การอบชุบด้วยความร้อนเป็นกระบวนการที่เปลี่ยนแปลงโครงสร้างภายในของวัสดุโลหะผ่านการให้ความร้อน การคงสภาพ และการทำให้เย็นลงเพื่อให้ได้คุณสมบัติที่ต้องการ ในระหว่างกระบวนการนี้ เนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่ไม่สม่ำเสมอ การเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง และข้อจำกัดภายในวัสดุ ความเครียดจากการอบชุบด้วยความร้อนจึงเกิดขึ้น ซึ่งส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของวัสดุ เสถียรภาพของมิติ และการประมวลผลในภายหลัง
ความเครียดจากการอบชุบด้วยความร้อนหมายถึงความเครียดภายในที่เกิดจากการขยายตัว/หดตัวทางความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอ การเปลี่ยนแปลงปริมาตรที่ไม่ประสานกันในระหว่างการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง และข้อจำกัดภายนอก (เช่น แม่พิมพ์ อุปกรณ์ยึด) หรือข้อจำกัดภายใน (เช่น ความแตกต่างของคุณสมบัติในภูมิภาคต่างๆ) ภายในวัสดุ
สาระสำคัญคือแรงซึ่งกันและกันระหว่างอะตอมหรือเกรนเมื่อการจัดเรียงอะตอมหรือการเปลี่ยนแปลงปริมาตรมหภาคถูกขัดขวาง ซึ่งแสดงออกถึงแนวโน้มไปสู่การเสียรูปยืดหยุ่นหรือพลาสติก
การเกิดความเครียดจากการอบชุบด้วยความร้อนเกี่ยวข้องกับกระบวนการหลักสองประการ:
เมื่อวัสดุถูกให้ความร้อนหรือทำให้เย็นลง การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่ไม่สม่ำเสมอในส่วนต่างๆ ของชิ้นงาน (เช่น พื้นผิวเทียบกับแกนกลาง ผนังบางเทียบกับผนังหนา) นำไปสู่การขยายตัวหรือหดตัวของปริมาตรในระดับต่างๆ:
- ระยะการให้ความร้อน: พื้นผิวจะร้อนขึ้นและขยายตัวก่อน ในขณะที่แกนกลางยังคงเย็นกว่าและขยายตัวช้ากว่า พื้นผิวถูกจำกัดโดยแกนกลาง ทำให้เกิด ความเครียดอัด และแกนกลางถูกยืดออกโดยพื้นผิว ทำให้เกิด ความเครียดดึง.
- ระยะการทำให้เย็นลง: พื้นผิวจะเย็นลงและหดตัวก่อน ในขณะที่แกนกลางยังคงร้อนกว่าและหดตัวช้ากว่า พื้นผิวถูกจำกัดโดยแกนกลาง ทำให้เกิด ความเครียดดึง และแกนกลางถูกอัดโดยพื้นผิว ทำให้เกิด ความเครียดอัด.
อัตราการทำให้เย็นลงที่เร็วขึ้น (เช่น การชุบแข็ง) จะสร้างเกรเดียนต์อุณหภูมิที่ใหญ่ขึ้น ทำให้ความเครียดจากความร้อนรุนแรงขึ้น
ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงเฟสของแข็ง (เช่น ออสเทนไนต์เป็นมาร์เทนไซต์หรือเพิร์ลไลต์) โครงสร้างที่แตกต่างกันจะมีปริมาตรจำเพาะที่แตกต่างกัน (เช่น มาร์เทนไซต์มีปริมาตรจำเพาะที่ใหญ่กว่าออสเทนไนต์) การเปลี่ยนแปลงเฟสที่ไม่พร้อมกันทั่วทั้งชิ้นงานทำให้เกิดความเครียดจากโครงสร้าง:
- ตัวอย่างเช่น ในระหว่างการชุบแข็ง พื้นผิวจะผ่านการเปลี่ยนแปลงออสเทนไนต์→มาร์เทนไซต์ (การขยายตัวของปริมาตร) ก่อน ในขณะที่แกนกลางยังคงเป็นออสเทนไนต์ การขยายตัวของพื้นผิวถูกจำกัดโดยแกนกลาง ทำให้เกิด ความเครียดอัด เมื่อแกนกลางขยายตัวในภายหลังในระหว่างการเปลี่ยนแปลงเฟส พื้นผิว—ที่เปลี่ยนรูปไปแล้วและอาจแข็งตัวแล้ว—จำกัดแกนกลาง ทำให้เกิด ความเครียดดึงในแกนกลาง และ ความเครียดดึงเพิ่มเติมบนพื้นผิว.
