Der Umwandlungsprozess von Austenit während der Wärmebehandlung

Während des Wärmebehandlungsprozesses ist die Umwandlung von Austenit (γ-Fe, kubisch-flächenzentrierte Struktur, eine feste Lösung von Kohlenstoff in γ-Fe) der Kernschritt, der die endgültige Mikrostruktur und die Eigenschaften von Stahlmaterialien bestimmt. Sie besteht hauptsächlich aus zwei Stadien: der Bildung von Austenit (Austenitisierung) und der Abkühlungsumwandlung von Austenit. Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Beschreibung des Umwandlungsprozesses und seiner Eigenschaften: 

I. Bildung von Austenit (Austenitisierung)

Die Austenitisierung bezieht sich auf den Prozess, bei dem Stahl über seine kritische Temperatur (Ac₁ oder Ac₃) erhitzt wird und Perlit (eine Mischung aus Ferrit und Zementit) in Austenit umwandelt. Seine Essenz ist die Umwandlung der Kristallstruktur von kubisch-raumzentriert (Ferrit) in kubisch-flächenzentriert (Austenit) durch atomare Diffusion. Sie ist in vier Stadien unterteilt:

1. Austenitkeimbildung

Wenn der Stahl über die Ac₁-Temperatur erhitzt wird, bildet sich Austenit zunächst an der Grenzfläche zwischen Ferrit und Zementit im Perlit. Dies liegt daran, dass die Grenzfläche eine hohe Energie hat (Vorhandensein von Verzerrungsenergie) und die Kohlenstoffkonzentration ungleichmäßig ist (der Kohlenstoffgehalt in Ferrit ist niedrig, während der in Zementit hoch ist), was die thermodynamischen und kinetischen Bedingungen für die Keimbildung erfüllt.

2. Austenitwachstum

Die gebildeten Austenitkristalle wachsen weiter, indem sie Ferrit und Zementit aus der Umgebung "aufnehmen":

Ferrit (raumzentrierte kubische Gitterstruktur) wandelt sich durch Atomumlagerung in Austenit (flächenzentrierte kubische Gitterstruktur) um;

Zementit (Fe₃C) zersetzt sich in Kohlenstoff- und Eisenatome, und die Kohlenstoffatome diffundieren in den Austenit (die Löslichkeit von Kohlenstoff in Austenit ist viel höher als in Ferrit).

3. Auflösung von Restkarbiden

Wenn das Perlit vollständig in Austenit umgewandelt ist, löst sich, wenn die Erhitzungstemperatur hoch genug ist oder die Haltezeit lang genug ist, der unvollständig zersetzte Zementit (Restkarbide) weiter in den Austenit, bis er vollständig verschwindet.

4. Homogenisierung der Austenitzusammensetzung

Aufgrund der ungleichmäßigen Verteilung der Kohlenstoffkonzentration im anfänglichen Austenit (höherer Kohlenstoffgehalt im Zementitbereich und niedrigerer im Ferritbereich) ist eine Homogenisierung der Zusammensetzung durch die Diffusion von Kohlenstoffatomen erforderlich, um schließlich einen Austenit mit gleichmäßiger Zusammensetzung zu bilden. 

II. Kühlumwandlung von Austenit

Die Kühlumwandlung von Austenit ist ein Schlüsselaspekt in der Wärmebehandlung (dem Kern von Prozessen wie Härten, Glühen und Normalisieren), und die Umwandlungsprodukte hängen von der Abkühlrate und der Umwandlungstemperatur ab. Sie kann in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: Isotherme Umwandlung (Umwandlung bei konstanter Temperatur) und kontinuierliche Kühlumwandlung (Umwandlung während der kontinuierlichen Abkühlung). Entsprechend den verschiedenen Umwandlungsprodukten.

1. Isotherme Umwandlung (Basierend auf der TTT-Kurve)

Die isotherme Umwandlung bezieht sich auf das schnelle Abkühlen von Austenit auf eine bestimmte Temperatur (unterhalb von A₁) und das Halten bei dieser Temperatur, um die Umwandlung unter isothermen Bedingungen abzuschließen. Das Umwandlungsgesetz kann durch die TTT-Kurve (Isotherme Umwandlungskinetikkurve) beschrieben werden. Abhängig von der Umwandlungstemperatur können die Produkte in drei Typen eingeteilt werden:

(1) Perlitumwandlung (Hochtemperaturzone, A₁ bis 550°C)

Umwandlungsmechanismus: Diffusionsumwandlung (sowohl Eisenatome als auch Kohlenstoffatome diffundieren).

Produktform: Eine Schichtmischung aus Ferrit (α-Fe) und Zementit (Fe₃C), bekannt als Perlit.

Basierend auf dem Feinheitsgrad des Lamellabstands kann es klassifiziert werden als:

Perlit: Der Lamellabstand ist relativ grob (Abstand > 0,5 μm), gut unterscheidbar unter einem Lichtmikroskop;

Sphäroidit: Der Lamellabstand ist relativ fein (0,1 - 0,5 μm), erfordert hochauflösende Mikroskopbeobachtung;

Troostit: Der Lamellabstand ist extrem fein (<0,1 μm), nur unterscheidbar durch Elektronenmikroskopie.

