8 cấu trúc phổ biến của kim loại và hợp kim

Vật liệu hiện đại có thể được chia thành bốn loại: kim loại, polyme, gốm sứ và vật liệu composite. Mặc dù sự phát triển nhanh chóng của vật liệu đại phân tử, thép vẫn là vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất và quan trọng nhất trong công nghệ kỹ thuật hiện nay. Yếu tố nào quyết định vị trí chủ đạo của vật liệu thép? Bây giờ chúng ta hãy giới thiệu nó một cách chi tiết.

Sắt thép được khai thác từ quặng sắt, phong phú về nguồn và giá thành rẻ. Sắt thép, còn được gọi là hợp kim sắt-cacbon, là hợp kim bao gồm sắt (Fe) và cacbon (C), silic (Si), mangan (Mn), phốt pho (P), lưu huỳnh (S) và các nguyên tố nhỏ khác. (Cr, V, v.v.). Có thể thu được các cấu trúc kim loại khác nhau bằng cách điều chỉnh hàm lượng của các nguyên tố khác nhau trong thép và quá trình xử lý nhiệt (bốn quá trình nung: tôi, ủ, tôi, thường hóa), để thép có các tính chất vật lý khác nhau. Cấu trúc quan sát dưới kính hiển vi kim loại học được gọi là cấu trúc kim loại học của thép sau khi lấy mẫu, mài, đánh bóng và ăn mòn với một chất ăn mòn cụ thể. Những bí mật về vật liệu thép được ẩn chứa trong những cấu trúc này.

        Trong hệ Fe-Fe3C, hợp kim sắt-cacbon với các thành phần khác nhau có thể được điều chế. Cấu trúc cân bằng của chúng khác nhau ở các nhiệt độ khác nhau, nhưng chúng bao gồm một số pha cơ bản (ferit F, austenit A và ximăng Fe3C). Các pha cơ bản này được kết hợp dưới dạng hỗn hợp cơ học, tạo thành cấu trúc kim loại phong phú và nhiều màu sắc trong thép. Có tám cấu trúc kim loại học phổ biến:

I. Ferit

 Dung dịch rắn ở kẽ được tạo thành bằng cách hòa tan cacbon trong kẽ của mạng a-Fe được gọi là ferit, thuộc cấu trúc BCC và phân bố hạt đa giác đều, được biểu thị bằng ký hiệu F. Cấu trúc và tính chất của nó tương tự như sắt nguyên chất. Nó có độ dẻo và độ dai tốt, nhưng độ bền và độ cứng thấp hơn (30-100 HB). Trong thép hợp kim, nó là dung dịch rắn của cacbon và các nguyên tố hợp kim trong alpha-Fe. Khả năng hòa tan của cacbon trong alpha-Fe là rất thấp. Ở nhiệt độ AC1, độ tan tối đa của cacbon là 0,0218%, nhưng khi giảm nhiệt độ, độ tan giảm xuống 0,0084%. Do đó, xi măng thứ ba xuất hiện ở ranh giới hạt ferit trong điều kiện làm nguội chậm. Với sự gia tăng hàm lượng cacbon trong thép, số lượng ferit giảm và số lượng ngọc trai tăng lên. Tại thời điểm này, ferit là mạng lưới và hình lưỡi liềm.

Ⅱ.Austenite

 Dung dịch rắn ở kẽ được tạo thành do sự hòa tan của cacbon trong không gian kẽ của mạng tinh thể gamma-Fe được gọi là Austenit. Nó có cấu trúc lập phương tâm mặt và là pha ở nhiệt độ cao, được biểu thị bằng ký hiệu A. Austenit có độ hòa tan tối đa là 2,11% C ở 1148 C và dung dịch rắn 0,77% C ở 727 C. Độ bền và độ cứng của nó là cao hơn so với ferit, độ dẻo và độ dai của nó tốt, và nó không có từ tính. Các tính chất cơ học cụ thể của nó liên quan đến hàm lượng cacbon và kích thước hạt, nói chung là 170-220 HBS, = 40-50%. Thép TRIP là loại thép được phát triển trên cơ sở tính dẻo tốt và tính linh hoạt của Austenit. Sự biến đổi do biến dạng gây ra và tính dẻo do biến đổi của Austenit được giữ lại được sử dụng để cải thiện độ dẻo của thép tấm và khả năng định hình của tấm thép. Austenit trong thép kết cấu cacbon hoặc hợp kim chuyển thành các pha khác trong quá trình làm mát. Chỉ sau khi làm nguội thép cacbon và thép cacbon cao, Austenit mới có thể tồn tại trong khe hở mactenxit và cấu trúc kim loại của nó có màu trắng vì không dễ bị ăn mòn.

