Unternehmensnachrichten über Umfassende Erklärung gängiger metallographischer Strukturen, die in der industriellen Stahlproduktion verwendet werden

一、Grundlegende Festlösungsstruktur

1. Austenit（A [Feγ (C)] ）

Austenit ist eine Festlösung, die durch Auflösen von Kohlenstoff und Legierungselementen in γ -Fe gebildet wird. Im legierten Stahl-System ist es eine stabile Struktur, in der Kohlenstoff und verschiedene Legierungselemente zusammen in γ -Fe gelöst sind. Sein bemerkenswertes Merkmal ist eine ausgezeichnete Plastizität, jedoch sind seine Härte und Streckgrenze relativ niedrig, wobei die Brinellhärtewerte typischerweise zwischen 170 und 220 HB liegen. Es ist die Mikrostruktur mit dem kleinsten spezifischen Volumen unter den Stählen. Unter Hochtemperaturbedingungen hat Austenit eine starke Fähigkeit, Kohlenstoff zu lösen. Bei 1147°C kann die gelöste Kohlenstoffmenge 2,11 % erreichen, und wenn die Temperatur auf 727°C sinkt, sinkt die gelöste Kohlenstoffmenge auf 0,77 %. Unter einem metallographischen Mikroskop weist Austenit eine regelmäßige polygonale Form auf, da er die flächenzentrierte kubische Gitterstruktur von γ -Fe beibehält. Diese Mikrostruktur verleiht dem Stahl ausgezeichnete Kaltverformungseigenschaften. Bei Warmumformprozessen wie Schmieden und Walzen unterstützt das Vorhandensein von Austenit die plastische Verformung des Stahls.

2. Ferrit（F [Feα (C)] ）

Ferrit ist eine Festlösung, die durch Auflösen von Kohlenstoff und Legierungselementen in α -Fe gebildet wird. Seine Leistung ähnelt der von reinem Eisen, mit einer relativ geringen Härte, die etwa zwischen 80 und 100 HB liegt, aber er hat eine ausgezeichnete Plastizität. Wenn Legierungselemente in Ferrit gelöst werden, können sie die Festigkeit und Härte des Stahls effektiv erhöhen. Bei 727°C beträgt die Löslichkeit von Kohlenstoff in Ferrit nur 0,022 %, und bei Raumtemperatur ist sie so niedrig wie 0,008 %. Ferrit behält die raumzentrierte kubische Gitterstruktur von α -Fe bei und weist typische polyedrische metallographische Eigenschaften von Reinmetallen in metallographischen Strukturen auf. Das Vorhandensein von Ferrit verleiht dem Stahl eine gute Zähigkeit und Kaltverformbarkeit, und er wird häufig in Strukturbauteilen mit hohen Anforderungen an die Plastizität verwendet.

二、Verbindungen und Mischstrukturen

1. Zementit（Fe₃C ）

Zementit, eine Verbindung aus Eisen und Kohlenstoff, ist auch als Eisencarbid bekannt. Bei Raumtemperatur existiert der Großteil des Kohlenstoffs in Eisen-Kohlenstoff-Legierungen in Form von Zementit. Gemäß dem Eisen-Kohlenstoff-Gleichgewichtsdiagramm kann Zementit basierend auf seinem Ausfällungspfad und seiner Morphologie in drei Typen eingeteilt werden: Primärer Zementit kristallisiert und fällt aus der Flüssigkeit entlang der CD-Linie aus, meist in Säulenform; Sekundärer Zementit fällt entlang der ES-Linie aus γ -Festlösungen aus und erscheint oft in weißer Netzform. Tertiärer Zementit fällt entlang der PQ-Linie aus der α -Festlösung aus und ist meist ebenfalls ein weißes Netzwerk. Zementit hat in Niedertemperaturumgebungen einen schwachen Magnetismus. Sein Magnetismus verschwindet, wenn die Temperatur 217°C übersteigt. Sein Schmelzpunkt liegt bei etwa 1600°C, und sein Kohlenstoffgehalt beträgt 6,67 %. Die Härte von Zementit ist extrem hoch, weit über 700 HB, aber er ist extrem spröde und hat fast keine Plastizität. In Stahl haben die Morphologie und Verteilung von Zementit einen erheblichen Einfluss auf die Festigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit des Stahls. Beispielsweise kann körniger Zementit die Zähigkeit des Stahls erhöhen und gleichzeitig eine bestimmte Festigkeit beibehalten.

