Introducción a los elementos en acero
Manganeso (MN)
El manganeso se usa para desoxidar el ferromanganeso en la fabricación de acero y permanece en acero. El manganeso puede eliminar el FEO en el acero, mejorar la calidad del acero y reducir la fragilidad del acero. El manganeso y la vulcanización se combinan para formar MN, eliminar el efecto nocivo del azufre y mejorar el rendimiento de trabajo en caliente del acero. El contenido de manganeso en el acero al carbono generalmente se controla entre 0.25 y 0.80%. El manganeso se puede disolver en ferrita para formar ferrita de manganeso, lo que juega el papel de fortalecer la ferrita. El manganeso también se puede disolver en Fe3c para formar cementación de aleación, mejorando así la resistencia del acero al carbono. El manganeso es un elemento de impureza beneficioso, y una pequeña cantidad de manganeso no tiene un efecto significativo en el rendimiento del acero.
Silicio (Si)
El silicio también se agrega al acero como desoxidizador. El contenido de silicio en el acero al carbono generalmente se controla entre 0.03-0.4%, y la mayor parte se disuelve en ferrita, formando ferrita de silicio, lo que juega el papel de fortalecer la ferrita y mejorar la resistencia y la dureza del acero. Pero la plasticidad y la dureza han disminuido. La falta de silicio no tiene un efecto significativo en las propiedades del acero.
Azufre (s)
El azufre es llevado al acero por mineral y combustible en la fabricación de acero, el azufre es insoluble en hierro, y la forma de diferentes FES existe, FES y Fe pueden formar un punto de fusión de 985 ℃ eutéctico, y se distribuye en los límites de grano de Austenita cuando el acero se roda y se está forjado a 1000-1200 ℃, se deleitará con los cristales eutécticos de los cristales de acero. El fenómeno se llama fragilidad térmica, el azufre es una impureza nociva, por lo que el contenido de carbono en el acero debe controlarse estrictamente. El efecto nocivo del azufre puede eliminarse aumentando el contenido de Mn en el acero. Debido a que el manganeso y el azufre pueden formar MN con un punto de fusión de 1620 ℃, MNS tiene una cierta plasticidad a altas temperaturas, por lo que se puede evitar la fragilidad térmica del acero.
Fósforo (P)
El fósforo se introduce en acero del mineral, donde se disuelve completamente en ferrita, mejorando la resistencia y la dureza de la ferrita. Pero al mismo tiempo, la plasticidad del acero a temperatura ambiente cae bruscamente y se vuelve frágil. Este fenómeno se llama confusión fría. El fósforo también es una impureza nociva, y su contenido en el acero debe controlarse estrictamente.
Estructura metalográfica en acero
Ferrita: la solución sólida intersticial de carbono en α-Fe se llama ferrita. A menudo está representado por el símbolo F (o α). La ferrita tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo, y su capacidad para disolver el carbono es pobre debido a su pequeña brecha. A 727 ℃, el contenido máximo de carbono disuelto es 0.0218%. Con la disminución de la temperatura, el contenido de carbono disuelto disminuye gradualmente, y a temperatura ambiente, el contenido de carbono disuelto es de solo 0.0008%. La ferrita tiene baja resistencia, Δσb es 180-280MN/m2, HB es de aproximadamente 80, pero tiene una buena ductilidad, δ es 50%.
Austenítico: la solución sólida intersticial de carbono formada en gamma-fe se llama ITS. A menudo está representado por el símbolo A (o γ). La austenita tiene una estructura de red cúbica centrada en la cara. Debido a su gran brecha de red efectiva, su solubilidad en carbono es relativamente alta. La solubilidad máxima de carbono a 1148 ℃ es del 2.11%, lo que disminuye gradualmente con la disminución de la temperatura y alcanza el 0,77% a 727 ℃. Las propiedades mecánicas de la austenita dependen de la cantidad de carbono disuelto y del tamaño de un grano. En general, la dureza de la austenita es de 170-220 hbs, el alargamiento de δ es del 40-50%y la austenita existe en el rango de temperatura sólida por encima de 727 ℃. La austenita es propensa a la formación de plástico.
Cementita (cementita): compuesto C y Fe (Fe3c) conocido como cementita, el contenido de carbono del 6.69%, el punto de fusión de cementita es 1227 ℃, su dureza es muy alta, aproximadamente 800 hb, la dureza plástica y de impacto es casi cero, la fragilidad es grande, por lo que no se puede usar como la fase matriz de carbono del acero de carbono, es la fase fortalecedora principal de el acero al carbono. Cementite es una fase metaestable. Bajo ciertas condiciones, se descompondrá y formará carbono sin grafítico.
