Boks Kracht Berekenaar & Formule (Online & Gratis)
Heb je je ooit afgevraagd hoe je kunt zorgen voor een succesvol metaalstempelproject? In deze blogpost duiken we in de kritieke factoren die uw stempelproces kunnen maken of breken....
Waarom is martensiet zo belangrijk voor het versterken van staal en welke invloed hebben de verschillende vormen op de eigenschappen? Dit artikel onderzoekt de verschillende morfologieën van martensiet, waaronder lat-, vlok-, vlinder- en ε'-martensiet, en hun unieke kenmerken. Door deze variaties te begrijpen, krijg je inzicht in hoe elk type de mechanische eigenschappen van staal beïnvloedt, wat essentieel is voor toepassingen die specifieke sterkte en taaiheid vereisen.
De martensietstructuur die door afschrikken wordt verkregen, speelt een cruciale rol bij het verlenen van sterkte en taaiheid aan staal.
Door variaties in het type, de samenstelling en de warmtebehandelingsomstandigheden van staal kunnen de morfologie, de interne fijne structuur en de gevoeligheid voor microscheuren van afgeschrikt martensiet echter aanzienlijk variëren.
Deze veranderingen hebben een grote invloed op de mechanische eigenschappen van martensiet.
Daarom is het noodzakelijk om een grondig begrip te hebben van de morfologische kenmerken van martensiet en de verschillende factoren te begrijpen die de morfologie beïnvloeden.
De morfologie en de fijne structuur van martensiet zijn uitgebreid bestudeerd met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie van dunne lagen.
Uit het onderzoek is gebleken dat, hoewel de morfologie van martensiet in staal divers kan zijn, de kenmerken ervan meestal kunnen worden onderverdeeld in de volgende categorieën:
Lamellenmartensiet is een veel voorkomende martensietstructuur die wordt gevormd in laag tot middelzwaar koolstofstaal, maragingstaal, roestvast staal en andere ijzerlegeringen.
Figuur 1 illustreert de typische structuur van lat martensiet in zacht staal.
Fig. 1 Strip Martensiet 100X van laag koolstofgehalte Gelegeerd staal (0,03% C, 2% Mn)
De microstructuur van bepaalde staalsoorten bestaat uit talrijke groepen latten, daarom wordt het martensiet genoemd.
In sommige gevallen is de lat niet gemakkelijk bloot te leggen of te etsen en ziet deze er in plaats daarvan blokkerig uit, wat leidt tot de alternatieve naam, blokkerig martensiet.
Omdat de primaire substructuur van dit type martensiet dislocatie is, wordt het meestal dislocatie martensiet genoemd.
Clustermartensiet is samengesteld uit verschillende groepen latten, waarbij elke lattengroep bestaat uit meerdere latten van ongeveer gelijke grootte die ruwweg parallel aan elkaar zijn gerangschikt in een bepaalde richting.
Figuur 2 toont de dislocatie met hoge dichtheid binnen de latten die kenmerkend is voor martensiet.
Fig. 2 Dunne film transmissie microstructuur van lage koolstof gelegeerd staal (0,03% C, 2% Mn) 20000X
Daarnaast kunnen er fasetransformatietweelingen voorkomen in de latten, maar deze zijn meestal gelokaliseerd en niet in significante hoeveelheden aanwezig, noch zijn ze de primaire vorm van fijne structuur.
De kristaloriëntatieverhouding tussen lat martensiet en zijn ouder austeniet wordt meestal de Kurdjumov-Sachs (K-S) relatie genoemd, waarbij het habitatvlak (111)γ is.
In het geval van 18-8 roestvast staal is het gewoontevlak van lat martensiet echter (225)γ.
Figuur 3 illustreert de kristallografische karakteristieken van de lat martensiet microstructuur, zoals bepaald door onderzoek.
Fig. 3 Schematisch diagram van de kristallografische kenmerken van de microstructuur van lat martensiet
Een groot gebied dat bestaat uit parallel gerangschikte bundels martensiet wordt een groep genoemd en wordt aangeduid met A.
Een enkele primaire austenietkorrel kan meerdere latgroepen bevatten, meestal variërend van 3 tot 5.
Elke strookgroep kan worden onderverdeeld in meerdere parallelle regio's, zoals B in de afbeelding.
In sommige gevallen, wanneer bepaalde oplossingen worden gebruikt voor corrosie, is alleen de grens van de latgroep zichtbaar, wat resulteert in een blokkerig uiterlijk van de microstructuur, vandaar de naam blokkerig martensiet.
Wanneer kleuretstechnieken worden gebruikt, zoals 100cc HCl + 5g CaCl2 + 100cc CH3CH-oplossing kunnen zwarte en witte tinten worden waargenomen binnen de latgroep.
Regio's met dezelfde toon komen overeen met martensietlamellen met dezelfde oriëntatie en worden homotrope balken genoemd.
Volgens de Kurdjumov-Sachs (K-S) oriëntatierelatie kan martensiet 24 verschillende oriëntaties vertonen in het ouder austeniet, waaronder zes oriëntaties die parallel lath martensiet kunnen genereren (zie figuur 4).
Fig. 4 Martensiet (111) in staal γ Mogelijke oriëntatie bij vervormen op het vlak
Een isopathische bundel verwijst naar een bundel latten die getransformeerd zijn vanuit één van de latten.
Verschillende parallelle collineaire bundels vormen samen een stripgroep.
Sommige onderzoekers suggereren dat binnen een latgroep slechts twee groepen hun posities kunnen afwisselen.
Daarom is een latgroep meestal samengesteld uit twee uitgelijnde latbundelgroepen die elkaar afwisselen, en die elkaar ook kunnen afwisselen bij korrelgrenzen met een grote hoek. Er zijn echter gevallen waarbij de latgroep voornamelijk bestaat uit één type homotrope bundel, zoals geïllustreerd in C in Figuur 3.
Een uitgelijnde bundel bestaat uit parallel gerangschikte stroken, zoals weergegeven in D in Figuur 3.
Dit scenario kan worden waargenomen met elektronenmicroscopie, zoals getoond in Figuur 5.
Fig. 5 Enkele microstructuren in de isotrope straal van lat martensiet in Fe-0.2% C-legering (transmissie elektronenmicrograaf)
Volgens de onderzoeksresultaten van de Fe-0,2% C legering is de strookbreedteverdeling een lognormale verdeling zoals getoond in Fig. 6.
