טיפול בחום בפלדה הוא המנגנון החזק ביותר להשפעה על המבנה והתכונות שלה. הוא מבוסס על שינויים של סריג קריסטל בהתאם למשחק הטמפרטורות. פריט, פרלייט, צמנטיט ואוסטניט עשויים להיות נוכחים בסגסוגת ברזל-פחמן בתנאים שונים. האחרון ממלא תפקיד מרכזי בכל הטרנספורמציות התרמיות בפלדה.
הגדרה
פלדה היא סגסוגת של ברזל ופחמן, שבה תכולת הפחמן היא עד 2.14% באופן תיאורטי, אך ישימה טכנולוגית מכילה אותה בכמות של לא יותר מ-1.3%. בהתאם לכך, כל המבנים שנוצרים בו בהשפעת השפעות חיצוניות הם גם זנים של סגסוגות.
התיאוריה מציגה את קיומם ב-4 וריאציות: תמיסת מוצק חדירה, תמיסה מוצקה, תערובת מכנית של דגנים או תרכובת כימית.
אוסטניט הוא פתרון מוצק של חדירת אטומי פחמן לתוך סריג הגביש הקובי של ברזל ממוקד הפנים, המכונה γ. אטום הפחמן מוכנס לחלל של סריג ה-γ של ברזל. ממדיו עולים על הנקבוביות המתאימות בין אטומי Fe, מה שמסביר את המעבר המוגבל שלהם דרך "הקירות" של המבנה הראשי. נוצר בתהליכיםשינויי טמפרטורה של פריט ופרלייט עם חום גובר מעל 727˚С.
תרשים של סגסוגות ברזל-פחמן
גרף שנקרא דיאגרמת מצב ברזל-צמנטיט, שנבנה בניסוי, הוא הדגמה ברורה של כל האפשרויות האפשריות לטרנספורמציות בפלדות ובברזל יצוק. ערכי טמפרטורה ספציפיים לכמות מסוימת של פחמן בסגסוגת יוצרים נקודות קריטיות שבהן מתרחשים שינויים מבניים חשובים במהלך תהליכי חימום או קירור, הם גם יוצרים קווים קריטיים.
קו GSE, המכיל את הנקודות Ac3 ו-Acm, מייצג את רמת מסיסות הפחמן ככל שרמות החום עולות.
| טבלה של מסיסות פחמן באוסטניט לעומת טמפרטורה | |||||
| טמפרטורה, ˚C | 900 | 850 | 727 | 900 | 1147 |
| מסיסות משוערת של C באוסטניט, % | 0, 2 | 0, 5 | 0, 8 | 1, 3 | 2, 14 |
תכונות החינוך
אוסטניט הוא מבנה שנוצר כאשר מחממים פלדה. בהגיעם לטמפרטורה הקריטית, פרליט ופריט יוצרים חומר אינטגרלי.
אפשרויות חימום:
- אחיד, עד הגעה לערך הנדרש, חשיפה קצרה,הִתקָרְרוּת. בהתאם למאפיינים של הסגסוגת, אוסטניט יכול להיווצר באופן מלא או חלקי.
- עלייה איטית בטמפרטורה, תקופה ארוכה של שמירה על רמת החום שהגיעה כדי להשיג אוסטניט טהור.
מאפייני החומר המחומם שנוצר, כמו גם זה שיתרחש כתוצאה מהקירור. הרבה תלוי ברמת החום שהושגה. חשוב למנוע התחממות יתר או התחממות יתר.
מיקרו-מבנה ונכסים
לכל אחד מהשלבים האופייניים לסגסוגות ברזל-פחמן יש מבנה משלו של סריג וגרגרים. המבנה של אוסטניט הוא למלרי, בעל צורות קרובות לצורות אציליות ומתקלפות. עם פירוק מוחלט של פחמן ב-γ-ברזל, לגרגרים צורה בהירה ללא נוכחות של תכלילי צמנטיט כהים.
קשיות היא 170-220 HB. המוליכות התרמית והחשמלית נמוכות בסדר גודל מאלה של פריט. אין מאפיינים מגנטיים.
וריאציות של קירור ומהירותו מובילות להיווצרות של שינויים שונים במצב ה"קר": מרטנזיט, בייניט, טרוסטיט, סורביט, פרלייט. יש להם מבנה אצילי דומה, אבל נבדלים זה מזה בפיזור החלקיקים, בגודל הגרגירים ובחלקיקי הצמנטיט.
השפעת הקירור על אוסטניט
פירוק אוסטניט מתרחש באותן נקודות קריטיות. יעילותו תלויה בגורמים הבאים:
- קצב קירור. משפיע על אופי תכלילי פחמן, היווצרות גרגרים, היווצרות הסופימבנה מיקרו ותכונותיו. תלוי במדיום המשמש כנוזל הקירור.
