La tempra dell'acciaio è il processo più importante e più utilizzato nel processo di trattamento termico. La tempra può aumentare significativamente la resistenza e la durezza dell'acciaio.
La definizione e lo scopo del quench
L'acciaio viene riscaldato ad una temperatura superiore al punto critico Ac3 (acciaio ipoeutettoidico) o Ac1 (acciaio ipereutettoidico), mantenuto per un periodo di tempo per renderlo completamente o parzialmente austenitizzato, e quindi raffreddato ad una velocità superiore alla velocità critica di tempra. Il processo di trattamento termico che trasforma l’austenite superraffreddata in martensite o bainite inferiore è chiamato tempra.
Lo scopo della tempra è trasformare l'austenite sottoraffreddata in martensite o bainite per ottenere una struttura martensitica o bainitica inferiore, che viene poi combinata con il rinvenimento a diverse temperature per migliorare notevolmente la robustezza, la durezza e la resistenza dell'acciaio. Indossabilità, resistenza alla fatica e tenacità, ecc., per soddisfare le diverse esigenze di utilizzo di varie parti e strumenti meccanici. La tempra può essere utilizzata anche per soddisfare le particolari proprietà fisiche e chimiche di alcuni acciai speciali come il ferromagnetismo e la resistenza alla corrosione.
Quando le parti in acciaio vengono raffreddate in un mezzo di raffreddamento con cambiamenti di stato fisico, il processo di raffreddamento è generalmente suddiviso nelle seguenti tre fasi: fase di pellicola di vapore, fase di ebollizione e fase di convezione.
Temprabilità dell'acciaio
Temprabilità e temprabilità sono due indicatori di prestazione che caratterizzano la capacità dell'acciaio di subire tempra. Costituiscono anche una base importante per la selezione e l'utilizzo dei materiali.
1. I concetti di temprabilità e temprabilità
La temprabilità è la capacità dell'acciaio di raggiungere la massima durezza possibile quando temprato in condizioni ideali. Il principale fattore che determina la temprabilità dell'acciaio è il contenuto di carbonio dell'acciaio, o più precisamente, il contenuto di carbonio disciolto nell'austenite durante la tempra e il riscaldamento. Maggiore è il contenuto di carbonio, maggiore è la temprabilità dell'acciaio. Gli elementi di lega nell'acciaio hanno un impatto minimo sulla temprabilità, ma hanno un impatto significativo sulla temprabilità dell'acciaio.
La temprabilità si riferisce alle caratteristiche che determinano la profondità di tempra e la distribuzione della durezza dell'acciaio in condizioni specificate. Cioè la capacità di ottenere la profondità dello strato indurito quando l'acciaio viene temprato. È una proprietà intrinseca dell'acciaio. La temprabilità riflette infatti la facilità con cui l'austenite si trasforma in martensite quando l'acciaio viene temprato. È principalmente legato alla stabilità dell'austenite superraffreddata dell'acciaio o alla velocità critica di raffreddamento dell'acciaio.
Va inoltre sottolineato che la temprabilità dell'acciaio deve essere distinta dall'effettiva profondità di indurimento delle parti in acciaio in specifiche condizioni di tempra. La temprabilità dell'acciaio è una proprietà intrinseca dell'acciaio stesso. Dipende solo dai propri fattori interni e non ha nulla a che fare con fattori esterni. L'effettiva profondità di temprabilità dell'acciaio non dipende solo dalla temprabilità dell'acciaio, ma dipende anche dal materiale utilizzato. È correlato a fattori esterni come il mezzo di raffreddamento e le dimensioni del pezzo. Ad esempio, nelle stesse condizioni di austenitizzazione, la temprabilità dello stesso acciaio è la stessa, ma la profondità di indurimento effettiva della tempra in acqua è maggiore di quella della tempra in olio e le parti piccole sono più piccole della tempra in olio. La profondità di tempra effettiva di pezzi di grandi dimensioni è elevata. Ciò non significa che la tempra in acqua abbia una temprabilità maggiore rispetto alla tempra in olio, né si può dire che le parti piccole abbiano una temprabilità maggiore rispetto alle parti grandi. Si può vedere che per valutare la temprabilità dell'acciaio, è necessario eliminare l'influenza di fattori esterni come la forma del pezzo, le dimensioni, il mezzo di raffreddamento, ecc.
