Die Wärmebehandlung ist ein Verfahren, das die innere Struktur metallischer Werkstoffe durch Erhitzen, Halten und Abkühlen verändert, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Während dieses Prozesses wird aufgrund ungleichmäßiger Temperaturänderungen, Strukturumwandlungen und Einschränkungen innerhalb des Materials Wärmebehandlungsspannung erzeugt, die sich erheblich auf die Materialleistung, die Dimensionsstabilität und die anschließende Verarbeitung auswirkt.
Wärmebehandlungsspannung bezieht sich auf innere Spannungen, die durch ungleichmäßige Wärmeausdehnung/-kontraktion, unkoordinierte Volumenänderungen während Strukturumwandlungen und äußere Einschränkungen (z. B. Formen, Vorrichtungen) oder innere Einschränkungen (z. B. Eigenschaftsunterschiede in verschiedenen Bereichen) innerhalb des Materials erzeugt werden.
Ihre Essenz ist die gegenseitige Kraft zwischen Atomen oder Körnern, wenn die Atomanordnung oder makroskopische Volumenänderungen behindert werden, was sich als Tendenz zur elastischen oder plastischen Verformung manifestiert.
Die Entstehung von Wärmebehandlungsspannung hängt in erster Linie mit zwei Kernprozessen zusammen:
Wenn Materialien erhitzt oder abgekühlt werden, führen ungleichmäßige Temperaturänderungen in verschiedenen Teilen des Werkstücks (z. B. Oberfläche vs. Kern, dünne vs. dicke Wände) zu unterschiedlichen Graden der Volumenexpansion oder -kontraktion:
- Heizphase: Die Oberfläche erwärmt sich und dehnt sich zuerst aus, während der Kern kühler bleibt und sich langsamer ausdehnt. Die Oberfläche wird durch den Kern eingeschränkt, wodurch Druckspannung erzeugt wird, und der Kern wird durch die Oberfläche gedehnt, wodurch Zugspannung führt.
- Kühlphase: Die Oberfläche kühlt sich zuerst ab und zieht sich zusammen, während der Kern heißer bleibt und sich langsamer zusammenzieht. Die Oberfläche wird durch den Kern eingeschränkt, wodurch Zugspannung erzeugt wird, und der Kern wird durch die Oberfläche zusammengedrückt, wodurch Druckspannung führt.
Schnellere Abkühlraten (z. B. Abschrecken) erzeugen größere Temperaturgradienten, wodurch die thermische Spannung verstärkt wird.
Während Festkörperphasenumwandlungen (z. B. Austenit zu Martensit oder Perlit) weisen verschiedene Strukturen unterschiedliche spezifische Volumina auf (z. B. hat Martensit ein größeres spezifisches Volumen als Austenit). Asynchrone Phasenänderungen über das Werkstück erzeugen strukturelle Spannungen:
- Zum Beispiel erfährt die Oberfläche beim Abschrecken zuerst eine Austenit→Martensit-Umwandlung (Volumenausdehnung), während der Kern austenitisch bleibt. Die Oberflächenausdehnung wird durch den Kern eingeschränkt, wodurch Druckspannung erzeugt wird. Wenn sich der Kern später während der Phasenumwandlung ausdehnt, schränkt die Oberfläche – bereits umgewandelt und möglicherweise gehärtet – den Kern ein, was zu Zugspannung im Kern und zusätzlicher Zugspannung in der Oberfläche führt.
Größere Unterschiede in der Umwandlungsrate und dem Ausmaß (z. B. konzentrierte Martensitbildung auf der Oberfläche während des Abschreckens) erhöhen die strukturelle Spannung.
- Äußere Einschränkungen: Die Fixierung durch Klemmen oder der Kontakt mit Formen schränkt die freie Ausdehnung/Kontraktion ein und verschärft die Spannung.
- Innere Einschränkungen: Komplexe Werkstückstrukturen (z. B. Rillen, scharfe Ecken) oder eine ungleichmäßige Materialzusammensetzung verursachen Eigenschaftsunterschiede zwischen den Bereichen und verstärken die Spannungskonzentration.
Basierend auf der Entstehungsphase und dem Existenzzustand wird die Wärmebehandlungsspannung in drei Typen eingeteilt:
Spannung, die dynamisch vorhanden ist, während des Erhitzens, Haltens oder Abkühlens und sich mit der Temperatur oder der Phasenumwandlung ändert. Beispiele hierfür sind:
- Thermische Spannung durch Temperaturgradienten während des Erhitzens;
- Momentane strukturelle Spannung durch Volumenänderungen während der Abkühlphasenumwandlungen.
Wenn die transiente Spannung die Streckgrenze des Materials bei dieser Temperatur überschreitet, tritt plastische Verformung auf; das Überschreiten der Bruchfestigkeit führt zu sofortigem Reißen (z. B. Abschreckrisse).
