El tractament tèrmic de l'acer és el mecanisme més potent per influir en la seva estructura i propietats. Es basa en modificacions de les xarxes cristal·lines en funció del joc de temperatures. La ferrita, la perlita, la cementita i l'austenita poden estar presents en un aliatge ferro-carboni en diverses condicions. Aquest últim té un paper important en totes les transformacions tèrmiques de l'acer.
Definició
L'acer és un aliatge de ferro i carboni, en el qual el contingut de carboni és de fins a un 2,14% teòricament, però tecnològicament aplicable el conté en una quantitat no superior a l'1,3%. En conseqüència, totes les estructures que s'hi formen sota la influència d'influències externes també són varietats d'aliatges.
La teoria presenta la seva existència en 4 variacions: una solució sòlida de penetració, una solució sòlida d'exclusió, una barreja mecànica de grans o un compost químic.
L'austenita és una solució sòlida de penetració d'àtoms de carboni a la xarxa cristal·lina cúbica de ferro centrada en la cara, anomenada γ. L'àtom de carboni s'introdueix a la cavitat de la xarxa γ de ferro. Les seves dimensions superen els porus corresponents entre els àtoms de Fe, la qual cosa explica el pas limitat d'aquests a través de les "parets" de l'estructura principal. Formada en processostransformacions de temperatura de ferrita i perlita amb calor creixent per sobre de 727˚С.
Gràfic d'aliatges ferro-carboni
Un gràfic anomenat diagrama d'estat ferro-cementita, construït experimentalment, és una demostració clara de totes les opcions possibles per a transformacions en acers i ferros colats. Els valors específics de temperatura per a una certa quantitat de carboni de l'aliatge formen punts crítics en els quals es produeixen canvis estructurals importants durant els processos d'escalfament o refrigeració, també formen línies crítiques.
La línia GSE, que conté els punts Ac3 i Acm, representa el nivell de solubilitat del carboni a mesura que augmenten els nivells de calor.
| Taula de solubilitat del carboni en austenita en funció de la temperatura | |||||
| Temperatura, ˚C | 900 | 850 | 727 | 900 | 1147 |
| Solubilitat aproximada de C en austenita, % | 0, 2 | 0, 5 | 0, 8 | 1, 3 | 2, 14 |
Característiques de l'educació
L'austenita és una estructura que es forma quan s'escalfa l'acer. En arribar a la temperatura crítica, la perlita i la ferrita formen una substància integral.
Opcions de calefacció:
- Uniforme, fins que s'assoleixi el valor requerit, exposició curta,refredament. Depenent de les característiques de l'aliatge, l'austenita es pot formar totalment o parcialment.
- Lent augment de la temperatura, llarg període de manteniment del nivell de calor assolit per obtenir austenita pura.
Propietats del material escalfat resultant, així com el que tindrà lloc com a conseqüència del refredament. Molt depèn del nivell de calor aconseguit. És important evitar el sobreescalfament o el sobreescalfament.
Microestructura i propietats
Cada una de les fases característiques dels aliatges ferro-carboni té la seva pròpia estructura de gelosia i grans. L'estructura de l'austenita és lamel·lar, amb formes properes tant a aciculars com a escamoses. Amb la dissolució completa del carboni en ferro γ, els grans tenen una forma lleugera sense la presència d'inclusions de cementita fosca.
La duresa és de 170-220 HB. La conductivitat tèrmica i elèctrica són un ordre de magnitud inferior a les de la ferrita. Sense propietats magnètiques.
Les variants de refredament i la seva velocitat condueixen a la formació de diverses modificacions de l'estat "fred": martensita, bainita, troostita, sorbita, perlita. Tenen una estructura acicular similar, però difereixen en la dispersió de partícules, la mida del gra i les partícules de cementita.
Efecte del refredament sobre l'austenita
La descomposició de l'austenita es produeix als mateixos punts crítics. La seva eficàcia depèn dels factors següents:
- Taxa de refrigeració. Afecta la naturalesa de les inclusions de carboni, la formació de grans, la formació del finalmicroestructura i les seves propietats. Depèn del medi utilitzat com a refrigerant.