2. Perlit（P ）

Perlit ist ein mechanisches Gemisch aus Ferrit und Zementit und das Produkt der eutektoiden Umwandlung von Kohlenstoffstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,77 %. Seine Mikrostruktur ist eine Lamellenstruktur mit abwechselnd angeordnetem Ferrit und Zementit. Die Größe des Perlit-Lamellenabstands hängt vom Grad der Unterkühlung während der Zersetzung von Austenit ab. Je größer der Grad der Unterkühlung, desto kleiner der gebildete Perlit-Lamellenabstand. Basierend auf dem Unterschied im Lamellenabstand kann er weiter in Perlit, Sorbit und Troostit eingeteilt werden, aber im Wesentlichen sind dies alles Perlit-artige Strukturen. Groblamellarer Perlit ist das Produkt der Austenit-Zersetzung im Hochtemperaturbereich von 650-700 °C, mit einer Härte von etwa 190-230 HB. Fe₃C-Plättchen können mit einem allgemeinen metallographischen Mikroskop (unter 500-facher Vergrößerung) unterschieden werden. Sorbit ist das Produkt der Zersetzung von Austenit im Temperaturbereich von 600-650 °C, mit einer Härte von etwa 240-320 HB. Es erfordert ein Hochleistungsmikroskop (1000-fache Vergrößerung), um Fe₃C-Plättchen zu unterscheiden. Troostit ist das Produkt der Austenit-Zersetzung bei hohen Temperaturen von 550-600 °C, mit einer Härte von etwa 330-400 HB. Fe₃C-Plättchen können nur durch ein Elektronenmikroskop (10.000-fache Vergrößerung) unterschieden werden. Unter bestimmten Wärmebehandlungsbedingungen, wie z. B. Kugelglühen oder Hochtemperatur-Anlassen, kann Zementit gleichmäßig in körniger Form auf der Ferritmatrix verteilt werden, wodurch sphäroidaler Perlit, auch als körniger Perlit bekannt, entsteht. Diese Mikrostruktur kann die Bearbeitbarkeit und Zähigkeit des Stahls effektiv verbessern.

3. Martensit（M ）

Martensit ist eine übersättigte Festlösung von Kohlenstoff in α -Fe. Wenn Stahl einer Hochtemperatur-Austenitisierungsbehandlung unterzogen und mit einer extrem schnellen Geschwindigkeit unterhalb des Martensitpunkts abgekühlt wird, wandelt er sich aufgrund der instabilen Struktur von γ -Fe in Niedertemperaturumgebungen schnell in α -Fe um. Aufgrund der extrem schnellen Abkühlgeschwindigkeit haben die Kohlenstoffatome im Stahl jedoch keine Zeit zu diffundieren, wodurch die Austenitzusammensetzung der Ausgangsphase bei hohen Temperaturen erhalten bleibt. Daher ist Martensit das Produkt einer nicht-diffusiven Phasenumwandlung, die auftritt, wenn Stahl nach dem Austenitisieren schnell unterhalb des Martensitpunkts abgekühlt wird. Martensit befindet sich in einem metastabilen Zustand. Aufgrund der Übersättigung von Kohlenstoff in α -Fe wird das raumzentrierte kubische Gitter von α -Fe verzerrt, wodurch ein raumzentriertes quadratisches Gitter entsteht. Dies verleiht Martensit eine extrem hohe Härte, etwa zwischen 640 und 760 HB, macht ihn aber auch hochspröde, mit geringer Schlagzähigkeit, und die Querschnittsverminderung und Dehnung sind fast gleich Null. Aufgrund der Gitterverzerrung, die durch übersättigten Kohlenstoff verursacht wird, ist das spezifische Volumen von Martensit größer als das von Austenit. Wenn sich Martensit in Stahl bildet, erzeugt er eine relativ große Phasenumwandlungsspannung. Unter normalen Abschreckbedingungen weist Martensit in der metallographischen Struktur weiße nadelförmige Strukturen auf, die in bestimmten Winkeln zueinander stehen. Allerdings sind nicht alle martensitischen Strukturen hart und spröde. Beispielsweise weisen niedriglegierte hochfeste Stähle, die Legierungselemente wie Mangan, Chrom, Nickel und Molybdän enthalten, nach dem Abschreck- und Anlassprozess eine angelassene kohlenstoffarme Martensit-Mikrostruktur auf. Diese Struktur kombiniert hohe Festigkeit mit guter Zähigkeit und wird häufig im Bauwesen, in der mechanischen Fertigung und in anderen Bereichen eingesetzt.

