Защо стоманата е по-склонна към счупване с по-високо съдържание на въглерод?

Стоманата играе решаваща роля в индустриалния сектор и се използва широко в много индустрии, включително строителство, производство на машини, автомобилостроене и космическа индустрия. Като един от най-важните легиращи елементи в стоманата, съдържанието на въглерод оказва дълбоко влияние върху нейните свойства. В практическите приложения открихме, че стоманата с високо съдържание на въглерод често е по-склонна към счупване, което не само засяга качеството и надеждността на продукта, но също така може да доведе до сериозни инциденти, свързани с безопасността. Следователно,-задълбоченото изследване на причините, поради които високо{4}}въглеродната стомана е склонна към счупване, е от голямо теоретично и практическо значение.

 

 

Въглеродни форми в стоманата и тяхното въздействие върху микроструктурата

 

1. Въглеродни форми

 

В стоманата въглеродът съществува предимно като интерстициални твърди разтвори и карбиди. Когато съдържанието на въглерод е ниско, повечето въглеродни атоми се разтварят в желязната решетка като интерстициални твърди разтвори. Тъй като съдържанието на въглерод се увеличава, излишните въглеродни атоми реагират с желязо и други легиращи елементи, за да образуват различни карбиди, като цементит (Fe3C).

 

2. Въздействие върху микроструктурата

 

Промените в съдържанието на въглерод значително променят микроструктурата на стоманата. В ниско-легираните стомани с увеличаването на съдържанието на въглерод съдържанието на перлит в структурата на равновесната-температура на стайната температура постепенно се увеличава, докато съдържанието на ферит намалява. Перлитът е ламеларна евтектоидна структура, съставена от редуващи се ферит и цементит. Тъй като съдържанието на въглерод се повишава допълнително, надвишавайки евтектоидния състав, в структурата на стоманата се появява вторичен цементит и неговото количество се увеличава с увеличаване на съдържанието на въглерод.

 

Цементитът е твърда и крехка фаза и неговото присъствие ограничава деформируемостта на стоманата. Когато стоманата е подложена на външни сили, феритната фаза може да претърпи известна пластична деформация, за да абсорбира енергия, докато цементитната фаза е по-малко податлива на деформация. Тъй като съдържанието на въглерод се увеличава, количеството на цементит в стоманата се увеличава и разпределението му се променя. Това нарушава непрекъснатостта на феритната матрица, което прави концентрацията на напрежението по-вероятна, когато стоманата е подложена на напрежение, като по този начин създава условия за започване и разпространение на пукнатини.

 

Ефект на въглеродното съдържание върху механичните свойства на стоманата

 

1. Промени в якостта и твърдостта

 

Най-общо казано, здравината и твърдостта на стоманата се увеличават с увеличаване на съдържанието на въглерод. Това се дължи на ефекта на укрепване на твърдия разтвор на въглеродните атоми и ефекта на укрепване на дисперсията на карбидите. Интерстициалният твърд разтвор на въглеродни атоми в желязната решетка причинява изкривяване на решетката, възпрепятствайки движението на дислокациите и по този начин увеличавайки здравината на стоманата. Едновременно с това диспергираното разпределение на карбидните частици в матрицата ефективно предотвратява приплъзването на дислокациите, като допълнително повишава здравината и твърдостта на стоманата.

 

2. Намалена пластичност и здравина

 

Въпреки това, докато здравината и твърдостта се увеличават, пластичността и якостта на стоманата намаляват значително с увеличаване на съдържанието на въглерод. Пластичността се отнася до способността на материала да претърпи постоянна деформация без счупване при натоварване, докато издръжливостта отразява способността му да абсорбира енергия преди счупване. Голямото количество цементитна фаза във високо-въглеродната стомана затруднява стоманата да претърпи равномерна пластична деформация под натоварване. Когато е подложено на външни сили, напрежението има тенденция да се концентрира на границата между цементит и ферит, което кара напрежението в тази област да надхвърли силата на свързване, като по този начин инициира пукнатини.

 

От гледна точка на якостта на счупване високо{0}}въглеродната стомана има ниска якост на счупване. Устойчивостта на счупване е способността на материала да устои на разпространението на пукнатини и е тясно свързана с неговата микроструктура и състав. Твърдата и крехка цементитна фаза във високо-въглеродната стомана, както и възможните структурни дефекти като отделяне на карбид, намаляват якостта на счупване на стоманата. Когато се образува пукнатина в стомана, високото напрежение на върха на пукнатината бързо разкъсва околните твърди и крехки фази, което води до бързо разпространение на пукнатината и в крайна сметка до счупване.

 

Механизъм на счупване на високо-въглеродна стомана

 

1. Иницииране на пукнатини

 

В високо{0}}въглеродната стомана, поради наличието на цементит и неговата структурна хетерогенност, пукнатините са склонни към възникване на следните места: Първо, на границата между цементит и ферит. Поради значителната разлика в механичните свойства между двете фази, концентрацията на напрежение лесно възниква в тази повърхност, когато е подложена на напрежение. Когато напрежението превиши силата на свързване на интерфейса, се образуват микропукнатини. Второ, в областите на сегрегация на карбиди. Сегрегацията на карбида причинява локализирани региони с различен състав и структура от околната матрица, създавайки слаби зони. Под въздействието на външни сили тези слаби зони лесно се превръщат в точки на образуване на пукнатини.

