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....
Heb je je ooit afgevraagd wat er met staal gebeurt als het afkoelt? In dit artikel onderzoeken we de fascinerende transformaties die optreden, zoals de Widmanstatten- en Martensietstructuren. Je leert hoe deze veranderingen de eigenschappen van staal beïnvloeden en waarom ze belangrijk zijn in echte toepassingen. Bereid je voor op het ontdekken van de geheimen achter de sterkte en duurzaamheid van staal!
Bij de huidige productie wordt hypoeutectoïde staal met een koolstofgehalte (ωc) van minder dan 0,6% en hypereutectoïde staal met een koolstofgehalte van meer dan 1,2% gekoeld door lucht na het gieten, warmwalsen en smeden. De lasnaad of warmte-beïnvloede zone wordt afgekoeld met lucht of, als de temperatuur te hoog is, snel afgekoeld. Dit resulteert in de groei en neerslag van pre-eutectoïd ferriet of pre-eutectoïd cementiet vanaf de austenietkorrelgrens langs bepaalde kristalvlakken van austeniet, op een naaldachtige manier.
Onder een metallografische microscoop kan de aanwezigheid van bijna parallel of regelmatig gerangschikt aciculair ferriet of cementiet en de parelietstructuur daartussen worden waargenomen. Deze structuur wordt Widmanstätten genoemd en de volgende figuur illustreert de Widmanstätten van ferriet en cementiet.
Het Widmanstattenferriet wordt gevormd door een afschuifmechanisme, vergelijkbaar met het proces in Bainiet. Dit resulteert in een convex monster.
Door de hoge afkoelsnelheid tijdens de vorming kan ferriet alleen neerslaan langs een specifiek kristaloppervlak van austeniet en heeft een kristaloriëntatierelatie met zijn moederfase, austeniet.
De vorming van aciculair ferriet kan direct vanuit austeniet gebeuren of netwerkferriet kan langs de korrelgrenzen van austeniet neerslaan en parallel het kristal ingroeien.
Terwijl het Widmanstattenferriet zich vormt, diffundeert koolstof van het ferriet naar de moederfase, austeniet, aan beide zijden, waardoor de koolstofgehalte van het austeniet tussen de ferrietnaalden om continu toe te nemen en uiteindelijk te veranderen in pareliet.
Widmanstattenferriet gevormd door het bainiettransformatiemechanisme is eigenlijk koolstofvrij bainiet.
De vorming van de Widmanstattenstructuur is afhankelijk van het koolstofgehalte, de korrelgrootte van austeniet en de koelsnelheid (transformatietemperatuur) in staal.
De volgende figuur toont de vormingstemperatuur en het bereik van het koolstofgehalte voor verschillende ferriet- en cementieten. Zoals in de figuur te zien is, kan de Widmanstattenstructuur (W-zone) zich alleen vormen bij relatief snelle afkoelsnelheden en binnen een bepaald bereik van koolstofgehalte.
Voor hypoeutectoïde staal, als de massafractie van koolstof hoger is dan 0,6%, wordt het moeilijk om de Widmanstatten structuur te vormen vanwege het hoge koolstofgehalte en de lage waarschijnlijkheid van het vormen van een koolstofarme zone.
Onderzoek toont aan dat voor hypoeutectoïd staal de Widmanstattenstructuur alleen kan worden gevormd als het koolstofgehalte binnen een smal bereik van ωc = 0,15% tot 0,35% ligt en de koelsnelheid snel is, met een fijne austenietkorrelgrootte.
Hoe fijner de austenietkorrel, hoe gemakkelijker het is om netwerkferriet te vormen, maar niet de Widmanstattenstructuur. Aan de andere kant, hoe grover de austenietkorrel, hoe gemakkelijker het is om de Widmanstattenstructuur te vormen en hoe groter het bereik van het koolstofgehalte dat nodig is om deze te vormen.
De Widmanstattenstructuur wordt dus typisch waargenomen in staal met een grove austenietkorrelstructuur.
(1) Widmanstatten is een soort oververhitte structuur in staal die een negatieve invloed kan hebben op de mechanische eigenschappen van het staal. Dit omvat een vermindering van de slagtaaiheid en plasticiteit en een verhoging van de brosse overgangstemperatuur, waardoor het staal vatbaarder wordt voor brosse breuken.
