Termiskās apstrādes procesu izmaksu samazināšanas metožu kopsavilkums

Tēraudam ir izšķiroša nozīme rūpniecības sektorā, un to plaši izmanto daudzās nozarēs, tostarp celtniecībā, mašīnu ražošanā, automobiļu rūpniecībā un kosmosā. Oglekļa saturam kā vienam no svarīgākajiem tērauda sakausējuma elementiem ir liela ietekme uz tā īpašībām. Praktiskos pielietojumos mēs esam atklājuši, ka tērauds ar augstu oglekļa saturu bieži vien ir vairāk pakļauts lūzumiem, kas ne tikai ietekmē produkta kvalitāti un uzticamību, bet arī var izraisīt nopietnus drošības negadījumus. Tāpēc padziļinātai-izpētei par iemesliem, kāpēc augstas-oglekļa tēraudam ir nosliece uz lūzumiem, ir liela teorētiska un praktiska nozīme.

 

 

Oglekļa formas tēraudā un to ietekme uz mikrostruktūru

 

1. Oglekļa formas

 

Tēraudā ogleklis galvenokārt pastāv kā intersticiāli cietie šķīdumi un karbīdi. Ja oglekļa saturs ir zems, lielākā daļa oglekļa atomu izšķīst dzelzs režģī kā intersticiāli cieti šķīdumi. Palielinoties oglekļa saturam, liekie oglekļa atomi reaģē ar dzelzi un citiem leģējošiem elementiem, veidojot dažādus karbīdus, piemēram, cementītu (Fe₃C).

 

2. Ietekme uz mikrostruktūru

 

Oglekļa satura izmaiņas būtiski maina tērauda mikrostruktūru. Zema-leģētā tēraudā, palielinoties oglekļa saturam, perlīta saturs telpas temperatūras līdzsvara struktūrā pakāpeniski palielinās, bet ferīta saturs samazinās. Perlīts ir lamelāra eitektoīda struktūra, kas sastāv no ferīta un cementīta pārmaiņus. Tālāk pieaugot oglekļa saturam, pārsniedzot eitektoīda sastāvu, tērauda struktūrā parādās sekundārais cementīts, un tā daudzums palielinās, palielinoties oglekļa saturam.

Cementīts ir cieta un trausla fāze, un tā klātbūtne ierobežo tērauda deformējamību. Kad tērauds tiek pakļauts ārējiem spēkiem, ferīta fāze var nedaudz deformēties, lai absorbētu enerģiju, savukārt cementīta fāze ir mazāk jutīga pret deformāciju. Palielinoties oglekļa saturam, palielinās cementīta daudzums tēraudā un mainās tā sadalījums. Tas izjauc ferīta matricas nepārtrauktību, padarot spriegumu koncentrācijas iespējamību, kad tērauds tiek pakļauts spriedzei, tādējādi radot apstākļus plaisu sākšanai un izplatībai.

 

Oglekļa satura ietekme uz tērauda mehāniskajām īpašībām

 

1. Izmaiņas stiprībā un cietībā

 

Vispārīgi runājot, tērauda stiprība un cietība palielinās, palielinoties oglekļa saturam. Tas ir saistīts ar oglekļa atomu cieto šķīdumu stiprinošo efektu un karbīdu dispersiju pastiprinošo efektu. Intersticiāls cietais oglekļa atomu šķīdums dzelzs režģī izraisa režģa kropļojumus, kavējot dislokācijas kustību un tādējādi palielinot tērauda izturību. Vienlaikus izkliedētais karbīda daļiņu sadalījums matricā efektīvi novērš dislokācijas slīdēšanu, vēl vairāk uzlabojot tērauda izturību un cietību.