- נוכחות של רכיב איזותרמי באחד משלבי הפירוק - בהורדה לרמת טמפרטורה מסוימת, נשמר חום יציב לפרק זמן מסוים, ולאחריו נמשך הקירור המהיר, או שהוא מתרחש יחד עם מכשיר חימום (תנור).
לפיכך, מובחן טרנספורמציה מתמשכת ואיזותרמית של אוסטניט.
תכונות של אופי הטרנספורמציות. תרשים
גרף בצורת C, המציג את אופי השינויים במבנה המיקרו של המתכת במרווח הזמן, בהתאם לדרגת שינוי הטמפרטורה - זהו דיאגרמת הטרנספורמציה האוסטניטית. קירור אמיתי הוא רציף. רק כמה שלבים של שימור חום כפוי אפשריים. הגרף מתאר תנאים איזוטרמיים.
תו יכול להיות דיפוזיה ולא דיפוזיה.
בקצבי הפחתת חום סטנדרטיים, גרגר האוסטניט משתנה על ידי דיפוזיה. באזור של חוסר יציבות תרמודינמית, אטומים מתחילים לנוע בינם לבין עצמם. אלה שאין להם זמן לחדור לתוך סריג הברזל יוצרים תכלילים של צמנטיט. אליהם מצטרפים חלקיקי פחמן שכנים המשתחררים מהגבישים שלהם. צמנטיט נוצר בגבולות של גרגירים מתכלים. גבישי פריט מטוהרים יוצרים את הלוחות המתואמים. נוצר מבנה מפוזר - תערובת של דגנים שגודלם וריכוזם תלויים במהירות הקירור ובתוכןסגסוגת פחמן. נוצרים גם פרלייט ושלבי הביניים שלו: סורביט, טרוסטיט, בייניט.
בשיעורים משמעותיים של ירידה בטמפרטורה, לפירוק האוסטניט אין אופי דיפוזיה. מתרחשים עיוותים מורכבים של גבישים, שבתוכם כל האטומים נעקרים בו זמנית במישור מבלי לשנות את מיקומם. חוסר דיפוזיה תורם ליצירת גרעין של מרטנסיט.
השפעת התקשות על מאפייני הפירוק של אוסטניט. Martensite
התקשות הוא סוג של טיפול בחום, שמהותו היא החימום המהיר לטמפרטורות גבוהות מעל הנקודות הקריטיות Ac3 ו-Acm, ואחריו קירור מהיר. אם מורידים את הטמפרטורה בעזרת מים בקצב של יותר מ-200˚С לשנייה, אז נוצר שלב אציקולרי מוצק, הנקרא מרטנסיט.
זהו תמיסה מוצקה על-רוויה של חדירת פחמן לברזל עם סריג קריסטל מסוג α. עקב תזוזות חזקות של אטומים, הוא מעוות ויוצר סריג טטראגונלי, שהוא הגורם להתקשות. למבנה שנוצר יש נפח גדול יותר. כתוצאה מכך, הגבישים התחום על ידי המטוס נדחסים, צלחות דמויות מחט נולדות.
Martensite חזק וקשה מאוד (700-750 HB). נוצר באופן בלעדי כתוצאה מרווה במהירות גבוהה.
התקשות. מבני דיפוזיה
אוסטניט הוא תצורה שממנה ניתן לייצר באופן מלאכותי בייניט, טרוסטיט, סורביט ופרלייט. אם התקררות ההתקשות מתרחשת במהירויות נמוכות יותר, טרנספורמציות דיפוזיה מתבצעות, המנגנון שלהן מתואר לעיל.
Troostite הוא פרליט, המאופיין בדרגת פיזור גבוהה. הוא נוצר כאשר החום יורד ב-100˚С לשנייה. מספר רב של גרגירים קטנים של פריט וצמנטיט מופץ על פני כל המטוס. הצמנטיט ה"מוקשה" מאופיין בצורת למלרית, ולטרווסטיט המתקבל כתוצאה מהמזג לאחר מכן יש הדמיה גרעינית. קשיות - 600-650 HB.
באניט הוא שלב ביניים, שהוא תערובת מפוזרת עוד יותר של גבישים של פריט וצמנטיט עתיר פחמן. במונחים של תכונות מכניות וטכנולוגיות, הוא נחות מרטנסיט, אך עולה על הטרווסטיט. הוא נוצר בטווחי טמפרטורות כאשר דיפוזיה בלתי אפשרית, וכוחות הדחיסה והתנועה של מבנה הגביש להפיכה למרטנסיטי אינם מספיקים.
סורביטול הוא מגוון דמוי מחט גס של שלבי פרלייט כאשר מקורר בקצב של 10˚С לשנייה. תכונות מכניות הן ביניים בין פרליט לטרווסטיט.
