Miks on teras suurema süsinikusisaldusega purunemisohtlik?

Terasel on tööstussektoris ülioluline roll ja seda kasutatakse laialdaselt paljudes tööstusharudes, sealhulgas ehituses, masinate tootmises, autotööstuses ja kosmosetööstuses. Terase ühe kõige olulisema legeeriva elemendina mõjutab süsinikusisaldus selle omadusi põhjalikult. Praktilistes rakendustes oleme avastanud, et kõrge süsinikusisaldusega teras on sageli altid purunemisele, mis mitte ainult ei mõjuta toote kvaliteeti ja töökindlust, vaid võib põhjustada ka tõsiseid ohutusõnnetusi. Seetõttu on põhjalik uurimine põhjuste kohta, miks-kõrge süsinikusisaldusega teras võib murduda, väga teoreetilise ja praktilise tähtsusega.

 

 

Süsiniku vormid terases ja nende mõju mikrostruktuurile

 

1. Süsiniku vormid

 

Terases esineb süsinik peamiselt interstitsiaalsete tahkete lahuste ja karbiididena. Kui süsinikusisaldus on madal, lahustub enamik süsinikuaatomeid raudvõres interstitsiaalsete tahkete lahustena. Süsinikusisalduse suurenedes reageerivad liigsed süsinikuaatomid raua ja teiste legeerivate elementidega, moodustades erinevaid karbiide, näiteks tsementiiti (Fe₃C).

 

2. Mõju mikrostruktuurile

 

Süsinikusisalduse muutused muudavad oluliselt terase mikrostruktuuri. Madala -legeeritud terase puhul suureneb süsinikusisalduse suurenedes perliidi sisaldus ruumitemperatuuri tasakaalustruktuuris järk-järgult, samal ajal kui ferriidisisaldus väheneb. Perliit on lamelljas eutektoidstruktuur, mis koosneb vaheldumisi ferriidist ja tsementiidist. Süsinikusisalduse edasisel tõusmisel, ületades eutektoidset koostist, tekib terase struktuuri sekundaarne tsementiit, mille kogus suureneb süsinikusisalduse suurenedes.

 

Tsementiit on kõva ja rabe faas ning selle olemasolu piirab terase deformeeritavust. Kui terasele mõjuvad välised jõud, võib ferriidifaas energia neelamiseks läbida plastilise deformatsiooni, samas kui tsemendifaas on deformatsioonile vähem vastuvõtlik. Süsinikusisalduse suurenedes suureneb tsementiidi hulk terases ja selle jaotus muutub. See häirib ferriitmaatriksi järjepidevust, muutes pinge kontsentratsiooni tõenäolisemaks, kui teras on pinge all, luues seega tingimused pragude tekkeks ja levimiseks.

 

Süsinikusisalduse mõju terase mehaanilistele omadustele

 

1. Tugevuse ja kõvaduse muutused

 

Üldiselt suureneb süsinikusisalduse suurenedes terase tugevus ja kõvadus. Selle põhjuseks on süsinikuaatomite tahket lahust tugevdav toime ja karbiidide dispersiooni tugevdav toime. Süsinikuaatomite interstitsiaalne tahke lahus raudvõres põhjustab võre moonutusi, takistades dislokatsiooni liikumist ja suurendades seeläbi terase tugevust. Samal ajal hoiab karbiidiosakeste hajutatud jaotus maatriksis tõhusalt ära nihestuse libisemise, suurendades veelgi terase tugevust ja kõvadust.

 

2. Vähenenud plastilisus ja sitkus

 

Samas, kui tugevus ja kõvadus suurenevad, vähenevad terase plastilisus ja sitkus süsinikusisalduse suurenedes oluliselt. Plastilisus viitab materjali võimele läbida püsivat deformatsiooni ilma koormuse all purunemata, samas kui sitkus peegeldab selle võimet absorbeerida energiat enne purunemist. Suures koguses tsementiidifaasi -kõrge süsinikusisaldusega terases raskendab terase ühtlast plastilist deformatsiooni koormuse all. Väliste jõudude mõjul kipub pinge koonduma tsementiidi ja ferriidi vahelisele piirpinnale, põhjustades selle piirkonna pinget, mis ületab sidumistugevuse, tekitades seega pragusid.

 

Murdetugevuse seisukohast on kõrge{0}}süsinikterasel madal purunemiskindlus. Murdetugevus on materjali võime seista vastu pragude levikule ning on tihedalt seotud selle mikrostruktuuri ja koostisega. Kõva ja rabe tsementiidifaas kõrge -süsiniksisaldusega terases, samuti võimalikud struktuurivead, nagu karbiidi eraldumine, vähendavad terase purunemiskindlust. Kui terases tekib pragu, lõhub praguotsa suur pinge kiiresti ümbritsevad kõvad ja rabedad faasid, mis põhjustab pragude kiiret levimist ja lõpuks purunemist.

 

Kõrge süsinikusisaldusega terase{0}}murdemehhanism

 

1. Pragude tekitamine

 

Kõrge süsinikusisaldusega terases{0}} tekivad tsementiidi olemasolu ja selle struktuurse heterogeensuse tõttu praod järgmistes kohtades: esiteks, tsementiidi ja ferriidi vahelisel liidesel. Kahe faasi mehaaniliste omaduste olulise erinevuse tõttu tekib sellel liidesel stressi kontsentratsioon kergesti. Kui pinge ületab liidese sideme tugevuse, tekivad mikropraod. Teiseks karbiidi eraldamise piirkondades. Karbiidi eraldamine põhjustab lokaalseid piirkondi, mille koostis ja struktuur erinevad ümbritsevast maatriksist, luues nõrgad tsoonid. Väliste jõudude mõjul muutuvad need nõrgad tsoonid kergesti pragude tekkepunktideks.

