Hvers vegna er stál hættara við að brotna með hærra kolefnisinnihaldi?

Stál gegnir mikilvægu hlutverki í iðnaðargeiranum og er mikið notað í fjölmörgum atvinnugreinum, þar á meðal byggingariðnaði, vélaframleiðslu, bifreiðum og geimferðum. Sem einn af mikilvægustu málmblöndur í stáli hefur kolefnisinnihald mikil áhrif á eiginleika þess. Í hagnýtri notkun höfum við komist að því að stál með hátt kolefnisinnihald er oft hættara við að brotna, sem hefur ekki aðeins áhrif á gæði vöru og áreiðanleika heldur getur það einnig leitt til alvarlegra öryggisslysa. Þess vegna hafa ítarlegar rannsóknir á ástæðum þess að mikið-kolefnisstál er viðkvæmt fyrir brotum mikla fræðilega og hagnýta þýðingu.

 

 

Kolefnisform í stáli og áhrif þeirra á örbyggingu

 

1. Kolefnisform

 

Í stáli er kolefni fyrst og fremst til sem fastar millivefslausnir og karbíð. Þegar kolefnisinnihaldið er lágt leysast flest kolefnisatóm upp í járngrindinni sem millivefslausnir í föstu formi. Þegar kolefnisinnihaldið eykst hvarfast umfram kolefnisatóm við járn og önnur málmblöndurefni og mynda ýmis karbíð, svo sem sementít (Fe₃C).

 

2. Áhrif á örbyggingu

 

Breytingar á kolefnisinnihaldi breyta örbyggingu stáls verulega. Í lágu-blendi stáli, eftir því sem kolefnisinnihaldið eykst, eykst perlítinnihaldið í herbergis-hitajafnvægisbyggingunni smám saman á meðan ferrítinnihaldið minnkar. Pearlite er lamellar eutectoid uppbygging sem samanstendur af ferríti og sementíti til skiptis. Þegar kolefnisinnihaldið hækkar enn frekar, umfram eutectoid samsetningu, kemur aukasementít fram í byggingu stálsins og magn þess eykst með auknu kolefnisinnihaldi.

 

Sementít er harður og brothættur fasi og tilvist þess takmarkar aflögunarhæfni stálsins. Þegar stál verður fyrir utanaðkomandi kröftum getur ferrítfasinn farið í gegnum einhverja plastaflögun til að gleypa orku, en sementfasinn er minna næmur fyrir aflögun. Eftir því sem kolefnisinnihaldið eykst eykst magn sementíts í stálinu og dreifing þess breytist. Þetta truflar samfellu ferrítfylkisins, sem gerir streituþéttni líklegri þegar stálið verður fyrir álagi og skapar þannig aðstæður fyrir sprunguupphaf og útbreiðslu.

 

Áhrif kolefnisinnihalds á vélrænni eiginleika stáls

 

1. Breytingar á styrk og hörku

 

Almennt séð eykst styrkur og hörku stáls með auknu kolefnisinnihaldi. Þetta er vegna styrkjandi áhrifa kolefnisatóma í föstu lausnum og dreifingarstyrkjandi áhrifa karbíða. Millivefslausn á föstu formi kolefnisatóma í járngrindinni veldur aflögun á grindunum, hindrar hreyfingu frá liðfærslu og eykur þannig styrk stálsins. Jafnframt kemur dreifð dreifing karbíðagna í fylkinu í veg fyrir losun, sem eykur enn frekar styrk og hörku stálsins.

 

2. Minnkuð mýkt og hörku

 

Hins vegar, á meðan styrkur og hörku aukast, minnkar mýkt og seigja stáls verulega með auknu kolefnisinnihaldi. Mýkt vísar til getu efnis til að gangast undir varanlega aflögun án þess að brotna undir álagi, en seigja endurspeglar getu þess til að gleypa orku fyrir brot. Mikið magn sementítfasa í há-kolefnisstáli gerir það að verkum að erfitt er fyrir stálið að gangast undir samræmda plastaflögun við álag. Þegar það verður fyrir utanaðkomandi kröftum hefur streita tilhneigingu til að einbeita sér að viðmótinu milli sementíts og ferríts, sem veldur því að streita á þessu svæði fer yfir bindistyrkinn og veldur því sprungum.

 

Frá sjónarhóli brotaþols hefur mikið-kolefnisstál litla brotseigu. Brotseigja er hæfni efnis til að standast sprunguútbreiðslu og er nátengd örbyggingu þess og samsetningu. Harði og brothættur sementítfasinn í há-kolefnisstáli, auk hugsanlegra byggingargalla eins og aðskilnað karbíðs, draga úr brotseigu stálsins. Þegar sprunga myndast í stáli, rýfur mikil streita við sprunguoddinn hratt nærliggjandi hörðu og brothætta fasa, sem leiðir til hraðrar sprunguútbreiðslu og að lokum brota.

 

Brotkerfi há-kolefnisstáls

 

1. Sprunga upphaf

 

Í há-kolefnisstáli, vegna nærveru sementíts og misleitni í uppbyggingu þess, er hætta á sprungum á eftirfarandi stöðum: Í fyrsta lagi á snertifleti sementíts og ferríts. Vegna verulegs munar á vélrænni eiginleikum milli fasanna tveggja, verður streituþéttni auðveldlega við þetta viðmót þegar það verður fyrir álagi. Þegar álagið fer yfir tengistyrk viðmótsins myndast örsprungur. Í öðru lagi á svæðum þar sem karbítaðskilnað er. Karbíð aðskilnaður veldur staðbundnum svæðum með mismunandi samsetningu og uppbyggingu en nærliggjandi fylki, sem skapar veik svæði. Undir ytri krafti verða þessi veiku svæði auðveldlega upphafspunktar sprungna.

