Perché l'acciaio cambia struttura in condizioni diverse? Questo articolo esplora i cinque fattori critici che influenzano il punto di inizio della martensite (Ms) nell'acciaio. Dalla composizione chimica alle sollecitazioni di deformazione, dalla velocità di tempra alle condizioni di austenitizzazione, fino ai campi magnetici, queste variabili determinano il comportamento di trasformazione dell'acciaio. La comprensione di questi fattori consente di ottimizzare le proprietà meccaniche dell'acciaio per le varie applicazioni. Continuate a leggere per scoprire come ogni elemento influisce sulle prestazioni dell'acciaio.
In generale, il punto Ms dipende principalmente dalla composizione chimica dell'acciaio, di cui il contenuto di carbonio ha l'effetto più significativo.
Con l'aumento del tenore di carbonio nell'acciaio, l'intervallo di temperatura della trasformazione martensitica diminuisce, come mostrato nella Fig. 1.
Fig. 1 Effetto di Contenuto di carbonio su Ms e Mf
Con l'aumento del contenuto di carbonio, le variazioni del punto Ms e del punto Mf non sono del tutto coerenti e il punto Ms mostra un calo continuo relativamente uniforme;
Quando il contenuto di carbonio è inferiore a 0,6%, il punto Mf diminuisce più significativamente del punto Ms, ampliando così l'intervallo di temperatura della trasformazione martensitica (Ms Mf).
Tuttavia, quando il contenuto di carbonio è superiore a 0,6%, il punto Mf diminuisce lentamente e, poiché il punto Mf è sceso al di sotto di 0 ℃, vi è una maggiore quantità di residui. austenite nella struttura a temperatura ambiente dopo l'estinzione.
L'effetto di N sul punto Ms è simile a quello di C.
Come il C, l'N forma una soluzione solida interstiziale nell'acciaio, che ha un effetto di rafforzamento della soluzione solida sulla fase γ e sulla fase α, ma soprattutto sulla fase α, aumentando così la resistenza al taglio della trasformazione martensitica e aumentando la forza motrice della trasformazione.
Allo stesso tempo, C e N sono anche elementi che stabilizzano una fase.
Riducono la temperatura di equilibrio T0 della transizione di fase γ → α', quindi riducono fortemente il punto Ms.
I comuni elementi di lega presenti nell'acciaio possono ridurre il punto Ms, ma l'effetto non è così significativo come quello del carbonio.
Solo Al e Co aumentano il punto Ms (come mostrato nella Fig. 2).
Fig. 2 Effetto degli elementi di lega sul punto Ms della ferrolega
Gli elementi che riducono il punto Ms sono disposti nell'ordine della loro intensità di influenza: Mn, Cr, Ni, Mo, Cu, W, V, Ti.
Tra questi, W, V, TI e altri forti elementi che formano carburi esistono per lo più sotto forma di carburi nell'acciaio, e sono raramente disciolti in austenite durante la tempra e il riscaldamento, quindi hanno un effetto minimo sul punto Ms.
L'influenza degli elementi di lega sul punto Ms dipende principalmente dalla loro influenza sulla temperatura di equilibrio T0 e l'effetto di rafforzamento sull'austenite.
Tutti gli elementi (come C) che riducono fortemente T0 temperatura e rafforzano l'austenite riducendo drasticamente il punto Ms.
Mn, Cr, Ni, ecc. non solo riducono la T0 ma aumentano anche leggermente la resistenza austenitica, per cui riducono anche il punto Ms.
Al, Co, Si, Mo, W, V, Ti, ecc. aumentano la T0 temperatura, ma aumentano anche la resistenza dell'austenite in misura variabile.
Quindi,
① Se il primo gioca un ruolo maggiore, il punto Ms aumenterà, come Al e Co;
② Se quest'ultimo ha un effetto maggiore, il punto Ms sarà abbassato, come Mo, W, V, Ti;
③ Quando le due funzioni sono approssimativamente equivalenti, ha poco effetto sul punto Ms, come il Si.
Infatti, l'interazione tra la lega elementi in acciaio è molto complesso e il punto Ms dell'acciaio dipende principalmente dai test.
In genere si ritiene che tutti gli elementi di lega che riducono il punto Ms riducano anche il punto Mf.
Come già accennato, la trasformazione martensitica sarà indotta quando l'austenite sarà deformata plasticamente tra Md Ms.
Allo stesso modo, anche la deformazione plastica tra Ms Mf può promuovere la trasformazione martensitica e aumentare la trasformazione martensitica.
In generale, maggiore è la deformazione e minore è la temperatura di deformazione, maggiore è la deformazione indotta. martensite variabili di trasformazione.
Poiché la trasformazione della martensite produce inevitabilmente un'espansione di volume, le sollecitazioni di compressione multidirezionali impediscono la formazione di martensite, riducendo così il punto Ms.
Tuttavia, le sollecitazioni di trazione o di compressione unidirezionale spesso favoriscono la formazione di martensite, facendo aumentare il punto Ms.
L'influenza della temperatura di riscaldamento e del tempo di mantenimento sul punto Ms è complessa.
