Il trattamento termico dell'acciaio è il meccanismo più potente per influenzarne la struttura e le proprietà. Si basa su modifiche dei reticoli cristallini a seconda del gioco delle temperature. Ferrite, perlite, cementite e austenite possono essere presenti in una lega ferro-carbonio in varie condizioni. Quest'ultimo gioca un ruolo importante in tutte le trasformazioni termiche dell'acciaio.
Definizione
L'acciaio è una lega di ferro e carbonio, in cui il contenuto di carbonio è fino al 2,14% in teoria, ma tecnologicamente applicabile lo contiene in una quantità non superiore all'1,3%. Di conseguenza, tutte le strutture che si formano al suo interno sotto l'influenza di influenze esterne sono anche varietà di leghe.
La teoria presenta la loro esistenza in 4 varianti: una soluzione solida di penetrazione, una soluzione solida di esclusione, una miscela meccanica di grani o un composto chimico.
L'austenite è una soluzione solida di penetrazione dell'atomo di carbonio nel reticolo cristallino cubico di ferro, denominato γ. L'atomo di carbonio viene introdotto nella cavità del reticolo γ di ferro. Le sue dimensioni superano i corrispondenti pori tra gli atomi di Fe, il che spiega il loro limitato passaggio attraverso i "muri" della struttura principale. Formatosi nei processitrasformazioni di temperatura di ferrite e perlite con aumento del calore al di sopra di 727˚С.
Grafico delle leghe ferro-carbonio
Un grafico chiamato diagramma di stato ferro-cementite, costruito sperimentalmente, è una chiara dimostrazione di tutte le possibili opzioni per le trasformazioni negli acciai e nelle ghise. Valori di temperatura specifici per una certa quantità di carbonio nella lega formano punti critici in cui si verificano importanti cambiamenti strutturali durante i processi di riscaldamento o raffreddamento, formano anche linee critiche.
La linea GSE, che contiene i punti Ac3 e Acm, rappresenta il livello di solubilità del carbonio all'aumentare del calore.
| Tabella della solubilità del carbonio nell'austenite rispetto alla temperatura | |||||
| Temperatura, ˚C | 900 | 850 | 727 | 900 | 1147 |
| Solubilità approssimativa di C nell'austenite, % | 0, 2 | 0, 5 | 0, 8 | 1, 3 | 2, 14 |
Caratteristiche dell'istruzione
L'austenite è una struttura che si forma quando l'acciaio viene riscaldato. Al raggiungimento della temperatura critica, la perlite e la ferrite formano una sostanza integrale.
Opzioni di riscaldamento:
- Uniforme, fino al raggiungimento del valore richiesto, esposizione breve,raffreddamento. A seconda delle caratteristiche della lega, l'austenite può essere completamente formata o parzialmente formata.
- Lento aumento della temperatura, lungo periodo di mantenimento del livello di calore raggiunto per ottenere austenite pura.
Proprietà del materiale riscaldato risultante, così come quello che avverrà a seguito del raffreddamento. Molto dipende dal livello di calore raggiunto. È importante prevenire il surriscaldamento o il surriscaldamento.
Microstruttura e proprietà
Ognuna delle fasi caratteristiche delle leghe ferro-carbonio ha una propria struttura di reticoli e grani. La struttura dell'austenite è lamellare, con forme vicine sia ad aciculare che a scaglie. Con la completa dissoluzione del carbonio in γ-ferro, i grani hanno una forma chiara senza la presenza di inclusioni di cementite scura.
La durezza è 170-220 HB. La conducibilità termica ed elettrica è di un ordine di grandezza inferiore a quella della ferrite. Nessuna proprietà magnetica.
Varianti del raffreddamento e della sua velocità portano alla formazione di varie modificazioni dello stato "freddo": martensite, bainite, troostite, sorbite, perlite. Hanno una struttura aciculare simile, ma differiscono per dispersione delle particelle, granulometria e particelle di cementite.
Effetto del raffreddamento sull'austenite
La decomposizione dell'austenite avviene negli stessi punti critici. La sua efficacia dipende dai seguenti fattori:
- Velocità di raffreddamento. Influisce sulla natura delle inclusioni di carbonio, sulla formazione di grani, sulla formazione del finalemicrostruttura e sue proprietà. Dipende dal mezzo utilizzato come refrigerante.
