Зашто угљеник у угљенском челику побољшава чврстоћу на истезање?

Улога угљеника као интерстицијалног раствореника

Чисто гвожђе је изненађујуће меко. Његова кристална решетка, састављена од атома гвожђа распоређених у кубичној структури у центру тела, даје довољно простора за изложење да се клизне под оптерећењем. То се мења у тренутку када угљен уђе у слику. Угледни атоми у угљенском челику се насељавају у ситне празнине између гвожђа, делујући као интерстицијални растворени материји. Пошто је атом угљеника већи од шупљине коју заузима, он ствара локално поле напетости које забива дислокације на своје место. Премештање тих дислокација онда захтева већи наложен стрес, што се директно преводи у побољшану чврстоћу на истезање. Ова бариера у атомском meru је први и најосновнији разлог због ког угљен чини челик јачим.

Прелазак од феритних до перлитних микроструктура

Челик са веома малим садржајем угљеника, испод око 0,05 посто, углавном је ферит, мека и пластична фаза. Како се ниво угљеника повећава, микроструктура се мења. На око 0,2 посто угљеника, почевају се појављивати острва перлита. Перлит је слојени композит од ферита и цементита, који је изузетно тврди карбид гвожђа. Тенеке цементитне ламеле делују као појачања, ограничавајући кретање дислокација преко границе фазе. Када садржај угљеника достигне у еутектоидном саставу око 0,8 посто, структура може постати потпуно бисерна. То постепено замењење меког ферита тврдим перлитом објашњава стални пораст чврстоће на истезању на криви напетости.

Како повећање садржаја угљеника мења криву стреса и напетости

Ефекат није суптилан. Чисти угљенски челик са 0,1 одсто угљеника може да даје на око 200 МПа и показује значајну продуженост. Угледни материјал се повећава на 0,4 посто, а чврстоћа уноса се повећава на 350 до 400 МПа, док се густилост смањује. Следећи табела окупља типична механичка својства за нормализоване угледне челике са различитим нивоима угљеника.

Према подацима сакупљеним у ASM Handbook, Volume 1, чврстоћа на истезање у обичном угљенском челику повећава се за око 62 МПа за сваки 0,1-процентни пораст угљеника, до еутектоидне тачке. Та веза се изузетно добро односи на индустријску праксу и служи као брза референца за дизајн.

Утврђено утицај на стварни свет: Случај из ретрофикта на обали Залива

У петрохемијској фабрици дуж обале Залива улази у неволју током модернизације цеви. Први робљици цеви, наручени као ниско-угледни челик са 0,08 посто угљеника, испуњавали су дизајнерске спецификације на папиру, али су почели да се локално издвајају током хидростатичких испитивања. Метања поља су показала трајну деформацију на флангираним везама. Инжењерски тим је прешао на 0,20 посто угљенске квалитете са нормализованом микроструктуром. Ускорење угљеника је повећало чврстоћу излаза довољно да се носи са притиском без додавања ризика од крхкости средњег угљеничног челика. Решење је било једноставно, али је у потпуности зависало од контроле садржаја угљеника током фазе топљења.

Када се више угљеника не користи: крхкост и заваривање

Додавање угљеника није бесплатан ручак. Када угљен пређе око 0,30 посто, сварење почиње да опада због повећане тврдоће која може довести до крхког мартензита у зони која је погођена топлотом. Преко 0,50 посто угљеника, претгревање и топлотна обработка након заваривања постају скоро обавезни за конструктивне завариваче. Челићи са високим угљеном такође жртвују чврстоћу удара, што их чини ризичним за компоненте изложене ударама. Извора и алати за резање воле високо ниво угљеника, али празан препрека који се сруши на првом преоптерећењу има мало практичне употребе. Свака примена захтева намерну компромису између чврстоће и чврстоће.

Точна подешавање чврстоће кроз топлотну обраду и контролу угљеника

Угледни гас сам по себи не говори целу причу. Начин на који се челик охлађује од аустенитизирајуће температуре одређује да ли ће угљен формирати перлит, банит или мартензит. У угљеничном челику са 0,40 посто угледног челика, када се гаси и касни, чврстоћа за истезање може да пређе 1.000 МПа, док се у хладном врелином добије много мечнији материјал. Ливарије које желе да пруже понављајућа својства надгледају садржај угљеника оптичким спектрометрима емисије на сваког топлота. За компоненту која мора лако заваривати и задржавати одређену чврстоћу, често се одређује уско угљенско прозорце од 0,18 до 0,23 посто, а за постизање тог распона потребна је дисциплинована припрема за наплату и анализа бана у реалном времену. Произвођачи као што је ЈБД интегришу ове контроле у своје радне процеве ливања, спајајући контроле спектрометра са топлотним обрадом специфичним за секцију како би инжењерима пружили предвидиве својства натезања без изненађења на терену.