Fig. 6 Stripverdeling van film- en replicatechnologie
Zoals uit de figuur blijkt, varieert de latbreedte met de hoogste frequentie van voorkomen tussen 0,15 en 0,20 μm en is de verdelingscurve sterk scheefgetrokken in de richting van kleinere latten. Een klein deel van de latten heeft echter een breedte van 1 tot 2 μm.
Figuur 7 laat zien dat grotere latten vaak verspreid zijn over de hele lattenbundel, wat een belangrijk kenmerk is van de microstructuur van de lattenbundel.
Fig. 7 Microstructuur van lat martensiet in Fe-0,2% C-legering (transmissie elektronenmicrofoto)
Experimentele resultaten geven aan dat het veranderen van de austenitisatie temperatuur de austeniet korrelgrootte verandert maar een minimale invloed heeft op de breedteverdeling van de lat.
De grootte van de latgroep neemt echter toe naarmate de austenietkorrelgrootte toeneemt, terwijl de verhouding tussen de twee ongeveer constant blijft. Het aantal lamellengroepen in een austenitische korrel blijft dus meestal onveranderd.
Metingen met dunne-film elektronenmicroscopie tonen aan dat de oppervlakte van de latgrens in martensietvolume ongeveer 65000 cm²/cm³ is.
Het oppervlak van de kleine hoek kristalgrenzen in de mattenbundel is ongeveer 5 keer zo groot als dat van de grote hoek kristalgrenzen.
In de Fe-Cr-Ni-legering op basis van 18-8 roestvast staal kunnen zowel martensiet als ε'-martensiet (dicht opeengepakt hexagonaal rooster) worden gegenereerd, wat resulteert in een microstructuur die aanzienlijk verschilt van die van de Fe-C legering, zoals getoond in Figuur 8.
Fig. 8 Microstructuur van Fe-15% Cr-12&Ni (Ms=- 90 °) legering lat martensiet (aqua regia, glycerine corrosie)
De structuur bevat geen latgroepen of sympositorische bundels, maar is eerder ontstaan als een dunne latgroep rond een vel ε'-martensiet (zoals te zien is in de parallelle stroken in de figuur).
Desondanks is de elektronenmicroscopische structuur van dit martensiet identiek aan die van Fe-C en Fe-Ni legeringen.
Een andere typische martensietstructuur in ijzerlegeringen is lamellair martensiet, dat vaak wordt aangetroffen in afgeschrikt staal met een hoog en gemiddeld koolstofgehalte en legeringen met een hoog Ni-Feni-gehalte.
De typische lamellaire martensietstructuur in hoog koolstofstaal wordt getoond in Fig. 9.
Fig. 9 Oververhitte afschrikstructuur van T12A staal 400X (verhit bij 1000 ℃, afgeschrikt in water)
Dit specifieke type martensiet staat bekend onder verschillende namen zoals lenticulair martensiet, vanwege de biconvexe lensachtige vorm. Het wordt ook wel aciculair martensiet of bamboeblad-martensiet genoemd, omdat het, wanneer het onder een microscoop wordt waargenomen en het slijpoppervlak van het monster snijdt, lijkt op naaldachtige of bamboebladvormige structuren.
De substructuur van lamellair martensiet bestaat voornamelijk uit tweelingen en wordt daarom ook wel tweelingmartensiet genoemd. De microstructuur van lamellair martensiet wordt gekenmerkt door het feit dat de lamellen niet parallel zijn aan elkaar.
Wanneer een austenitische korrel met uniforme samenstelling wordt afgekoeld tot een temperatuur iets lager dan Ms, zal het eerst gevormde martensiet door de hele austenitische korrel lopen en deze in twee helften verdelen. Dit beperkt de grootte van het later gevormde martensiet, wat resulteert in lamellaire martensiet van verschillende grootte. Zoals afgebeeld in Figuur 10, zijn de later gevormde martensietvlokken meestal kleiner.
Fig. 10 Microstructuur van lamellair martensiet
De grootte van de vlokken hangt bijna volledig af van de korrelgrootte van austeniet.
Er is vaak schilferig martensiet te zien met een duidelijke middenkam (zie Fig. 11).
Afb. 11 Vlok martensiet (met duidelijke middenkam, T12 staal is gecarboneerd op 1200 ℃ gedurende 5 uur en afgeschrikt op 180 ℃)
Op dit moment is de regel voor de vorming van middenruggen niet goed gedefinieerd.
Het habituaire vlak van lamellair martensiet is ofwel (225) γ of (259) γ. De oriëntatierelatie met de moederfase is ofwel de Kurdjumov-Sachs (K-S) relatie of de Xishan relatie.
Zoals te zien is in Figuur 12, bevat het martensiet talrijke fijne lijnen die transformatie Luan kristallen zijn, terwijl de gebandeerde dunne ribben in het middelste verbindingsdeel middenpatronen zijn.
Fig. 12 TEM-structuur van lamellair martensiet
Het bestaan van transformatie Lüders kristal is een belangrijk kenmerk van lamellaire martensiet.
De afstand tussen Lüders-kristallen is ongeveer 50 Å en reikt meestal niet tot de grens van martensiet.
De rand van de plaat heeft een complexe dislocatie-array, waarvan algemeen wordt aangenomen dat het schroefdislocaties zijn die regelmatig in de [111] α´-richting zijn gerangschikt.
Het transformatie Lüders kristal in lamellair martensiet is over het algemeen een (112)α´ Lüders kristal.
In de legering Fe-1.82% C (c/a=1,08) zal een (110) Lüders-kristal zich echter mengen met een (112)α´ Lüders-kristal.
Afhankelijk van de interne substructuur van het lamellaire martensiet, kan het verdeeld worden in het transformatie-tweelinggebied (middengedeelte) gecentreerd op de middenkam en het tweelingvrije gebied (in het omliggende deel van de lamel zijn er dislocaties).
Het aandeel tweelingzones varieert met de samenstelling van de legering.
In Fe-Ni-legeringen geldt: hoe hoger het nikkelgehalte (hoe lager de Mevrouw punt), hoe groter de tweelingzone.