- La presenza di una componente isotermica in uno degli stadi di decomposizione - abbassato ad un certo livello di temperatura, il calore stabile viene mantenuto per un certo periodo di tempo, dopodiché continua il raffreddamento rapido, oppure si verifica insieme ad un dispositivo di riscaldamento (forno).
Si distingue così una trasformazione continua e isotermica dell'austenite.
Caratteristiche del carattere delle trasformazioni. Grafico
Grafico a forma di C, che mostra la natura dei cambiamenti nella microstruttura del metallo nell'intervallo di tempo, a seconda del grado di variazione della temperatura: questo è il diagramma di trasformazione dell'austenite. Il vero raffreddamento è continuo. Sono possibili solo alcune fasi di ritenzione forzata del calore. Il grafico descrive le condizioni isotermiche.
Il carattere può essere diffusione e non diffusione.
A tassi di riduzione del calore standard, il grano di austenite cambia per diffusione. Nella zona di instabilità termodinamica, gli atomi iniziano a muoversi tra loro. Quelli che non hanno il tempo di penetrare nel reticolo di ferro formano inclusioni di cementite. Sono uniti da particelle di carbonio vicine rilasciate dai loro cristalli. La cementite si forma ai confini dei grani in decomposizione. I cristalli di ferrite purificati formano le piastre corrispondenti. Si forma una struttura dispersa: una miscela di grani, la cui dimensione e concentrazione dipendono dalla rapidità di raffreddamento e dal contenutolega di carbonio. Si formano anche la perlite e le sue fasi intermedie: sorbite, troostite, bainite.
A tassi significativi di diminuzione della temperatura, la decomposizione dell'austenite non ha carattere di diffusione. Si verificano complesse distorsioni dei cristalli, all'interno delle quali tutti gli atomi vengono spostati simultaneamente su un piano senza cambiare la loro posizione. La mancanza di diffusione contribuisce alla nucleazione della martensite.
Influenza dell'indurimento sulle caratteristiche di decomposizione dell'austenite. Martensite
L'indurimento è un tipo di trattamento termico, la cui essenza è il riscaldamento rapido ad alte temperature al di sopra dei punti critici Ac3 e Acm, seguito da un rapido raffreddamento. Se la temperatura viene abbassata con l'aiuto dell'acqua a una velocità superiore a 200˚С al secondo, si forma una fase aciculare solida, chiamata martensite.
È una soluzione solida supersatura di penetrazione del carbonio nel ferro con un reticolo cristallino di tipo α. A causa dei potenti spostamenti degli atomi, è distorto e forma un reticolo tetragonale, che è la causa dell'indurimento. La struttura formata ha un volume maggiore. Di conseguenza, i cristalli delimitati dal piano vengono compressi, nascono placche aghiformi.
La martensite è forte e molto dura (700-750 HB). Formato esclusivamente come risultato di tempra ad alta velocità.
Indurimento. Strutture di diffusione
L'austenite è una formazione da cui si possono produrre artificialmente bainite, troostite, sorbite e perlite. Se il raffreddamento dell'indurimento avviene avelocità inferiori, vengono eseguite trasformazioni di diffusione, il loro meccanismo è descritto sopra.
Troostite è perlite, caratterizzata da un alto grado di dispersione. Si forma quando il calore diminuisce di 100˚С al secondo. Un gran numero di piccoli granelli di ferrite e cementite è distribuito sull'intero piano. La cementite “indurita” è caratterizzata da una forma lamellare, e la troostite ottenuta a seguito del successivo rinvenimento ha una visualizzazione granulare. Durezza - 600-650 HB.
Bainite è una fase intermedia, che è una miscela ancora più dispersa di cristalli di ferrite ad alto tenore di carbonio e cementite. In termini di proprietà meccaniche e tecnologiche, è inferiore alla martensite, ma supera la troostite. Si forma negli intervalli di temperatura in cui la diffusione è impossibile e le forze di compressione e movimento della struttura cristallina per la trasformazione in una martensitica non sono sufficienti.
Il sorbitolo è una varietà grossolana aghiforme di fasi di perlite quando viene raffreddata a una velocità di 10˚С al secondo. Le proprietà meccaniche sono intermedie tra perlite e troostite.