Inoltre, poiché temprabilità e temprabilità sono due concetti diversi, l'acciaio con elevata durezza dopo tempra non ha necessariamente elevata temprabilità; e l'acciaio con bassa durezza può anche avere un'elevata temprabilità.
2. Fattori che influenzano la temprabilità
La temprabilità dell'acciaio dipende dalla stabilità dell'austenite. Qualsiasi fattore che possa migliorare la stabilità dell’austenite superraffreddata, spostare la curva C verso destra e quindi ridurre la velocità di raffreddamento critica, può migliorare la temprabilità dell’acciaio ad alta resistenza. La stabilità dell'austenite dipende principalmente dalla sua composizione chimica, dalla dimensione dei grani e dall'uniformità della composizione, che sono legate alla composizione chimica dell'acciaio e alle condizioni di riscaldamento.
3.Metodo per la determinazione della temprabilità
Esistono molti metodi per misurare la temprabilità dell'acciaio, i più comunemente usati sono il metodo di misurazione del diametro critico e il metodo di prova della temprabilità finale.
(1) Metodo di misurazione del diametro critico: dopo che l'acciaio è stato raffreddato in un determinato mezzo, il diametro massimo quando si ottiene tutta la martensite o la struttura del 50% di martensite al centro è chiamato diametro critico, rappresentato da Dc. Il metodo di misurazione del diametro critico consiste nel realizzare una serie di aste rotonde con diametri diversi e, dopo la tempra, misurare la curva U della durezza distribuita lungo il diametro su ciascuna sezione del campione e trovare l'asta con la struttura semi-martensite al centro. Il diametro dell'asta tonda Questo è il diametro critico. Maggiore è il diametro critico, maggiore è la temprabilità dell'acciaio.
(2) Metodo di prova di tempra finale Il metodo di prova di tempra finale utilizza un provino di tempra finale di dimensioni standard (φ25 mm × 100 mm). Dopo l'austenitizzazione, l'acqua viene spruzzata su una superficie terminale dell'attrezzatura speciale per raffreddarla. Dopo il raffreddamento, viene raffreddato lungo la direzione dell'asse. Metodo di prova per misurare la curva di relazione tra durezza e distanza dall'estremità di raffreddamento dell'acqua. Il metodo di prova di indurimento finale è uno dei metodi per determinare la temprabilità dell'acciaio. I suoi vantaggi sono il funzionamento semplice e un'ampia gamma di applicazioni.
4. Sollecitazione da tempra, deformazione e fessurazione
(1) Sollecitazione interna del pezzo durante la tempra
Quando il pezzo viene raffreddato rapidamente nel mezzo di raffreddamento, poiché il pezzo ha una certa dimensione e anche il coefficiente di conducibilità termica ha un certo valore, si verificherà un certo gradiente di temperatura lungo la sezione interna del pezzo durante il processo di raffreddamento. La temperatura superficiale è bassa, la temperatura interna è elevata e le temperature superficiale e interna sono elevate. C'è una differenza di temperatura. Durante il processo di raffreddamento del pezzo si verificano anche due fenomeni fisici: uno è l'espansione termica, poiché la temperatura diminuisce, la lunghezza della linea del pezzo si restringe; l'altro è la trasformazione dell'austenite in martensite quando la temperatura scende al punto di trasformazione della martensite. , che aumenterà il volume specifico. A causa della differenza di temperatura durante il processo di raffreddamento, la quantità di espansione termica sarà diversa nelle diverse parti lungo la sezione trasversale del pezzo e verrà generata tensione interna in diverse parti del pezzo. A causa dell'esistenza di differenze di temperatura all'interno del pezzo, potrebbero esserci anche parti in cui la temperatura scende più velocemente rispetto al punto in cui si forma la martensite. Trasformazione, il volume si espande e le parti ad alta temperatura sono ancora più alte del punto e sono ancora nello stato austenite. Queste diverse parti genereranno anche stress interno a causa delle differenze nelle variazioni di volume specifiche. Pertanto, durante il processo di tempra e raffreddamento possono essere generati due tipi di stress interno: uno è lo stress termico e l'altro è lo stress tissutale.