Ⅲ. Xi măng

 Xi măng là một hợp chất kim loại được tổng hợp bởi một tỷ lệ nhất định của cacbon và sắt. Công thức phân tử Fe3C cho thấy hàm lượng cacbon của nó là 6,69%, và (Fe, M) 3C được tạo thành trong hợp kim. Xi măng cứng và giòn, độ dẻo và độ dai va đập của nó gần như bằng không, độ giòn của nó rất cao và độ cứng của nó là 800HB. Trong sắt thép, sự phân bố thường là dạng mạng, bán mạng, dạng vảy, dạng vảy kim và dạng hạt.

 IV. Ngọc trai

 Pearlite là một hỗn hợp cơ học của ferit và xi măng, được biểu thị bằng ký hiệu P. Tính chất cơ học của nó là giữa ferit và xi măng, có độ bền cao, độ cứng vừa phải và độ dẻo nhất định. Pearlite là sản phẩm của quá trình biến đổi eutectoid trong thép. Hình thái của nó là ferit và ximăng xếp thành từng lớp giống như dấu vân tay. Theo mô hình phân bố của cacbua, nó có thể được chia thành hai loại: ngọc trai dạng vảy và ngọc trai hình cầu.

 một. Flake Pearlite: Có thể chia thành ba loại: vảy dày, vảy trung bình và vảy mịn.

b. Ngọc trai hình cầu: thu được bằng cách ủ hình cầu, xi măng có hình cầu và phân bố trên nền ferit. kích thước của hình cầu xi măng phụ thuộc vào quá trình ủ hình cầu, đặc biệt là tốc độ làm nguội. Pearlite hình cầu có thể được chia thành bốn loại: hình cầu thô, hình cầu, hình cầu mịn và hình cầu.

V. Bainite

Bainite là sản phẩm của quá trình biến đổi austenit bên dưới vùng chuyển đổi ngọc trai và trên điểm MS trong vùng nhiệt độ trung bình. Bainite là một hỗn hợp cơ học của ferit và xi măng, cấu trúc giữa ngọc trai và mactenxit, được biểu thị bằng ký hiệu B. Theo nhiệt độ hình thành, nó có thể được chia thành bainite dạng hạt, bainite trên (B trên) và bainit dưới (B dưới). Bainite dạng hạt có độ bền thấp nhưng độ dai tốt. bainite thấp hơn vừa có độ bền cao vừa có độ dẻo dai tốt. bainite dạng hạt có độ dai kém nhất. Hình thái Bainite có thể thay đổi. Theo đặc điểm hình dạng, bainite có thể được chia thành ba dạng: dạng lông, dạng kim và dạng hạt.

một. Bainite thượng:

Bainit trên được đặc trưng bởi sự sắp xếp song song của ferit dạng dải, với xi măng dạng dải mịn (hoặc thanh ngắn) song song với trục kim ferit, có lông.

b. Bainite thấp hơn:

vảy hình kim mịn, có hướng nhất định, dễ bị ăn mòn hơn mactenxit đã được dập tắt, rất giống mactenxit tôi luyện, rất khó phân biệt dưới kính hiển vi ánh sáng, dễ phân biệt dưới kính hiển vi điện tử. cacbua kết tủa trong ferit dạng thấu kính, và hướng liên kết của nó là 55-60 độ với trục dài của tấm ferit, bainit thấp hơn không chứa các cặp song sinh, có nhiều sự lệch hướng hơn.

c. Bainite dạng hạt:

Ferit với hình dạng đa giác và nhiều cấu trúc dạng đảo không đều. Khi Austenit của thép được làm nguội đến cao hơn một chút so với nhiệt độ hình thành của bainit trên, một số nguyên tử cacbon của ferit kết tủa di chuyển từ ferit sang Austenit thông qua ranh giới pha ferit / austenit, làm cho Austenit giàu cacbon không đồng đều, do đó hạn chế sự chuyển hóa từ Austenit thành ferit. Các vùng Austenit này thường có dạng đảo, dạng hạt hoặc dạng dải, phân bố trên ma trận ferit. Trong quá trình làm nguội liên tục, theo thành phần của austenit và điều kiện làm mát, austenit trong các thùng hạt có thể trải qua những thay đổi sau đây.

