การเปลี่ยนรูปของเหล็กในระหว่างการเย็นตัว

การเปลี่ยนรูปของเหล็กในระหว่างการเย็นตัว       

การเย็นตัวเป็นขั้นตอนที่ขาดไม่ได้ในกระบวนการอบชุบด้วยความร้อน        

หลังจากที่ชิ้นส่วนเหล็กถูกให้ความร้อนและคงไว้ที่อุณหภูมิหนึ่งเพื่อให้ออสเตนไนต์มีเกรนละเอียดและสม่ำเสมอ จากนั้นจึงทำการเย็นตัว

• ออสเตนไนต์เย็นยวดยิ่ง: ออสเตนไนต์ที่ยังไม่เปลี่ยนรูป (ในแง่ของโครงสร้าง) ต่ำกว่าจุดวิกฤต A₁
• ณ จุดนี้ ออสเตนไนต์เย็นยวดยิ่งจะไม่เปลี่ยนรูปในทันที แต่จะอยู่ในสภาวะที่ไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์ (ในฐานะโครงสร้างที่ไม่เสถียร) และในที่สุดจะผ่านการเปลี่ยนรูป
• ขึ้นอยู่กับระดับของการเย็นยวดยิ่ง (เช่น อุณหภูมิการเปลี่ยนรูปที่แตกต่างกัน) ออสเตนไนต์เย็นยวดยิ่งจะผ่านการเปลี่ยนรูปสามประเภท:
• การเปลี่ยนรูปเพิร์ลไลต์
• การเปลี่ยนรูปเบนไนต์
• การเปลี่ยนรูปมาร์เทนไซต์

• เงื่อนไขการเปลี่ยนรูป: ออสเตนไนต์เย็นยวดยิ่งเปลี่ยนรูปเป็นโครงสร้างชนิดเพิร์ลไลต์ภายในช่วงอุณหภูมิ A₁ → 550°C
• ผลิตภัณฑ์การเปลี่ยนรูป: โครงสร้างส่วนผสมทางกลที่ประกอบด้วยแผ่นเฟอร์ไรต์และซีเมนต์ไทต์สลับกัน
• เพิร์ลไลต์เป็นหนึ่งในห้าโครงสร้างพื้นฐานที่สุดในโลหะผสมเหล็ก-คาร์บอน มีสัญลักษณ์เป็นตัวอักษร "P" (มาจาก "เพิร์ลไลต์") ชื่อนี้มีที่มาจากความมันวาวคล้ายไข่มุก     
•   

ซอร์ไบต์ (S)

อุณหภูมิการก่อตัว: 650 ~ 600°C มีแผ่นค่อนข้างบาง โดยมีความหนาประมาณ 80 ~ 150 nm แผ่นเหล่านี้แยกแยะได้ยากภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง และสามารถระบุได้ว่าเป็นโครงสร้างแผ่นของเฟอร์ไรต์และซีเมนต์ไทต์ภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงกำลังขยายสูง (ที่กำลังขยาย 800 ~ 1500×)

โทรสไทต์ (T)

อุณหภูมิการก่อตัว: 600 ~ 550°C มีแผ่นบางมาก โดยมีความหนาประมาณ 30 ~ 80 nm ลักษณะของแผ่นไม่สามารถแยกแยะได้เลยภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง และสามารถระบุได้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเท่านั้น

อุณหภูมิการอบชุบด้วยความร้อนและขนาดเกรนออสเตนไนต์ก่อนการเปลี่ยนรูปมีผลต่อขนาดของอาณานิคมเพิร์ลไลต์เท่านั้น แต่ไม่มีผลต่อระยะห่างระหว่างแผ่น

จากเพิร์ลไลต์ (P) เป็นซอร์ไบต์ (S) แล้วจึงเป็นโทรสไทต์ (T) ยิ่งอุณหภูมิต่ำลง ระยะห่างระหว่างแผ่นก็จะยิ่งเล็กลง และความแข็งแรงและความแข็งก็จะสูงขึ้น พวกมันแตกต่างกันเฉพาะความละเอียดและคุณสมบัติของแผ่น โดยไม่มีความแตกต่างที่สำคัญ

คล้ายกับกระบวนการอบชุบด้วยความร้อนในระหว่างการให้ความร้อน กระบวนการเปลี่ยนรูปเพิร์ลไลต์ในระหว่างการเย็นตัวก็เป็นกระบวนการของการเกิดนิวเคลียสและการเติบโตในสถานะของแข็งเช่นกัน

ในทำนองเดียวกัน เนื่องจากการจัดเรียงอะตอมที่ไม่สม่ำเสมอที่ขอบเกรน พร้อมกับข้อบกพร่องเพิ่มเติม เช่น ช่องว่างและดิสโลเคชัน การจัดเรียงอะตอมใหม่จึงเกิดขึ้นได้ง่าย ดังนั้นซีเมนต์ไทต์จึงเกิดนิวเคลียสขึ้นก่อนที่ขอบเกรนออสเตนไนต์

หลังจากที่ซีเมนต์ไทต์เกิดนิวเคลียสแล้ว ก็เริ่มเติบโต ในระหว่างกระบวนการเติบโต ปริมาณคาร์บอนของออสเตนไนต์ทั้งสองด้านของซีเมนต์ไทต์จะลดลง ซึ่งส่งเสริมการเกิดนิวเคลียสของเฟอร์ไรต์ ทั้งสองจะเกิดนิวเคลียสและเติบโตสลับกัน ทำให้เกิดโครงสร้างแผ่นหลายชั้นที่ประกอบด้วยเฟอร์ไรต์และ Fe₃C