Volgens onderzoek naar Fe-Ni-C-legering neemt, zelfs voor een legering met dezelfde samenstelling, het aandeel van de tweelingzone toe met de afname van het Ms-punt (zoals veroorzaakt door het veranderen van de austenitizingstemperatuur).
De dichtheid van transformatie-tweelingen verandert echter nauwelijks en de dikte van tweelingen blijft ongeveer 50 Å.
Lamellenmartensiet en lamellair martensiet zijn de twee meest basale martensietmorfologieën in staal en legeringen.
Hun morfologische en kristallografische eigenschappen staan vermeld in tabel 1.
Tabel 1 Soorten en eigenschappen van martensiet in ijzer-koolstoflegeringen
| Kenmerken | Lamellenmartensiet | Lamellaire martensiet | |
| Gewoon oppervlak | （111） γ | （225） γ | （259） γ |
| oriëntatierelatie | K-S relatie (111) γ lll（110） α ´【110】 γ 【111】 α. | K-S relatie (111) γ lll（110） α ´【110】 γ 【111】 α. | Xishan relatie (111) yll (110) α.' 【211】 γ ll【110】 α.' |
| Vormingstemperatuur | M>350℃ | M≈200~100℃ | M.<100℃ |
| Samenstelling legering% C | <0.3 | 1~1.4 | 1.4~2 |
| Gesloten bij 0,3~1 | |||
| Histomorfologie | De lamellen zijn meestal gerangschikt in parallelle groepen van de austenietkorrelgrens naar de korrelinhoud en de latbreedte is meestal 0,1 ~ 0,2 μ, de lengte minder dan 10 μ. Een austenitische korrel bevat meerdere latgroepen. Er zijn kleine hoekkorrelgrenzen tussen latlichamen en grote hoekkorrelgrenzen tussen latgroepen. | De bolle lenslamel (of naald, bamboeblad) is iets dikker in het midden, de primaire is dikker en langer en doorkruist de austenietkorrels, terwijl de secundaire kleiner is. Tussen de primaire lamellen en de austenietkorrelgrens is de hoek tussen de lamellen groot en ze botsen tegen elkaar en vormen microscheurtjes. | Aan dezelfde linkerkant is er een middenkam in het midden van de plak, en dunne plakjes met zigzagverdeling komen vaak voor tussen de twee primaire plakjes. |
| Onderbouw | Dislocatienetwerk (verstrengeling), dislocatiedichtheid neemt toe met koolstofgehaltemeestal (0,3 ~ 0,9) × Een kleine hoeveelheid fijne tweelingen kan soms worden gezien bij 1012cm/cm3. | De fijne tweelingen met een breedte van ongeveer 50 ｜ vormen de transformatie Lie en tweeling regio's met de middelste kam als het centrum. Als het M-punt afneemt, neemt het transformatie tweelinggebied toe en de rand van de plaat is een complexe dislocatiematrix. Het tweelingvlak is (112) α ※, de tweelingrichting is [11I] α ´ | |
| Formatief proces | Kernafkoeling, nieuwe martensietvellen (latten) worden alleen tijdens het afkoelen geproduceerd | ||
| De groeisnelheid is laag en een lat wordt gevormd in ongeveer 10-4s. | De groeisnelheid is hoog en een vel wordt gevormd in ongeveer 10-7s. | ||
| Er is geen "explosieve" transformatie en de koeltransformatiesnelheid is ongeveer 1%/℃ binnen minder dan 50% van de transformatiehoeveelheid. | Wanneer M<0 ℃, is er een "explosieve" transformatie, en de nieuwe martensiet plaat niet uniform produceren met de temperatuurdaling, maar vanwege de zelf triggering effect, het vormt in groepen (in de vorm van "Z") continu en massaal in een zeer klein temperatuurbereik, gepaard met een temperatuurstijging van 20 ~ 30 ℃ | ||
3.1 Vlinder martensiet
In Fe-Ni-legeringen of Fe-Ni-C-legeringen, wanneer martensiet gevormd wordt binnen een bepaald temperatuurbereik, zal martensiet met een speciale morfologie verschijnen, zoals getoond in Fig. 13.
Fig. 13 Microstructuur van schotelmartensiet
De driedimensionale vorm van dit martensiet is een slanke staaf en de doorsnede is vlindervormig, vandaar de naam vlindermartensiet.
Er is ontdekt dat vlindermartensiet zich vormt in de legering Fe-31% Ni of Fe-29% Ni-0,26% C binnen het temperatuurbereik van 0 tot -60 ℃.
Elektronenmicroscopisch onderzoek heeft bevestigd dat de interne substructuur bestaat uit dislocaties met een hoge dichtheid, zonder zichtbare tweelingen.
De kristallografische relatie met de moederfase houdt zich over het algemeen aan de K-S relatie. Vlindermartensiet vormt zich voornamelijk tussen 0 en -20 ℃ en bestaat naast lamellair martensiet tussen -20 en -60 ℃.
Het kan worden waargenomen dat, voor de twee bovengenoemde legeringssystemen, het vormingstemperatuurbereik van vlindermartensiet tussen het vormingstemperatuurbereik van lattenmartensiet en lamellair martensiet ligt.
De verbinding van twee vleugels van vlindermartensiet lijkt erg op de middenrand van gelamelleerd martensiet. Aangenomen wordt dat het martensiet (waarschijnlijk twinning) dat van hieruit naar de twee zijkanten groeit langs verschillende oriëntaties de vlindervorm zal vertonen.
Het gewrichtsdeel van vlindermartensiet is verwant aan het gewrichtsdeel van twee stukken martensiet gevormd door een explosie, maar het bevat geen tweelingstructuur, wat verschilt van plaatmartensiet.
Vanuit het oogpunt van interne structuur en microstructuur is vlindermartensiet vergelijkbaar met latjesmartensiet, maar het komt niet in rijen voor.
Tot nu toe zijn veel aspecten van vlindermartensiet nog niet duidelijk. De morfologie en eigenschappen liggen echter tussen lath-martensiet en lamellair martensiet in, waardoor het een interessant onderwerp is om te onderzoeken.
3.2 Vlokkig martensiet
Dit martensiet is ontdekt in een Fe-Ni-C legering die een uitzonderlijk laag Ms-punt vertoont. Het verschijnt als een zeer dunne band in driedimensionale vorm, waarbij de banden elkaar kruisen en kronkels, takken en andere unieke vormen vertonen, zoals afgebeeld in Figuur 14c.