Martensita: el uso de un método de enfriamiento rápido, debido al grado de subcreutación, el hierro y los átomos de carbono no se pueden difundir, la austenita solo puede ser por cizalladura de celosía no difuscada, hay una red cúbica centrada en la cara de γ-FE remodelada a la red cúbica centrada en el cuerpo de α-Fe. Esta austenita se transforma directamente en una solución alfa-sólida saturada que contiene carbono, llamada martensita.
El tamaño del grano de la austenita y sus factores influyentes
El tamaño de grano austenítico del acero tiene una gran influencia en la microestructura y las propiedades después del enfriamiento. Cuanto más fino sea el tamaño del grano de la austenita, más fino es la estructura después del enfriamiento y cuanto mejor sea la fuerza, la plasticidad y la tenacidad. Por lo tanto, es de gran importancia obtener granos de austenita finos mediante el tratamiento térmico para el rendimiento final y la calidad de la pieza de trabajo.
Cuanto mayor sea la temperatura de la austenitización, más obvio es el crecimiento del tamaño del grano del acero. A cierta temperatura, cuanto más tiempo sea el tiempo de retención, más favorable es el crecimiento de los granos de austenita.
La tendencia del crecimiento del grano aumenta con el aumento del contenido de carbono en el acero. Pero cuando la cementita se encuentra en el límite de grano austenita, obstaculizará el crecimiento de grano de austenita.
Además de MN, P y otros elementos aumentan la tendencia del crecimiento de grano de austenita, otros elementos que forman elementos de carburo (TI, NB, ZB, etc.), formando óxidos y nitruros (como AL), cuando forman compuestos distribuidos en límites de grano austenita, impedirán que el crecimiento de grano de austenita con los grados de vilipias.
Los elementos de aleación comúnmente agregados en acero de aleación son Mn, Si, Cr, Mo, W, V, Ti, Nb, Ni, Al, etc. Entre ellos, Ni, SI, AL y otros elementos no pueden formar compuestos con carbono. Elementos como NB, Ti, V, W, Mo, CR y MN pueden formar compuestos con carbono. Los elementos de aleación existen en diferentes formas en acero. Por lo tanto, el papel principal del acero también es diferente. El papel principal tiene los siguientes aspectos:
Cuando aumenta la resistencia del acero, los elementos que no pueden formar carburo se disuelven principalmente en ferrita para formar ferrita de aleación, y la solución sólida se fortalece. Los elementos formadores de carburo forman carburo de aleación con carbono, que tiene mayor dureza y un mayor efecto de fortalecimiento de la dispersión. Cualquier elemento agregado al acero aumenta su resistencia.
Mejorar la enduribilidad Además de CO, la mayoría de los elementos de aleación agregados al acero, ralentice la descomposición de la austenita sobreenfriada, de modo que la curva C a la derecha, reduzca la velocidad de enfriamiento crítico, mejore la enduribilidad del acero, (Ni, CR, CO) Este es uno de los principales propósitos de los elementos de aleación agregados al acero. Pero debe señalarse que este efecto solo se puede lograr cuando los elementos de aleación se disuelven en austenita.
Prevenir el crecimiento del grano de austenita, excepto por MN, la tendencia al crecimiento de grano de austenita de aleación es pequeña, especialmente el carburo generado por los fuertes elementos de formación de carburo (TI, V, Zr, NB, etc.) puede evitar fuertemente el crecimiento del grano de austenita y, por lo tanto, desempeñar el papel de refinar el grano.
Aumente la estabilidad de templado del acero. La resistencia del acero al proceso de ablandamiento durante el temple se llama estabilidad de templado. Muchos elementos de aleación pueden aumentar y ralentizar la temperatura de la precipitación de carburo y la descomposición residual de austenita en la martensita. Por lo tanto, en comparación con el acero al carbono, el acero de aleación tiene mayor dureza y resistencia cuando se templan a la misma temperatura. Por el contrario, al templar a la misma dureza, la temperatura de templado del acero de aleación es alta, por lo que su eliminación de tensión interna es más minuciosa, y la plasticidad, y la tenacidad es mayor. Los elementos formadores de carburo Cr, MO, NB y V tienen fuertes efectos sobre la estabilidad del templado.