(2) Het wordt algemeen erkend dat de sterkte en slagvastheid van staal alleen aanzienlijk verminderen wanneer de austenietkorrel grover wordt, er een grove ferriet- of cementiet Widmanstattenstructuur verschijnt en de matrix ernstig gefragmenteerd is.
Als de austenietkorrel echter relatief fijn is, zelfs als er een kleine hoeveelheid aciculaire ferriet Widmanstattenstructuur aanwezig is, zullen de mechanische eigenschappen van het staal niet significant beïnvloed worden. Dit komt door de fijnere substructuur en hogere dislocatiedichtheid van ferriet in de Widmanstattenstructuur.
(3) De vermindering van de mechanische eigenschappen in staal als gevolg van de Widmanstattenstructuur is altijd gerelateerd aan het grover worden van austenietkorrels. Als de Widmanstattenstructuur in staal of gietstaal verschijnt en de mechanische eigenschappen vermindert, is de eerste stap om na te gaan of dit wordt veroorzaakt door het grover worden van de austenietkorrel door hoge verhittingstemperaturen.
(4) Voor staalsoorten die gevoelig zijn voor de Widmanstatten-structuur, kan deze voorkomen of geëlimineerd worden door een goede controle van het walsproces, door de eindsmeedtemperatuur te verlagen, door de koelsnelheid na het smeden te controleren of door het warmtebehandelingsproces te wijzigen, zoals afschrikken en temperennormaliseren, gloeien of isothermisch afschrikken om de korrel te verfijnen.
1. Definitie
(1) Martensitische transformatie: De niet-diffusieve fasetransformatie die plaatsvindt wanneer staal snel wordt afgekoeld vanuit de austenitische toestand om diffusieve ontleding te voorkomen (onder de MS punt) staat bekend als de martensitische transformatie.
Het is belangrijk op te merken dat de transformatie kenmerkend is voor martensiet en dat de transformatieproducten allemaal martensiet worden genoemd.
(2) Martensiet: In essentie is martensiet in staal een interstitiële vaste oplossing waar koolstof oververzadigd is in α-Fe.
2. Kristal structuur van martensiet
De martensitische kristalstructuur kan de volgende vormen aannemen:
3. Microstructuur van martensiet
Er zijn twee basisvormen van martensiet in staal: lat martensiet (dislocatie martensiet) en lamellair martensiet (ook bekend als naald martensiet).
(1) Martensiet
Lamellenmartensiet is een veel voorkomende martensitische structuur die wordt aangetroffen in staal met een laag koolstofgehalte, staal met een gemiddeld koolstofgehalte, maragingstaal, roestvast staal en andere ijzerlegeringen.
a) Structurele morfologie: martensietlamel (D) → martensietbundel (B-2; C-1) → lamellengroep (3-5) → martensietlamel.
b) De dichte latten worden meestal gescheiden door restausteniet met een hoog koolstofgehalte.
De aanwezigheid van deze dunne laag residuele austeniet kan de mechanische eigenschappen van het staal aanzienlijk verbeteren.
c) Er zijn een groot aantal dislocaties in lat martensiet en de verdeling van deze dislocaties is niet uniform.
Het vormt een cellulaire substructuur die dislocatiecel wordt genoemd en daarom wordt het ook dislocatie martensiet genoemd.
(2) Lamellaire Martensiet
Lamellair martensiet wordt gevonden in hoog koolstofstaal (ωC > 0,6%), nikkel (ωNi = 30%) roestvrij staal en sommige non-ferrometalen en -legeringen.
Gerelateerde lectuur: Ferro- vs Non-ferrometalen
(a) Structurele morfologie: De ruimtelijke morfologie van lamellair martensiet heeft de vorm van een convexe lens.
Door het snijden van het monster tijdens het polijsten lijkt de doorsnede naald- of bamboebladachtig onder de optische microscoop.
Daarom wordt lamellair martensiet ook wel naaldachtig martensiet of bamboebladachtig martensiet genoemd.