• Spezielle metallographische Struktur
  
  1. Bainit（B ）

Bainit ist ein Gemisch aus übersättigtem Ferrit und Zementit, das durch die Phasenumwandlung von unterkühltem Austenit im Mitteltemperaturbereich (etwa 250-450 °C) gebildet wird. Bainit kann basierend auf dem Unterschied in seiner Bildungstemperatur weiter in oberen Bainit und unteren Bainit unterteilt werden. Oberer Bainit ist eine Mikrostruktur, die in der Nähe der Perlit-Bildungstemperatur gebildet wird. Sein Merkmal ist, dass α -Fe-Plättchen innerhalb der Körner in die gleiche Richtung parallel angeordnet sind, beginnend von den Korngrenzen, wobei Zementitpartikel zwischen den Plättchen eingefügt sind. In der metallographischen Struktur erscheint er federartig und kann symmetrisch oder asymmetrisch sein. Die Festigkeit von oberem Bainit ist geringer als die von feinem lamellarem Perlit, der bei der gleichen Temperatur gebildet wird, und er ist spröder. Unterer Bainit ist eine Struktur, die um 300 °C gebildet wird und in metallographischen Strukturen als schwarze nadelförmige Strukturen erscheint. Sowohl oberer als auch unterer Bainit sind im Wesentlichen Kombinationen aus Ferrit und Zementit, aber sie unterscheiden sich in Morphologie und Karbidverteilung. Die Festigkeit von unterem Bainit ähnelt der von angelassenem Martensit bei gleicher Temperatur, und seine umfassende Leistung ist dem oberen Bainit überlegen. In einigen Fällen ist er sogar besser als angelassener Martensit. Für einige Teile, die eine gute Passung von Festigkeit und Zähigkeit erfordern, wie z. B. Wellenteile aus mittelcarbonhaltigem Stahl, kann das Erhalten einer unteren Bainitstruktur durch eine geeignete Wärmebehandlung die Lebensdauer der Teile erhöhen.

2. Widmanstätten-Gefüge

Das Widmanstätten-Gefüge tritt normalerweise in hypoeutektoidem Stahl auf. Es entsteht durch Überhitzung des Stahls und die Bildung von grobkörnigem Austenit. Unter bestimmten Unterkühlungsbedingungen kommt es zusätzlich zur Ausscheidung von massivem α -Fe an den Grenzen der ursprünglichen Austenitkörner auch zum Wachstum von plattenförmigem α -Fe von den Korngrenzen in das Innere der Körner. Diese flockenartigen α -Fe-Teile haben eine bestimmte kristallographische Orientierungsbeziehung zum ursprünglichen Austenit und erscheinen in den Körnern als flockenartige Formen, die in einem bestimmten Winkel zueinander oder parallel zueinander stehen, was üblicherweise als Widmanstätten-Gefüge von hypoeutektoidem Stahl bezeichnet wird. Überhitzter hypoeutektoider Stahl neigt bei relativ schneller Abkühlgeschwindigkeit zur Entwicklung von Widmanstätten-Gefüge. Wenn das Widmanstätten-Gefüge stark ausgeprägt ist, führt dies zu einer deutlichen Verringerung der Schlagzähigkeit und der Querschnittsverminderung des Stahls, wodurch der Stahl spröde wird. Durch eine vollständige Glühbehandlung kann das Welmanstätten-Gefüge jedoch beseitigt und die Eigenschaften des Stahls wiederhergestellt werden. Bei der Stahlherstellung ist die Kontrolle der Erhitzungstemperatur und der Abkühlgeschwindigkeit der Schlüssel zur Vermeidung der Bildung von Widmanstätten-Gefüge.