Fig. 14 Fe-Ni-C legering afgekoeld tot Ms-punt
Microstructuur van martensiet gevormd bij dezelfde temperatuur
De elektronenmicroscopische structuur van dit martensiet wordt getoond in Fig. 15.
Fig. 15 Elektronenmicroscopische structuur van lamellair martensiet (Fe-31%, Ni0,23% C, Ms=- 190 ℃, afgekoeld tot - 196 ℃)
Het onderzochte materiaal is een volledig Luan-martensiet dat bestaat uit (112) α´Luan-kristallen zonder centrale kam, wat het onderscheidt van lamellair martensiet.
Er is waargenomen dat de morfologie van Fe-Ni-C systeem martensiet verandert van lenticulair naar lamellair als de vormingstemperatuur afneemt.
In de Fe-Ni-C legering met een koolstofgehalte van ongeveer 0,25% en Ms = -66 ℃ is de structuur explosief lamellair martensiet, zoals weergegeven in figuur 14a.
Als Ms afneemt tot -150 ℃, begint er een kleine hoeveelheid lamellair martensiet te ontstaan, zoals te zien is in figuur 14b.
Op het punt waar Ms daalt tot -171 ℃, bestaat de hele structuur uit lamellair martensiet (zie figuur 14c).
Het is gebleken dat de overgangstemperatuur van lens naar dunne plaat toeneemt naarmate het koolstofgehalte toeneemt.
Als het koolstofgehalte 0,8% bereikt, ligt de vormingszone van lamellair martensiet onder -100 ℃.
Als de transformatietemperatuur daalt, is er tijdens de lamellaire martensiettransformatie niet alleen continue vorming van nieuwe martensietvellen, maar ook verdikking van oude martensietvellen.
Verdikking van oude martensietplaten is niet zichtbaar in lamellair martensiet.
3.3 ε' Martensiet
Alle bovengenoemde martensieten hebben een lichaamsgecentreerde kubische (α') of lichaamsgecentreerde vierkante structuur.
In legeringen met een lage stapelfoutenergie in austeniet kan zich ook dicht hexagonaal rooster ε' martensiet vormen.
Dit type martensiet komt veel voor in hoge Mn-Fe-C legeringen.
Echter, het 18-8 roestvast staal vertegenwoordigd door Fe-Cr-Ni legeringen komt vaak voor naast α'-martensiet.
ε' martensiet is ook dun, zoals afgebeeld in Figuur 16.
Langs het (111) γ-oppervlak, widmanstatten formatie waargenomen, met een substructuur die wordt gekenmerkt door talrijke stapelfouten.
Fig. 16 Martensietmicrostructuur van de Fe-16.4% Mn-legering (Corrosie door nitraatalcohol)
De aanwezigheid van legeringselementen in staal heeft een cruciale invloed op de vorm van martensiet.
Een veel voorkomend voorbeeld is dat de martensietvorm in Fe-C en Fe-Ni legeringen verschuift van lat naar vlok naarmate het legeringsgehalte toeneemt. Bijvoorbeeld, in de Fe-C legering, onder 0,3% koolstof, is het martensiet latvormig, terwijl boven 1% koolstof het vlokvormig wordt. In het bereik van 0,3% tot 1,0% koolstof kunnen beide vormen van martensiet aanwezig zijn.
Verschillende bronnen kunnen echter inconsistente concentraties laten zien die de overgang van lat- naar lamellair martensiet teweegbrengen. Deze variabiliteit is gekoppeld aan het effect van de afschriksnelheid, waarbij een hogere afschriksnelheid leidt tot een lagere minimale koolstofconcentratie die nodig is voor de vorming van tweeling-martensiet.
Figuur 17 illustreert de impact van het koolstofgehalte op het type martensiet, het Ms-punt en de hoeveelheid koolstof op het type martensiet. behouden austeniet in Fe-C legeringen.
Fig. 17 Effect van koolstofgehalte op het Ms-punt, martensietgehalte van de lat en behouden austeniet gehalte (koolstofstaal afgekoeld tot kamertemperatuur)
De figuur toont aan dat staal met een koolstofgehalte lager dan 0,4% bijna geen behouden austeniet bevat.
Naarmate het koolstofgehalte toeneemt, daalt het Ms-punt terwijl de hoeveelheid Luan-kristalmartensiet en behouden austeniet toeneemt.
Tabel 2 geeft een overzicht van de relatie tussen de martensietmorfologie en de samenstelling van binaire ijzerlegeringen.
Tabel 2 Martensietmorfologie van binaire Fe-legeringen
|
Gelegeerd systeem |
Lamellenmartensiet |
Lamellaire martensiet |
Martensiet | |||||
|
Samenstelling legering (%) |
Punt M (℃) |
Samenstelling legering (%) |
Punt M (℃) |
Samenstelling legering (5%) | ||||
|
Verlengde Y-zone |
Fe-C Fe-N Fe-Ni Fe-Pt Fe-Mn Fe-Ru Fe-Ir Fe-Cu Fe-Co |
<1.0 <0.7 <29 <20.5 <14.5 7.5~19 20~48 2~6 0~1 1~24 |
700~200 700~350 700~25 700~400 700~150 600~200 550~40 – 700~620 620~800 |
0.6~1.95 0.7~2.5 29~24 24.6 – – – – – – |
500~40 350~100 25~195 -30 – – – – |
– – – – 14.5~27 11~17 35~53 – – – | ||
|
Gereduceerd Y-gebied |
Fe-Cr Fe-Mo Fe-Sn Fe-V Fe-W |
<10 <1.94 <1.3 <0.5 <0.3 |
700~260 700~180 |
– – – – – |
– – – – – |
– – – – – | ||
De tabel toont aan dat alle legeringselementen in zone γ worden omgezet in lat martensiet.
Naarmate de concentratie van legeringselementen in de geëxpandeerde P-zone toeneemt, neemt het algemene Ms-punt aanzienlijk af, wat gepaard gaat met een verandering in de martensietmorfologie.
In binaire legeringen zoals Fe-C, Fe-N, Fe-Ni, Fe-Pt en andere transformeert de morfologie van martensiet van lat naar schilfer naarmate de inhoud van de legering toeneemt.