La perlite è una combinazione di granuli di ferrite e cementite, che possono essere granulari o lamellari. Formato come risultato del decadimento regolare dell'austenite con una velocità di raffreddamento di 1˚C al secondo.
Beitite e troostite sono più legate alle strutture di indurimento, mentre sorbite e perlite possono formarsi anche durante il rinvenimento, la ricottura e la normalizzazione, le cui caratteristiche determinano la forma dei grani e la loro dimensione.
Effetto della ricotturacaratteristiche di decadimento dell'austenite
In pratica tutti i tipi di ricottura e normalizzazione si basano sulla trasformazione reciproca dell'austenite. La ricottura completa e incompleta viene applicata agli acciai ipoeutettoidi. Le parti vengono riscaldate nel forno al di sopra dei punti critici Ac3 e Ac1 rispettivamente. Il primo tipo è caratterizzato dalla presenza di un lungo periodo di permanenza, che assicura la completa trasformazione: ferrite-austenite e perlite-austenite. Questo è seguito da un lento raffreddamento dei pezzi nel forno. In uscita si ottiene una miscela finemente dispersa di ferrite e perlite, priva di sollecitazioni interne, plastica e durevole. La ricottura incompleta richiede meno energia e cambia solo la struttura della perlite, lasciando la ferrite praticamente invariata. La normalizzazione implica una maggiore velocità di diminuzione della temperatura, ma anche una struttura più grossolana e meno plastica in uscita. Per le leghe di acciaio con un contenuto di carbonio compreso tra 0,8 e 1,3%, dopo il raffreddamento, come parte della normalizzazione, si verifica la decomposizione nella direzione: austenite-perlite e austenite-cementite.
Un altro tipo di trattamento termico basato su trasformazioni strutturali è l'omogeneizzazione. È applicabile per parti di grandi dimensioni. Implica il raggiungimento assoluto dello stato austenitico a grana grossa a temperature di 1000-1200°C e l'esposizione in forno fino a 15 ore. I processi isotermici continuano con un raffreddamento lento, che aiuta a uniformare le strutture metalliche.
Ricottura isotermica
Ciascuno dei metodi elencati per influenzare il metallo per semplificare la comprensioneconsiderata come una trasformazione isotermica dell'austenite. Tuttavia, ognuno di loro solo in una certa fase ha caratteristiche. In re altà, i cambiamenti avvengono con una diminuzione costante del calore, la cui velocità determina il risultato.
Uno dei metodi più vicini alle condizioni ideali è la ricottura isotermica. La sua essenza consiste anche nel riscaldare e trattenere fino alla completa decomposizione di tutte le strutture in austenite. Il raffreddamento è implementato in più fasi, il che contribuisce a una decomposizione più lenta, più lunga e termicamente più stabile.
- Il rapido calo della temperatura a 100˚C al di sotto del punto Ac1.
- Ritenzione forzata del valore raggiunto (mediante rimessa in forno) per lungo tempo fino al completamento dei processi di formazione delle fasi ferrite-perlite.
- Raffreddamento in aria ferma.
Il metodo è applicabile anche agli acciai legati, che sono caratterizzati dalla presenza di austenite residua allo stato raffreddato.
Acciai austenitici e austenitici ritenuti
A volte è possibile un decadimento incompleto quando viene trattenuta l'austenite. Questo può accadere nelle seguenti situazioni:
- Raffreddamento troppo veloce quando non si verifica il decadimento completo. È un componente strutturale della bainite o della martensite.
- Acciai ad alto tenore di carbonio o bassolegati, per i quali i processi di trasformazioni disperse austenitiche sono complicati. Richiede metodi di trattamento termico speciali come l'omogeneizzazione o la ricottura isotermica.
Per altolegati -non ci sono processi delle trasformazioni descritte. L'acciaio legato con nichel, manganese e cromo contribuisce alla formazione di austenite come struttura principale e resistente, che non richiede ulteriori influenze. Gli acciai austenitici sono caratterizzati da elevata resistenza, resistenza alla corrosione e resistenza al calore, resistenza al calore e resistenza a condizioni di lavoro difficili e aggressive.
L'austenite è una struttura senza la cui formazione non è possibile il riscaldamento ad alta temperatura dell'acciaio e che è coinvolta in quasi tutti i metodi di trattamento termico al fine di migliorarne le proprietà meccaniche e tecnologiche.
