Η θερμική επεξεργασία είναι μια διαδικασία που μεταβάλλει την εσωτερική δομή των μεταλλικών υλικών μέσω θέρμανσης, διατήρησης και ψύξης για την επίτευξη επιθυμητών ιδιοτήτων. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, λόγω ανομοιόμορφων αλλαγών θερμοκρασίας, δομικών μετασχηματισμών και περιορισμών εντός του υλικού, το στρες θερμικής επεξεργασίας δημιουργείται, το οποίο επηρεάζει σημαντικά την απόδοση του υλικού, τη σταθερότητα των διαστάσεων και την επακόλουθη επεξεργασία.
Το στρες θερμικής επεξεργασίας αναφέρεται στην εσωτερική τάση που δημιουργείται από ανομοιόμορφη θερμική διαστολή/συστολή, ασυντόνιστες αλλαγές όγκου κατά τη διάρκεια δομικών μετασχηματισμών και εξωτερικούς περιορισμούς (π.χ., καλούπια, εξαρτήματα) ή εσωτερικούς περιορισμούς (π.χ., διαφορές ιδιοτήτων σε διαφορετικές περιοχές) εντός του υλικού.
Η ουσία του είναι η αμοιβαία δύναμη μεταξύ ατόμων ή κόκκων όταν η ατομική διάταξη ή οι μακροσκοπικές αλλαγές όγκου παρεμποδίζονται, εκδηλώνοντας μια τάση προς ελαστική ή πλαστική παραμόρφωση.
Η δημιουργία στρες θερμικής επεξεργασίας σχετίζεται κυρίως με δύο βασικές διεργασίες:
Όταν τα υλικά θερμαίνονται ή ψύχονται, οι ανομοιόμορφες αλλαγές θερμοκρασίας σε διαφορετικά μέρη του τεμαχίου (π.χ., επιφάνεια έναντι πυρήνα, λεπτά έναντι παχιών τοιχωμάτων) οδηγούν σε διαφορετικούς βαθμούς διαστολής ή συστολής όγκου:
- Φάση θέρμανσης: Η επιφάνεια θερμαίνεται και διαστέλλεται πρώτη, ενώ ο πυρήνας παραμένει ψυχρότερος με βραδύτερη διαστολή. Η επιφάνεια περιορίζεται από τον πυρήνα, δημιουργώντας τάση συμπίεσης, και ο πυρήνας τεντώνεται από την επιφάνεια, δημιουργώντας τάση εφελκυσμού.
- Φάση ψύξης: Η επιφάνεια ψύχεται και συστέλλεται πρώτη, ενώ ο πυρήνας παραμένει θερμότερος με βραδύτερη συστολή. Η επιφάνεια περιορίζεται από τον πυρήνα, δημιουργώντας τάση εφελκυσμού, και ο πυρήνας συμπιέζεται από την επιφάνεια, δημιουργώντας τάση συμπίεσης.
Οι ταχύτεροι ρυθμοί ψύξης (π.χ., σκλήρυνση) δημιουργούν μεγαλύτερες κλίσεις θερμοκρασίας, εντείνοντας τη θερμική τάση.
Κατά τη διάρκεια μετασχηματισμών στερεάς φάσης (π.χ., ωστενίτη σε μαρτενσίτη ή περλίτη), διαφορετικές δομές έχουν διαφορετικούς ειδικούς όγκους (π.χ., ο μαρτενσίτης έχει μεγαλύτερο ειδικό όγκο από τον ωστενίτη). Οι ασύγχρονες αλλαγές φάσης σε όλο το τεμάχιο δημιουργούν δομική τάση:
- Για παράδειγμα, κατά τη διάρκεια της σκλήρυνσης, η επιφάνεια υφίσταται πρώτα μετασχηματισμό ωστενίτη→μαρτενσίτη (διαστολή όγκου), ενώ ο πυρήνας παραμένει ωστενιτικός. Η διαστολή της επιφάνειας περιορίζεται από τον πυρήνα, δημιουργώντας τάση συμπίεσης. Όταν ο πυρήνας αργότερα διαστέλλεται κατά τη διάρκεια του μετασχηματισμού φάσης, η επιφάνεια—ήδη μετασχηματισμένη και πιθανώς σκληρυμένη—περιορίζει τον πυρήνα, οδηγώντας σε τάση εφελκυσμού στον πυρήνα και πρόσθετη τάση εφελκυσμού στην επιφάνεια.