Endurecimiento secundario Cuando el contenido de W, Mo, Cr, V es mayor, en el rango de temperatura de templado de 500-600 ℃, la dureza no se reduce, pero aumenta el fenómeno conocido como endurecimiento de temple secundario. Hay dos razones para esto: primero, al templar a esta temperatura, los carburos especiales fino y dispersos, como MO2C, W2C y VC, precipitarán fuera de martensita, lo que juega el papel de endurecimiento por dispersión; En segundo lugar, al templar a esta temperatura, parte del carburo se precipita en la austenita residual, lo que reduce el contenido de carbono y aumenta la temperatura del punto de MS, de modo que la austenita residual se puede convertir en martensita (enfriamiento secundario) a una temperatura más alta durante el proceso de enfriamiento para aumentar la dureza del acero.
La fragilidad de la temperatura ocurre cuando el acero de la aleación se atenúa en un cierto rango de temperatura después del enfriamiento, lo que se llama la fragilidad de templado. La disminución de la dureza a 350-400 ℃ se denomina primer tipo de la fragilidad de temperamento. Esta fragilidad se produce independientemente del acero al carbono o el acero de aleación y es independiente de la tasa de enfriamiento. Este tipo de temperamento no se puede eliminar después de la producción, también conocido como la fragilidad de temperamento irreversible. Para evitar la ocurrencia de tales temperaturas, la temperatura generalmente no se realiza dentro de este rango de temperatura.
La disminución de la dureza que ocurre después de enfriamiento lento después de 500-600 ℃ El temple se denomina Tipo II Tempering Graftling (templamento de alta temperatura Grafía). Los aceros de aleación que contienen CR, Mn y Ni son más propensos a este tipo de genérica. Este tipo de fragilidad de temperatura no ocurrirá si se enfría rápidamente después de la templado; Si se ha producido un enfriamiento lento después del templado, se ha producido la fragilidad, siempre y cuando el recalentamiento de la temperatura de templado y el enfriamiento rápido, la fragilidad de templado se puede eliminar por completo, por lo que también se llama la fragilidad de temple reversible.
Acero resistente al calor
La resistencia al calor del acero incluye resistencia a la oxidación de alta temperatura y resistencia a la alta temperatura.
La resistencia a la oxidación de un metal, generalmente se refiere a la formación de una película de óxido denso después de la rápida oxidación a altas temperaturas, que cubre la superficie del metal, para que el acero no continúe oxidando. La superficie oxidada del acero al carbono a altas temperaturas genera FEO poroso suelto, lo cual es fácil de desprender, y los átomos de oxígeno continúan difundiéndose a través de FEO para que el acero continúe oxidando. Los elementos de aleación como CR, SI y Al se agregan al acero, de modo que cuando el acero está en contacto con oxígeno a alta temperatura, películas de oxidación densa como CR2O3, SIO2 y Al2O3 con altos puntos de fusión se forman en la superficie, lo que hace que sea difícil continuar el proceso de oxidación de acero en gases a alta temperatura.
La resistencia a la alta temperatura (resistencia térmica) del acero es la resistencia a la fluencia a altas temperaturas. Para mejorar la resistencia térmica del acero, Cr, Mo, V, Ni y otros elementos de aleación generalmente se agregan al acero, lo que puede disolverse en la matriz para fortalecer la solución sólida y mejorar la temperatura de recristalización, mejorando así la resistencia a la alta temperatura del acero. Agregar NB, V, Ti y otros elementos de aleación también pueden formar carburos con alta dureza y buena estabilidad térmica, que se distribuyen en la matriz y juegan un papel en el fortalecimiento de la dispersión. Además, la estructura de austenita tiene una mejor resistencia a la fluencia que la ferrita y el mejor tamaño de grano que el grano fino. Por supuesto, no puede ser demasiado grueso, lo que afectará la fuerza.
Acero martensítico resistente al calor
Se agregaron Cr y Si para mejorar la resistencia a la oxidación a altas temperaturas. Agregar Mo puede fortalecer la matriz y evitar templar la fragilidad. Agregar V puede formar carburo disperso y mejorar la resistencia a la alta temperatura. Agregar W puede precipitar el carburo estable y aumentar significativamente la temperatura de recristalización. La temperatura de funcionamiento de este tipo de acero no excede los 700 ℃.
Acero resistente al calor austenítico
El acero austenítico resistente al calor tiene un alto contenido de CR, lo que puede mejorar su resistencia a alta temperatura y resistencia a la oxidación. El contenido de Ni también es alto y puede formar una estructura de austenita estable. La resistencia al calor de este tipo de acero es mejor que la del acero martensítico resistente al calor, y la deformación en frío y el rendimiento de la soldadura son muy buenos, generalmente funcionan a 600-700 ℃.