L'aumento della temperatura di riscaldamento e il prolungamento del tempo di mantenimento favoriscono l'ulteriore dissoluzione del carbonio e degli elementi di lega nell'austenite, che ridurrà il punto Ms, ma allo stesso tempo causerà la crescita dei grani di austenite, ridurrà i suoi difetti cristallini e ridurrà la resistenza al taglio durante la formazione della martensite, aumentando così il punto Ms.
In generale, in assenza di variazioni della composizione chimica, cioè in condizioni di austenitizzazione completa, l'aumento della temperatura di riscaldamento e il prolungamento del tempo di mantenimento aumenteranno il punto Ms;
In condizioni di riscaldamento incompleto, l'aumento della temperatura o il prolungamento del tempo aumentano il contenuto di carbonio e di elementi di lega nell'austenite, determinando la diminuzione del punto Ms.
A condizione che la composizione dell'austenite sia costante, la resistenza dell'austenite aumenterà e la resistenza al taglio della trasformazione martensitica aumenterà quando il grano sarà raffinato, riducendo il punto Ms.
Tuttavia, quando l'affinamento dei grani non influisce significativamente sulla resistenza al taglio, ha un effetto limitato sul punto Ms.
L'influenza della velocità di raffreddamento di spegnimento sul punto Ms è illustrata nella Fig. 3.
Fig. 3 Effetto della velocità di tempra sul punto Ms dell'acciaio Fe-0,5% C-2,05% NI
Quando la velocità di tempra è bassa, il punto Ms rimane costante, formando un gradino inferiore, equivalente al punto Ms nominale dell'acciaio.
Quando la velocità di tempra è molto elevata, si verifica un'altra fase in cui il punto Ms rimane costante.
Tra le due velocità di tempra sopra citate, il punto Ms aumenta con l'aumentare della velocità di tempra.
Questi fenomeni possono essere spiegati come segue:
Si ipotizza che la distribuzione del C nell'austenite durante la trasformazione di fase non sia uniforme e che la segregazione avvenga in corrispondenza di difetti come le dislocazioni, formando una "massa d'aria atomica di C".
La dimensione di questa "massa d'aria" è legata alla temperatura.
In condizioni di alta temperatura, la capacità di diffusione atomica è forte e la tendenza alla segregazione degli atomi di C è ridotta, per cui anche la dimensione della "massa d'aria" è ridotta.
Tuttavia, quando la temperatura diminuisce, la diffusività atomica diminuisce, la tendenza degli atomi di C a segregarsi aumenta e la dimensione della "massa d'aria" interna aumenta con la diminuzione della temperatura.
In condizioni normali di tempra, queste "masse d'aria" possono raggiungere dimensioni sufficienti a rafforzare l'austenite.
Tuttavia, la velocità di tempra estremamente rapida inibisce la formazione di "massa d'aria", che porta all'indebolimento dell'austenite e alla riduzione della resistenza al taglio durante la trasformazione martensitica, innalzando così il punto Ms.
Tuttavia, quando la velocità di raffreddamento è sufficientemente elevata, la flessione della "massa d'aria" è limitata e il punto Ms non aumenta più con l'aumento della velocità di tempra.
Il test dimostra che quando l'acciaio viene temprato e raffreddato in campo magnetico, il campo magnetico applicato induce la trasformazione della martensite.
Rispetto a quello senza campo magnetico, il punto Ms aumenta e la trasformazione della martensite alla stessa temperatura aumenta.
Tuttavia, il campo magnetico esterno fa solo aumentare il punto Ms, ma non ha alcun effetto sul comportamento della transizione di fase al di sotto del punto Ms.
Fig. 4 Effetto del campo magnetico esterno sul processo di trasformazione della martensite
Come mostrato in Fig. 4, il campo magnetico applicato aumenta Ms a Ms' durante il quenching e il raffreddamento, ma la tendenza all'aumento della variabile rotazionale è sostanzialmente coerente con quella senza campo magnetico.
Quando il campo magnetico applicato viene rimosso prima che la trasformazione di fase sia terminata, la trasformazione di fase tornerà immediatamente allo stato in cui non è applicato il campo magnetico e la quantità di trasformazione finale della martensite non cambierà.
Il motivo per cui il campo magnetico esterno influisce sulla trasformazione della martensite è che il campo magnetico esterno rende più stabile la fase della martensite con la massima forza di saturazione magnetica.
Fig. 5 Diagramma termodinamico dell'aumento del punto Ms causato da un campo magnetico esterno
Come mostrato nella Fig. 5, l'energia libera della martensite diminuisce in presenza di un campo magnetico, mentre il campo magnetico ha un effetto minimo sull'energia libera dell'austenite non ferromagnetica.
Pertanto, la temperatura di equilibrio bifase T0 aumenta e anche il punto Ms aumenta. Si può anche pensare che il campo magnetico esterno compensi in realtà parte della forza motrice chimica con l'energia magnetica e che la trasformazione martensitica possa avvenire al di sopra del punto Ms grazie all'induzione magnetica.
Questo fenomeno è molto simile alla trasformazione martensitica indotta dalla deformazione dal punto di vista termodinamico.
Attraverso l'introduzione di questo tema, dovremmo avere chiari i cinque fattori che influenzano i punti Ms.
Naturalmente, anche la revisione regolare di questi punti di conoscenza giocherà un ruolo benefico nella nostra comprensione dei punti di conoscenza.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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