(b) Kenmerken van de microstructuur: De martensietvellen in lamellair martensiet zijn niet parallel aan elkaar.
In een austenietkorrel overspant het martensiet gevormd door de eerste plaat vaak de hele austenietkorrel en wordt het gesplitst in twee delen, waardoor de grootte van de later gevormde martensietplaten steeds kleiner wordt.
(c) Grootte: De maximale grootte van het lamellaire martensiet hangt af van de oorspronkelijke grootte van de austenietkorrel. Hoe groter de austenietkorrel, hoe grover het martensietblad.
(d) Kristallijn martensiet: Wanneer het grootste stuk martensiet te klein is om te worden onderscheiden door een optische microscoop, wordt het "cryptokristallijn martensiet" genoemd.
Het martensiet dat verkregen wordt door normaal afschrikken bij productie heeft over het algemeen de vorm van kristallijn martensiet.
(e) Substructuur: De substructuur van lamellair martensiet is voornamelijk getweven, daarom wordt het ook wel tweeling martensiet genoemd.
De tweelingen bevinden zich meestal in het midden van het martensiet en strekken zich niet uit tot aan de rand van het martensietblad. Het randgebied bevat dislocaties met een hoge dichtheid.
In staal met een koolstofgehalte van ωC > 1,4% is een fijn tweelinggebied met hoge dichtheid te zien in de middelste noklijn van de martensietplaat.
(f) Microscheuren: De snelle vorming van martensiet genereert een aanzienlijk spanningsveld wanneer het botst met andere martensiet of austeniet korrelgrenzen.
Lamellair martensiet is hard en bros en de spanning kan niet worden weggenomen door glijden of tweelingvervorming, waardoor het gevoelig is voor impactscheuren.
In het algemeen geldt: hoe groter de austenietkorrel en hoe groter de martensietplaat, hoe meer microscheurtjes er ontstaan na het afschrikken. De aanwezigheid van microscheurtjes verhoogt de brosheid van onderdelen van staal met een hoog koolstofgehalte.
Onder invloed van inwendige spanningzullen de microscheurtjes uiteindelijk uitgroeien tot macroscheurtjes, wat leidt tot scheuren in het werkstuk of een merkbare vermindering van de vermoeiingslevensduur.
(g) Morfologie: De morfologie van martensiet is voornamelijk afhankelijk van het koolstofgehalte van austeniet en is gerelateerd aan de starttemperatuur van de martensiettransformatie (MS-punt) van het staal.
Hoe hoger het koolstofgehalte van austeniet, hoe lager de MS- en MF-punten.
| Koolstofgehalte | Vorm | Vormingstemperatuur (algemeen) |
| ωC＜0,2% | lat martensiet | Boven 200 ℃ |
| ωC>0,6% | plaatmartensiet | Onder 200 ℃ |
| ωC=0,2%~1% | Gemengde structuur van lat en plaat | Eerst wordt het plankpaard gevormd en daarna het stukpaard. |
(h) Invloed van elementen op martensietmorfologie: Elementen zoals Cr, Mo, Mn en Ni (die het MS-punt verlagen) en Co (die het MS-punt verhoogt) verhogen allemaal de waarschijnlijkheid van de vorming van lamellair martensiet.
4. Eigenschappen van martensiet
(1) Mechanische eigenschappen: Martensiet wordt gekenmerkt door hoge sterkte en hardheid.
(2) Effect van koolstofgehalte op eigenschappen: De hardheid van martensiet hangt voornamelijk af van het koolstofgehalte.
Wanneer ωC < 0,5%, stijgt de hardheid van martensiet steil met toenemend koolstofgehalte.
Echter, wanneer ωC > 0,6%, hoewel de hardheid van martensiet toeneemt, neemt de hardheid van het staal af door de aanwezigheid van een grotere hoeveelheid restausteniet.
(3) Invloed van legeringselementen: Legeringselementen hebben een minimaal effect op de hardheid van martensiet, maar ze kunnen de sterkte verhogen.
(4) Hardheid: Martensiet heeft verschillende niveaus van hardheid en sterktedie voornamelijk worden bereikt door versterking door oplossing, fasetransformatie en veroudering.