- La presència d'un component isotèrmic en una de les etapes de descomposició: quan es redueix a un cert nivell de temperatura, es manté la calor estable durant un cert període de temps, després del qual continua el refredament ràpid, o es produeix juntament amb un dispositiu de calefacció (forn).
Així, es distingeix una transformació contínua i isotèrmica de l'austenita.
Característiques del caràcter de les transformacions. Gràfic
Gràfic en forma de C, que mostra la naturalesa dels canvis en la microestructura del metall en l'interval de temps, depenent del grau de canvi de temperatura: aquest és el diagrama de transformació de l'austenita. El refredament real és continu. Només algunes fases de retenció forçada de calor són possibles. El gràfic descriu les condicions isotèrmiques.
El caràcter pot ser de difusió i no difusió.
A les taxes de reducció de calor estàndard, el gra d'austenita canvia per difusió. A la zona d'inestabilitat termodinàmica, els àtoms comencen a moure's entre ells. Els que no tenen temps de penetrar a la gelosia de ferro formen inclusions de cementita. S'uneixen per partícules de carboni veïnes alliberades dels seus cristalls. La cementita es forma als límits dels grans en descomposició. Els cristalls de ferrita purificats formen les plaques corresponents. Es forma una estructura dispersa: una barreja de grans, la mida i la concentració depenen de la rapidesa del refredament i del contingut.carboni d'aliatge. També es formen perlita i les seves fases intermèdies: sorbita, troostita, bainita.
A ritmes significatius de disminució de la temperatura, la descomposició de l'austenita no té caràcter de difusió. Es produeixen distorsions complexes dels cristalls, dins de les quals tots els àtoms es desplacen simultàniament en un pla sense canviar la seva ubicació. La manca de difusió contribueix a la nucleació de martensita.
Influència de l'enduriment en les característiques de la descomposició de l'austenita. Martensita
L'enduriment és un tipus de tractament tèrmic, l'essència del qual és l'escalfament ràpid a altes temperatures per sobre dels punts crítics Ac3 i Acm, seguit d'un refredament ràpid. Si la temperatura es redueix amb l'ajuda de l'aigua a una velocitat de més de 200˚С per segon, es forma una fase acicular sòlida, que s'anomena martensita.
És una solució sòlida sobresaturada de penetració de carboni en ferro amb una xarxa cristal·lina de tipus α. A causa dels potents desplaçaments dels àtoms, es distorsiona i forma una xarxa tetragonal, que és la causa de l'enduriment. L'estructura formada té un volum més gran. Com a resultat, els cristalls delimitats pel pla es comprimeixen i neixen plaques en forma d'agulla.
La martensita és forta i molt dura (700-750 HB). Format exclusivament com a resultat de l'extinció d' alta velocitat.
Enduriment. Estructures de difusió
Austenita és una formació a partir de la qual es poden produir artificialment bainita, troostita, sorbita i perlita. Si el refredament de l'enduriment es produeix avelocitats més baixes, es duen a terme transformacions de difusió, el seu mecanisme es descriu més amunt.
La troostita és perlita, que es caracteritza per un alt grau de dispersió. Es forma quan la calor disminueix 100˚С per segon. Un gran nombre de petits grans de ferrita i cementita es distribueixen per tot el pla. La cementita “endurida” es caracteritza per una forma lamel·lar, i la troostita obtinguda com a resultat del tremp posterior té una visualització granular. Duresa: 600-650 HB.
La bainite és una fase intermèdia, que és una barreja encara més dispersa de cristalls de ferrita i cementita amb alt contingut de carboni. Pel que fa a les propietats mecàniques i tecnològiques, és inferior a la martensita, però supera la troostita. Es forma en intervals de temperatura quan la difusió és impossible, i les forces de compressió i moviment de l'estructura cristal·lina per a la transformació en una martensítica no són suficients.
El sorbitol és una varietat gruixuda de fases de perlita semblant a una agulla quan es refreda a una velocitat de 10˚С per segon. Les propietats mecàniques són intermèdies entre la perlita i la troostita.