ความแตกต่างที่มากขึ้นในอัตราและขอบเขตของการเปลี่ยนแปลง (เช่น การก่อตัวของมาร์เทนไซต์ที่เข้มข้นบนพื้นผิวในระหว่างการชุบแข็ง) จะเพิ่มความเครียดจากโครงสร้าง
- ข้อจำกัดภายนอก: การยึดด้วยแคลมป์หรือการสัมผัสกับแม่พิมพ์จำกัดการขยายตัว/หดตัวอย่างอิสระ ทำให้ความเครียดรุนแรงขึ้น
- ข้อจำกัดภายใน: โครงสร้างชิ้นงานที่ซับซ้อน (เช่น ร่อง มุมแหลม) หรือองค์ประกอบวัสดุที่ไม่สม่ำเสมอทำให้เกิดความแตกต่างของคุณสมบัติระหว่างภูมิภาค ทำให้ความเข้มข้นของความเครียดเพิ่มขึ้น
ตามขั้นตอนการสร้างและสถานะการมีอยู่ ความเครียดจากการอบชุบด้วยความร้อนแบ่งออกเป็นสามประเภท:
ความเครียด มีอยู่แบบไดนามิก ในระหว่างการให้ความร้อน การคงสภาพ หรือการทำให้เย็นลง เปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิหรือการเปลี่ยนแปลงเฟส ตัวอย่าง ได้แก่:
- ความเครียดจากความร้อนจากเกรเดียนต์อุณหภูมิในระหว่างการให้ความร้อน;
- ความเครียดจากโครงสร้างทันทีจากการเปลี่ยนแปลงปริมาตรในระหว่างการเปลี่ยนแปลงเฟสการทำให้เย็นลง
หากความเครียดชั่วคราวเกินกว่าความแข็งแรงของวัสดุ ณ อุณหภูมินั้น การเสียรูปพลาสติกจะเกิดขึ้น เกินกว่าความแข็งแรงในการแตกหักจะนำไปสู่การแตกร้าวในทันที (เช่น รอยร้าวจากการชุบแข็ง)
ความเครียด ยังคงอยู่ในชิ้นงาน หลังจากทำให้เย็นลงถึงอุณหภูมิห้อง ความเครียดตกค้างหลังจากปล่อยบางส่วน (เช่น การเสียรูปพลาสติก) ของความเครียดชั่วคราว การกระจายตัวขึ้นอยู่กับกระบวนการอบชุบด้วยความร้อน:
- ชิ้นงานที่ผ่านการชุบแข็งมักจะมี ความเครียดอัดตกค้าง บนพื้นผิว (เนื่องจากการขยายตัวของมาร์เทนไซต์ถูกจำกัดโดยแกนกลาง) และอาจมีความเครียดดึงตกค้างในแกนกลาง;
- การอบอ่อนหรือการแบ่งเบาบรรเทาความเครียดตกค้าง แต่กระบวนการที่ไม่เหมาะสมอาจทำให้เกิดการสะสมความเครียดใหม่
- ความเครียดจากความร้อน: ความเครียดจากการขยายตัว/หดตัวทางความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอเพียงอย่างเดียว ไม่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง (เช่น ในโลหะบริสุทธิ์หรือโลหะผสมที่ไม่เปลี่ยนแปลง)
- ความเครียดจากโครงสร้าง: ความเครียดจากการเปลี่ยนแปลงปริมาตรในระหว่างการเปลี่ยนแปลงเฟสเพียงอย่างเดียว ไม่เกี่ยวข้องกับเกรเดียนต์อุณหภูมิ (เช่น ความเครียดจากการเปลี่ยนแปลงเฟสภายใต้อุณหภูมิสม่ำเสมอในอุดมคติ)
