Obróbka cieplna to proces, który zmienia wewnętrzną strukturę materiałów metalowych poprzez ogrzewanie, utrzymywanie i chłodzenie w celu osiągnięcia pożądanych właściwości.ze względu na nierównomierne zmiany temperatury, przemiany strukturalne i ograniczenia w materiale,naprężenie obróbki cieplnejjest generowana, co ma znaczący wpływ na wydajność materiału, stabilność wymiarową i późniejsze przetwarzanie.
Obciążenie obróbki cieplnej odnosi się do obciążenia wewnętrznego generowanego przez nierównomierne rozszerzanie/zmniejszanie się cieplne, niespójne zmiany objętości podczas transformacji strukturalnych oraz ograniczenia zewnętrzne (np.pleśni, urządzeń) lub ograniczeń wewnętrznych (np. różnic w właściwościach w różnych regionach) w materiale.
Jego esencją jest wzajemna siła między atomami lub ziarnami, gdy zakłóca się układ atomowy lub makroskopowe zmiany objętości, co przejawia się tendencją do elastycznej lub plastycznej deformacji.
Pojawienie się naprężenia obróbki cieplnej wiąże się przede wszystkim z dwoma podstawowymi procesami:
W przypadku podgrzewania lub chłodzenia materiałów w różnych częściach obróbki występują nierównomierne zmiany temperatury (np. powierzchnia w stosunku do rdzenia, cienka w stosunku do rdzenia).W tym przypadku, w zależności od wielkości wnętrza, ściany są grube (grube ściany) prowadzą do różnego stopnia rozszerzania lub kurczenia objętości.:
- Faza podgrzewania: Powierzchnia nagrzewa się i rozszerza się najpierw, podczas gdy rdzeń pozostaje chłodniejszy z wolniejszą ekspansją.ciśnienie ciśnieniowe, a rdzeń jest rozciągnięty przez powierzchnię, generującnapięcie rozciągające.
- Faza chłodzeniaPowierzchnia chłodzi się i kurczy się najpierw, podczas gdy rdzeń pozostaje cieplejszy z wolniejszym skurczem.napięcie rozciągające, a rdzeń jest ściśnięty przez powierzchnię, wytwarzającciśnienie ciśnieniowe.
Szybsze współczynniki chłodzenia (np. tłumienie) powodują większe gradienty temperatury, nasilając naprężenie termiczne.
Podczas transformacji fazy stanu stałego (np. austenit do martensytu lub perlitu), różne struktury mają różne objętości specyficzne (np. martensyt ma większą objętość specyficzną niż austenit).Asynchroniczne zmiany fazowe na całym obrabianiu powodują obciążenia konstrukcyjne:
- Przykładowo, podczas tłumienia powierzchnia najpierw przechodzi przemianę austenitową→martensitową (rozszerzenie objętości), podczas gdy rdzeń pozostaje austenitowy.wytwarzanieciśnienie ciśnienioweKiedy jądro później rozszerza się podczas transformacji fazowej, powierzchnia, już przekształcona i ewentualnie utwardzona, ogranicza jądro, co prowadzi donapięcie naciągowe w rdzeniua takżedodatkowe napięcie rozciągające na powierzchni.
Większe różnice w szybkości i zakresie transformacji (np. skoncentrowane tworzenie martensytu na powierzchni podczas tłumienia) zwiększają naprężenie strukturalne.
- Ograniczenia zewnętrzne: Przymocowanie za pomocą zacisków lub kontakt z formami ogranicza swobodne rozszerzanie/zmniejszanie się, pogłębiając naprężenie.
- Ograniczenia wewnętrzne: Złożone struktury części roboczej (np. rowki, ostre narożniki) lub nierówny skład materiału powodują różnice właściwości między regionami, wzmacniając koncentrację naprężenia.
W oparciu o etap wytwarzania i stan istnienia naprężenia obróbki cieplnej podzielone są na trzy rodzaje:
Stresdynamicznie obecnypodczas ogrzewania, utrzymywania lub chłodzenia, zmieniające się wraz z temperaturą lub transformacją fazową.
- obciążenie termiczne z powodu gradientów temperatury podczas ogrzewania;
- Natychmiastowe obciążenie konstrukcyjne wynikające ze zmian objętości podczas transformacji fazy chłodzenia.
Jeżeli naprężenie przejściowe przekracza wytrzymałość materiału przy tej temperaturze, występuje deformacja plastyczna; przekroczenie wytrzymałości na złamanie prowadzi do natychmiastowego pękania (np. pęknięcia).