 

2. Sprungufjölgun

 

Þegar sprunga kemur af stað breiðist hún hratt út undir álagi. Lítil hörku há-kolefnisstáls dregur úr viðnám gegn sprunguútbreiðslu. Við sprunguútbreiðslu lendir það í hörðum og brothættum sementítfasa. Sprungan getur breiðst út meðfram tengi milli sementíts og ferríts, eða beint í gegnum sementítfasann. Vegna stökkleika sementítfasans þarf sprungan ekki of mikla orku til að fjölga sér í gegnum hana, sem veldur hröðum sprunguvexti.

 

3. Lokabrot

 

Þegar sprunga stækkar í ákveðna stærð minnkar-álagsburðarflatarmál stálsins verulega, þannig að það svæði sem eftir er þolir ekki álagið sem er beitt, sem leiðir að lokum til beinbrota. Þetta brotaferli í háu-kolefnisstáli er oft hratt og flokkast undir brothætt brot.

 

Dæmi um há-kolefnisstálbrot í hagnýtri notkun

 

1. Verkfæraframleiðsla

 

Í verkfæraframleiðslu er mikið-kolefnisstál oft notað til að skera brúnir vegna þess að mikil hörku þess og styrkur viðhalda skörpum brúnum. Hins vegar, við raunverulega notkun, geta verkfæri skyndilega brotnað. Þetta er vegna þess að skurðarverkfærið verður fyrir víxlskurði og höggkrafti meðan á skurðarferlinu stendur. Lítil seigja há-kolefnisstáls gerir það að verkum að það er viðkvæmt fyrir sprungum sem hefjast við fremstu brún eða innri galla þegar það verður fyrir verulegu höggi. Þessar sprungur breiðast síðan hratt út, sem leiðir til beinbrota.

 

2. Vorframleiðsla

 

Fjaðrir krefjast mikils teygjanleika og þreytuþols. Þótt mikið-kolefnisstál hafi mikinn styrk, getur skortur á mýkt og seigju við endurtekna beygingu eða teygju leitt til beinbrota á streituþéttnistöðum. Til dæmis eru fjöðrunarfjaðrir bifreiða, sem verða fyrir höggi á vegum og titringi ökutækja í langan tíma í notkun, viðkvæmt fyrir þreytusprungum og að lokum brotum, sem skerða akstursöryggi.

 

Aðgerðir til að bæta brothættu há-kolefnisstáls

 

1. Blöndun

 

Hægt er að bæta örbyggingu og eiginleika há-kolefnisstáls með því að bæta við málmbandi þáttum eins og króm, mólýbdeni og vanadíum. Þessir málmblöndur hvarfast við kolefni til að mynda stöðugri karbíð, breyta formgerð og dreifingu karbíða og draga úr skaðlegum áhrifum sementíts. Til dæmis myndar króm fíndreifð krómkarbíð, sem bætir jafnvægið milli styrkleika og seigleika.

 

2. Hagræðing á hitameðferðarferlinu

 

Sanngjarnt hitameðhöndlunarferli getur stillt örbyggingu há-kolefnisstáls og bætt heildarafköst þess. Til dæmis getur austempering framleitt bainítbyggingu sem hefur frábært jafnvægi styrks og seigleika, sem eykur brotþol há-kolefnisstáls. Ennfremur getur temprun útrýmt slökkviálagi og stillt hörku og hörku stálsins.

 

3. Að stjórna aðskilnaði karbíðs

 

Við stálframleiðslu og steypuferli er hægt að gera ráðstafanir til að stjórna aðskilnaði karbíðs. Til dæmis getur rafsegulhræring og samfelld steypuferla hagræðing náð jafnari dreifingu karbíða í stálinu, sem dregur úr staðbundinni karbíðsöfnun og þar með líkum á sprungubyrjun.

 

Niðurstaða

 

Aðalástæðan fyrir því að mikið-kolefnisstál er viðkvæmt fyrir broti er sú að aukið kolefnisinnihald breytir örbyggingu stálsins, sem leiðir til aukningar á hörðum og brothættum sementítfasa og lækkunar á mýktleika og seigleika stálsins. Þegar það verður fyrir álagi er-ríkt kolefnisstál viðkvæmt fyrir sprungum á milli sementíts og ferríts eða á svæðum þar sem karbíð aðskilur. Vegna lítillar hörku munu sprungur stækka hratt og valda því að lokum að stálið brotnar. Í hagnýtri notkun skapar brotavandamálið í háu-kolefnisstáli öryggishættu á mörgum verkfræðisviðum. Með ráðstöfunum eins og málmblöndun, fínstillingu hitameðhöndlunarferla og að stjórna aðskilnaði karbíðs, er hægt að bæta brotatilhneigingu há-kolefnisstáls að vissu marki og auka þannig heildarafköst þess. Í efnisrannsóknum og verkfræðiforritum í framtíðinni er þörf á frekari-dýptarrannsóknum á brotaferli há-kolefnisstáls og þróa þarf skilvirkari umbótaráðstafanir til að uppfylla hærri afkastakröfur stáls á mismunandi verkfræðisviðum.