De toevoeging van Mn, Ru en Ir kan echter de stapelfoutenergie van austeniet sterk verminderen, wat resulteert in een verandering in de martensietmorfologie van lat- naar ε´-martensiet met een toename van het legeringselementgehalte in binaire ijzerlegeringen.
Fe-Cu en Fe-Co legeringen zijn uitzonderingen onder de elementen in de uitgebreide γ-zone.
Hoewel Cu deel uitmaakt van het uitdijende Y-zone element, leidt de kleine hoeveelheid vaste oplossing in Fe tot een relatief stabiel Ms-punt en vertoont het dus dezelfde neiging als de krimpende Y-zone legeringen.
De Fe-Co legering is uniek in vergelijking met andere legeringen. Met een toename van het Co-gehalte neemt het Ms-punt toe, waardoor het een speciaal geval is.
Over het algemeen zijn er verschillende soorten legeringen elementen in staalMaar als een derde element wordt toegevoegd aan een Fe-C of Fe-Ni legering, zal een kleine hoeveelheid de martensietmorfologie niet significant veranderen ten opzichte van die van de binaire legering.
Zoals eerder vermeld kunnen Fe-Ni-C legeringen lat-, vlinder-, lensblad- en dunblad martensiet vormen. De relatie tussen de vormingstemperatuur van deze vier vormen van martensiet en het koolstofgehalte en het Ms-punt wordt getoond in figuur 18.
Fig. 18 Verband tussen martensietmorfologie, koolstofgehalte en Ms punt van Fe-Ni-C legering
De figuur laat zien dat de vormingstemperatuur van lenticulaire en lamellaire martensiet toeneemt naarmate het koolstofgehalte toeneemt.
De figuur toont ook het vormingsgebied van vlindermartensiet met een gearceerd gebied.
Tabel 3 geeft een overzicht van de relatie tussen de morfologie, substructuur en kristallografische eigenschappen van martensiet in ijzerlegeringen.
Tabel 3 Kenmerken van Fe-systeem Martensiet
| Gewoon oppervlak | oriëntatierelatie | Martensietmorfologie | Tweede afschuivingstype | Substructuur in martensiet | M. Punt | Austeniet breukenergie | Staalsoort |
| （111） （225）（259） | K-S K-S Xishan | Lat | Dubbele slip | Dislocatie | Hoog medium laag | Laag laag of gemiddeld hoog | Koper met laag koolstofgehalte, staal met hoog Mn-gehalte, staal met laag Ni-gehalte; hoog en middelhoog koolstofstaal, roestvrij staal, middelhoog nikkelstaal; hoog nikkelstaal, extreem hoog koolstofstaal |
In staal wordt martensiet met een koolstofgehalte van minder dan 0,20% over het algemeen beschouwd als een lichaamsgecentreerde kubische roosterstructuur. Martensiet met een koolstofgehalte van meer dan 0,20% wordt beschouwd als een tetragonaal rooster met lichaamsgecentreerde structuur.
Algemeen wordt aangenomen dat lichaamsgecentreerd kubisch martensiet in laag koolstofstaal gelijk is aan dislocatie martensiet, terwijl lichaamsgecentreerd tetragonaal martensiet gelijk is aan hoog koolstof tweeling martensiet. In Fe-Ni-legeringen kan tweelingmartensiet echter ook een lichaamsgecentreerde kubische structuur hebben.
Hierdoor blijft de relatie tussen kristalstructuur en substructuur onzeker.
De bovenstaande discussie gaat over de wet van de verandering in martensietmorfologie als gevolg van een verandering in de samenstelling van de legering.
Momenteel is er veel discussie over de factoren die deze verandering beïnvloeden en er is geen duidelijke consensus.
Er wordt algemeen aangenomen dat morfologische veranderingen in essentie veranderingen in de substructuur zijn:
Voorstanders van dit standpunt geloven dat de morfologie van martensiet afhankelijk is van de Ms temperatuur.
Ze beweren dat in Fe-C legeringen een verhoging van het koolstofgehalte resulteert in een verlaging van de Ms temperatuur.
Bij temperaturen onder een bepaald bereik (300-320℃) wordt het gemakkelijker om transformatie-tweelingen en resulterende lamellaire martensiet te vormen.
Tabel 4 schetst de relatie tussen de martensietmorfologie, de kristalkenmerken van koolstofstaal en het koolstofgehalte en de Ms temperatuur.
Tabel 4 Verband tussen martensietmorfologie en kristallografische eigenschappen van koolstofstaal en koolstofgehalte en Ms-punt van staal
| Koolstofgehalte (%) | Kristalstructuur | Oriëntatierelatie | Gewoon oppervlak | M. Punt (℃) | Martensietmorfologie |
| <0.3 | Lichaam gecentreerd kubusvormig of vierkant | K-S relatie | （111） | >350 | Lamellenmartensiet |
| 0.3~1.0 | Centroïde vierkant | K-S relatie | Strip (111), vel (225) | 350~200 | Gemengde martensiet |
| 1.0~1.4 | Centroïde vierkant | K-S relatie | （225） | <200 | Vlokmartensiet met partiële tweelingen en dislocaties in de substructuur |
| 1.4~1.8 | Lichaam - Hart vierkant | Xishan relatie | （259） | <100 | Typisch lamellair martensiet met duidelijke middenkam en "Z-vormige" rangschikking |
De transformatie van martensietmorfologie van lat naar schilfer met afnemend Ms punt kan als volgt verklaard worden:
Tabel 4 toont een correlatie aan tussen het habituatievlak en de morfologie van martensiet. Over het algemeen wordt aangenomen dat de vormingstemperatuur van martensiet met een laag koolstofgehalte hoog is, met het (111) γ-vlak als gewoontevlak vanwege de grote afschuiving. Bij deze hoge temperaturen treedt gemakkelijker slip op dan twinning en zijn er minder (111) γ kristalsystemen in het face centered cubic rooster, wat resulteert in een beperkt aantal initiële oriëntaties voor martensietvorming, wat leidt tot de vorming van geclusterd martensiet binnen hetzelfde austeniet.
Naarmate de temperatuur van het Ms-punt daalt, treedt twinning gemakkelijker op dan slip en verschuift het habituaire vlak naar (225) γ of (259) γ. Deze verschuiving resulteert in een groter aantal kristalsystemen en initiële oriëntaties voor martensietvorming, wat leidt tot de vorming van Li kristal lamellair martensiet waarbij aangrenzende vellen niet parallel zijn aan elkaar binnen hetzelfde austeniet.