 

2. Samazināta plastiskums un stingrība

 

Tomēr, lai gan stiprība un cietība palielinās, tērauda plastiskums un stingrība ievērojami samazinās, palielinoties oglekļa saturam. Plastiskums attiecas uz materiāla spēju pakļauties paliekošai deformācijai bez lūzuma slodzes ietekmē, savukārt stingrība atspoguļo tā spēju absorbēt enerģiju pirms lūzuma. Lielais cementīta fāzes daudzums augstas-oglekļa tēraudā apgrūtina tērauda vienmērīgu plastisko deformāciju slodzes ietekmē. Pakļaujot ārējiem spēkiem, spriegumam ir tendence koncentrēties cementīta un ferīta saskarnē, izraisot spriegumu šajā zonā, kas pārsniedz savienojuma stiprību, tādējādi radot plaisas.

 

No lūzuma izturības viedokļa augstas{0}}oglekļa tēraudam ir zema izturība pret lūzumiem. Lūzumu izturība ir materiāla spēja pretoties plaisu izplatībai, un tā ir cieši saistīta ar tā mikrostruktūru un sastāvu. Cietā un trauslā cementīta fāze augsta-oglekļa tēraudā, kā arī iespējamie strukturālie defekti, piemēram, karbīda segregācija, samazina tērauda izturību pret lūzumiem. Kad tēraudā veidojas plaisa, lielais spriegums plaisas galā ātri pārrauj apkārtējās cietās un trauslās fāzes, izraisot strauju plaisu izplatīšanos un galu galā lūzumu.

Augsta{0}}oglekļa tērauda lūzuma mehānisms

 

1. Plaisas ierosināšana

 

Tēraudā ar augstu-oglekļa saturu cementīta klātbūtnes un tā struktūras neviendabīguma dēļ plaisas var rasties šādās vietās: pirmkārt, cementīta un ferīta saskarnē. Tā kā starp abām fāzēm ir būtiskas atšķirības mehāniskajās īpašībās, sprieguma koncentrācija šajā saskarnē viegli rodas, ja tiek pakļauta spriegumam. Kad spriegums pārsniedz saskarnes saites stiprību, veidojas mikroplaisas. Otrkārt, karbīda segregācijas zonās. Karbīda segregācija izraisa lokalizētus reģionus ar atšķirīgu sastāvu un struktūru no apkārtējās matricas, radot vājas zonas. Ārējo spēku ietekmē šīs vājās zonas viegli kļūst par plaisu sākuma punktiem.

 

2. Plaisu izplatīšanās

 

Kad plaisa sākas, tā strauji izplatās stresa apstākļos. Augsta-oglekļa tērauda zemā stingrība samazina izturību pret plaisu izplatīšanos. Plaisu izplatīšanās laikā tas saskaras ar cieto un trauslo cementīta fāzi. Plaisa var izplatīties pa cementīta un ferīta saskarni vai tieši caur cementīta fāzi. Pateicoties cementīta fāzes trauslumam, plaisai nav nepieciešama pārmērīga enerģija, lai pa to izplatītos, kā rezultātā plaisa strauji aug.

 

3. Galīgais lūzums

 

Kad plaisa izaug līdz noteiktam izmēram, tērauda efektīvais slodzi{0}}nesošais laukums dramatiski samazinās, atstājot atlikušo laukumu nespēju izturēt pielikto slodzi, kas galu galā noved pie lūzuma. Šis lūzuma process augsta-oglekļa tēraudā bieži ir ātrs un ietilpst trauslā lūzuma kategorijā.

 

Gadījumu izpēte par augstu{0}}oglekļa tērauda lūzumu praktiskos lietojumos

 

1. Instrumentu ražošana

 

Instrumentu ražošanā augstas{0}}oglekļa tēraudu bieži izmanto griešanas malām, jo ​​tā augstā cietība un izturība saglabā asu malu. Tomēr faktiskās lietošanas laikā instrumenti var pēkšņi salūzt. Tas ir tāpēc, ka griešanas procesa laikā griezējinstruments tiek pakļauts mainīgiem griešanas un trieciena spēkiem. Augsta-oglekļa tērauda zemā stingrība padara to pakļautu plaisām, kas rodas griešanas malā, vai iekšējiem defektiem, ja tas tiek pakļauts ievērojamai ietekmei. Pēc tam šīs plaisas ātri izplatās, izraisot lūzumu.