La perlita és una combinació de grans de ferrita i cementita, que poden ser granulars o lamel·lars. Format com a resultat de la desintegració suau de l'austenita amb una velocitat de refredament d'1 °C per segon.
La beitita i la troostita estan més relacionades amb les estructures d'enduriment, mentre que la sorbita i la perlita també es poden formar durant el tremp, el recuit i la normalització, les característiques de les quals determinen la forma dels grans i la seva mida.
Efecte del recuit sobreCaracterístiques de la descomposició de l'austenita
Pràcticament tots els tipus de recuit i normalització es basen en la transformació recíproca de l'austenita. S'aplica un recuit complet i incomplet als acers hipoeutectoides. Les peces s'escalfen al forn per sobre dels punts crítics Ac3 i Ac1 respectivament. El primer tipus es caracteritza per la presència d'un llarg període de retenció, que assegura una transformació completa: ferrita-austenita i perlita-austenita. Això és seguit d'un refredament lent de les peces de treball al forn. A la sortida s'obté una barreja de ferrita i perlita finament dispersa, sense tensions internes, plàstica i duradora. El recuit incomplet consumeix menys energia i només canvia l'estructura de la perlita, deixant la ferrita pràcticament sense canvis. La normalització implica una major taxa de descens de la temperatura, però també una estructura més gruixuda i menys plàstica a la sortida. Per als aliatges d'acer amb un contingut de carboni del 0,8 al 1,3%, en refredar-se, com a part de la normalització, es produeix la descomposició en la direcció: austenita-perlita i austenita-cementita.
Un altre tipus de tractament tèrmic basat en transformacions estructurals és l'homogeneïtzació. És aplicable a peces grans. Implica l'assoliment absolut de l'estat austenític de gra gruixut a temperatures de 1000-1200 ° C i exposició al forn fins a 15 hores. Els processos isotèrmics continuen amb un refredament lent, que ajuda a igualar les estructures metàl·liques.
Recuit isotèrmic
Cada un dels mètodes enumerats per influir en el metall per simplificar la comprensióconsiderada com una transformació isotèrmica de l'austenita. Tanmateix, cadascun d'ells només en una etapa determinada té trets característics. En realitat, els canvis es produeixen amb una disminució constant de la calor, la velocitat de la qual determina el resultat.
Un dels mètodes més propers a les condicions ideals és el recuit isotèrmic. La seva essència també consisteix a escalfar i mantenir fins a la descomposició completa de totes les estructures en austenita. La refrigeració s'implementa en diverses etapes, la qual cosa contribueix a una descomposició més lenta, més llarga i més estable tèrmicament.
- La ràpida caiguda de la temperatura fins a 100 ˚C per sota del punt AC1.
- Retenció forçada del valor aconseguit (mitjançant la col·locació al forn) durant molt de temps fins que s'acabin els processos de formació de fases de ferrita-perlita.
- Refrigeració en aire tranquil.
El mètode també s'aplica als acers aliats, que es caracteritzen per la presència d'austenita residual en estat refrigerat.
Acers austenita i austenític retinguts
De vegades és possible una descomposició incompleta quan hi ha austenita retinguda. Això pot passar en les situacions següents:
- Refredament massa ràpid quan no es produeix una desintegració completa. És un component estructural de bainita o martensita.
- Acers alts en carboni o poc aliats, per als quals els processos de transformacions disperses austenítiques són complicats. Requereix mètodes especials de tractament tèrmic, com ara l'homogeneïtzació o el recuit isotèrmic.
Per a aliatges alts -no hi ha processos de les transformacions descrites. L'aliatge d'acer amb níquel, manganès i crom contribueix a la formació d'austenita com a estructura forta principal, que no requereix influències addicionals. Els acers austenítics es caracteritzen per una gran resistència, resistència a la corrosió i resistència a la calor, resistència a la calor i resistència a condicions de treball agressives difícils.
L'austenita és una estructura sense la formació de la qual no és possible escalfar l'acer a alta temperatura i que participa en gairebé tots els mètodes del seu tractament tèrmic per tal de millorar les propietats mecàniques i tecnològiques.