3. Bandgewebe

Bandstruktur ist ein Mikrostrukturmerkmal von kohlenstoffarmem Baustahl nach der Warmumformung, das sich insbesondere als Bandstruktur manifestiert, in der Ferrit und Perlit in Schichten parallel zur Verarbeitungsrichtung verteilt sind. Diese Mikrostruktur führt dazu, dass die mechanischen Eigenschaften des Stahls Anisotropie aufweisen. Es gibt Unterschiede in der Leistung des Stahls in der Richtung parallel und senkrecht zur Streifenrichtung, und es verringert auch die Schlagzähigkeit und die Querschnittsverminderung des Stahls. Während des Stahlwalzprozesses kann die Bildung von Bandstruktur durch die Kontrolle der Endwalztemperatur, der Abkühlgeschwindigkeit und des angemessenen Walzverhältnisses sowie anderer Prozessparameter reduziert oder vermieden werden.

4. δ-Phase

Die δ-Phase ist eine geringe Menge an Ferrit, die in Chrom-Nickel-Edelstahl vorhanden ist, insbesondere in solchen, die Elemente wie Niob und Titan enthalten. In austenitischem Edelstahl spielt die δ-Phase eine wichtige Rolle. Sie kann die Bildung von Kristallrissen in Edelstahlschweißnähten wirksam verhindern, die Neigung zu interkristalliner Korrosion und Spannungsrisskorrosion verringern und gleichzeitig die Festigkeit von Edelstahl erhöhen. Wenn die Menge an δ-Ferrit jedoch einen bestimmten Grenzwert überschreitet (z. B. mehr als 8 %), erhöht dies die Lochfraßneigung von Edelstahl. Darüber hinaus neigt die δ-Phase unter Hochtemperaturbedingungen dazu, sich in die σ-Phase umzuwandeln, und diese Umwandlung kann zu Metallversprödung führen. Bei der Konstruktion der Zusammensetzung von Edelstahl und der Formulierung des Wärmebehandlungsprozesses ist es notwendig, den Gehalt der δ-Phase präzise zu kontrollieren, um ihre positiven und negativen Auswirkungen auszugleichen.

5. σ-Phase

Die - σ-Phase wurde als Legierungsphase bei der Untersuchung des Sprödheitsphänomens von Fe-Cr-Legierungen entdeckt. Bei Raumtemperatur ist die σ-Phase nichtmagnetisch und hat die Eigenschaften hart und spröde zu sein. Wenn die σ-Phase in der Legierung vorhanden ist, insbesondere wenn sie entlang der Korngrenzen verteilt ist, verringert sie die Plastizität und Zähigkeit des Stahls erheblich. Die σ-Phase erfordert im Allgemeinen eine Hochtemperaturumgebung von 550-900 °C für eine relativ lange Zeit, um sich allmählich zu bilden, und ihr Bildungsprozess führt zu einer Verschlechterung der Leistung des Materials im Gebrauch. Die Bildung der σ-Phase hängt von vielen Faktoren des Stahls ab, wie z. B. seiner Zusammensetzung (einschließlich des Gehalts an Elementen wie Chrom und Nickel), der Mikrostruktur, der Erhitzungstemperatur, der Haltezeit und der Vorverformung. In hochchrom- und nickelchromhaltigen Edelstählen gilt: Je höher der Chromgehalt, desto einfacher ist die Bildung der σ-Phase. Darüber hinaus neigt der δ-Ferrit in austenitischem Stahl dazu, sich in die σ-Phase umzuwandeln, und der Kaltverformungsprozess fördert ebenfalls die Bildung der σ-Phase, wodurch sich der Temperaturbereich, in dem sich die σ-Phase bildet, nach unten verschiebt. Während der Herstellung und Anwendung von Edelstahl ist es notwendig, die Bildung der σ-Phase genau zu überwachen und ihre nachteiligen Auswirkungen auf die Materialeigenschaften durch eine angemessene Prozesskontrolle zu vermeiden.