 

2. Разпространение на пукнатини

 

След като се появи пукнатина, тя бързо се разпространява под напрежение. Ниската якост на високо-въглеродната стомана намалява устойчивостта срещу разпространение на пукнатини. По време на разпространението на пукнатини той се натъква на твърдата и крехка цементитна фаза. Пукнатината може да се разпространи по границата между цементит и ферит или директно през цементитната фаза. Поради крехкостта на цементитната фаза, пукнатината не изисква прекомерна енергия за разпространение през нея, което води до бързо нарастване на пукнатината.

 

3. Крайна фрактура

 

Когато пукнатината нарасне до определен размер, ефективната{0}}носеща товар площ на стоманата намалява драстично, оставяйки останалата част неспособна да издържи на приложеното натоварване, което в крайна сметка води до счупване. Този процес на счупване при високо-въглеродна стомана често е бърз и попада в категорията на крехко счупване.

 

Казуси от счупване на високо{0}}въглеродна стомана в практически приложения

 

1. Производство на инструменти

 

В производството на инструменти високо{0}}въглеродната стомана често се използва за режещи ръбове, тъй като нейната висока твърдост и здравина поддържат остър ръб. По време на реална употреба обаче инструментите могат внезапно да се счупят. Това е така, защото режещият инструмент е подложен на редуващи се сили на рязане и удар по време на процеса на рязане. Ниската якост на високо-въглеродната стомана я прави податлива на пукнатини, започващи от режещия ръб, или вътрешни дефекти, когато е подложена на значителен удар. След това тези пукнатини бързо се разпространяват, което води до счупване.

 

2. Производство на пружини

 

Пружините изискват висока граница на еластичност и устойчивост на умора. Въпреки че високо{1}}въглеродната стомана има висока якост, нейната липса на пластичност и издръжливост при многократно огъване или разтягане може да доведе до счупване в точките на концентрация на напрежението. Например, пружините на автомобилното окачване, изложени на удар на пътя и вибрации на превозното средство при дълги периоди на употреба, са склонни към напукване от умора и евентуално счупване, което компрометира безопасността при шофиране.

 

Мерки за подобряване на склонността към счупване на високо{0}}въглеродна стомана

 

1. Легиране

 

Микроструктурата и свойствата на високо{0}}въглеродната стомана могат да бъдат подобрени чрез добавяне на легиращи елементи като хром, молибден и ванадий. Тези легиращи елементи реагират с въглерод, за да образуват по-стабилни карбиди, модифицирайки морфологията и разпределението на карбидите и смекчавайки неблагоприятните ефекти на циментита. Например, хромът образува фино диспергирани хромни карбиди, подобрявайки баланса между здравина и издръжливост.

 

2. Оптимизиране на процеса на топлинна обработка

 

Един разумен процес на термична обработка може да регулира микроструктурата на високо-въглеродната стомана и да подобри цялостната й производителност. Например, закаляването може да произведе бейнитна структура, която има отличен баланс на здравина и издръжливост, повишавайки устойчивостта на счупване на високо-въглеродната стомана. Освен това закаляването може да елиминира напреженията при закаляване и да регулира твърдостта и якостта на стоманата.

 

3. Контролиране на сегрегацията на карбида

 

По време на процесите на производство на стомана и леене могат да се вземат мерки за контрол на сегрегацията на карбиди. Например, електромагнитното разбъркване и оптимизирането на процеса на непрекъснато леене могат да постигнат по-равномерно разпределение на карбидите в стоманата, намалявайки локализираното натрупване на карбиди и по този начин вероятността от започване на пукнатини.

 

Заключение

 

Основната причина, поради която високо{0}}въглеродната стомана е склонна към счупване, е, че повишеното съдържание на въглерод променя микроструктурата на стоманата, което води до увеличаване на твърдата и крехка цементитна фаза и намаляване на пластичността и издръжливостта на стоманата. Когато е подложена на напрежение, високо-въглеродната стомана е предразположена към образуване на пукнатини на границата между цементит и ферит или в зони на сегрегация на карбиди. Поради ниската си якост, пукнатините ще се разширят бързо, което в крайна сметка ще доведе до счупване на стоманата. В практически приложения проблемът с разрушаването на високо-въглеродната стомана представлява опасност за безопасността в много инженерни области. Чрез мерки като легиране, оптимизиране на процесите на термична обработка и контролиране на сегрегацията на карбида, склонността към счупване на високо-въглеродната стомана може да бъде подобрена до известна степен, като по този начин се подобри нейната цялостна производителност. В бъдещите изследвания на материалите и инженерните приложения са необходими допълнителни-задълбочени изследвания на механизма на счупване на високо-въглеродна стомана и трябва да се разработят по-ефективни мерки за подобряване, за да се отговори на по-високите изисквания за ефективност на стоманата в различни инженерни области.