bedrijfsnieuws over Uitgebreide Uitleg van Veelvoorkomende Metallografische Structuren Gebruikt in Industriële Staalproductie

一、Basisstructuur van vaste oplossingen

1. Austenite（A [Feγ (C)] ）

Austeniet is een vaste oplossing die wordt gevormd door het oplossen van koolstof en legeringselementen in γ -Fe. In het systeem van gelegeerd staal is het een stabiele structuur waarin koolstof en verschillende legeringselementen samen worden opgelost in γ -Fe. Het opmerkelijke kenmerk is de uitstekende plasticiteit, maar de hardheid en vloeigrens zijn relatief laag, met Brinell-hardheidswaarden die typisch variëren van 170 tot 220HB. Het is de microstructuur met het kleinste specifieke volume van staalsoorten. Onder hoge temperatuuromstandigheden heeft austeniet een sterk vermogen om koolstof op te lossen. Bij 1147°C kan de hoeveelheid opgeloste koolstof 2,11% bereiken, en als de temperatuur daalt tot 727°C, daalt de hoeveelheid opgeloste koolstof tot 0,77%. Onder een metallografische microscoop vertoont austeniet een regelmatige polygonale vorm door het handhaven van de kubisch vlakgecentreerde roosterstructuur van γ -Fe. Deze microstructuur geeft staal uitstekende koudbewerkbaarheidseigenschappen. Tijdens warmbewerkingsprocessen zoals smeden en walsen helpt de aanwezigheid van austeniet bij de plastische vervorming van het staal.

2. Ferrite（F [Feα (C)] ）

Ferriet is een vaste oplossing die wordt gevormd door de oplossing van koolstof en legeringselementen in α -Fe. De prestaties zijn vergelijkbaar met die van zuiver ijzer, met een relatief lage hardheid, ongeveer variërend van 80 tot 100HB, maar het heeft een uitstekende plasticiteit. Wanneer legeringselementen in ferriet worden opgelost, kunnen ze de sterkte en hardheid van staal effectief verhogen. Bij 727°C is de oplosbaarheid van koolstof in ferriet slechts 0,022%, en bij kamertemperatuur is deze zo laag als 0,008%. Ferriet behoudt de kubisch ruimtelijk gecentreerde roosterstructuur van α -Fe en vertoont typische polyhedrale metallografische kenmerken van zuivere metalen in metallografische structuren. De aanwezigheid van ferriet geeft staal een goede taaiheid en koudvormbaarheid, en het wordt vaak gebruikt in structurele componenten met hoge plasticiteitseisen.

二、Verbindingen en gemengde structuren

1. Cementiet（Fe₃C ）

Cementiet, een verbinding samengesteld uit ijzer en koolstof, staat ook bekend als ijzercarbide. Bij kamertemperatuur bestaat het grootste deel van de koolstof in ijzer-koolstoflegeringen in de vorm van cementiet. Volgens het ijzer-koolstofbalansdiagram kan cementiet worden ingedeeld in drie typen op basis van het precipitatiepad en de morfologie: Primaire cementiet kristalliseert en precipiteert uit de vloeistof langs de CD-lijn, meestal in een kolomvorm; Secundaire cementiet precipiteert langs de ES-lijn uit γ -vaste oplossingen en verschijnt vaak in een witte netvormige vorm. Tertiaire cementiet precipiteert langs de PQ-lijn uit de α -vaste oplossing en is ook meestal een wit netwerk. Cementiet heeft een zwak magnetisme in omgevingen met lage temperaturen. Het magnetisme verdwijnt wanneer de temperatuur hoger is dan 217° C. Het smeltpunt is ongeveer 1600°C en het koolstofgehalte is 6,67%. De hardheid van cementiet is extreem hoog, ver boven de 700HB, maar het is extreem bros en heeft bijna geen plasticiteit. In staal hebben de morfologie en verdeling van cementiet een aanzienlijke impact op de sterkte, hardheid en slijtvastheid van het staal. Granulaire cementiet kan bijvoorbeeld de taaiheid van staal verhogen met behoud van een bepaalde sterkte.

2. Perliet（P ）

Perliet is een mechanische mengsel van ferriet en cementiet, en het is het product van eutectoïde transformatie van koolstofstaal met een koolstofgehalte van 0,77%. De microstructuur is een lamellaire structuur met ferriet en cementiet afwisselend gerangschikt. De grootte van de perlietplaatspatiëring is afhankelijk van de mate van onderkoeling tijdens de ontleding van austeniet. Hoe groter de mate van onderkoeling, hoe kleiner de gevormde perlietplaatspatiëring. Op basis van het verschil in lamellaire spatiëring kan het verder worden ingedeeld in perliet, sorbiet en troostiet, maar in wezen zijn het allemaal perlietachtige structuren. Grove lamellaire perliet is het product van austenietontleding in het hoge temperatuurbereik van 650-700 °C, met een hardheid van ongeveer 190-230 HB. Fe₃C-platen kunnen worden onderscheiden met behulp van een algemene metallografische microscoop (onder 500 keer vergroting). Sorbiet is het product van de ontleding van austeniet binnen het temperatuurbereik van 600-650 °C, met een hardheid van ongeveer 240-320HB. Het vereist een krachtige microscoop (1000 keer vergroot) om Fe₃C-platen te onderscheiden. Troostiet is het product van austenietontleding bij hoge temperaturen van 550-600 °C, met een hardheid van ongeveer 330-400 HB. Fe₃C-platen kunnen alleen worden onderscheiden via een elektronenmicroscoop (10.000 keer vergroot). Onder specifieke warmtebehandelingsomstandigheden, zoals sferoïdiserende gloeien of temperen bij hoge temperaturen, kan cementiet gelijkmatig in granulaire vorm op de ferrietmatrix worden verdeeld, waardoor sferoïdale perliet wordt gevormd, ook wel granulaire perliet genoemd. Deze microstructuur kan de bewerkbaarheid en taaiheid van staal effectief verbeteren.