ในทางปฏิบัติ ความเครียดจากความร้อนและโครงสร้างมักจะเกิดขึ้นพร้อมกัน โดยรวมกันเป็นความเครียดจากการอบชุบด้วยความร้อน
ความเครียดจากการอบชุบด้วยความร้อน (โดยเฉพาะความเครียดตกค้าง) มีผลกระทบหลายประการต่อประสิทธิภาพของวัสดุ การประมวลผล และการใช้งาน ทั้งผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์และผลกระทบที่เป็นประโยชน์เมื่อมีการควบคุม
- ความเครียดตกค้างที่เกินกว่าความแข็งแรงของวัสดุทำให้เกิด การเสียรูปพลาสติก (เช่น การงอ การบิดเบี้ยว ความเบี่ยงเบนของมิติ);
- ความเครียดตกค้างที่มากเกินไป (โดยเฉพาะความเครียดดึงบนพื้นผิว) อาจนำไปสู่ การแตกร้าว โดยตรง (เช่น "การแตกร้าวที่ล่าช้า" หากมีการแบ่งเบาบรรเทาหลังจากชุบแข็ง)
ตัวอย่าง: เหล็กกล้าคาร์บอนสูงอาจแตกร้าวตามขอบเกรนหากไม่มีการแบ่งเบาบรรเทาหลังจากชุบแข็งเนื่องจากความเครียดดึงบนพื้นผิว
- ความเครียดตกค้างจะถูกปล่อยออกมาอย่างค่อยเป็นค่อยไปในระหว่างการประมวลผลหรือการใช้งานในภายหลัง (เช่น การตัด การเชื่อม การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ) ทำให้เกิด การเสียรูปทุติยภูมิ และส่งผลกระทบต่อชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำ (เช่น ตลับลูกปืน แม่พิมพ์)
ตัวอย่าง: ความเครียดตกค้างที่ไม่ได้รับการบรรเทาในเฟืองที่มีความแม่นยำอาจทำให้เกิดความเบี่ยงเบนของโปรไฟล์ฟันหลังจากใช้งานเป็นเวลานานเนื่องจากการปล่อยความเครียด
- ความเครียดดึงตกค้างช่วยลด ความแข็งแรงเมื่อยล้า (รอยร้าวเริ่มต้นได้ง่ายที่จุดรวมความเครียดภายใต้การรับน้ำหนักแบบวัฏจักร);
- ความเครียดภายในที่มากเกินไปอาจเพิ่ม ความเปราะ และลดความเหนียวในการกระแทก
- การกระจายตัวของความเครียดตกค้างที่ไม่สม่ำเสมอทำให้เกิดการเสียรูปที่ไม่สอดคล้องกันในระหว่างการตัด (เช่น การบิดเบี้ยวของชิ้นส่วนผนังบางหลังจากกลึง);
- บริเวณที่มีความเข้มข้นของความเครียดอาจพัฒนา รอยร้าวจากการเจียร ในระหว่างการเจียรหรือขัดเงา
ความเครียดตกค้างไม่ใช่ทั้งหมดที่ไม่พึงประสงค์ กระบวนการที่เหมาะสมสามารถนำไปใช้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพได้:
- ความเครียดอัดตกค้างบนพื้นผิวช่วยเพิ่ม
ข้อความของคุณจะต้องอยู่ระหว่าง 20-3,000 ตัวอักษร!