Μεγαλύτερες διαφορές στον ρυθμό και την έκταση του μετασχηματισμού (π.χ., συγκεντρωμένος σχηματισμός μαρτενσίτη στην επιφάνεια κατά τη διάρκεια της σκλήρυνσης) αυξάνουν τη δομική τάση.
- Εξωτερικοί περιορισμοί: Η στερέωση με σφιγκτήρες ή η επαφή με καλούπια περιορίζει την ελεύθερη διαστολή/συστολή, επιδεινώνοντας την τάση.
- Εσωτερικοί περιορισμοί: Οι σύνθετες δομές τεμαχίων (π.χ., αυλακώσεις, αιχμηρές γωνίες) ή η ανομοιόμορφη σύνθεση υλικού προκαλούν διαφορές ιδιοτήτων μεταξύ των περιοχών, ενισχύοντας τη συγκέντρωση τάσης.
Με βάση το στάδιο δημιουργίας και την κατάσταση ύπαρξης, το στρες θερμικής επεξεργασίας κατηγοριοποιείται σε τρεις τύπους:
Τάση δυναμικά παρούσα κατά τη διάρκεια της θέρμανσης, της διατήρησης ή της ψύξης, που αλλάζει με τη θερμοκρασία ή τον μετασχηματισμό φάσης. Παραδείγματα περιλαμβάνουν:
- Θερμική τάση από κλίσεις θερμοκρασίας κατά τη θέρμανση;
- Στιγμιαία δομική τάση από αλλαγές όγκου κατά τη διάρκεια μετασχηματισμών φάσης ψύξης.
Εάν η παροδική τάση υπερβαίνει το όριο διαρροής του υλικού σε αυτή τη θερμοκρασία, συμβαίνει πλαστική παραμόρφωση. η υπέρβαση της αντοχής θραύσης οδηγεί σε άμεση ρωγμή (π.χ., ρωγμές σκλήρυνσης).
Τάση που παραμένει στο τεμάχιο μετά την ψύξη σε θερμοκρασία δωματίου, η υπολειμματική τάση μετά την μερική απελευθέρωση (π.χ., πλαστική παραμόρφωση) της παροδικής τάσης. Η κατανομή του εξαρτάται από τις διαδικασίες θερμικής επεξεργασίας:
- Τα σκληρυμένα τεμάχια έχουν συνήθως υπολειμματική τάση συμπίεσης στην επιφάνεια (λόγω της διαστολής του μαρτενσίτη που περιορίζεται από τον πυρήνα) και πιθανή υπολειμματική τάση εφελκυσμού στον πυρήνα;
- Η ανόπτηση ή ο μετριασμός μειώνει την υπολειμματική τάση, αλλά οι ακατάλληλες διαδικασίες μπορεί να προκαλέσουν νέα συσσώρευση τάσης.
- Θερμική τάση: Τάση από ανομοιόμορφη θερμική διαστολή/συστολή μόνο, άσχετη με δομικό μετασχηματισμό (π.χ., σε καθαρά μέταλλα ή κράματα που δεν μετασχηματίζονται).
- Δομική τάση: Τάση από αλλαγές όγκου κατά τη διάρκεια μετασχηματισμών φάσης μόνο, άσχετη με κλίσεις θερμοκρασίας (π.χ., τάση μετασχηματισμού φάσης υπό ιδανική ομοιόμορφη θερμοκρασία).
