Warum bricht Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt leichter? Wird dem Stahl zur Erhöhung seiner Festigkeit Kohlenstoff zugesetzt, bildet er Eisenkarbide, die als Kathoden wirken und die Korrosion beschleunigen. Bei diesem Prozess werden Wasserstoffatome eingeschlossen, was zu Wasserstoffversprödung und Spannungsrisskorrosion führt. Je höher der Kohlenstoffgehalt, desto geringer ist die Widerstandsfähigkeit des Stahls gegen diese Probleme. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über das komplizierte Gleichgewicht zwischen dem Kohlenstoffgehalt und den mechanischen Eigenschaften von Stahl und wie man diese Probleme entschärfen kann.
Bei Stäben mit hohem Kohlenstoffgehalt sind zahlreiche Brüche aufgetreten.
So kann zum Beispiel eine Welle aus 45#-Stahl brechen, wenn sie längere Zeit nicht benutzt wird.
Die Entnahme von Proben aus den gebrochenen Teilen und die metallografische Analyse führen häufig nicht zur Ermittlung der Bruchursache.
Selbst wenn ein Grund ermittelt wird, ist er möglicherweise nicht die eigentliche Ursache.
Um die Festigkeit von Stahl zu erhöhen, muss Kohlenstoff zugesetzt werden. Dies führt zur Ausfällung von Eisenkarbiden. Aus elektrochemischer Sicht wirken die Eisenkarbide als Kathoden und beschleunigen die anodische Auflösungsreaktion um das Substrat herum. Der erhöhte Volumenanteil von Eisenkarbiden im Gefüge ist auch mit den geringen Wasserstoffüberspannungseigenschaften der Karbide verbunden.
Die Stahloberfläche neigt dazu, Wasserstoff zu erzeugen und zu absorbieren. Wenn Wasserstoffatome in den Stahl eindringen, kann sich der Volumenanteil des Wasserstoffs erhöhen und die Widerstandsfähigkeit des Materials gegen Wasserstoffversprödung. Diese Verringerung der Korrosions- und Wasserstoffversprödungsbeständigkeit hat erhebliche Auswirkungen auf die Eigenschaften von Stahl und schränkt seine Anwendungsmöglichkeiten ein.
Wenn beispielsweise Automobilstahl korrosiven Umgebungen wie Chlorid ausgesetzt ist, kann es unter Belastung zu Spannungsrisskorrosion (SCC) kommen, die die Sicherheit der Karosserie gefährdet.
Je höher die Kohlenstoffgehaltdesto geringer ist der Wasserstoffdiffusionskoeffizient und desto höher ist die Wasserstofflöslichkeit. Einige Forscher vermuten, dass verschiedene Gitterdefekte wie Ausscheidungen, Potenziale und Poren proportional zum Kohlenstoffgehalt zunehmen. Mit steigendem Kohlenstoffgehalt wird die Wasserstoffdiffusion gehemmt, was zu einem Rückgang des Wasserstoffdiffusionskoeffizienten führt.
Der Kohlenstoffgehalt ist proportional zur Wasserstofflöslichkeit. Da die Karbide Wasserstoffatome einschließen, ist der Wasserstoffdiffusionskoeffizient im Stahl umso kleiner, je größer der Volumenanteil ist. Dies führt zu einem Anstieg der Wasserstofflöslichkeit und der Anfälligkeit für Wasserstoffversprödung.
Mit steigendem Kohlenstoffgehalt nimmt der Diffusionskoeffizient von Wasserstoff ab und die Wasserstoffkonzentration an der Oberfläche steigt aufgrund einer Abnahme der Wasserstoffüberspannung an der Stahloberfläche.
Die Ergebnisse des Polarisationstests mit getriebener Spannung zeigen, dass die kathodische Reduktionsreaktion (Wasserstofferzeugungsreaktion) und die Anodenauflösungsreaktion in saurem Milieu umso leichter ablaufen, je höher der Kohlenstoffgehalt der Probe ist.
Die Karbide wirken als Kathoden, und ihr Volumenanteil nimmt im Vergleich zur Matrix mit einer niedrigen Wasserstoffüberspannung zu. Die Ergebnisse des elektrochemischen Wasserstoffpermeationstests zeigen, dass der Diffusionskoeffizient der Wasserstoffatome und ihre Löslichkeit umso geringer sind, je größer der Kohlenstoffgehalt und der Volumenanteil der Karbide in der Probe sind. Mit steigendem Kohlenstoffgehalt nimmt die Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung ab.
Der Zugversuch mit langsamer Dehnungsgeschwindigkeit bestätigte, dass die Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion umso geringer ist, je höher der Kohlenstoffgehalt ist. Dies ist proportional zum Volumenanteil der Karbide.
Wenn die Wasserstoffreduktionsreaktion und das Eindringen von Wasserstoff in die Probe zunehmen, kommt es zu einer anodischen Auflösungsreaktion, die die Bildung von Gleitzonen beschleunigt. Mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt scheiden sich Karbide im Stahl aus, wodurch sich die Möglichkeit der Wasserstoffversprödung unter der Einwirkung elektrochemischer Korrosionsreaktionen erhöht.
Um eine ausgezeichnete Korrosions- und Wasserstoffversprödungsbeständigkeit von Stahl zu gewährleisten, ist die Kontrolle der Ausscheidung von Karbiden und des Volumenanteils eine wirksame Methode.
Die Verwendung von Stahl in Automobilteilen und -komponenten ist aufgrund seiner geringen Widerstandsfähigkeit gegen Wasserstoffversprödung begrenzt.
Dieses Phänomen ist eine Folge der Korrosion, die durch den Kontakt mit wässrigen Lösungen verursacht wird.
Die Anfälligkeit für Wasserstoffversprödung hängt direkt mit dem Kohlenstoffgehalt des Stahls zusammen.
Eisenkarbide (Fe2.4C / Fe3C) bilden sich unter den Bedingungen einer geringen Wasserstoffüberspannung.
Um die durch Spannungsrisskorrosion oder Wasserstoffversprödung verursachte Oberflächenkorrosion abzuschwächen, muss die Eigenspannung wird in der Regel durch eine Wärmebehandlung entfernt, was ebenfalls die Effizienz der Wasserstoffeinlagerung erhöht.
Es kann eine Herausforderung sein, ultrahochfeste Automobilstähle herzustellen, die sowohl eine außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit als auch eine Beständigkeit gegen Wasserstoffversprödung aufweisen.
Mit steigendem Kohlenstoffgehalt nimmt auch die Geschwindigkeit der Wasserstoffreduktion zu, während die Wasserstoffdiffusionsgeschwindigkeit deutlich abnimmt.
Der Schlüssel zur Nutzung von mittlerem Kohlenstoff oder kohlenstoffreicher Stahl für Automobilteile oder Antriebswellen liegt in der effektiven Kontrolle der Karbidanteile im Gefüge.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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