In base alle caratteristiche del tempo di esistenza dello stress interno, esso può anche essere suddiviso in stress istantaneo e stress residuo. Lo stress interno generato dal pezzo in un determinato momento durante il processo di raffreddamento è chiamato stress istantaneo; dopo che il pezzo si è raffreddato, la tensione rimanente all'interno del pezzo è chiamata tensione residua.
Lo stress termico si riferisce allo stress causato da un'espansione termica incoerente (o contrazione a freddo) dovuta a differenze di temperatura in diverse parti del pezzo quando viene riscaldato (o raffreddato).
Prendiamo ora come esempio un cilindro solido per illustrare la formazione e il cambiamento delle regole dello stress interno durante il processo di raffreddamento. Qui viene discussa solo la sollecitazione assiale. All'inizio del raffreddamento, poiché la superficie si raffredda rapidamente, la temperatura è bassa e si restringe notevolmente, mentre il nucleo si raffredda lentamente, la temperatura è elevata e il restringimento è ridotto. Di conseguenza, la superficie e l'interno interferiscono tra loro, provocando uno stress di trazione sulla superficie, mentre il nucleo è sotto pressione. stress. Man mano che il raffreddamento procede, la differenza di temperatura tra interno ed esterno aumenta e di conseguenza aumenta anche lo stress interno. Quando lo stress aumenta fino a superare il limite di snervamento a questa temperatura, si verifica la deformazione plastica. Poiché la temperatura del nucleo è superiore a quella della superficie, il nucleo si contrae sempre prima assialmente. Come risultato della deformazione plastica, la tensione interna non aumenta più. Dopo il raffreddamento per un certo periodo di tempo, la diminuzione della temperatura superficiale rallenterà gradualmente e anche il suo ritiro diminuirà gradualmente. In questo momento, il nucleo si sta ancora restringendo, quindi lo stress di trazione sulla superficie e lo stress di compressione sul nucleo diminuiranno gradualmente fino a scomparire. Tuttavia, man mano che il raffreddamento continua, l’umidità superficiale diventa sempre più bassa e la quantità di ritiro diventa sempre minore, o addirittura smette di restringersi. Poiché la temperatura del nucleo è ancora elevata, continuerà a restringersi e alla fine si formerà uno stress di compressione sulla superficie del pezzo, mentre il nucleo avrà uno stress di trazione. Tuttavia, poiché la temperatura è bassa, non è facile produrre una deformazione plastica, quindi questo stress aumenterà con il procedere del raffreddamento. Continua ad aumentare e alla fine rimane all'interno del pezzo come tensione residua.
Si può vedere che lo stress termico durante il processo di raffreddamento provoca inizialmente l'allungamento dello strato superficiale e la compressione del nucleo, e lo stress residuo rimanente è lo strato superficiale da comprimere e il nucleo da allungare.
Per riassumere, lo stress termico generato durante il raffreddamento di raffreddamento è causato dalla differenza di temperatura della sezione trasversale durante il processo di raffreddamento. Maggiore è la velocità di raffreddamento e maggiore è la differenza di temperatura della sezione trasversale, maggiore è lo stress termico generato. Nelle stesse condizioni del mezzo di raffreddamento, maggiore è la temperatura di riscaldamento del pezzo, maggiore è la sua dimensione, minore è il coefficiente di conduttività termica dell'acciaio, maggiore è la differenza di temperatura all'interno del pezzo e maggiore è lo stress termico. Se il pezzo viene raffreddato in modo non uniforme ad alta temperatura, risulterà distorto e deformato. Se la tensione di trazione istantanea generata durante il processo di raffreddamento del pezzo è maggiore della resistenza alla trazione del materiale, si verificheranno crepe da raffreddamento.
