Welche Auswirkungen haben Legierungselemente auf Ferrit?

Die meisten Legierungselemente werden dem kohlenstoffarmen Stahl zugesetzt, um einen durch feste Lösung gehärteten Stahl herzustellen, der bei bestimmten Umgebungstemperaturen Verformungen widersteht und die Gitterreibungstress δi erhöht. Allerdings ist es derzeit nicht möglich, die untere Streckgrenze allein mit Formeln vorherzusagen, es sei denn, die Korngröße ist bekannt. Obwohl die bestimmenden Faktoren für die Streckgrenze die Anlasstemperatur und die Abkühlrate sind, ist diese Forschungsmethode dennoch wichtig, da sie den Bereich vorhersagen kann, innerhalb dessen ein einzelnes Legierungselement die Zähigkeit des Stahls durch Erhöhen von δi verringern kann.

Bis heute gibt es keine Berichte über die Regressionsanalyse der Temperatur der nicht-plastischen Umwandlung (NDT) und der Charpy-Umwandlungstemperatur von ferritischem Stahl. Allerdings sind dies nur qualitative Diskussionen über die Auswirkungen des Zusatzes eines einzelnen Legierungselements auf die Zähigkeit. Im Folgenden wird eine kurze Einführung in die Auswirkungen mehrerer Legierungselemente auf die Eigenschaften von Stahl gegeben.

1) Mangan. Der Großteil des Mangangehalts beträgt ungefähr 0,5%. Als Desoxidationsmittel oder Schwefelbindemittel kann es die Heißrissbildung des Stahls verhindern und hat in Kohlenstoffstahl folgenden Effekt.

Bei Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,05% besteht nach Luftkühlung oder Ofenkühlung Tendenz, die Bildung von Karbidfilmen an den Korngrenzen zu verringern.

Es kann die Größe der Ferritkörner geringfügig verringern.

Es kann eine große Anzahl feiner Perlitpartikel erzeugen.

Die ersten beiden Effekte zeigen, dass die NDT-Temperatur mit zunehmendem Mangangehalt sinkt, während die letzteren beiden Effekte dazu führen, dass das Maximum der Charpy-Kurve schärfer wird.

Wenn der Kohlenstoffgehalt des Stahls hoch ist, kann Mangan die Umwandlungstemperatur um ungefähr 50% deutlich senken. Der Grund dafür könnte die höhere Perlitmenge sein, und nicht die Verteilung von Zementit an der Grenze. Es muss beachtet werden, dass, wenn der Kohlenstoffgehalt des Stahls höher als 0,15% ist, der hohe Mangangehalt eine entscheidende Rolle bei der Schlagzähigkeit des normalisierten Stahls spielt. Denn die hohe Härtbarkeit des Stahls bewirkt, dass das Austenit in spröden oberen Bainit anstelle von Ferrit oder Perlit umwandelt.

2) Nickel. Die Wirkung der Zugabe von Nickel zum Stahl ist ähnlich der von Mangan, das die Zähigkeit der Eisen-Kohlenstoff-Legierung verbessern kann. Das Ausmaß seiner Wirkung hängt vom Kohlenstoffgehalt und der Wärmebehandlung ab. In Stahl mit einem sehr niedrigen Kohlenstoffgehalt (etwa 0,02%) kann ein Gehalt von 2% die Bildung von Karbiden an den Korngrenzen von warmgewalztem und normalisiertem Stahl verhindern, während der Startumwandlungstemperatur TS erheblich gesenkt und das Maximum der Charpy-Schlagbiegekurve angehoben wird.

Eine weitere Erhöhung des Nickelgehalts verringert die Verbesserung der Schlagzähigkeit. Wenn der Kohlenstoffgehalt niedrig genug ist (bis zu dem Punkt, an dem nach der Normalisierung keine Karbide auftreten), wird die Wirkung von Nickel auf die Umwandlungstemperatur sehr begrenzt. In normalisiertem Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von ungefähr 0,10% hat die Zugabe von Nickel den größten Nutzen, die Körner zu verfeinern und den freien Stickstoffgehalt zu verringern, obwohl der Mechanismus derzeit unklar ist. Es kann daran liegen, dass Nickel als Stabilisator für Austenit wirkt und dadurch die Temperatur senkt, bei der Austenit sich zersetzt.

3) Phosphor. In einer reinen Eisen-Phosphor-Legierung verringert die Phosphorsegregation an den Ferritkorngrenzen die Zugfestigkeit Rm und verursacht Sprödigkeit zwischen den Körnern. Darüber hinaus ist Phosphor auch ein Stabilisator für Ferrit. Wenn man es dem Stahl hinzufügt, wird der δi-Wert und die Größe der Ferritkörner erheblich erhöht. Die kombinierten Effekte machen Phosphor zu einem äußerst schädlichen Versprödungsmittel, das zu transkristallinem Bruch führt.

4) Silizium. Das Hinzufügen von Silizium zum Stahl dient der Entoxidation und ist vorteilhaft für die Verbesserung der Schlagzähigkeit. Wenn sowohl Mangan als auch Aluminium im Stahl vorhanden sind, löst sich der größte Teil des Siliziums im Ferrit und erhöht den δi durch den Effekt der Mischkristallhärtung. Der kombinierte Effekt dieser Wirkung und der Erhöhung des δi durch das Hinzufügen von Silizium besteht darin, dass in einer stabilen Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit definierter Korngröße das Hinzufügen von Silizium in Gewichtsprozent die 50%-Umwandlungstemperatur um etwa 44°C erhöht. Darüber hinaus ist Silizium ähnlich wie Phosphor ein Stabilisator für Ferrit, der das Wachstum der Ferritkörner fördern kann. Das Hinzufügen von Silizium in Gewichtsprozent zu normalisiertem Stahl erhöht die durchschnittliche Energiewandlungstemperatur um etwa 60°C.

5) Aluminium. Die Gründe für die Zugabe von Aluminium als Legierungs- und Desoxidationsmittel zum Stahl sind folgende: Erstens bildet es mit Stickstoff in der Schmelze AlN, um freien Stickstoff zu entfernen; zweitens verfeinert die Bildung von AlN die Ferritkörner. Das Ergebnis dieser beiden Effekte ist, dass sich die Umwandlungstemperatur für jede 0,1%-ige Zunahme von Aluminium um ungefähr 40°C senkt. Wenn die Zugabe von Aluminium jedoch die erforderliche Menge überschreitet, wird der Effekt des "Fixierens" von freiem Stickstoff schwächer.

6) Sauerstoff. Sauerstoff im Stahl verursacht Segregation an den Korngrenzen, was zu interkristallinem Bruch der Eisenlegierung führt. Wenn der Sauerstoffgehalt im Stahl 0,01% erreicht, tritt der Bruch entlang der kontinuierlichen Kanäle auf, die von den spröden Korngrenzen gebildet werden. Selbst wenn der Sauerstoffgehalt im Stahl sehr niedrig ist, konzentrieren sich Risse an den Korngrenzen und breiten sich dann durch das Korn aus. Die Lösung für das Problem der Sauerstoffversprödung besteht darin, Desoxidationsmittel wie Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Aluminium und Zirkonium zuzugeben, die sich mit Sauerstoff verbinden, um Oxidpartikel zu bilden und Sauerstoff von den Korngrenzen zu entfernen.