El tratamiento térmico es un proceso que altera la estructura interna de los materiales metálicos mediante el calentamiento, retención y enfriamiento para lograr las propiedades deseadas.debido a cambios de temperatura desiguales, transformaciones estructurales y limitaciones dentro del material,tensión de tratamiento térmicose genera, lo que afecta significativamente el rendimiento del material, la estabilidad dimensional y el procesamiento posterior.
La tensión de tratamiento térmico se refiere a la tensión interna generada por la expansión/contracción térmica desigual, los cambios de volumen no coordinados durante las transformaciones estructurales y las restricciones externas (por ejemplo,Muebles, fijaciones) o limitaciones internas (por ejemplo, diferencias de propiedades en diferentes regiones) dentro del material.
Su esencia es la fuerza mutua entre átomos o granos cuando la disposición atómica o los cambios de volumen macroscópicos se ven obstaculizados, manifestándose como una tendencia hacia la deformación elástica o plástica.
La generación de tensión de tratamiento térmico está relacionada principalmente con dos procesos centrales:
Cuando los materiales se calientan o enfrían, los cambios de temperatura desiguales en las diferentes partes de la pieza de trabajo (por ejemplo, superficie vs. núcleo, delgado vs.Las paredes gruesas) conducen a diversos grados de expansión o contracción del volumen.:
- Fase de calentamientoLa superficie se calienta y se expande primero, mientras que el núcleo permanece más frío con una expansión más lenta.tensión de compresión, y el núcleo se estira por la superficie, generandotensión de tracción.
- Fase de enfriamientoLa superficie se enfría y se contrae primero, mientras que el núcleo permanece más caliente con una contracción más lenta.tensión de tracción, y el núcleo se comprime por la superficie, generandotensión de compresión.
Las tasas de enfriamiento más rápidas (por ejemplo, el enfriamiento) crean gradientes de temperatura más grandes, intensificando el estrés térmico.
Durante las transformaciones de fase en estado sólido (por ejemplo, austenita a martensita o perlita), diferentes estructuras tienen volúmenes específicos variables (por ejemplo, la martensita tiene un volumen específico mayor que la austenita).Los cambios de fase asíncronos en toda la pieza de trabajo generan tensiones estructurales:
- Por ejemplo, durante el enfriamiento, la superficie primero sufre una transformación austenita→martensita (expansión de volumen), mientras que el núcleo permanece austenítico.generacióntensión de compresiónCuando el núcleo se expande más tarde durante la transformación de fase, la superficie ya transformada y posiblemente endurecida restringe el núcleo, lo que conduce atensión de tracción en el núcleoytensión de tracción adicional en la superficie.
Las diferencias más grandes en la velocidad y la extensión de la transformación (por ejemplo, la formación de martensita concentrada en la superficie durante la extinción) aumentan la tensión estructural.
- Restricciones externas: La fijación mediante abrazaderas o el contacto con el molde restringe la expansión/contracción libre, agravando la tensión.
- Restricciones internas: Las estructuras complejas de la pieza de trabajo (por ejemplo, ranuras, esquinas afiladas) o la composición desigual del material causan diferencias de propiedades entre regiones, amplificando la concentración de esfuerzo.
Basándose en la etapa de generación y el estado de existencia, la tensión del tratamiento térmico se clasifica en tres tipos:
El estrésDinámicamente presentedurante el calentamiento, retención o enfriamiento, cambiando con la temperatura o la transformación de fase.
- La tensión térmica derivada de los gradientes de temperatura durante el calentamiento;
- Estresamiento estructural instantáneo por cambios de volumen durante las transformaciones de fase de enfriamiento.
Si la tensión transitoria excede la resistencia de rendimiento del material a esa temperatura, se produce una deformación plástica; el exceso de resistencia a la fractura conduce a un agrietamiento inmediato (por ejemplo, grietas de apagado).