 

2. Pragude levik

 

Kui pragu tekib, levib see pinge all kiiresti edasi. Kõrge-süsinikterase madal sitkus vähendab vastupidavust pragude levikule. Pragude levimise ajal puutub see kokku kõva ja rabeda tsementiidi faasiga. Pragu võib levida mööda tsementiidi ja ferriidi vahelist liidest või otse läbi tsementiidi faasi. Tsementiidi faasi rabeduse tõttu ei vaja pragu selle kaudu levimiseks liigset energiat, mille tulemuseks on kiire pragude kasv.

 

3. Lõplik luumurd

 

Kui pragu kasvab teatud suuruseni, väheneb terase efektiivne koormust{0}}kandev pindala järsult, jättes ülejäänud ala mitte taluma rakendatavat koormust, mis viib lõpuks purunemiseni. Kõrge süsinikusisaldusega terase{2}}murdmisprotsess on sageli kiire ja kuulub hapra murdumise kategooriasse.

 

Suure{0}}süsinikterase purunemise juhtumiuuringud praktilistes rakendustes

 

1. Tööriistade tootmine

 

Tööriistade valmistamisel kasutatakse-kõrge süsinikusisaldusega terast sageli lõikamiseks, kuna selle kõrge kõvadus ja tugevus säilitavad terava serva. Kuid tegeliku kasutamise ajal võivad tööriistad ootamatult puruneda. Selle põhjuseks on asjaolu, et lõiketööriistale avaldavad lõikeprotsessi ajal vahelduvad lõike- ja löögijõud. Kõrge-süsinikterase madal sitkus muudab selle terava löögi korral altid lõikeservas tekkivate pragude tekkeks või sisemiste defektide tekkeks. Need praod levivad seejärel kiiresti, põhjustades luumurde.

 

2. Spring Manufacturing

 

Vedrud nõuavad kõrget elastsuse piiri ja väsimuskindlust. Kuigi süsinikterasel on suur tugevus, võib selle plastilisuse ja sitkuse puudumine korduva painutamise või venitamise ajal põhjustada pingete kontsentratsioonipunktides murdumist. Näiteks auto vedrustusvedrud, mis puutuvad kokku maanteel kokkupõrkega ja sõiduki vibratsiooniga pika kasutusaja jooksul, võivad väsimusest praguneda ja puruneda, mis kahjustab sõiduohutust.

 

Meetmed suure{0}}süsinikterase murdumisohtlikkuse parandamiseks

 

1. Legeerimine

 

Kõrge{0}}süsinikterase mikrostruktuuri ja omadusi saab parandada legeerelementide (nt kroom, molübdeen ja vanaadium) lisamisega. Need legeerivad elemendid reageerivad süsinikuga, moodustades stabiilsemad karbiidid, muutes karbiidide morfoloogiat ja jaotumist ning leevendades tsementiidi kahjulikku mõju. Näiteks moodustab kroom peeneks hajutatud kroomkarbiidid, parandades tasakaalu tugevuse ja sitkuse vahel.

 

2. Kuumtöötlusprotsessi optimeerimine

 

Mõistlik kuumtöötlusprotsess võib kohandada kõrge süsinikusisaldusega terase{0}}mikrostruktuuri ja parandada selle üldist jõudlust. Näiteks austempering võib tekitada bainiidi struktuuri, millel on suurepärane tasakaal tugevuse ja sitkuse vahel, mis suurendab kõrge -süsinikterase purunemiskindlust. Lisaks võib karastamine kõrvaldada karastuspinged ja reguleerida terase kõvadust ja sitkust.

 

3. Karbiidi eraldamise juhtimine

 

Terase valmistamise ja valamise käigus saab võtta meetmeid karbiidi eraldamise kontrollimiseks. Näiteks elektromagnetilise segamise ja pideva valamise protsessi optimeerimisega saab saavutada karbiidide ühtlasema jaotumise terases, vähendades lokaalset karbiidi kogunemist ja seega ka pragude tekkimise tõenäosust.

 

Järeldus

 

Peamine põhjus, miks kõrge süsinikusisaldusega{0}}teras puruneb, on see, et suurenenud süsinikusisaldus muudab terase mikrostruktuuri, mis toob kaasa kõva ja rabeda tsementiidi faasi suurenemise ning terase plastilisuse ja sitkuse vähenemise. Pinge alluvuses võib kõrge -süsinikterasel tekkida pragusid tsementiidi ja ferriidi liideses või karbiidi eraldumise piirkondades. Madala sitkuse tõttu laienevad praod kiiresti, põhjustades lõpuks terase purunemise. Praktilistes rakendustes kujutab kõrge süsinikusisaldusega terase purunemisprobleem{5}} paljudes insenerivaldkondades ohtu. Selliste meetmete abil nagu legeerimine, kuumtöötlemisprotsesside optimeerimine ja karbiidi eraldamise kontrollimine, saab suure -süsinikterase purunemiskalduvust teatud määral parandada, parandades seeläbi selle üldist jõudlust. Tulevaste materjalide uurimise ja insenerirakenduste puhul on vaja põhjalikumat-süsinikterase murdumismehhanismi{10}}uuringut ning tuleb välja töötada tõhusamad parendusmeetmed, et täita terase kõrgemaid jõudlusnõudeid erinevates insenerivaldkondades.