(i) Phân hủy toàn bộ hoặc một phần thành ferit và cacbua. Dưới kính hiển vi điện tử có thể nhìn thấy các cacbua dạng hạt, hình que hoặc khối nhỏ với sự phân tán đa hướng.

(ii) biến đổi một phần thành mactenxit, có màu vàng hoàn toàn dưới kính hiển vi ánh sáng.

(iii) vẫn giữ được Austenit giàu cacbon.

Cacbua dạng hạt được phân bố trên ma trận ferit của bainit dạng hạt (cấu trúc đảo ban đầu là austenit giàu cacbon, được phân hủy thành ferit và cacbua khi nguội, hoặc chuyển thành mactenxit hoặc các hạt austenit vẫn giàu cacbon). Lông bainit, ma trận ferit, cacbua dải kết tủa ở lề của tấm ferit. Bainite thấp hơn, ferit dạng thấu kính với cacbua vảy nhỏ, cacbit vảy trong ferit của trục dài là góc khoảng 55 ~ 60 độ. 

VI. NHIỆM VỤ CỦA WEISHER

Cấu trúc Widmanstatten là một loại cấu trúc quá nhiệt, bao gồm các kim ferit giao nhau khoảng 60 độ và được nhúng trong ma trận thép. Cấu trúc Widmanstatten thô làm giảm độ dẻo và độ dai của thép và làm tăng độ giòn của nó. Trong thép hypoeutectoid, các hạt thô được hình thành do quá nhiệt và kết tủa nhanh chóng khi nguội. Do đó, ngoài sự kết tủa mạng dọc theo ranh giới hạt austenit, một số ferit được hình thành từ ranh giới hạt sang hạt theo cơ chế cắt và kết tủa riêng rẽ thành hình kim. Cấu trúc của phân phối này được gọi là cấu trúc Widmanstatten. Khi thép siêu nhiệt siêu nóng được làm nguội, xi măng cũng mở rộng từ ranh giới hạt sang hạt và tạo thành cấu trúc Widmanstatten.

Ⅶ.Martensite

Dung dịch rắn siêu bão hòa của cacbon trong alpha-Fe được gọi là mactenxit. Mactenxit có độ bền và độ cứng cao, nhưng độ dẻo kém, gần như bằng không. Nó không thể chịu tải trọng va đập được biểu thị bằng ký hiệu M. Mactenxit là sản phẩm của quá trình làm nguội nhanh Austenit được làm lạnh kém và chuyển đổi chế độ cắt giữa các điểm MS và Mf. Tại thời điểm này, cacbon (và các nguyên tố hợp kim) không thể khuếch tán theo thời gian, chỉ từ mạng tinh thể (tâm mặt) của gamma-Fe đến mạng tinh thể (tâm cơ thể) của alpha-Fe, tức là dung dịch rắn (austenit) của cacbon trong gamma-Fe thành dung dịch rắn của cacbon trong alpha-Fe. Do đó, sự biến đổi Mactenxit dựa trên các đặc điểm kim loại học của Mactenxit, có thể chia thành Mactenxit lath (cacbon thấp) và Mactenxit dạng thấu kính.

một. Mactenxit lath:

còn được gọi là mactenxit cacbon thấp. Các dải mactenxit mịn có cùng kích thước được sắp xếp song song với nhau để tạo thành các bó mactenxit hoặc miền mactenxit. sự khác biệt về định hướng giữa các miền và các miền là lớn, và một số miền có định hướng khác nhau có thể được hình thành trong một hạt austenit nguyên thủy. Do sự hình thành mactenxit ở nhiệt độ cao nên trong quá trình làm nguội chắc chắn sẽ xảy ra hiện tượng tự luyện và cacbit sẽ kết tủa trong mactenxit hình thành nên dễ bị xói mòn và sẫm màu.