Στην πράξη, η θερμική και η δομική τάση συνυπάρχουν συχνά, σχηματίζοντας συλλογικά στρες θερμικής επεξεργασίας.
Το στρες θερμικής επεξεργασίας (ειδικά η υπολειμματική τάση) έχει πολλαπλές επιπτώσεις στην απόδοση, την επεξεργασία και την εφαρμογή του υλικού, με δυσμενή και ευεργετικά αποτελέσματα όταν ρυθμίζεται.
- Η υπολειμματική τάση που υπερβαίνει το όριο διαρροής του υλικού προκαλεί πλαστική παραμόρφωση (π.χ., κάμψη, στρέβλωση, αποκλίσεις διαστάσεων);
- Η υπερβολική υπολειμματική τάση (ειδικά η τάση εφελκυσμού επιφανείας) μπορεί να οδηγήσει άμεσα σε ρωγμές (π.χ., «καθυστερημένη ρωγμή» εάν η σκλήρυνση καθυστερήσει μετά τη σκλήρυνση).
Παράδειγμα: Ο χάλυβας υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα μπορεί να ραγίσει κατά μήκος των ορίων των κόκκων εάν δεν σκληρυνθεί μετά τη σκλήρυνση λόγω της τάσης εφελκυσμού της επιφάνειας.
- Η υπολειμματική τάση απελευθερώνεται σταδιακά κατά την επακόλουθη επεξεργασία ή χρήση (π.χ., κοπή, συγκόλληση, αλλαγές θερμοκρασίας), προκαλώντας δευτερεύουσα παραμόρφωση και επηρεάζοντας τα εξαρτήματα ακριβείας (π.χ., ρουλεμάν, καλούπια).
Παράδειγμα: Η μη ανακουφισμένη υπολειμματική τάση σε γρανάζια ακριβείας μπορεί να προκαλέσει αποκλίσεις του προφίλ των δοντιών μετά από μακροχρόνια χρήση λόγω της απελευθέρωσης της τάσης.
- Η υπολειμματική τάση εφελκυσμού μειώνει την αντοχή σε κόπωση (οι ρωγμές ξεκινούν εύκολα στα σημεία συγκέντρωσης τάσης υπό κυκλική φόρτιση);
- Η υπερβολική εσωτερική τάση μπορεί να αυξήσει την ευθραυστότητα και να μειώσει την αντοχή σε κρούση.
- Η ανομοιόμορφη κατανομή υπολειμματικής τάσης προκαλεί ασυνεπή παραμόρφωση κατά την κοπή (π.χ., στρέβλωση εξαρτημάτων λεπτού τοιχώματος μετά την κατεργασία);
- Οι περιοχές συγκέντρωσης τάσης μπορεί να αναπτύξουν ρωγμές λείανσης κατά τη διάρκεια της λείανσης ή της στίλβωσης.
Δεν είναι όλη η υπολειμματική τάση δυσμενής. οι κατάλληλες διαδικασίες μπορούν να τη χρησιμοποιήσουν για τη βελτίωση της απόδοσης:
- Η υπολειμματική τάση συμπίεσης επιφάνειας ενισχύει την αντοχή σε κόπωση (π.χ., τα γρανάζια ανθρακούχου και σκληρυμένου με επιφανειακή τάση συμπίεσης έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής).
- Η προένταση (π.χ., διατήρηση κατάλληλης τάσης συμπίεσης στα ελατήρια μετά τη σκλήρυνση και τον μετριασμό) βελτιώνει την αντοχή στην παραμόρφωση.
Για τον μετριασμό των δυσμενών επιπτώσεων, η δημιουργία τάσης πρέπει να ελέγχεται μέσω της βελτιστοποίησης της διαδικασίας και η υπολειμματική τάση να εξαλείφεται μέσω επακόλουθων επεξεργασιών:
Το μήνυμά σας πρέπει να αποτελείται από 20-3.000 χαρακτήρες!