Het is vastgesteld dat martensietvorming bij hoge temperatuur niet kan resulteren in tweelinglamellair martensiet, zelfs als het austeniet aanzienlijk versterkt is. Het Ms-punt in Fe-Ni-C legeringen kan worden veranderd door de austenitisatie temperatuur te veranderen, waardoor verschillende Ms-punten binnen dezelfde legering kunnen worden bereikt.
Wanneer de koeltemperatuur iets lager is dan het overeenkomstige Ms-punt, kan de verandering in martensietmorfologie van vlindervorm naar plaatvorm worden waargenomen. Bovendien leidt de daling van de vormingstemperatuur tot een toename van de transformatie-tweelingzone.
De morfologie van deformatiegeïnduceerd martensiet gevormd in dezelfde legering bij verschillende temperaturen boven het Ms-punt werd ook bestudeerd, waaruit bleek dat de morfologie van het martensiet verandert met de verandering in deformatietemperatuur (d.w.z. de vormingstemperatuur van deformatiegeïnduceerd martensiet). Deze bevindingen bevestigen dat de martensietmorfologie en interne structuur van dit type legering uitsluitend gerelateerd zijn aan het Ms-punt.
Bovendien is het onder hoge druk en dalend Ms punt waarschijnlijker dat transformatie-tweelingen optreden, wat leidt tot een verandering in martensietmorfologie van lat naar plaat, zoals getoond in Fig. 19. Dit experimenteel bewijs ondersteunt het belang van het Ms punt.
Fig. 19 Effect van 4000MPa druk op Ms-punt en Martensietsubstructuur van ferromagnetische legering
In het eigenlijke vormingsproces worden meerdere martensieten na elkaar geproduceerd bij verschillende temperaturen tussen het Ms en Mf punt.
De temperatuur waarbij elk martensietkristal zich vormt is uniek, dus de interne structuur en morfologie van elk martensietkristal zijn ook verschillend.
Daarom is het nauwkeuriger om te stellen dat de vormingstemperatuur, eerder dan het Ms-punt, de morfologie en interne structuur van martensiet beïnvloedt.
Volgens Kelly et al. stellen ze een hypothese voor die stelt dat hoe lager de stapelfoutenergie van austeniet, hoe moeilijker het wordt om de transformatie naar bainietkristallen te produceren en hoe waarschijnlijker het is dat er lat martensiet gevormd wordt.
Zowel 18-8 roestvast staal als de Fe-8% Cr-1,1% C-legering hebben lage stapelfoutenergieën. Bij vloeibare stikstof temperatuur wordt dislocatie martensiet gevormd. Dit fenomeen is moeilijk te verklaren met de Ms Punt hypothese, maar het kan verklaard worden door deze hypothese.
Bovendien neemt in het lamellaire martensiet van een Fe-30~33% nikkellegering de transformatie-tweelingzone toe naarmate de nikkelinhoud toeneemt. Aangezien van nikkel bekend is dat het de stapelfoutenergie van austeniet verhoogt, ondersteunt dit experimentele fenomeen de hypothese.
Het is vermeldenswaard dat dit experimentele fenomeen ook kan worden verklaard door de Ms-punttheorie, aangezien Ni het Ms-punt verlaagt.
Onlangs stelden Davis en Magee een hypothese voor over de relatie tussen de sterkte van austeniet en de morfologie van martensiet. Ze gebruikten een legeringsmethode om de sterkte van austeniet te veranderen en bestudeerden de resulterende veranderingen in de morfologie van martensiet.
De resultaten toonden aan dat de martensietmorfologie verandert op basis van de sterkte van het austenitische treksterkte op het Ms-punt, dat ongeveer 206MPa is. Boven deze grens wordt lamellair martensiet gevormd met een gewoontevlak van {259} γ. Onder deze grens wordt lamellair martensiet met een gewoontevlak van {111} γ of lamellair martensiet met een gewoontevlak van {225} γ gevormd.
Davis en Magee geloven daarom dat de sterkte van austeniet de belangrijkste factor is die de morfologie van martensiet beïnvloedt. Ze onderzochten ook verder de sterkte van martensiet. Als de sterkte van austeniet lager is dan 206MPa en de sterkte van het resulterende martensiet hoog is, vormt het zich als {225}γ martensiet. Als de sterkte van martensiet laag is, wordt {111}γ martensiet gevormd.
Deze hypothese kan worden toegepast om de morfologische veranderingen te verklaren die het gevolg zijn van veranderingen in de samenstelling van de legering of het Ms-punt, met name de transformatie van {111}γ naar {225}γ in Fe-Ni-legeringen en {111}γ naar {225}γ naar {259}γ in Fe-C-legeringen.
Bovendien geeft de hypothese een duidelijk inzicht in de vorming van {225}γ martensiet, die in het verleden niet goed gedefinieerd was. Het wordt gevormd wanneer zwak austeniet overgaat in sterk martensiet.
Terwijl koolstof beperkte effecten heeft op de versterking van austeniet, heeft het een aanzienlijke invloed op de versterking van martensiet. {225}γ martensiet komt meestal voor in legeringen met een hoog koolstofgehalte.
Deze hypothese is gebaseerd op het volgende:
Als de ontspanning van de transformatiespanning in martensiet alleen optreedt door twinningvervorming, zal het resulterende martensiet het gewoontevlak {259} γ hebben.
Als de ontspanning van de transformatiespanning gedeeltelijk in het austeniet door middel van slipmodus en gedeeltelijk in het martensiet door middel van twinningmodus plaatsvindt, zal het martensiet het gewoontevlak {225} γ hebben.
Als martensiet ook een glijdende modus ondergaat, zal het gewoontevlak {111} γ zijn.
Experimentele resultaten suggereren dat deze hypothese gedeeltelijk juist is, maar in de toekomst is nog verder onderzoek nodig.
Opgemerkt moet worden dat de sterkte van austeniet en martensiet zoals geschetst in deze hypothese nauw samenhangt met verschillende factoren zoals de samenstelling van de legering, type, Ms punt, austenitische stapelfoutenergie en andere. Daarom kan deze hypothese niet als geïsoleerd worden beschouwd.