De details zijn als volgt:
Versterking in vaste oplossing: De aanwezigheid van interstitiële atomen in de octahedrale spleet van het α-fase rooster creëert een vierkante vervorming in het rooster, wat een spanningsveld genereert.
Dit spanningsveld heeft een sterke wisselwerking met dislocaties, waardoor de sterkte van martensiet toeneemt.
Versterking door fasetransformatie: Tijdens de transformatie naar martensiet worden rasterfouten met een hoge dichtheid gevormd in het kristal. De dislocaties met hoge dichtheid in lat martensiet en de tweelingen in lamellair martensiet remmen de dislocatiebeweging af, waardoor het martensiet sterker wordt.
Veroudering Versterking: Na de vorming van martensiet worden de koolstof en legeringselementen atomen diffunderen, segregeren of slaan neer op dislocaties of andere roosterfouten, waardoor dislocaties worden vastgeklemd en zich moeilijker kunnen verplaatsen, waardoor martensiet sterker wordt.
(5) Martensietsterkte: Hoe kleiner de grootte van de martensiet latgroep of plaat, hoe hoger de sterkte van martensiet. Dit komt omdat de fase-interface van martensiet dislocatiebeweging belemmert en hoe kleiner de oorspronkelijke austenietkorrel, hoe hoger de sterkte van martensiet.
De plasticiteit en taaiheid van martensiet hangen voornamelijk af van de substructuur. Tweeling-martensiet heeft een hoge sterkte, maar een lage taaiheid, terwijl dislocatie-martensiet zowel een hoge sterkte als een goede taaiheid heeft.
(6) Martensiet Volume: Van de verschillende structuren in staal heeft austeniet het kleinste specifieke volume en martensiet het grootste specifieke volume.
De volume-expansie van staal tijdens het afschrikken is dus een belangrijke factor in het genereren van grote inwendige spanningvervorming en zelfs barsten in het werkstuk.
De drijvende kracht achter martensiettransformatie, net als andere vaste fase transformaties, is het chemische vrije energieverschil per volume-eenheid tussen de nieuwe fase (martensiet) en de moederfase (austeniet). De weerstand tegen deze faseverandering wordt ook beïnvloed door de interface-energie en de vervormingsenergie die wordt gegenereerd tijdens de vorming van de nieuwe fase.
Ondanks de aanwezigheid van een coherente interface tussen austeniet en martensiet is de interface-energie klein. De grote coherente vervormingsenergie, veroorzaakt door het significante verschil in specifiek volume tussen martensiet en austeniet en de noodzaak om afschuifweerstand te overwinnen en talrijke roosterdefecten te genereren, leidt tot verhoogde elastische vervormingsenergie en grote weerstand tegen de transformatie van martensiet. Als gevolg hiervan is voldoende onderkoeling nodig om ervoor te zorgen dat de transformatiestuwkracht groter is dan de transformatieweerstand, waardoor de transformatie van austeniet naar martensiet kan plaatsvinden.
De starttemperatuur van martensiettransformatie, aangeduid als "ms", wordt gedefinieerd als de temperatuur waarbij het vrije energieverschil tussen martensiet en austeniet de minimale drijvende kracht bereikt die nodig is voor transformatie.
Martensiettransformatie is een transformatie van onderkoeld austeniet die optreedt bij lage temperaturen.
Vergeleken met pearliet transformatie en bainiet transformatie, heeft martensiet transformatie de volgende onderscheidende kenmerken:
Martensiet transformatie treedt op wanneer austeniet onderkoeld is. Op dat moment is de activiteit van ijzeratomen, koolstofatomen of legeringselementen erg laag, zodat de transformatie plaatsvindt zonder diffusie. Er is alleen een reconstructie van roosterregels en er is geen verandering in samenstelling tussen de nieuwe fase en de moederfase.
Afschuiving verwijst naar de vervorming veroorzaakt door twee parallelle krachten die dichtbij, even groot en tegengesteld in richting op hetzelfde object inwerken. Tijdens martensiettransformatie helt het bovenoppervlak van het voorgepolijste proefstuk en wordt bol, wat aantoont dat de martensiettransformatie direct gerelateerd is aan de macroscopische eigenschappen van de moederfase en dat martensiet gevormd wordt door afschuiving.