3. Martensiet（M ）

Martensiet is een oververzadigde vaste oplossing van koolstof in α -Fe. Wanneer staal een austenitische behandeling bij hoge temperatuur ondergaat en met een extreem snelle snelheid onder het martensietpunt wordt afgekoeld, zal het, vanwege de onstabiele structuur van γ -Fe in omgevingen met lage temperaturen, snel transformeren in α -Fe. Vanwege de extreem snelle afkoelsnelheid hebben de koolstofatomen in het staal echter geen tijd om te diffunderen, waardoor de austenietcompositie van de moederfase bij hoge temperaturen behouden blijft. Daarom is martensiet het product van een niet-diffusieve fase-transformatie die optreedt wanneer staal snel wordt afgekoeld onder het martensietpunt na austenitiseren. Martensiet bevindt zich in een metastabiele toestand. Vanwege de oververzadiging van koolstof in α -Fe wordt het kubisch ruimtelijk gecentreerde rooster van α -Fe vervormd, waardoor een kubisch ruimtelijk gecentreerd vierkant rooster ontstaat. Dit geeft martensiet een extreem hoge hardheid, ongeveer tussen 640 en 760HB, maar het maakt het ook zeer bros, met een lage impacttaaiheid, en de vermindering van het oppervlak en de rek zijn bijna nul. Vanwege de roostervervorming veroorzaakt door oververzadigde koolstof, is het specifieke volume van martensiet groter dan dat van austeniet. Wanneer martensiet zich in staal vormt, genereert het een relatief grote fase-transformatiespanning. Onder normale afschrikprocessen vertoont martensiet witte naaldachtige structuren in bepaalde hoeken ten opzichte van elkaar in de metallografische structuur. Niet alle martensietstructuren zijn echter hard en bros. Zo hebben laaggelegeerde staalsoorten met hoge sterkte die legeringselementen bevatten zoals mangaan, chroom, nikkel en molybdeen, na afschrikken en temperen een getemperde koolstofarme martensietmicrostructuur. Deze structuur combineert hoge sterkte met goede taaiheid en wordt veel gebruikt in de bouw, mechanische productie en andere gebieden.

• Speciale metallografische structuur
  
  1. Bainiet（B ）

Bainiet is een mengsel van oververzadigd ferriet en cementiet dat wordt gevormd door de fase-transformatie van onderkoeld austeniet in het middentemperatuurbereik (ongeveer 250-450 °C). Bainiet kan verder worden ingedeeld in bovenste bainiet en onderste bainiet op basis van het verschil in de vormingstemperatuur. Bovenste bainiet is een microstructuur die wordt gevormd in de buurt van de perlietvormingstemperatuur. Het kenmerk is dat α -Fe-platen parallel in dezelfde richting in de korrels zijn gerangschikt, beginnend bij de korrelgrenzen, met cementietdeeltjes die tussen de platen zijn verspreid. In de metallografische structuur verschijnt het veervormig en kan het symmetrisch of asymmetrisch zijn. De sterkte van bovenste bainiet is lager dan die van fijne lamellaire perliet die bij dezelfde temperatuur wordt gevormd, en het is brozer. Onderste bainiet is een structuur die rond 300°C wordt gevormd en verschijnt als zwarte naaldachtige structuren in metallografische structuren. Zowel bovenste als onderste bainiet zijn in wezen combinaties van ferriet en cementiet, maar ze verschillen in morfologie en carbideverdeling. De sterkte van onderste bainiet is vergelijkbaar met die van getemperd martensiet bij dezelfde temperatuur, en de algehele prestaties zijn superieur aan die van bovenste bainiet. In sommige gevallen is het zelfs beter dan getemperd martensiet. Voor sommige onderdelen die een goede pasvorm van sterkte en taaiheid vereisen, zoals asonderdelen gemaakt van koolstofstaal met gemiddeld koolstofgehalte, kan het verkrijgen van een onderste bainietstructuur door middel van een geschikte warmtebehandeling de levensduur van de onderdelen verlengen.