Spannung, die im Werkstück verbleibt nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur, die Eigenspannung nach teilweiser Freisetzung (z. B. plastische Verformung) der transienten Spannung. Ihre Verteilung hängt von den Wärmebehandlungsprozessen ab:
- Abgeschreckte Werkstücke weisen typischerweise Eigenspannungsdruck in der Oberfläche auf (aufgrund der Martensitexpansion, die durch den Kern eingeschränkt wird) und mögliche Eigenspannungszugspannung im Kern;
- Glühen oder Anlassen reduziert die Eigenspannung, aber unsachgemäße Prozesse können zu einer neuen Spannungsansammlung führen.
- Thermische Spannung: Spannung durch ungleichmäßige Wärmeausdehnung/-kontraktion allein, ohne Bezug zur Strukturumwandlung (z. B. in reinen Metallen oder nicht umwandelnden Legierungen).
- Strukturelle Spannung: Spannung durch Volumenänderungen während der Phasenumwandlungen allein, ohne Bezug zu Temperaturgradienten (z. B. Phasenumwandlungsspannung unter idealer gleichmäßiger Temperatur).
In der Praxis existieren thermische und strukturelle Spannungen oft nebeneinander und bilden gemeinsam die Wärmebehandlungsspannung.
Die Wärmebehandlungsspannung (insbesondere die Eigenspannung) hat mehrere Auswirkungen auf die Materialleistung, die Verarbeitung und die Anwendung, mit sowohl nachteiligen als auch positiven Auswirkungen, wenn sie reguliert wird.
- Eigenspannung, die die Streckgrenze des Materials überschreitet, verursacht plastische Verformung (z. B. Biegen, Verziehen, Maßabweichungen);
- Übermäßige Eigenspannung (insbesondere Oberflächenzugspannung) kann direkt zu Rissbildung führen (z. B. "verzögerte Rissbildung", wenn das Anlassen nach dem Abschrecken verzögert wird).
Beispiel: Hochkohlenstoffstahl kann entlang der Korngrenzen reißen, wenn er nach dem Abschrecken nicht angelassen wird, da die Oberflächenzugspannung auftritt.
- Eigenspannung wird während der nachfolgenden Verarbeitung oder Verwendung (z. B. Schneiden, Schweißen, Temperaturänderungen) allmählich freigesetzt, wodurch sekundäre Verformung verursacht und Präzisionsteile (z. B. Lager, Formen) beeinträchtigt werden.
Beispiel: Nicht abgebauter Eigenspannung in Präzisionszahnrädern kann nach längerem Gebrauch zu Abweichungen des Zahnprofils führen, da die Spannung freigesetzt wird.
- Eigenspannungszugspannung reduziert Ermüdungsfestigkeit (Risse entstehen leicht an Spannungskonzentrationspunkten unter zyklischer Belastung);
- Übermäßige innere Spannung kann Sprödigkeit erhöhen und die Schlagzähigkeit verringern.
- Ungleichmäßige Eigenspannungsverteilung verursacht inkonsistente Verformung während des Schneidens (z. B. Verziehen von dünnwandigen Teilen nach der Bearbeitung);
- Spannungskonzentrationsbereiche können während des Schleifens oder Polierens Schleifrisse entwickeln.
Nicht alle Eigenspannungen sind nachteilig; geeignete Verfahren können sie zur Verbesserung der Leistung nutzen:
- Oberflächeneigenspannungsdruck erhöht Ermüdungsfestigkeit (z. B. einsatzgehärtete und abgeschreckte Zahnräder mit Oberflächeneigenspannungsdruck haben eine längere Lebensdauer);
- Vorspannen (z. B. Beibehalten einer angemessenen Druckspannung in Federn nach dem Abschrecken und Anlassen) verbessert die Verformungsbeständigkeit.
Um unerwünschte Auswirkungen zu mildern, muss die Spannungserzeugung durch Prozessoptimierung kontrolliert und die Eigenspannung durch nachfolgende Behandlungen beseitigt werden:
- Steuerung der Heiz-/Kühlraten: Verwenden Sie stufenweises Erhitzen (langsamer Temperaturanstieg) oder abgestuftes Abkühlen (z. B. isothermes Abschrecken), um Temperaturgradienten zu reduzieren;
- Optimieren Sie die Werkstückstruktur: Vermeiden Sie scharfe Ecken oder ungleichmäßige Wandstärken, um die Spannungskonzentration zu minimieren;
- Wählen Sie geeignete Medien aus: Verwenden Sie Ölkühlung (langsamer als Wasser) während des Abschreckens, um die thermische Spannung zu reduzieren;
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