Isıl işlem, istenen özellikleri elde etmek için ısıtma, bekletme ve soğutma yoluyla metalik malzemelerin iç yapısını değiştiren bir işlemdir. Bu işlem sırasında, düzensiz sıcaklık değişiklikleri, yapısal dönüşümler ve malzeme içindeki kısıtlamalar nedeniyle, ısıl işlem gerilimioluşur ve bu durum malzemenin performansı, boyutsal kararlılığı ve sonraki işlemleri üzerinde önemli etkiler yaratır.
Isıl işlem gerilimi, malzemenin içindeki düzensiz termal genleşme/büzülme, yapısal dönüşümler sırasında uyumsuz hacim değişiklikleri ve dış kısıtlamalar (örneğin, kalıplar, fikstürler) veya iç kısıtlamalar (örneğin, farklı bölgelerdeki özellik farklılıkları) nedeniyle oluşan iç gerilimi ifade eder.
Bunun özü, atomik düzenlemenin veya makroskopik hacim değişikliklerinin engellenmesi durumunda atomlar veya taneler arasındaki karşılıklı kuvvettir ve elastik veya plastik deformasyon eğilimi olarak kendini gösterir.
Isıl işlem geriliminin oluşumu öncelikle iki temel işlemle ilgilidir:
Malzemeler ısıtıldığında veya soğutulduğunda, iş parçasının farklı bölgelerindeki (örneğin, yüzey ve çekirdek, ince ve kalın duvarlar) düzensiz sıcaklık değişiklikleri, farklı derecelerde hacim genleşmesine veya büzülmesine yol açar:
- Isıtma aşaması: Yüzey önce ısınır ve genleşir, çekirdek ise daha soğuk kalır ve daha yavaş genleşir. Yüzey, çekirdek tarafından kısıtlanır ve basınç gerilimioluşturur ve çekirdek, yüzey tarafından gerilir ve çekme gerilimioluşmasına yol açar.
- Soğutma aşaması: Yüzey önce soğur ve büzülür, çekirdek ise daha sıcak kalır ve daha yavaş büzülür. Yüzey, çekirdek tarafından kısıtlanır ve çekme gerilimioluşturur ve çekirdek, yüzey tarafından sıkıştırılır ve basınç gerilimioluşmasına yol açar.
Daha hızlı soğuma oranları (örneğin, su verme), daha büyük sıcaklık gradyanları oluşturarak termal gerilimi yoğunlaştırır.
Katı hal faz dönüşümleri sırasında (örneğin, östenitten martenzite veya perlite), farklı yapılar farklı özgül hacimlere sahiptir (örneğin, martenzit, östenitten daha büyük bir özgül hacme sahiptir). İş parçası genelinde eşzamansız faz değişiklikleri yapısal gerilim oluşturur:
- Örneğin, su verme sırasında, yüzey önce östenit→martenzit dönüşümünden geçer (hacim genleşmesi), çekirdek ise östenitik kalır. Yüzey genleşmesi, çekirdek tarafından kısıtlanır ve basınç gerilimioluşturur. Çekirdek daha sonra faz dönüşümü sırasında genleştiğinde, zaten dönüşmüş ve muhtemelen sertleşmiş olan yüzey, çekirdeği kısıtlar ve çekirdekte çekme gerilimive yüzeyde ek çekme gerilimioluşmasına yol açar.
Dönüşüm oranındaki ve kapsamındaki daha büyük farklılıklar (örneğin, su verme sırasında yüzeyde yoğunlaşmış martenzit oluşumu) yapısal gerilimi artırır.
- Dış kısıtlamalar: Kelepçelerle sabitleme veya kalıplarla temas, serbest genleşmeyi/büzülmeyi kısıtlayarak gerilimi artırır.
- İç kısıtlamalar: Karmaşık iş parçası yapıları (örneğin, oluklar, keskin köşeler) veya düzensiz malzeme bileşimi, bölgeler arasında özellik farklılıklarına neden olarak gerilim yoğunlaşmasını artırır.
Oluşum aşamasına ve varlık durumuna göre, ısıl işlem gerilimi üç türe ayrılır:
Soğuduktan sonra dinamik olarak mevcut olan, sıcaklık veya faz dönüşümü ile değişen gerilim. Örnekler şunlardır:
- Isıtma sırasında sıcaklık gradyanlarından kaynaklanan termal gerilim;
- Soğutma fazı dönüşümleri sırasında hacim değişikliklerinden kaynaklanan anlık yapısal gerilim.
Geçici gerilim, o sıcaklıktaki malzemenin akma dayanımını aşarsa, plastik deformasyon meydana gelir; kırılma dayanımını aşmak ise anında çatlamaya yol açar (örneğin, su verme çatlakları).