Strespozostające w obrabianiupo ochłodzeniu do temperatury pokojowej, naprężenie pozostałe po częściowym uwolnieniu (np. deformacja plastyczna) naprężenia przejściowego.
- Zgaszone elementy obróbki zazwyczaj mająpozostałe naprężenie ciśnieniowena powierzchni (ze względu na ekspansję martensytu ograniczaną przez rdzeń) oraz ewentualne pozostałe naprężenie naciągowe w rdzeniu;
- Odgrzewanie lub hartowanie zmniejsza pozostałe obciążenia, ale niewłaściwe procesy mogą powodować nagromadzenie się nowych obciążenia.
- Ciśnienie cieplne: naprężenie wynikające wyłącznie z nierównomiernego rozszerzania/zmniejszania się cieplnego, niezwiązane z przekształceniem strukturalnym (np. w czystych metałach lub stopach nieprzekształcających się).
- Obciążenia strukturalne: naprężenie wynikające z zmian objętości tylko podczas przemian fazowych, niezwiązane z gradientami temperatury (np. naprężenie przemian fazowych w warunkach idealnej jednorodnej temperatury).
W praktyce obciążenia termiczne i konstrukcyjne często współistnieją, tworząc razem obciążenia cieplne.
Naciski związane z obróbką cieplną (zwłaszcza naciski pozostałe) mają wielokrotny wpływ na wydajność materiału, przetwarzanie i stosowanie, z negatywnymi i korzystnymi skutkami, gdy są regulowane.
- Przyczynia się do obciążeń pozostałych przekraczających wytrzymałość materiałudeformacja plastyczna(np. gięcie, wypaczanie, odchylenia wymiarowe);
- Nadmierne naprężenie pozostałe (zwłaszcza naprężenie pociągowe powierzchniowe) może bezpośrednio prowadzićkrakingiem(np. "opóźnione pękanie", jeśli hartowanie jest opóźnione po ugaszeniu).
Przykład: Stal o wysokiej zawartości węgla może pękać wzdłuż granicy ziarna, jeśli nie zostanie hartowana po ugotowaniu z powodu naprężenia naciągowego na powierzchni.
- Pozostałe obciążenia stopniowo uwalniają się podczas późniejszego przetwarzania lub stosowania (np. cięcie, spawanie, zmiany temperatury), powodując:deformacja wtórnai wpływające na precyzyjne części (np. łożyska, formy).
Przykład: niepowstrzymane naprężenie pozostałe w biegów precyzyjnych może powodować odchylenia profilu zęba po długotrwałym stosowaniu z powodu uwalniania naprężenia.
- Pozostałe naprężenie napędowe zmniejszasiła zmęczenia(pęknięcia łatwo się uruchamiają w punktach stężenia naprężeń pod obciążeniem cyklicznym);
- Nadmierne napięcie wewnętrzne może wzrosnąćkruchośći zmniejszyć wytrzymałość uderzeniową.
- Nierównomierne rozmieszczenie naprężeń pozostałych powoduje niespójne deformacje podczas cięcia (np. wypaczenie części o cienkiej ścianie po obróbce);
- Obszary koncentracji stresu mogą się rozwijaćszlifowanie szczelinpodczas szlifowania lub polerowania.
Nie wszystkie obciążenia pozostałe są szkodliwe; odpowiednie procesy mogą wykorzystać je do poprawy wydajności:
- Pozostałe obciążenia ciśnieniowe na powierzchni wzmacniająsiła zmęczenia(np. zęby z gazem i zgaszone z powierzchniowym naprężeniem ciśnieniowym mają dłuższy okres trwania);
- Wykonanie przedprężenia (np. utrzymanie odpowiedniego naprężenia ciśnienia w sprężynach po ugasieniu i hartowaniu) poprawia odporność na deformacje.
Aby złagodzić negatywne skutki, wytwarzanie stresu musi być kontrolowane poprzez optymalizację procesu, a pozostałe obciążenia eliminowane poprzez kolejne zabiegi:
- Prędkość ogrzewania/chłodzenia: W celu zmniejszenia gradientów temperatury należy stosować stopniowe ogrzewanie (powolne podnoszenie temperatury) lub stopniowe chłodzenie (np. ogrzewanie izotermiczne);
- Optymalizacja struktury obróbki: Unikaj ostrych narożników lub nierównomiernej grubości ściany w celu zminimalizowania stężenia naprężeń;
- Wybierz odpowiednie media: W celu zmniejszenia naprężenia termicznego należy stosować chłodzenie olejem (wolniej niż wodą).
Twoja wiadomość musi mieć od 20 do 3000 znaków!