2. Weidmanstatten-organisatie

De Widmanstatten-structuur komt meestal voor in hypoeutectoïde staal. Het wordt gevormd door oververhitting van het staal en de vorming van grofkorrelig austeniet. Onder specifieke onderkoelingsomstandigheden zal er, naast de precipitatie van massief α -Fe aan de grenzen van de oorspronkelijke austenietkorrels, ook plaatvormig α -Fe groeien van de korrelgrenzen naar het interieur van de korrels. Deze vlokkerige α -Fe's hebben een bepaalde kristallijne oriëntatieverhouding met het oorspronkelijke austeniet, en presenteren zich in de korrels als vlokkerige vormen die in een bepaalde hoek ten opzichte van elkaar staan of parallel aan elkaar lopen, wat gewoonlijk de Widmanstatten-structuur van hypoeutectoïde staal wordt genoemd. Oververhit hypoeutectoïde staal is gevoelig voor het ontwikkelen van een Widmanstatten-structuur bij een relatief snelle afkoelsnelheid. Wanneer de Widmanstatten-structuur ernstig is, zal dit leiden tot een aanzienlijke afname van de impacttaaiheid en de vermindering van het oppervlak van het staal, waardoor het staal bros wordt. Door een volledige gloeibehandeling kan de Welmanstatten-structuur echter worden geëlimineerd en kunnen de eigenschappen van het staal worden hersteld. In het proces van staalproductie is het beheersen van de verwarmingstemperatuur en de afkoelsnelheid de sleutel tot het vermijden van de vorming van de Widmanstatten-structuur.

3. Bandweefsel

Bandstructuur is een microstructuurkenmerk van koolstofarm constructiestaal na warmbewerking, specifiek gemanifesteerd als een bandstructuur waarin ferriet en perliet in lagen parallel aan de verwerkingsrichting worden verdeeld. Deze microstructuur zorgt ervoor dat de mechanische eigenschappen van staal anisotropie vertonen. Er zijn verschillen in de prestaties van staal in de richting parallel aan en loodrecht op de strookrichting, en het zal ook de impacttaaiheid en de vermindering van het oppervlak van staal verminderen. Tijdens het staalwalsen kan de vorming van bandstructuur worden verminderd of vermeden door de uiteindelijke wals-temperatuur, afkoelsnelheid en redelijke walsverhouding en andere procesparameters te beheersen.

4. δ -fase

De δ -fase is een kleine hoeveelheid ferriet die aanwezig is in chroom-nikkel roestvrij staal, vooral die welke elementen bevatten zoals niobium en titanium. In austenitisch roestvrij staal speelt de δ -fase een belangrijke rol. Het kan de vorming van kristallijne scheuren in roestvrijstalen lassen effectief voorkomen, de neiging tot intergranulaire corrosie en spanningscorrosie verminderen en tegelijkertijd de sterkte van roestvrij staal verhogen. Wanneer de hoeveelheid δ -ferriet echter een bepaalde limiet overschrijdt (bijvoorbeeld meer dan 8%), zal dit de putvorming van roestvrij staal verhogen. Bovendien is de δ -fase onder hoge temperatuuromstandigheden gevoelig voor transformatie in de σ -fase, en deze transformatie kan metaalverbrossing veroorzaken. Bij het ontwerpen van de samenstelling van roestvrij staal en het formuleren van het warmtebehandelingsproces is het noodzakelijk om het gehalte aan de δ -fase nauwkeurig te beheersen om de gunstige en schadelijke effecten ervan in evenwicht te brengen.

5. σ -fase

De - σ -fase werd ontdekt als een legeringsfase bij het bestuderen van het brosheidfenomeen van Fe-Cr-legeringen. Bij kamertemperatuur is de σ -fase niet-magnetisch en heeft het de eigenschappen hard en bros te zijn. Wanneer de σ -fase in de legering aanwezig is, vooral wanneer deze langs de korrelgrenzen wordt verdeeld, zal dit de plasticiteit en taaiheid van het staal aanzienlijk verminderen. De σ -fase vereist over het algemeen een omgeving met hoge temperaturen van 550-900 °C gedurende een relatief lange tijd om geleidelijk te worden gevormd, en het vormingsproces zal leiden tot de verslechtering van de prestaties van het materiaal bij gebruik. De vorming van de σ -fase is gerelateerd aan vele factoren van staal, zoals de samenstelling (inclusief het gehalte aan elementen zoals chroom en nikkel), microstructuur, verwarmingstemperatuur, houdduur en voordervorming. In hoogchroom- en nikkel-chroom roestvast staal, hoe hoger het chroomgehalte, hoe gemakkelijker het is om de σ -fase te vormen. Bovendien is de δ -ferriet in austenitisch staal gevoelig voor transformatie in de σ -fase, en het koudvervormingsproces bevordert ook de vorming van de σ -fase, waardoor het temperatuurbereik waarin de σ -fase zich vormt, naar beneden verschuift. Tijdens de productie en toepassing van roestvrij staal is het noodzakelijk om de vorming van de σ -fase nauwlettend te volgen en de nadelige effecten ervan op de materiaaleigenschappen te voorkomen door middel van een redelijke procesbeheersing.