Soğuduktan sonra iş parçasında kalan gerilim, geçici gerilimin kısmi olarak serbest bırakılmasından (örneğin, plastik deformasyon) sonraki kalıntı gerilim. Dağılımı, ısıl işlem süreçlerine bağlıdır:
- Su verilmiş iş parçaları tipik olarak yüzeyde kalıntı basınç gerilimi(çekirdek tarafından kısıtlanan martenzit genleşmesi nedeniyle) ve çekirdekte olası kalıntı çekme gerilimi içerir;
- Tavlama veya menevişleme, kalıntı gerilimi azaltır, ancak uygunsuz işlemler yeni gerilim birikmesine neden olabilir.
- Termal gerilim: Yalnızca düzensiz termal genleşme/büzülmeden kaynaklanan, yapısal dönüşümle ilgisi olmayan gerilim (örneğin, saf metallerde veya dönüşmeyen alaşımlarda).
- Yapısal gerilim: Yalnızca faz dönüşümleri sırasında hacim değişikliklerinden kaynaklanan, sıcaklık gradyanlarıyla ilgisi olmayan gerilim (örneğin, ideal homojen sıcaklık altında faz dönüşüm gerilimi).
Uygulamada, termal ve yapısal gerilimler genellikle bir arada bulunur ve topluca ısıl işlem gerilimini oluşturur.
Isıl işlem gerilimi (özellikle kalıntı gerilim), malzemenin performansı, işlenmesi ve uygulaması üzerinde hem olumsuz hem de düzenlendiğinde faydalı etkileri olan çoklu etkilere sahiptir.
- Malzemenin akma dayanımını aşan kalıntı gerilim, plastik deformasyona neden olur (örneğin, bükülme, çarpılma, boyutsal sapmalar);
- Aşırı kalıntı gerilim (özellikle yüzey çekme gerilimi) doğrudan çatlamaya yol açabilir (örneğin, su verme sonrası menevişleme gecikirse "gecikmeli çatlama").
Örnek: Yüksek karbonlu çelik, su verme sonrası menevişlenmezse, yüzey çekme gerilimi nedeniyle tane sınırları boyunca çatlayabilir.
- Kalıntı gerilim, sonraki işleme veya kullanım sırasında (örneğin, kesme, kaynak, sıcaklık değişiklikleri) kademeli olarak serbest kalır ve ikincil deformasyona neden olur ve hassas parçaları (örneğin, rulmanlar, kalıplar) etkiler.
Örnek: Hassas dişlilerdeki giderilmemiş kalıntı gerilim, gerilim salınımı nedeniyle uzun süreli kullanımdan sonra diş profili sapmalarına neden olabilir.
- Kalıntı çekme gerilimi, yorulma dayanımını azaltır (çevrimsel yükleme altında gerilim yoğunlaşma noktalarında kolayca çatlaklar başlar);
- Aşırı iç gerilim, kırılganlığı artırabilir ve darbe tokluğunu azaltabilir.
- Düzensiz kalıntı gerilim dağılımı, kesme sırasında tutarsız deformasyona neden olur (örneğin, işlendikten sonra ince cidarlı parçaların çarpılması);
- Gerilim yoğunlaşma bölgeleri, taşlama veya parlatma sırasında taşlama çatlakları geliştirebilir.
Tüm kalıntı gerilim olumsuz değildir; uygun işlemler performansı iyileştirmek için kullanılabilir:
- Yüzey kalıntı basınç gerilimi, yorulma dayanımını artırır (örneğin, yüzey basınç gerilimine sahip karbürlenmiş ve su verilmiş dişliler daha uzun hizmet ömrüne sahiptir);
- Ön gerilim (örneğin, su verme ve menevişleme sonrası yaylarda uygun basınç gerilimini korumak) deformasyon direncini artırır.
Olumsuz etkileri azaltmak için, gerilim oluşumu süreç optimizasyonu ile kontrol edilmeli ve kalıntı gerilim sonraki işlemlerle ortadan kaldırılmalıdır:
- Isıtma/soğutma oranlarını kontrol edin: Sıcaklık gradyanlarını azaltmak için kademeli ısıtma (yavaş sıcaklık artışı) veya kademeli soğutma (örneğin, izotermal su verme) kullanın;
- İş parçasının yapısını optimize edin: Gerilim yoğunlaşmasını en aza indirmek için keskin köşelerden veya düzensiz duvar kalınlığından kaçının;
- Uygun ortamları seçin: Termal gerilimi azaltmak için su verme sırasında yağ soğutma (sudan daha yavaş) kullanın;
-
Mesajınız 20-3.000 karakter arasında olmalıdır!