود و محتوای آستنیت باقی مانده کمی دارد (< 5٪). اجزا دارای پایداری ابعادی خوبی هستند و برای قطعات دقیق (به عنوان مثال، یاتاقان ها، چرخ دنده ها) مناسب هستند.

2. تأثیر بر سازگاری فرآیند عملیات حرارتی

• آستنیت بسیار پایدار (به عنوان مثال، فولاد آلیاژی): منحنی C به سمت راست منتقل می شود و سرعت خنک کننده بحرانی را کاهش می دهد. می توان از خنک کننده روغن (به جای خنک کننده آب) برای دستیابی به سخت شدن کوئنچ استفاده کرد و تغییر شکل و ترک خوردگی ناشی از تنش خنک کننده را کاهش داد (به عنوان مثال، فولاد 40Cr می تواند به HRC 50-55 از طریق کوئنچ روغن برسد، در حالی که فولاد 45# به کوئنچ آب نیاز دارد).
• آستنیت با پایداری کم (به عنوان مثال، فولاد کم کربن، آهن خالص): منحنی C به سمت چپ منتقل می شود و منجر به سرعت خنک کننده بحرانی بالا می شود. خنک کننده بسیار سریع (به عنوان مثال، خنک کننده آب، خنک کننده اسپری) برای به دست آوردن مارتنزیت مورد نیاز است؛ در غیر این صورت، پرلیت (سختی کم) به راحتی تشکیل می شود. بنابراین، سازگاری فرآیند آن ضعیف است (به عنوان مثال، فولاد کم کربن معمولاً به تنهایی کوئنچ نمی شود و به عملیات حرارتی شیمیایی مانند کربورسازی نیاز دارد).

نتیجه گیری: تشکیل آستنیت "کنترل منبع" خواص فولاد است

• برای تعادل استحکام-چقرمگی (به عنوان مثال، اجزای ساختاری)، آستنیت با کربن متوسط، یکنواخت و دانه ریز باید کنترل شود؛
• برای سختی بالا و مقاومت در برابر سایش (به عنوان مثال، ابزار، قالب)، آستنیت پرکربن و دانه ریز باید کنترل شود؛
• برای دقت ابعادی بالا (به عنوان مثال، قطعات دقیق)، آستنیت با محتوای آستنیت باقی مانده کم باید کنترل شود.