Martensiet en zijn moederfase, austeniet, blijven coherent, met atomen op het grensvlak die behoren tot zowel martensiet als austeniet. De fase-interface is een afschuifcoherente korrelgrens, ook bekend als een gewoontevlak.
Martensiettransformatie is een fasetransformatieproces waarbij de nieuwe fase wordt gevormd op specifieke kristal- en habitatvlakken van de moederfase en samenhang behoudt door het afschuiven van de moederfase.
Nucleatie van martensiet
Martensietkernvorming is niet uniform in de hele legering, maar komt voor in gunstige posities binnen de moederfase, zoals roosterafwijkingen, vervormingsgebieden of koolstofarme gebieden.
Martensitisch transformatieproces
Net als andere faseovergangen in vaste toestand, vindt martensiettransformatie ook plaats door nucleatie en groei. De transformatie is een korte-afstandsmigratie van atomen en na de vorming van een kristalkern is de groeisnelheid zeer snel (102 tot 106mm/s) en blijft hoog, zelfs bij lage temperaturen.
Martensiet transformatie tarief
De snelheid van martensiet transformatie wordt bepaald door de nucleatiesnelheid en eindigt wanneer alle kernen groter dan de kritische nucleatiestraal uitgeput zijn. Hoe groter de onderkoeling, hoe kleiner de kritische nucleatiegrootte. Verdere koeling is nodig voor de kleinere kernen om te kernen en uit te groeien tot martensiet.
Voor algemeen industrieel koolstofstaal en gelegeerd staalmartensiettransformatie vindt plaats tijdens continue (variabele temperatuur) koeling. Het austeniet in het staal wordt afgekoeld tot onder het MS-punt met een snelheid groter dan de kritische afschriksnelheid, wat resulteert in onmiddellijke vorming van wat martensiet. De transformatie heeft geen incubatieperiode en met het dalen van de temperatuur wordt extra martensiet gevormd, waarbij het eerst gevormde martensiet niet groeit. De martensitische transformatie neemt toe naarmate de temperatuur afneemt.
De mate van martensiettransformatie wordt uitsluitend bepaald door de temperatuur die bereikt wordt tijdens het afkoelen en wordt niet beïnvloed door de wachttijd.
Behouden Austeniet
Als het Ms-punt van staal met een hoog koolstofgehalte en veel gelegeerde staalsoorten boven kamertemperatuur ligt en het Mf-punt onder kamertemperatuur ligt, blijft er na het afschrikken en afkoelen tot kamertemperatuur een aanzienlijke hoeveelheid ongetransformeerd austeniet over, bekend als behouden austeniet.
Om de behouden austenietkan het een "koude behandeling" ondergaan, zoals in vloeibare stikstof.
Factoren die de hoeveelheid behouden austeniet beïnvloeden zijn onder andere een hoger koolstofgehalte en de aanwezigheid van elementen die MS verminderen.
Mechanische stabilisatie van behouden Austeniet
Mechanische stabilisatie van austeniet verwijst naar het stabilisatiefenomeen veroorzaakt door grote plastische vervorming of drukspanning tijdens afschrikken. Behouden austeniet is gerelateerd aan mechanische stabilisatie. Het austeniet omgeven door martensiet is in samengeperste toestand en niet in staat om te transformeren, wat leidt tot retentie.
Door vervorming veroorzaakt martensiet (vervormd martensiet)
Plastische vervorming van austeniet boven het MS-punt kan leiden tot martensiettransformatie. Hoe groter de vervorming, hoe groter de martensiet transformatie. Dit wordt deformatie-geïnduceerde martensiet transformatie genoemd.
Omkeerbaarheid verwijst naar het vermogen van sommige ijzer-, goud-, nikkel- en andere non-ferrometalen om austeniet om te zetten in martensiet bij afkoeling en dan terug in austeniet bij heropwarming zonder diffusie.
Deze omgekeerde transformatie volgens het martensiettransformatiemechanisme treedt echter meestal niet op in koolstofstaal, omdat het martensiet tijdens het verhitten is ontleed in ferriet en carbide. Dit proces staat bekend als ontlaten.
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 