Deze hypothese benadrukt dat de interne structuur van martensiet hoofdzakelijk wordt bepaald door de wijze van vervorming tijdens transformatie, die hoofdzakelijk wordt gecontroleerd door de kritische schuifspanning van ofwel glijden ofwel tweeling.
Figuur 20 illustreert het effect van de kritische schuifspanning van martensietmisstap of -tweeling en de temperatuur van Ms en Mf op de vorming van martensietmorfologie.
Fig. 20 Schematisch diagram van de invloed van de kritische afschuifspanning en de Ms Mf temperatuur op de morfologie van het Martensiet veroorzaakt door Martensietmisstap of -tweeling
De pijlen in de figuur stellen de potentiële bewegingsrichtingen voor de corresponderende lijnen voor, die veroorzaakt worden door veranderingen in de samenstelling van de legering. De beweging van de lijnen leidt tot de beweging van het snijpunt van de sliptwee krommen.
Uit de figuur kan worden afgeleid dat voor staal met een laag koolstofgehalte (waar de Ms en Mf punten beide hoog zijn), de kritische schuifspanning die nodig is voor glijden lager is dan die welke nodig is voor twinning, wat resulteert in de vorming van lamellair martensiet met een hoge dichtheid van dislocaties. Omgekeerd is voor staal met een hoog koolstofgehalte (waar de Ms en Mf punten beide laag zijn) de kritische schuifspanning die nodig is voor twinning klein, wat resulteert in de vorming van lamellair martensiet met een groot aantal tweelingen.
In het geval van een gemiddeld koolstofgehalte zijn de Ms en Mf punten zoals weergegeven in de figuur. Tijdens de martensitische transformatie vormt zich eerst lat martensiet, gevolgd door lamellair martensiet. Dit resulteert in een gemengde structuur van beide soorten martensiet.
Hoewel deze zienswijze fundamenteel correct lijkt te zijn, zijn de factoren die veranderingen in afschuifspanning veroorzaken en hoe de samenstelling van de legering of het Ms-punt de kritische afschuifspanning voor martensitische slip of twinning beïnvloedt, nog steeds niet duidelijk.
Sommigen geloven dat de toename in transformatiestuwkracht leidt tot de transformatie naar lamellair martensiet. Voor Fe-C legeringen is de grens van de drijvende kracht voor de verandering in martensietmorfologie 1318 J/mol en voor Fe-Ni legeringen varieert het van 1255 tot 1464 J/mol. Anderen geloven dat de toename in C- en N-gehalte in martensiet, waardoor ordening optreedt, nauw samenhangt met morfologische transformatie.
Wanneer staal met een hoog koolstofgehalte wordt afgeschrikt, is het gevoelig voor de vorming van microscheurtjes in het martensiet.
Voorheen werd gedacht dat deze microscheurtjes het gevolg waren van microstress veroorzaakt door volumevergroting tijdens de martensitische transformatie.
Recente metallografische observaties hebben echter aangetoond dat de vorming van microscheurtjes eigenlijk te wijten is aan de botsing van groeiend martensiet, zoals geïllustreerd in Figuur 21.
Figuur 21. Schematisch diagram van microscheuren gevormd door de botsing van twee Fe-C martensiet vellen. (Doorsnede A-A stelt de doorsnede voor van één martensietplaat die is overgegaan in twee martensietplaten).
De vorming van martensiet vindt snel plaats. Wanneer martensietplaten tegen elkaar of tegen een austenietkorrelgrens botsen, wordt door de botsing een aanzienlijk spanningsveld gegenereerd.
Omdat hoog-koolstof martensiet extreem bros is en niet kan worden ontlast door slip of dubbele vervorming, is het gevoelig voor het vormen van impactscheuren.
Dit inherente defect verhoogt de brosheid van martensietstaal met een hoog koolstofgehalte.
Onder invloed van andere stressfactoren, zoals thermische stress en structurele stress, zullen microscheurtjes uitgroeien tot macroscheurtjes.
De aanwezigheid van microscheurtjes zal ook de vermoeiingslevensduur van onderdelen aanzienlijk verminderen.
Microscheuren in het lamellaire martensiet van de Fe-C legering komen vaak voor op de kruising van verschillende radiale martensietnaalden of binnen de martensietnaalden, zoals geïllustreerd in Figuur 22.
Fig. 22 Optische microscopische kenmerken van microscheurtjes in martensiet van Fe-1.39% C-legering
De gevoeligheid van microscheurvorming in martensiet wordt over het algemeen uitgedrukt in het oppervlak van microscheuren per volume-eenheid martensiet (Sv).
Experimenteel bewijs suggereert dat de gevoeligheid van martensiet voor microscheurvorming beïnvloed wordt door verschillende factoren, waaronder:
Met de afname van de afkoeltemperatuur van het afschrikken neemt de hoeveelheid behouden austeniet (weergegeven door γR) in de structuur van het afgeschrikte staal af, wat resulteert in een toename van de hoeveelheid martensiet en gevoeligheid voor microscheurvorming, zoals weergegeven in Figuur 23.
Fig. 23 Verband tussen de gevoeligheid voor microscheuren bij de vorming van Fe-C-martensiet en de afschriktemperatuur (1,39% C, 1 uur verhit bij 1200 ℃)
Figuur 24 illustreert de relatie tussen de hoeveelheid martensiettransformatie en de gevoeligheid voor microscheurvorming.
Fig. 24 De relatie tussen de microscheurgevoeligheid (SV) van martensietvorming in Fe-1.86% C legering en het gemiddelde volume (V) van elk stukje martensiet, het aantal martensietbladen per volume-eenheid (NV) en de transformatie van martensiet:
Volgens de figuur neemt de gevoeligheid voor microscheurvorming (Sv) toe met de toename van de martensiet transformatievariabele, maar wanneer de transformatiefractie (f) groter is dan 0,27, blijft Sv niet toenemen.
Hoewel het aantal martensieten per volume-eenheid (Nv) toeneemt, neemt de grootte van de gevormde martensietplaat, weergegeven door het gemiddelde volume (V) van een stuk martensiet, af door voortdurende deling van austeniet.
De grootte van het martensietblad (V) kan dus een kritische waarde hebben die de gevoeligheid (Sv) voor microscheurvorming beïnvloedt. Als V deze kritische waarde overschrijdt, neemt de gevoeligheid voor microscheurvorming (Sv) toe met de toename van de transformatie fractie.
