Резиме метода за смањење трошкова у процесима топлотне обраде

Челик игра кључну улогу у индустријском сектору и широко се користи у бројним индустријама, укључујући грађевинарство, производњу машина, аутомобилску и ваздухопловну. Као један од најважнијих легирајућих елемената у челику, садржај угљеника има дубок утицај на његова својства. У практичним применама, открили смо да је челик са високим садржајем угљеника често склонији ломљењу, што не утиче само на квалитет и поузданост производа, већ може довести и до озбиљних безбедносних незгода. Због тога је-дубина истраживања разлога зашто је високо{4}}угљенични челик склон ломљењу од великог теоријског и практичног значаја.

 

 

Облици угљеника у челику и њихов утицај на микроструктуру

 

1. Угљеничне форме

 

У челику, угљеник постоји првенствено као интерстицијски чврсти раствори и карбиди. Када је садржај угљеника низак, већина атома угљеника се раствара у решетки гвожђа као међупросторни чврсти раствори. Како се садржај угљеника повећава, вишак атома угљеника реагује са гвожђем и другим легирајућим елементима и формира различите карбиде, као што је цементит (Фе₃Ц).

 

2. Утицај на микроструктуру

 

Промене у садржају угљеника значајно мењају микроструктуру челика. У ниско{1}}легираним челицима, како се садржај угљеника повећава, садржај перлита у структури равнотеже собне{2}}температуре постепено расте, док се садржај ферита смањује. Перлит је ламеларна еутектоидна структура састављена од наизменичног ферита и цементита. Како садржај угљеника даље расте, превазилазећи еутектоидни састав, у структури челика се појављује секундарни цементит, чија количина расте са повећањем садржаја угљеника.

Цементит је тврда и крта фаза, а његово присуство ограничава деформабилност челика. Када је челик подвргнут спољним силама, феритна фаза се може подвргнути некој пластичној деформацији да би апсорбовала енергију, док је цементитна фаза мање подложна деформацији. Како се садржај угљеника повећава, количина цементита у челику се повећава и његова дистрибуција се мења. Ово нарушава континуитет феритне матрице, чинећи концентрацију напрезања вероватнијом када је челик подвргнут напрезању, стварајући тако услове за покретање и ширење прслине.

 

Утицај садржаја угљеника на механичка својства челика

 

1. Промене у чврстоћи и тврдоћи

 

Уопштено говорећи, чврстоћа и тврдоћа челика се повећавају са повећањем садржаја угљеника. Ово је због ефекта јачања чврстог раствора атома угљеника и ефекта јачања дисперзије карбида. Интерстицијски чврсти раствор атома угљеника у решетки гвожђа изазива изобличење решетке, ометајући кретање дислокација и на тај начин повећавајући чврстоћу челика. Истовремено, дисперзована дистрибуција честица карбида у матрици ефикасно спречава клизање дислокације, додатно повећавајући чврстоћу и тврдоћу челика.

 

2. Смањена пластичност и жилавост

 

Међутим, док се чврстоћа и тврдоћа повећавају, пластичност и жилавост челика значајно опадају са повећањем садржаја угљеника. Пластичност се односи на способност материјала да се подвргне трајној деформацији без лома под оптерећењем, док жилавост одражава његову способност да апсорбује енергију пре лома. Велика количина цементитне фазе у високо-угљеничном челику отежава челику да се подвргне равномерној пластичној деформацији под оптерећењем. Када је подвргнут спољним силама, напон тежи да се концентрише на граници између цементита и ферита, узрокујући да напон у овој области премашује снагу везивања, чиме се иницирају пукотине.

 

Из перспективе жилавости лома, високо{0}}угљенични челик има ниску жилавост лома. Жилавост лома је способност материјала да се одупре ширењу прслине и уско је повезана са његовом микроструктуром и саставом. Тврда и крта цементитна фаза у високо-угљеничном челику, као и могући структурни дефекти као што је сегрегација карбида, смањују жилавост челика на лом. Када се пукотина формира у челику, велики напон на врху пукотине брзо кида околне тврде и крхке фазе, што доводи до брзог ширења прслине и на крају до лома.

Механизам лома високо{0}}угљеничног челика

 

1. Покретање пукотине

 

У високо{0}}угљеничном челику, због присуства цементита и његове структурне хетерогености, пукотине су склоне настанку на следећим локацијама: Прво, на граници између цементита и ферита. Због значајне разлике у механичким својствима између две фазе, концентрација напона се лако јавља на овој граници када је подвргнута напрезању. Када напон премаши јачину везе на интерфејсу, формирају се микропукотине. Друго, у областима сегрегације карбида. Сегрегација карбида изазива локализоване регионе различитог састава и структуре од околног матрикса, стварајући слабе зоне. Под спољним силама, ове слабе зоне лако постају тачке иницијације пукотине.