ในเวลาเดียวกัน การเกิดนิวเคลียสและการเติบโตยังเริ่มต้นพร้อมกันในส่วนอื่นๆ ของขอบเกรน ทำให้เกิดอาณานิคมเพิร์ลไลต์หลายแห่งที่มีทิศทางที่แตกต่างกัน

อาณานิคมเพิร์ลไลต์เหล่านี้เติบโตและรวมเข้าด้วยกันเป็นมวลต่อเนื่อง และในที่สุด โครงสร้างทั้งหมดจะเปลี่ยนรูปเป็นเพิร์ลไลต์ ดังนั้นการเปลี่ยนรูปของออสเตนไนต์เย็นยวดยิ่งเป็นเพิร์ลไลต์จึงเสร็จสมบูรณ์

เนื่องจากอะตอมของเหล็กและคาร์บอนแพร่กระจายอย่างเพียงพอเนื่องจากอุณหภูมิสูงในระหว่างการเปลี่ยนรูปของออสเตนไนต์เป็นเพิร์ลไลต์ กระบวนการนี้จึงเรียกว่าการเปลี่ยนรูปชนิดแพร่กระจาย

• เงื่อนไขการเปลี่ยนรูป: ออสเตนไนต์เย็นยวดยิ่งเปลี่ยนรูปภายในช่วงอุณหภูมิ 550°C ~ Ms สำหรับเหล็กยูเทกทอยด์ อุณหภูมิ Ms คือ 230°C
• ผลิตภัณฑ์การเปลี่ยนรูป: ส่วนผสมทางกลสองเฟสของ Fe₃C (ซีเมนต์ไทต์) และเฟอร์ไรต์อิ่มตัวด้วยคาร์บอนยวดยิ่ง มีสัญลักษณ์เป็นตัวอักษร "B"
• ในปี 1930 E.S. Davenport และ E.C. Bain สังเกตเห็นโครงสร้างโลหะวิทยาของผลิตภัณฑ์การเปลี่ยนรูปในเหล็กเป็นครั้งแรกหลังจากการเปลี่ยนรูปไอโซเทอร์มอลที่อุณหภูมิปานกลาง ต่อมา เพื่อเป็นเกียรติแก่การมีส่วนร่วมของ Bain โครงสร้างนี้จึงถูกตั้งชื่อว่า "เบนไนต์"
• ขึ้นอยู่กับความแตกต่างในสัณฐานวิทยาจุลภาค เบนไนต์สามารถแบ่งออกเป็น:
• เบนไนต์บน (B_u)
• เบนไนต์ล่าง (B_l)

• สัณฐานวิทยา: คล้ายขนนก

   

  ซีเมนต์ไทต์รูปแท่งที่ไม่ต่อเนื่อง (Fe₃C) กระจายอยู่ระหว่างแผ่นเฟอร์ไรต์ขนานที่เติบโตจากขอบเกรนออสเตนไนต์เข้าไปในภายในเกรน

  

• เบนไนต์ล่าง (B₍lower₎ / Bₗ)

   

  สัณฐานวิทยา: คล้ายใบไผ่ คาร์ไบด์เกล็ดละเอียด (Fe₃C) กระจายอยู่บนเข็มเฟอร์ไรต์

  ลักษณะสมบัติของเบนไนต์ล่าง:

  คาร์ไบด์ในเบนไนต์ล่างละเอียดและกระจายอย่างสม่ำเสมอ นอกเหนือจากความแข็งแรงและความแข็งสูงแล้ว ยังมีความเหนียวและความทนทานที่ดี ทำให้เป็นโครงสร้างที่ใช้กันทั่วไปในการผลิตทางอุตสาหกรรม การได้รับโครงสร้างเบนไนต์ล่างเป็นหนึ่งในวิธีการเสริมความแข็งแรงให้กับวัสดุเหล็ก

  ภายใต้เงื่อนไขของความแข็งเท่ากัน ความต้านทานการสึกหรอของโครงสร้างเบนไนต์ล่างดีกว่ามาร์เทนไซต์อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งสามารถเข้าถึงได้ 1 ถึง 3 เท่าของมาร์เทนไซต์ ดังนั้นการได้รับเบนไนต์ล่างเป็นโครงสร้างเมทริกซ์ในวัสดุเหล็กจึงเป็นเป้าหมายที่นักวิจัยและวิศวกรแสวงหา

  

   

   

  1) กระบวนการก่อตัวของเบนไนต์บน

   

  เมื่ออุณหภูมิการเปลี่ยนรูปค่อนข้างสูง (550 ~ 350°C) นิวเคลียสเฟอร์ไรต์จะก่อตัวขึ้นก่อนในบริเวณที่มีคาร์บอนต่ำของออสเตนไนต์ นิวเคลียสเหล่านี้จะเติบโตขนานกันจากขอบเกรนออสเตนไนต์เข้าไปในภายในเกรน ในขณะเดียวกัน เมื่อเฟอร์ไรต์เติบโต อะตอมคาร์บอนส่วนเกินจะแพร่กระจายเข้าไปในออสเตนไนต์โดยรอบ ในที่สุด Fe₃C (ซีเมนต์ไทต์) รูปแท่งสั้นหรือเกล็ดเล็กๆ จะตกตะกอนระหว่างแผ่นเฟอร์ไรต์ กระจายอย่างไม่ต่อเนื่องระหว่างแผ่นเฟอร์ไรต์ขนานและหนาแน่น จึงก่อตัวเป็นเบนไนต์บนคล้ายขนนก