Leistungseigenschaften: Je feiner der Lamellabstand, desto höher ist die Stärke und Härte (z. B. Troostithärte > Sphäroidit > Perlit), aber die Zähigkeit ist im Allgemeinen gut.

(2) Bainitumwandlung (Mitteltemperaturbereich, 550°C bis Ms-Punkt)

Umwandlungsmechanismus: Halb-Diffusionsumwandlung (Eisenatome diffundieren nicht, während Kohlenstoffatome kurze Distanzen diffundieren).

Produktform: Laut der Bildungstemperatur kann es wie folgt klassifiziert werden:

Obere Bainit: Entsteht im Bereich von 550°C bis 350°C und hat ein "federnartiges" Aussehen (parallele Anordnung von Ferritbändern, wobei Karbonitride zwischen den Bändern verteilt sind);

Untere Bainit: Entsteht im Bereich von 350°C bis zum Ms-Punkt und hat ein "nadelförmiges" Aussehen (gleichmäßig verteilte feine Karbonitridpartikel innerhalb von Ferritnadeln).

Leistungseigenschaften: Obere Bainit hat eine schlechte Zähigkeit (die zwischen den Bändern liegenden Karbonitride verursachen leicht Spannungskonzentration); Untere Bainit hat eine hohe Festigkeit (Härte 50 - 60 HRC) und eine gute Zähigkeit (besser als obere Bainit und Perlit) und ist eine ausgezeichnete Verbundwerkstoffstruktur.

(3) Martensit-Transformation (Niedertemperaturbereich, unterhalb des Ms-Punkts)

Transformationsmechanismus: Nicht-diffusionsartige Transformation (Atome erfahren nur Scherverschiebungen, keine Langstreckendiffusion), gehört zur "scherartigen" Transformation.

Produktform: Übersättigte Kohlenstoff-α-Fe-Festlösung (raumzentrierte kubische Struktur), die nadelförmig oder plattenförmig vorliegt:

Hohe Kohlenstoff-Martensit: Wenn der Kohlenstoffgehalt > 1,0% ist, zeigt es eine "nadelförmige" Form (kreuzend und mit mikroskopischen Rissen);

Niedrige Kohlenstoff-Martensit: Wenn der Kohlenstoffgehalt < 0,2% ist, zeigt es eine "plattenförmige" Form (parallele Anordnung, ohne Risse).

Leistungseigenschaften: Die Härte ist extrem hoch (Niedrige Kohlenstoff-Martensit ~ 30 - 50 HRC, Hohe Kohlenstoff-Martensit ~ 60 - 65 HRC), aber spröde (insbesondere Hohe Kohlenstoff-Martensit), und nach der Umwandlung bleibt Rest-Austenit (Rest-Austenit) zurück.

Kritische Temperaturen:

Ms-Punkt: Die Starttemperatur der Martensit-Umwandlung (sie sinkt mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt, reines Eisen Ms ≈ 910°C, mit 1,0% Kohlenstoff Ms ≈ 210°C);

Mf-Punkt: Die Endtemperatur der Martensit-Umwandlung (bei zu hohem Kohlenstoffgehalt kann Mf unter der Raumtemperatur liegen, was zu Rest-Austenit bei Raumtemperatur führt). Die Abkühlrate ist relativ langsam (z. B. Normalisieren): Unter Luftkühlbedingungen wird feinlamellare Perlit (Scheelit) erhalten;

Die Abkühlrate ist relativ schnell (z. B. Ölkühlung): Dies kann zur Bildung von Bainit führen (mittlere Abkühlgeschwindigkeit);

Die Abkühlrate ist extrem schnell (z. B. Wasserabschreckung): Übersteigt die "kritische Abkühlgeschwindigkeit", wird das Material direkt unter den Ms-Punkt abgeschreckt, was zur Bildung von Martensit (+ Rest Austenit) führt. 

III. Schlüsselfaktoren, die die Austenitumwandlung beeinflussen

1. Chemische Zusammensetzung:

Kohlenstoffgehalt: Eine Erhöhung des Kohlenstoffgehalts senkt die Ms- und Mf-Punkte, erhöht die Menge an Rest Austenit; beschleunigt die Perlitumwandlung und verzögert die Bainit- und Martensitumwandlungen.

Legierungselemente: Elemente wie Cr, Ni und Mn senken den Ms-Punkt und verzögern die Martensitumwandlung; Elemente wie Si und Mo verfeinern die Perlit- oder Bainitstruktur.

2. Austenitisierungsbedingungen:

Je höher die Erhitzungstemperatur und je länger die Haltezeit, desto gröber sind die Austenitkörner, desto gleichmäßiger ist die Zusammensetzung und desto langsamer ist die anschließende Abkühlungstransformationsrate (große Körner verringern die Keimbildungsrate).

Kühlgeschwindigkeit: Sie ist der Kernfaktor, der die Umwandlungsprodukte bestimmt (zum Beispiel ist der Schlüssel zum Härten "eine schnelle Abkühlung, um die Perlit-/Bainitumwandlungszone zu vermeiden"). 

Zusammenfassung

Schlagwörter: Austenitstahl