Lo stress da trasformazione di fase si riferisce allo stress causato dai diversi tempi della trasformazione di fase in varie parti del pezzo durante il processo di trattamento termico, noto anche come stress tissutale.
Durante la tempra e il raffreddamento rapido, quando lo strato superficiale viene raffreddato fino al punto Ms, avviene la trasformazione martensitica che provoca l'espansione del volume. Tuttavia, a causa dell'ostruzione del nucleo non ancora trasformato, lo strato superficiale genera sollecitazioni di compressione, mentre il nucleo presenta sollecitazioni di trazione. Quando lo stress è abbastanza grande, causerà la deformazione. Quando il nucleo viene raffreddato al punto Ms, subirà anche la trasformazione martensitica e si espanderà di volume. Tuttavia, a causa dei vincoli dello strato superficiale trasformato con bassa plasticità ed elevata resistenza, la sua tensione residua finale sarà sotto forma di tensione superficiale e il nucleo sarà sotto pressione. Si può vedere che il cambiamento e lo stato finale dello stress da trasformazione di fase sono esattamente opposti allo stress termico. Inoltre, poiché lo stress da cambiamento di fase si verifica a basse temperature con bassa plasticità, la deformazione è difficile in questo momento, quindi è più probabile che lo stress da cambiamento di fase causi la rottura del pezzo.
Ci sono molti fattori che influenzano la dimensione dello stress di trasformazione di fase. Maggiore è la velocità di raffreddamento dell'acciaio nell'intervallo di temperature di trasformazione della martensite, maggiore è la dimensione del pezzo di acciaio, peggiore è la conduttività termica dell'acciaio, maggiore è il volume specifico della martensite, maggiore è lo stress di trasformazione di fase. Il più grande. Inoltre, lo stress da trasformazione di fase è legato anche alla composizione dell'acciaio e alla temprabilità dell'acciaio. Ad esempio, l'acciaio altolegato ad alto contenuto di carbonio aumenta il volume specifico della martensite a causa del suo alto contenuto di carbonio, che dovrebbe aumentare lo stress di trasformazione di fase dell'acciaio. Tuttavia, all’aumentare del contenuto di carbonio, il punto Ms diminuisce e dopo la tempra rimane una grande quantità di austenite trattenuta. La sua espansione di volume diminuisce e lo stress residuo è basso.
(2) Deformazione del pezzo durante la tempra
Durante la tempra, ci sono due tipi principali di deformazione nel pezzo: uno è il cambiamento nella forma geometrica del pezzo, che si manifesta come cambiamenti di dimensione e forma, spesso chiamato deformazione di deformazione, che è causata dallo stress di tempra; l'altro è la deformazione del volume. , che si manifesta come un'espansione o contrazione proporzionale del volume del pezzo, causata dalla variazione del volume specifico durante il cambio di fase.
La deformazione da deformazione include anche la deformazione della forma e la deformazione da torsione. La deformazione della torsione è causata principalmente dal posizionamento errato del pezzo nel forno durante il riscaldamento, o dalla mancanza di trattamento di modellatura dopo la correzione della deformazione prima della tempra, o dal raffreddamento irregolare di varie parti del pezzo quando il pezzo viene raffreddato. Questa deformazione può essere analizzata e risolta per situazioni specifiche. Di seguito viene discussa principalmente la deformazione del volume e la deformazione della forma.
1) Cause della deformazione da tempra e sue regole mutevoli
Deformazione del volume causata dalla trasformazione strutturale Lo stato strutturale del pezzo prima della tempra è generalmente perlite, cioè una struttura mista di ferrite e cementite, e dopo la tempra è una struttura martensitica. I diversi volumi specifici di questi tessuti causeranno cambiamenti di volume prima e dopo il raffreddamento, con conseguente deformazione. Tuttavia, questa deformazione provoca solo l'espansione e la contrazione proporzionale del pezzo, quindi non ne modifica la forma.
