Zašto ugljenik u ugljen-čeličnom čeliku poboljšava čvrstoću na vuču?

Uloga ugljika kao intersticijskog rastvorenog jedinjenja

Čisto gvožđe je iznenađujuće mekano. Kristalna mreža, sastavljena od atoma gvožđa raspoređenih u kubnu strukturu u centru tijela, daje dovoljno prostora za izmak da se klizne pod opterećenjem. To se menja čim ugljenik uđe u sliku. Atomi ugljika u ugljen-čeličnom čeliku se smještaju u sitne praznine između atoma gvožđa, djelujući kao intersticijalni rastvoreni materijali. Pošto je atom ugljika veći od šupljine koju zauzima, stvara lokalno polje napona koje drži izmak na mjestu. Premještanje tih dislokacija zahtijeva veći pritisak, što se direktno pretvara u poboljšanu čvrstoću na vladanje. Ova barijera na atomskom nivou je prvi i najvažniji razlog zbog kojeg ugljik čini čelik jačim.

Prelazak sa ferita na perlitne mikrostrukture

Čelični materijal sa vrlo niskim sadržajem ugljenika, ispod oko 0,05 posto, uglavnom je ferit, mekana i fleksibilna faza. Kako se nivo ugljenika povećava, mikroregija se mijenja. Na oko 0,2 posto ugljenika, otoke perlita počinju da se pojavljuju. Perlit je slojeviti kompozit ferita i cementita, koji je izuzetno tvrdi karbid gvožđa. Tanke limete cementita djeluju kao pojačanja, ograničavajući kretanje dislokacija preko faze granica. Kada sadržaj ugljenika dostigne sastav euktodena blizu 0,8 posto, struktura može postati potpuno bisernasta. To postepeno zamjena mekog ferita sa čvrstim perlitom objašnjava stalni porast snage na vuci koji se posmatra na krivini stres-deformacije.

Kako povećanje sadržaja ugljenika preoblikuje krivulju stres-stres

Efekat nije suptilan. Obični ugljenični čelik sa 0,1 posto ugljenika može da daje na oko 200 MPa i pokaže značajnu izdužinu. Ako ugljik padne na 0,4 posto, snaga padanja skoči u raspon od 350 do 400 MPa dok se fleksibilnost smanjuje. Slijedeća tabela prikazuje tipična mehanička svojstva normalizovanih čeličnih čelika sa različitim nivoima ugljika.

Prema podacima sastavljenim u ASM priručniku, Vol. 1, čvrstoća na vilju u običnom ugljen-čeličnom čeliku se povećava za otprilike 62 MPa za svaki porast ugljenika od 0,1 posto, do euktodne tačke. Ta veza se izuzetno dobro koristi u industrijskoj praksi i služi kao brza referenca za dizajn.

Uticaj na stvarni svijet: Slučaj iz rekonstrukcije u obalama Zaljeva

Petrohemijska fabrika duž obale Zaljeva je imala problema tokom popravke cijevi. Prve spole za cijevi, naručene kao čelik sa niskim udjelom ugljenika sa 0,08 posto ugljenika, ispunjavale su specifikacije na papiru, ali su počele da daju lokalno tokom hidrostatičkog testiranja. Mjere polja pokazale su trajnu deformaciju na spojevima sa flansama. Inženjerski tim je prešao na 0,20 posto ugljenika sa normaliziranom mikrostrukturom. Upala ugljika je podigla snagu padanja samo dovoljno da se nosi sa poremećajima pritiska bez dodavanja rizika krhkoće srednjeg ugljen-čeličnog čelika. Rešenje je bilo jednostavno, ali je u potpunosti zavisilo od kontrole sadržaja ugljenika tokom faze topljenja.

Kada se veći ugljenik vrati naopako: slomljivost i varljivost

Dodavanje ugljenika nije besplatan ručak. Kada ugljenik pređe 0,30 posto, zavarivost počinje da opada zbog povećane tvrdoće koja može dovesti do krhkog martensita u zoni koja je pogođena toplotom. iznad 0,50 posto ugljenika, prerješenje i toplotna obrada nakon zavarivanja postaju gotovo obavezni za konstrukcijske zavarivače. Visoko ugljenični čelik takođe žrtvuje čvrstoću od udara, što ga čini rizičnim za komponente izložene udaru. Izvore i alat za rezanje vole ugljenik, ali oprema koja se razbije na prvom preopterećenju ima malo praktične koristi. Svaka primjena zahteva namjernu kompromis između snage i čvrstoće.

Fino podešavanje čvrstoće toplotnim tretmanom i kontrolom ugljenika

Ugljenik sam po sebi ne govori cijelu priču. Način na koji se čelik hladi od temperature austenitizacije određuje da li će ugljenik formirati perlit, bainit ili martensit. Izgušenje i temperiranje mogu da podignu snagu na 10 000 MPa u 0,40 posto ugljen-čeličnog čelika, dok sporo hlađenje peći daje mnogo mekši materijal. Ljevnice koje žele da pruže ponavljajuća svojstva nadgledaju sadržaj ugljenika optičkim spektrometrom emisije na svakom toplotu. Za komponente koje moraju lako zavarivati i zadržati određenu čvrstoću, često se određuje uski ugljenični prozor od 0,18 do 0,23 posto, a za postizanje tog raspona potrebna je disciplinovana priprema punjenja i analiza kupke u realnom vremenu. Proizvođači poput JBD-a integrisu ove kontrole u svoje tokove rada, spajajući spektrometarske provere sa toplotnim tretmanom specifičnim za sekciju kako bi inženjeri dobili predvidljiva svojstva tečnosti bez iznenađenja u tvornici.