El estrésque permanecen en la pieza de trabajodespués del enfriamiento a temperatura ambiente, la tensión residual después de la liberación parcial (por ejemplo, deformación plástica) de la tensión transitoria.
- Las piezas de trabajo apagadas suelen tenertensión de compresión residualen la superficie (debido a la expansión de martensita limitada por el núcleo) y la posible tensión de tracción residual en el núcleo;
- El recocido o el templado reducen el estrés residual, pero los procesos inadecuados pueden causar una nueva acumulación de estrés.
- Tensión térmica: Estres de expansión/contracción térmica desigual solamente, no relacionada con la transformación estructural (por ejemplo, en metales puros o aleaciones no transformadoras).
- Estreses estructurales: La tensión de los cambios de volumen durante las transformaciones de fase solamente, sin relación con los gradientes de temperatura (por ejemplo, la tensión de transformación de fase bajo temperatura uniforme ideal).
En la práctica, la tensión térmica y la tensión estructural a menudo coexisten, formando colectivamente la tensión de tratamiento térmico.
El estrés de tratamiento térmico (especialmente el estrés residual) tiene múltiples impactos en el rendimiento, el procesamiento y la aplicación del material, con efectos tanto adversos como beneficiosos cuando se regula.
- Las tensiones residuales que exceden la resistencia de rendimiento del material causandeformación plástica(por ejemplo, flexión, deformación, desviaciones dimensionales);
- Las tensiones residuales excesivas (especialmente las tensiones de tracción superficiales) pueden provocar directamenteel agrietamiento(por ejemplo, "craqueo retrasado" si el templado se retrasa después del apagado).
Ejemplo: el acero de alto contenido de carbono puede agrietarse a lo largo de los bordes de grano si no se templa después de la extinción debido a la tensión de tracción superficial.
- Las tensiones residuales se liberan gradualmente durante el procesamiento o uso posteriores (por ejemplo, corte, soldadura, cambios de temperatura), causandodeformación secundariay que afectan a las piezas de precisión (por ejemplo, rodamientos, moldes).
Ejemplo: La tensión residual no aliviada en los engranajes de precisión puede causar desviaciones del perfil dental después de un uso prolongado debido a la liberación de tensión.
- La tensión de tracción residual reduceresistencia a la fatiga(las grietas se inician fácilmente en los puntos de concentración de tensión bajo carga cíclica);
- El estrés interno excesivo puede aumentarfragilidady reducir la resistencia al impacto.
- La distribución desigual de las tensiones residuales causa deformaciones inconsistentes durante el corte (por ejemplo, deformación de piezas de paredes finas después del mecanizado).
- Las regiones de concentración de estrés pueden desarrollarselas grietas de moliendadurante la molienda o el pulido.
No todo el estrés residual es adverso; los procesos adecuados pueden utilizarlo para mejorar el rendimiento:
- La tensión de compresión residual de la superficie aumentaresistencia a la fatiga(por ejemplo, los engranajes carburizados y apagados con tensión de compresión superficial tienen una vida útil más larga);
- El pretensado (por ejemplo, la retención de la tensión de compresión adecuada en los resortes después del apagado y el templado) mejora la resistencia a la deformación.
Para mitigar los efectos adversos, la generación de estrés debe controlarse mediante la optimización del proceso y el estrés residual debe eliminarse mediante tratamientos posteriores:
- Control de las velocidades de calefacción/enfriamiento: utilizar calentamiento gradual (aumento lento de la temperatura) o enfriamiento gradual (por ejemplo, enfriamiento isotérmico) para reducir los gradientes de temperatura;
- Optimizar la estructura de la pieza de trabajo: Evite las esquinas afiladas o el espesor desigual de la pared para minimizar la concentración de tensión;
- Seleccionar el medio adecuado: utilizar refrigeración con aceite (más lenta que con agua) durante el enfriamiento para reducir la tensión térmica;
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