פרלייט הוא שילוב של גרגרי פריט וצמנטיט, שיכולים להיות גרגירים או למלריים. נוצר כתוצאה מהתפרקות חלקה של אוסטניט עם קצב קירור של 1˚C לשנייה.
בייטיט וטרווסטיט קשורים יותר למבנים מתקשים, בעוד שסורביט ופרליט יכולים להיווצר גם במהלך חישול, חישול ונורמליזציה, שתכונותיהם קובעות את צורת הגרגרים וגודלם.
השפעת חישול עלתכונות ריקבון אוסטניט
כמעט כל סוגי החישול והנורמליזציה מבוססים על הטרנספורמציה הדדית של אוסטניט. חישול מלא ולא שלם מוחל על פלדות hypoeutectoid. החלקים מחוממים בכבשן מעל הנקודות הקריטיות Ac3 ו-Ac1 בהתאמה. הסוג הראשון מאופיין בנוכחות של תקופת החזקה ארוכה, המבטיחה טרנספורמציה מלאה: פריט-אוסטניט ופרליט-אוסטניט. זה מלווה בקירור איטי של חלקי העבודה בכבשן. ביציאה מתקבלת תערובת מפוזרת דק של פריט ופרליט, ללא לחצים פנימיים, פלסטית ועמידה. חישול לא שלם הוא פחות אינטנסיבי באנרגיה ורק משנה את המבנה של פרליט, ומשאיר את הפריט כמעט ללא שינוי. נורמליזציה מרמזת על שיעור גבוה יותר של ירידה בטמפרטורה, אך גם על מבנה גס ופחות פלסטי ביציאה. עבור סגסוגות פלדה עם תכולת פחמן של 0.8 עד 1.3%, עם הקירור, כחלק מנורמליזציה, מתרחש פירוק בכיוון: אוסטניט-פרלייט ואוסטניט-צמנטיט.
סוג נוסף של טיפול בחום המבוסס על טרנספורמציות מבניות הוא הומוגניזציה. זה ישים עבור חלקים גדולים. זה מרמז על השגה מוחלטת של מצב גס גרגר אוסטני בטמפרטורות של 1000-1200 מעלות צלזיוס וחשיפה בכבשן עד 15 שעות. תהליכים איזותרמיים ממשיכים עם קירור איטי, שעוזר ליישר את מבני המתכת.
חישול איזותרמי
כל אחת מהשיטות המפורטות להשפעה על המתכת כדי לפשט את ההבנהנחשב כטרנספורמציה איזותרמית של אוסטניט. עם זאת, לכל אחד מהם רק בשלב מסוים יש תכונות אופייניות. במציאות, שינויים מתרחשים עם ירידה מתמדת בחום, שמהירותו קובעת את התוצאה.
אחת השיטות הקרובות ביותר לתנאים אידיאליים היא חישול איזותרמי. המהות שלו מורכבת גם בחימום והחזקה עד לפירוק מוחלט של כל המבנים לאוסטניט. הקירור מיושם במספר שלבים, מה שתורם לפירוק איטי יותר, ארוך יותר ויציב יותר מבחינה תרמית.
- הירידה המהירה בטמפרטורה ל-100˚C מתחת לנקודת Ac1.
- שמירה כפויה של הערך שהושג (על ידי הצבה בכבשן) לאורך זמן עד להשלמת תהליכי היווצרות של שלבי פריט-פרלייט.
- קירור באוויר שקט.
השיטה ישימה גם לפלדות סגסוגת, המאופיינות בנוכחות שארית אוסטניט במצב מקורר.
פלדות אוסטניט ואוסטניט משומרות
לפעמים ייתכן ריקבון לא שלם כאשר נשמר אוסטניט. זה יכול לקרות במצבים הבאים:
- התקררות מהירה מדי כאשר ריקבון מוחלט אינו מתרחש. זהו מרכיב מבני של בייניט או מרטנסיט.
- פלדה בעלת פחמן גבוה או סגסוגת נמוכה, שעבורה התהליכים של טרנספורמציות מפוזרות אוסטניטיות מסובכות. דורש שיטות מיוחדות לטיפול בחום כגון הומוגניזציה או חישול איזותרמי.
למסגסוג גבוה -אין תהליכים של התמורות המתוארות. סגסוגת פלדה עם ניקל, מנגן, כרום תורמת להיווצרות אוסטניט כמבנה החזק העיקרי, שאינו דורש השפעות נוספות. פלדות אוסטניטיות מאופיינות בחוזק גבוה, עמידות בפני קורוזיה ועמידות בחום, עמידות בחום ועמידות בתנאי עבודה אגרסיביים קשים.
אוסטניט הוא מבנה ללא היווצרותו שלא ייתכן חימום בטמפרטורה גבוהה של פלדה ואשר מעורב כמעט בכל שיטות הטיפול בחום שלה על מנת לשפר תכונות מכניות וטכנולוגיות.