Inoltre, maggiore è la martensite nella struttura dopo il trattamento termico, o maggiore è il contenuto di carbonio nella martensite, maggiore è la sua espansione di volume, e maggiore è la quantità di austenite trattenuta, minore è l'espansione di volume. Pertanto, la variazione di volume può essere controllata controllando il contenuto relativo di martensite e austenite trattenuta durante il trattamento termico. Se adeguatamente controllato, il volume non si espanderà né si ridurrà.
(a) Deformazione della forma causata dallo stress termico La deformazione causata dallo stress termico si verifica in aree ad alta temperatura dove le parti in acciaio hanno un basso limite di snervamento, elevata plasticità, rapido raffreddamento superficiale e la maggiore differenza di temperatura tra l'interno e l'esterno del pezzo. In questo momento, lo stress termico istantaneo è lo stress di trazione superficiale e lo stress di compressione del nucleo. Poiché in questo momento la temperatura interna è elevata, il carico di snervamento è molto inferiore a quello della superficie, quindi si manifesta come deformazione sotto l'azione di sollecitazione di compressione multidirezionale, ovvero il cubo ha una direzione sferica. Varietà. Il risultato è che quello più grande si restringe e quello più piccolo si espande. Ad esempio, un cilindro lungo si accorcia nella direzione della lunghezza e si espande nella direzione del diametro.
(b) Deformazione della forma causata dallo stress tissutale La deformazione causata dallo stress tissutale si verifica anche nel momento iniziale in cui lo stress tissutale è massimo. In questo momento, la differenza di temperatura della sezione trasversale è ampia, la temperatura interna è più elevata, è ancora nello stato di austenite, la plasticità è buona e il limite di snervamento è basso. Lo stress istantaneo del tessuto è lo stress di compressione superficiale e lo stress di trazione del nucleo. Pertanto, la deformazione si manifesta come allungamento del nucleo sotto l'azione di sollecitazioni di trazione multidirezionali. Il risultato è che sotto l'azione delle sollecitazioni dei tessuti, il lato più grande del pezzo si allunga, mentre il lato più piccolo si accorcia. Ad esempio, la deformazione causata dallo stress tissutale in un lungo cilindro è l'allungamento della lunghezza e la riduzione del diametro. La tabella seguente mostra le regole di deformazione da raffreddamento di varie parti tipiche in acciaio.
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2) Fattori che influenzano la deformazione da tempra
I fattori che influenzano la deformazione da tempra sono principalmente la composizione chimica dell'acciaio, la struttura originaria, la geometria delle parti e il processo di trattamento termico.
(3) Estinzione delle crepe
Le crepe nelle parti si verificano principalmente nella fase avanzata di tempra e raffreddamento, cioè dopo che la trasformazione martensitica è sostanzialmente completata o dopo il raffreddamento completo, si verifica una rottura fragile perché la tensione di trazione nelle parti supera la resistenza alla frattura dell'acciaio. Le crepe sono generalmente perpendicolari alla direzione della massima deformazione a trazione, quindi le diverse forme di crepe nelle parti dipendono principalmente dallo stato di distribuzione delle tensioni.
Tipi comuni di cricche da tempra: le cricche longitudinali (assiali) si generano principalmente quando la sollecitazione di trazione tangenziale supera la resistenza alla rottura del materiale; le crepe trasversali si formano quando la grande sollecitazione di trazione assiale formata sulla superficie interna della parte supera la resistenza alla rottura del materiale. Crepe; le crepe della rete si formano sotto l'azione della tensione di trazione bidimensionale sulla superficie; In uno strato indurito molto sottile si verificano crepe da sfaldamento, che possono verificarsi quando la sollecitazione cambia bruscamente e un'eccessiva sollecitazione di trazione agisce in direzione radiale. Una specie di crepa.
