熱処理は,熱,保持,冷却によって金属材料の内部構造を変化させ,望ましい性質を達成するプロセスです.このプロセスでは,不均等な温度変化による材料内の構造的変形や制約熱処理のストレスは物質性能,次元安定性,および後続加工に大きな影響を与える.
熱処理ストレスは,不均等な熱膨張/収縮,構造変容時の調整されていない体積変化,外部の制約 (例えば,模具材料内の内部制約 (例えば,異なる地域における特性の違い).
その本質は,原子の配置やマクロスコープ的な体積の変化が妨げられたとき,原子や粒子の間の相互力であり,弾性またはプラスチック変形への傾向として現れます.
熱処理ストレスの発生は主に2つの主要なプロセスに関連しています.
材料が加熱または冷却されたとき,作業部品の異なる部分の温度変化が不均一である (例えば,表面対コア,薄対膨張や収縮が異なる程度になる.:
- 熱化段階表面は熱くなって最初に膨張し,内核は膨張が遅くなって冷たいままです.表面は内核によって制限され,圧縮力表面に伸縮され,張力.
- 冷却段階表面は冷却され,まず収縮し,核は収縮が遅いため熱く残ります.表面は核によって制限され,張力表面に圧縮され,圧縮力.
冷却速度が速い (例えば,冷却) は,温度グラデーションが大きくなり,熱圧が激化する.
固体相変換 (例えば,オーステナイトからマルテンサイトまたはパールライト) の間,異なる構造は異なる特異体積を有する (例えば,マルテンサイトはオーステナイトよりも大きな特異体積を有する).作業部件全体における非同期相変化が構造的ストレスを発生させる.
- 例えば,冷却中に表面はまずオーステナイト→マルテナイト変換 (体積膨張) を経験し,内核はオーステナイトのままである.表面膨張は内核によって制限される.生産する圧縮力段階変換中に後日核が膨張すると,既に変形し,硬化している表面が核を絞り込み,中核の張力そして表面に付加された拉伸力.
変換速度と程度の大きな差異 (例えば,冷却中に表面にマルテンサイトが濃縮して形成される) は構造的ストレスを増加させる.
- 外的制約: クランプによる固定や模具との接触により自由膨張/収縮が制限され,ストレスは悪化します.
- 内部の制約: 工件物の複雑な構造 (例えば,溝,鋭い角) や不均等な材料組成は,各領域間の特性差異を引き起こし,ストレスの濃度を増強します.
生成段階と存在状態に基づいて,熱処理ストレスは3種類に分類される.
ストレス動的に存在している加熱,保持,または冷却中に,温度または相変換によって変化する.例としては:
- 加熱中の温度グラディエントによる熱圧
- 冷却相変換中の体積変化による瞬間の構造的ストレス
臨時ストレスは,その温度で材料の強度を超えると,プラスチック変形が発生し,破裂強度を超えると,即座に破裂する (例えば,消化裂け目).
ストレス工品内に残る室温まで冷却した後,一時的なストレスの部分的な放出 (例えば,プラスチック変形) の後の残留ストレスの分布.その分布は熱処理プロセスに依存する:
- 消された作業部品は,通常,余剰圧縮ストレスは表面 (核によって制限されたマルテンサイト膨張による) と核内の可能な残留張力
- 焼却や冷却は残留ストレスを減らすが,不適切な処理は新たなストレスの蓄積を引き起こす可能性がある.
- 熱圧: 構造変形に関係のない不均一な熱膨張/収縮によるストレス (例えば,純粋金属や非変形合金)
- 構造的ストレス: 温度グラデーションとは関係のない,相変換での体積変化からのストレス (例えば,理想の均一温度下での相変換のストレス).
実際には,熱圧と構造圧はしばしば共存し,熱処理圧を共同で形成する.
熱処理ストレスは (特に残留ストレスは) 物質性能,加工,および適用に多重な影響を及ぼし,制御された場合,有害および有益な効果の両方を有します.
- 材料の強度を上回る残留ストレスはプラスチック変形(例えば,曲がり,歪み,次元偏差など)
- 過剰な残留ストレス (特に表面張力ストレス) は直接クラッキング(例えば,冷却後に冷却が遅れている場合",遅延したクラッキング"である).
例:高炭素鋼は,表面張力による冷却後に冷却されなければ,粒の境界に沿って裂けることがあります.
- 余剰ストレスは,後の加工や使用 (切断,溶接,温度変化など) の際に徐々に放出され,二次変形精密部品 (ベアリング,模具など) に影響する.
例: 精密歯車における残留ストレスの解消は,ストレスの放出による長期使用後,歯のプロフィールの偏差を引き起こす可能性があります.
- 余分な張力ストレスは減少します疲労力(周期的な負荷下では,ストレスの濃度点で裂け目が容易に発生する)
- 過剰な内部のストレスが増加する可能性があります脆さ衝撃の耐久性を低下させます
- 不均等な残留ストレスの分布は切削中に不一致な変形を引き起こす (例えば,加工後に薄壁の部品の歪み);
- ストレス濃度地域が発達する可能性があります磨き割れ目磨きや磨き中に
余剰ストレスはすべて有害なものではありません.適切なプロセスでは,パフォーマンスを向上させるために利用できます.
- 表面残留圧縮ストレスは増加します疲労力(例えば,表面圧縮ストレスの加熱されたギアや消化されたギアには,使用寿命が長い)
- プレストレス (例えば,冷やし,テンパーした後,スプリングに適切な圧縮ストレスを保持) は,変形耐性を向上させる.
副作用を軽減するために,プロセスの最適化によってストレスの生成を制御し,後の処理によって残留ストレスを排除する必要があります.
- 熱/冷却率を制御する: 段階的な加熱 (気温の上昇がゆっくり) や段階的な冷却 (例えば,同熱冷却) を使用して気温グラデーションを減らす.
- 作業部品の構造を最適化: 鋭い角や不均等な壁厚さを避け,ストレスの濃度を最小限に抑える.
- 適切なメディアを選択する: 熱圧を減らすために,冷却中に油冷却 (水よりも遅い) を使用する.
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