 

2. Пропагација пукотина

 

Једном када се пукотина покрене, она се брзо шири под стресом. Ниска жилавост високо-угљеничног челика смањује отпорност на ширење пукотина. Током ширења пукотине наилази на тврду и крхку фазу цементита. Пукотина се може ширити дуж границе између цементита и ферита, или директно кроз фазу цементита. Због крхкости цементитне фазе, пукотина не захтева прекомерну енергију да се шири кроз њу, што резултира брзим растом пукотине.

 

3. Коначни прелом

 

Када пукотина нарасте до одређене величине, ефективна површина{0}}које носи челик се драматично смањује, остављајући преосталу површину неспособном да издржи примењено оптерећење, што на крају доводи до лома. Овај процес лома у високо{2}}угљеничном челику је често брз и спада у категорију кртог лома.

 

Студије случаја лома високо{0}}угљичног челика у практичним применама

 

1. Производња алата

 

У производњи алата, високо{0}}угљенични челик се често користи за сечење ивица јер његова висока тврдоћа и чврстоћа одржавају оштру ивицу. Међутим, током стварне употребе, алати се могу изненада покварити. То је зато што је резни алат подвргнут наизменичним силама резања и удара током процеса резања. Ниска жилавост високо{4}}угљеничног челика чини га склоним пуцању на ивици сечења или унутрашњим дефектима када је подвргнут значајном удару. Ове пукотине се затим брзо шире, што доводи до лома.

 

2. Производња пролећа

 

Опруге захтевају високу границу еластичности и отпорност на замор. Иако високо{1}}угљенични челик има велику чврстоћу, његов недостатак пластичности и жилавости током сталног савијања или истезања може довести до лома на тачкама концентрације напона. На пример, опруге за ослањање аутомобила, изложене удару са пута и вибрацијама возила током дугих периода употребе, склоне су пуцању од замора и евентуалном лому, што угрожава безбедност вожње.

 

Мере за побољшање склоности ломљењу високо{0}}угљеничног челика

 

1. Легирање

 

Микроструктура и својства високо{0}}угљеничног челика могу се побољшати додавањем легирајућих елемената као што су хром, молибден и ванадијум. Ови легирајући елементи реагују са угљеником и формирају стабилније карбиде, модификујући морфологију и дистрибуцију карбида и ублажавајући штетне ефекте цементита. На пример, хром формира фино дисперговане хромове карбиде, побољшавајући равнотежу између чврстоће и жилавости.

 

2. Оптимизација процеса топлотне обраде

 

Разуман процес топлотне обраде може да прилагоди микроструктуру високо{0}}угљеничног челика и побољша његове укупне перформансе. На пример, аустемперинг може да произведе структуру беинита, која има одличну равнотежу чврстоће и жилавости, повећавајући отпорност на лом високо-угљеничног челика. Штавише, каљење може елиминисати напоне гашења и подесити тврдоћу и жилавост челика.

 

3. Контролисање сегрегације карбида

 

Током процеса производње челика и ливења, могу се предузети мере за контролу сегрегације карбида. На пример, оптимизација процеса електромагнетног мешања и континуираног ливења може да постигне уједначенију дистрибуцију карбида у челику, смањујући локализовану акумулацију карбида, а тиме и вероватноћу покретања пукотина.

 

Закључак

 

Примарни разлог зашто је високо{0}}угљенични челик склон ломљењу је тај што повећани садржај угљеника мења микроструктуру челика, што доводи до повећања тврде и ломљиве фазе цементита и смањења пластичности и жилавости челика. Када је подвргнут напрезању, високо{2}}угљенични челик је склон иницирању пуцања на граници између цементита и ферита или у областима сегрегације карбида. Због ниске жилавости, пукотине ће се брзо проширити, што ће на крају довести до ломљења челика. У практичним применама, проблем лома високо{5}}угљеничног челика представља безбедносну опасност у многим областима инжењеринга. Мерама као што су легирање, оптимизација процеса топлотне обраде и контрола сегрегације карбида, тенденција лома високо{7}}угљеничног челика може се побољшати до одређене мере, чиме се побољшавају његове укупне перформансе. У будућим истраживањима материјала и инжењерским применама, потребна су даља-дубина истраживања механизма лома високо-угљеничног челика и морају се развити ефикасније мере побољшања како би се испунили захтеви за веће перформансе челика у различитим областима инжењерства.