Concluderend kan gesteld worden dat de vorming van scheuren voornamelijk bepaald wordt door de grootte van de martensietschilfers. Hoewel het totale aantal en het oppervlak van scheuren kan toenemen met de toename van de martensiet transformatievariabele, zorgen de grote martensietvlokken die in het vroege stadium gevormd worden ervoor dat de meeste scheuren gevormd worden tijdens de vroege stadia van transformatie.
Het experiment toont aan dat naarmate de lengte van de martensietplaat toeneemt (d.w.z. de maximale grootte van de plaat groeit), de gevoeligheid van het martensiet voor microscheurvorming ook toeneemt, zoals weergegeven in Figuur 25.
Fig. 25 Verband tussen de gevoeligheid van microscheurvorming en de lengte van het martensietblad (het getal naast het punt is het martensietgehalte%)
Lange martensietplaten zijn door hun grootte gevoeliger voor impact van andere martensietplaten. Bovendien hebben ze de neiging om austenietkorrels te doorsnijden, waardoor de kans op het tegenkomen van korrelgrenzen toeneemt.
Experimenten hebben aangetoond dat microscheuren voornamelijk gevormd worden in grof martensiet, terwijl fijn martensiet zelden leidt tot de vorming van microscheuren.
Als gevolg daarvan is er waarschijnlijk een kritische martensiet korrelgrootte voor het optreden van microscheuren in martensiet. Op dezelfde manier, als de samenstelling van het austeniet relatief uniform is, zal er een kritische austeniet korrelgrootte zijn waaronder microscheurtjes niet zullen voorkomen.
Het idee dat fijne austenietkorrels microscheurtjes kunnen verminderen in afgeschrikt staal met een hoog koolstofgehalte is in de productie toegepast. Het blijft echter onduidelijk of de gevoeligheid voor microscheuren afhangt van de grootte van de martensietplaat zelf of van het spanningsveld dat gegenereerd wordt door de groei van martensietplaten met de kritische grootte.
In het geval van homogeen austeniet is de lengte van de martensietplaten die gevormd worden in het beginstadium gekoppeld aan de grootte van de austenietkorrels. Grove austenietkorrels leiden tot de vorming van grof martensiet, dat vatbaarder is voor microscheurvorming.
Experimentele resultaten, zoals getoond in figuur 26, ondersteunen dit idee. De resultaten geven aan dat staal met een hoog koolstofgehalte vatbaarder is voor scheuren als het bij hogere temperaturen wordt afgeschrikt.
Daarom wordt over het algemeen aanbevolen om een lagere afschakeltemperatuur te kiezen voor het afschrikken van staal met een hoog koolstofgehalte.
Fig. 26 Effect van Austenietkorrelgrootte van koolstofstaal (1.22% C) op de microscheurgevoeligheid in het veld
Het effect van koolstofgehalte op microscheurvorming in martensiet wordt getoond in Figuur 27.
Fig. 27 Effect van koolstofgehalte in martensiet op gevoeligheid voor microscheuren
In Figuur 27 is te zien dat de kans op microscheurvorming toeneemt naarmate het koolstofgehalte in martensiet toeneemt.
Als het koolstofgehalte in austeniet echter groter is dan 1,4%, neemt de gevoeligheid voor microscheurvorming af. Dit heeft te maken met het habituatievlak van het kristal tijdens de martensitische transformatie. Dit heeft te maken met het habituatievlak van het kristal tijdens de martensitische transformatie.
Wanneer het koolstofgehalte in het staal hoger wordt dan 1,4%, verandert de vorm van het martensiet. De platen worden dikker en korter, de hoek tussen de martensietplaten wordt kleiner en de kerfslagkracht en spanning worden verminderd. Hierdoor neemt de gevoeligheid voor microscheurvorming af.
Tabel 5 laat zien dat de gevoeligheid voor microscheurvorming in 1.39% koolstofstaal significant afneemt met afnemend koolstofgehalte in martensiet. De gegevens worden gepresenteerd voor een korrelgrootte van 3.
|
A1~Aw temperatuur (℃) |
Koolstofgehalte in martensiet (%) |
Behouden austeniet (%) |
Hoeveelheid carbide (%) |
Gevoeligheid voor microscheurvorming S. (mm-1) |
|
1010 910 871 857 834 799 768 732 |
1.39 1.30 1.21 1.18 1.05 1.01 0.92 0.83 |
33.5 22 15 13 12 8 9 6 |
3.9 6 6.5 12 15 17.5 20 |
18 17 13 9 10 4.5 1.5 0.15 |
Metallografische analyse geeft aan dat de vermindering in microscheurgevoeligheid geassocieerd is met de aanwezigheid van meer parallel groeiende lat martensiet in de microstructuur.
Lamellenmartensiet heeft een hoge plasticiteit en taaiheid, en het risico van wederzijdse impact wordt verminderd door de parallelle groei van de lamellenmartensiet, wat leidt tot een lage gevoeligheid voor microscheuren.
Zoals eerder vermeld is staal met een hoog koolstofgehalte gevoelig voor scheuren vanwege de grove austenietkorrelstructuur en het hoge koolstofgehalte in martensiet. Om dit te beperken, worden in het productieproces vaak lagere verhittingstemperaturen en kortere wachttijden gebruikt om het koolstofgehalte in martensiet te verlagen en fijnere korrels te verkrijgen.
Over het algemeen produceren hypereutectoïde staalsoorten, die onvolledig afschrikken, cryptokristallijn martensiet, dat minder gevoelig is voor microscheuren. Daarom hebben ze uitstekende algemene eigenschappen.
Als oprichter van MachineMFG heb ik meer dan tien jaar van mijn carrière gewijd aan de metaalbewerkingsindustrie. Door mijn uitgebreide ervaring ben ik een expert geworden op het gebied van plaatbewerking, verspaning, werktuigbouwkunde en gereedschapsmachines voor metalen. Ik denk, lees en schrijf voortdurend over deze onderwerpen en streef er voortdurend naar om voorop te blijven lopen in mijn vakgebied. Laat mijn kennis en expertise een aanwinst zijn voor uw bedrijf.
NL 
EN 
ES 
FR 
RU 
DE 
PT 