Le crepe longitudinali sono anche chiamate crepe assiali. Le crepe si verificano alla massima sollecitazione di trazione vicino alla superficie del pezzo e hanno una certa profondità verso il centro. La direzione delle cricche è generalmente parallela all'asse, ma la direzione può cambiare anche quando vi è concentrazione di tensioni nel pezzo o quando sono presenti difetti strutturali interni.
Dopo che il pezzo è completamente raffreddato, è probabile che si verifichino crepe longitudinali. Ciò è legato alla grande sollecitazione di trazione tangenziale sulla superficie del pezzo temprato. All’aumentare del contenuto di carbonio dell’acciaio aumenta la tendenza alla formazione di cricche longitudinali. L'acciaio a basso tenore di carbonio ha un piccolo volume specifico di martensite e un forte stress termico. Sulla superficie è presente un ampio stress di compressione residuo, quindi non è facile estinguerlo. All’aumentare del contenuto di carbonio, lo stress di compressione superficiale diminuisce e lo stress strutturale aumenta. Allo stesso tempo, il picco della tensione di trazione si sposta verso lo strato superficiale. Pertanto, l'acciaio ad alto tenore di carbonio è soggetto a cricche da tempra longitudinali quando surriscaldato.
La dimensione delle parti influenza direttamente la dimensione e la distribuzione dello stress residuo e anche la sua tendenza alla rottura da tempra è diversa. Anche le cricche longitudinali si formano facilmente mediante tempra all'interno dell'intervallo di dimensioni della sezione trasversale pericolosa. Inoltre, l'intasamento delle materie prime in acciaio provoca spesso crepe longitudinali. Poiché la maggior parte delle parti in acciaio sono realizzate mediante laminazione, inclusioni non dorate, carburi, ecc. nell'acciaio sono distribuiti lungo la direzione di deformazione, rendendo l'acciaio anisotropo. Ad esempio, se l'acciaio per utensili ha una struttura a nastro, la sua resistenza alla frattura trasversale dopo la tempra è inferiore dal 30% al 50% rispetto alla resistenza alla frattura longitudinale. Se ci sono fattori come inclusioni non dorate nell'acciaio che causano concentrazione di sollecitazioni, anche se la sollecitazione tangenziale è maggiore della sollecitazione assiale, è facile che si formino crepe longitudinali in condizioni di bassa sollecitazione. Per questo motivo, un controllo rigoroso del livello di inclusioni non metalliche e di zucchero nell'acciaio è un fattore importante per prevenire le cricche da spegnimento.
Le caratteristiche di distribuzione interna delle tensioni delle fessure trasversali e delle fessure ad arco sono: la superficie è soggetta a sollecitazioni di compressione. Dopo aver lasciato la superficie per una certa distanza, lo stress di compressione si trasforma in un grande stress di trazione. La cricca si verifica nella zona della sollecitazione di trazione, e poi quando la sollecitazione interna si diffonde alla superficie del pezzo solo se viene ridistribuita o la fragilità dell'acciaio aumenta ulteriormente.
Spesso si verificano crepe trasversali in parti di alberi di grandi dimensioni, come rulli, rotori di turbine o altre parti dell'albero. La caratteristica delle crepe è che sono perpendicolari alla direzione dell'asse e si rompono dall'interno verso l'esterno. Spesso si formano prima di essere induriti e sono causati dallo stress termico. I pezzi fucinati di grandi dimensioni presentano spesso difetti metallurgici come pori, inclusioni, crepe di forgiatura e macchie bianche. Questi difetti fungono da punto di partenza della frattura e si rompono sotto l'azione della sollecitazione di trazione assiale. Le cricche da arco sono causate dallo stress termico e solitamente sono distribuite a forma di arco nelle parti in cui la forma del pezzo cambia. Si verifica principalmente all'interno del pezzo o in prossimità di spigoli vivi, scanalature e fori e si distribuisce ad arco. Quando le parti in acciaio ad alto tenore di carbonio con un diametro o uno spessore compreso tra 80 e 100 mm o più non vengono temprate, la superficie mostrerà uno stress di compressione e il centro mostrerà uno stress di trazione. Stress, nello strato indurito a non-