 

2. Pavasara ražošana

 

Atsperēm ir nepieciešama augsta elastības robeža un noguruma izturība. Lai gan augstas-oglekļa tēraudam ir augsta izturība, tā plastiskuma un stingrības trūkums atkārtotas lieces vai stiepšanas laikā var izraisīt lūzumu sprieguma koncentrācijas punktos. Piemēram, automobiļu piekares atsperes, kas ilgstoši tiek pakļautas triecieniem uz ceļa un transportlīdzekļa vibrācijām, ir pakļautas noguruma plaisāšanai un iespējamai lūzumam, tādējādi apdraudot braukšanas drošību.

 

Pasākumi augstas{0}}oglekļa tērauda lūzumu iespējamības uzlabošanai

 

1. Leģēšana

 

Augsta{0}}oglekļa tērauda mikrostruktūru un īpašības var uzlabot, pievienojot leģējošus elementus, piemēram, hromu, molibdēnu un vanādiju. Šie leģējošie elementi reaģē ar oglekli, veidojot stabilākus karbīdus, mainot karbīdu morfoloģiju un sadalījumu un mazinot cementīta nelabvēlīgo ietekmi. Piemēram, hroms veido smalki izkliedētus hroma karbīdus, uzlabojot līdzsvaru starp izturību un stingrību.

 

2. Termiskās apstrādes procesa optimizēšana

 

Saprātīgs termiskās apstrādes process var pielāgot augstas{0}}oglekļa tērauda mikrostruktūru un uzlabot tā vispārējo veiktspēju. Piemēram, austemperējot var iegūt beinīta struktūru, kurai ir lielisks izturības un stingrības līdzsvars, uzlabojot augsta-oglekļa tērauda lūzumu izturību. Turklāt rūdīšana var novērst rūdīšanas spriegumus un pielāgot tērauda cietību un stingrību.

 

3. Karbīda segregācijas kontrole

 

Tērauda ražošanas un liešanas procesos var veikt pasākumus, lai kontrolētu karbīda segregāciju. Piemēram, elektromagnētiskā maisīšana un nepārtrauktas liešanas procesa optimizācija var panākt vienmērīgāku karbīdu sadalījumu tēraudā, samazinot lokālo karbīdu uzkrāšanos un tādējādi arī plaisu rašanās iespējamību.

 

Secinājums

 

Galvenais iemesls, kāpēc -oglekļa tērauds ir pakļauts lūzumam, ir tas, ka palielinātais oglekļa saturs maina tērauda mikrostruktūru, kā rezultātā palielinās cietā un trauslā cementīta fāze un samazinās tērauda plastiskums un stingrība. Ja tas ir pakļauts spriedzei, augstas-oglekļa tērauds ir pakļauts plaisu sākšanai cementīta un ferīta saskarnē vai karbīda segregācijas zonās. Tā zemās stingrības dēļ plaisas strauji izplešas, galu galā izraisot tērauda lūzumu. Praktiskā pielietojumā augsta-oglekļa tērauda lūzumu problēma rada drošības apdraudējumu daudzās inženierzinātņu jomās. Izmantojot tādus pasākumus kā sakausēšana, termiskās apstrādes procesu optimizēšana un karbīda segregācijas kontrole, var zināmā mērā uzlabot augsta-oglekļa tērauda lūzumu tendenci, tādējādi uzlabojot tā vispārējo veiktspēju. Nākotnes materiālu izpētē un inženierzinātnēs ir nepieciešama turpmāka-padziļināta{10}}oglekļa tērauda lūzuma mehānisma izpēte, un ir jāizstrādā efektīvāki uzlabošanas pasākumi, lai izpildītu augstākās tērauda veiktspējas prasības dažādās inženierzinātņu jomās.