 b. Mactenxit dạng thấu kính:

còn được gọi là Mactenxit dạng vảy hoặc Mactenxit cacbon cao, đặc điểm cơ bản của nó là: tấm Mactenxit đầu tiên hình thành trong hạt Austenit tương đối lớn, thường xuyên trong toàn bộ hạt, hạt austenit bị chia cắt, do đó kích thước của Mactenxit hình thành sau này bị hạn chế. nên kích thước của mactenxit dạng vảy thay đổi, phân bố không đều. Mactenxit dạng thấu kính được hình thành theo một hướng nhất định. Có một đường gờ ở giữa trong kim mactenxit. Hàm lượng cacbon càng cao thì mactenxit càng rõ ràng. Đồng thời, có Austenit giữ lại màu trắng giữa Mactenxit.

 c. Mactenxit được hình thành sau khi tôi nguội cũng có thể tạo thành ba cấu trúc kim loại học đặc biệt sau khi tôi luyện:

(i) Mactenxit tôi luyện:

hỗn hợp của tấm mactenxit được hình thành trong quá trình tôi nguội (với cấu trúc tinh thể của trung tâm cơ thể tứ giác) được phân hủy trong giai đoạn đầu tiên của quá trình tôi luyện, trong đó cacbon được phân giải ở dạng cacbua chuyển tiếp và các tấm cacbua chuyển tiếp cực mịn phân tán trong chất rắn ma trận dung dịch (có cấu trúc tinh thể đã thay đổi thành khối lập phương có tâm) (giao diện với ma trận là giao diện mạch lạc) Cấu trúc pha. loại cấu trúc này không thể phân biệt được cấu tạo bên trong của nó ngay cả khi được phóng đại đến độ phóng đại cực đại dưới kính hiển vi quang học (quang học), chỉ có thể thấy rằng toàn bộ cấu trúc của nó là kim đen (hình dạng của kim đen về cơ bản giống với hình dạng của kim trắng. trong quá trình dập tắt). Loại kim đen này được gọi là "Mactenxit tôi".

(ii) Troostit được ủ:

sản phẩm của mactenxit tôi luyện ở nhiệt độ trung bình, đặc trưng bởi sự biến mất dần dần hình dạng kim của mactenxit, nhưng vẫn có thể nhìn thấy mơ hồ (thép hợp kim chứa crom, nhiệt độ kết tinh lại hợp kim ferit của nó cao hơn, vì vậy nó vẫn giữ được hình kim), cacbua kết tủa nhỏ , khó phân biệt dưới kính hiển vi ánh sáng, các hạt cacbua chỉ có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi điện tử, cực Dễ bị xói mòn và hóa đen các mô. Nếu ủ nhiệt độ cao hơn hoặc để lâu hơn, kim sẽ có màu trắng. Lúc này các cacbit sẽ tập trung nhiều ở mép kim, đồng thời độ cứng của thép sẽ kém đi một chút và độ bền giảm.

(iii) sorbite đã được ủ:

sản phẩm của mactenxit tôi luyện ở nhiệt độ cao. Đặc điểm của nó là: cacbua hạt mịn phân bố trên nền sorbite, có thể phân biệt rõ ràng dưới kính hiển vi ánh sáng. Loại cấu trúc này, còn được gọi là cấu trúc điều hòa, có sự kết hợp tốt giữa sức mạnh và độ dẻo dai. Các cacbua trên ferit càng mịn thì độ cứng và độ bền càng cao, và độ dai càng kém. ngược lại, độ cứng và độ bền càng thấp và độ dai càng cao.

Ⅷ.Ledeburite

Hỗn hợp eutectic trong hợp kim FERROCARBON, tức là hợp kim FERROCARBON lỏng với phần khối lượng của cacbon (hàm lượng cacbon) là 4,3%, được gọi là ledeburite khi hỗn hợp cơ học của austenit và ximăng kết tinh đồng thời từ chất lỏng ở 1480 độ C. Kể từ khi Austenit biến đổi thành Pearlit ở 727 C, ledeburit được cấu tạo từ ngọc và ximăng ở nhiệt độ phòng. Để phân biệt ledeburite trên 727 C được gọi là ledeburite nhiệt độ cao (L d), và ledeburite dưới 727 C được gọi là ledeburite nhiệt độ thấp (L'd). Các tính chất của ledeburite tương tự như của xi măng với độ cứng cao và độ dẻo kém.