Definicja i cel gaszenia
Stal jest podgrzewana do temperatury powyżej punktu krytycznego Ac3 (stal podeutektoidalna) lub Ac1 (stal nadeutektoidalna), utrzymywana w tej temperaturze przez pewien czas w celu całkowitego lub częściowego zaaustenityzowania, a następnie schładzana z prędkością większą niż krytyczna prędkość hartowania. Proces obróbki cieplnej, w którym przechłodzony austenit przekształca się w martenzyt lub bainit dolny, nazywa się hartowaniem.
Celem hartowania jest przekształcenie przechłodzonego austenitu w martenzyt lub bainit, aby uzyskać strukturę martenzytyczną lub bainitową o niższej zawartości węgla. Hartowanie jest następnie łączone z odpuszczaniem w różnych temperaturach, co znacznie poprawia wytrzymałość, twardość i odporność stali. Odporność na zużycie, wytrzymałość zmęczeniową i udarność itp., aby spełnić zróżnicowane wymagania użytkowe różnych części mechanicznych i narzędzi. Hartowanie może być również stosowane w celu spełnienia szczególnych właściwości fizycznych i chemicznych niektórych stali specjalnych, takich jak ferromagnetyzm i odporność na korozję.
Gdy części stalowe są chłodzone w środowisku hartowniczym ze zmianą stanu fizycznego, proces chłodzenia dzieli się na trzy następujące etapy: etap filmu parowego, etap wrzenia i etap konwekcji.
Hartowalność stali
Hartowność i hartowność to dwa wskaźniki charakteryzujące zdolność stali do hartowania. Stanowią one również istotną podstawę doboru i użytkowania materiału.
1. Pojęcia hartowności i hartowności
Hartowność to zdolność stali do osiągnięcia najwyższej możliwej twardości po hartowaniu i utwardzeniu w idealnych warunkach. Głównym czynnikiem decydującym o hartowności stali jest zawartość węgla w stali. Dokładniej, jest to zawartość węgla rozpuszczonego w austenicie podczas hartowania i nagrzewania. Im wyższa zawartość węgla, tym wyższa hartowność stali. Składniki stopowe w stali mają niewielki wpływ na hartowność, ale mają znaczący wpływ na hartowność stali.
Hartowność odnosi się do właściwości, które determinują głębokość hartowania i rozkład twardości stali w określonych warunkach. Innymi słowy, zdolność do uzyskania odpowiedniej głębokości warstwy hartowanej po hartowaniu stali. Jest to nieodłączna właściwość stali. Hartowność odzwierciedla w rzeczywistości łatwość, z jaką austenit przekształca się w martenzyt podczas hartowania stali. Jest ona związana głównie ze stabilnością przechłodzonego austenitu w stali lub z krytyczną szybkością chłodzenia stali.
Należy również podkreślić, że hartowność stali należy odróżnić od efektywnej głębokości hartowania części stalowych w określonych warunkach hartowania. Hartowność stali jest nieodłączną właściwością samej stali. Zależy ona jedynie od jej własnych czynników wewnętrznych i nie ma nic wspólnego z czynnikami zewnętrznymi. Efektywna głębokość hartowania stali zależy nie tylko od hartowności stali, ale również od użytego materiału. Jest ona związana z czynnikami zewnętrznymi, takimi jak medium chłodzące i rozmiar przedmiotu obrabianego. Na przykład, w tych samych warunkach austenityzacji, hartowność tej samej stali jest taka sama, ale efektywna głębokość hartowania po hartowaniu w wodzie jest większa niż po hartowaniu w oleju, a małe części są mniejsze niż po hartowaniu w oleju. Efektywna głębokość hartowania dużych części jest duża. Nie można zatem powiedzieć, że hartowanie w wodzie ma wyższą hartowność niż hartowanie w oleju. Nie można również powiedzieć, że małe części mają wyższą hartowność niż duże części. Jak widać, aby ocenić hartowność stali, konieczne jest wyeliminowanie wpływu czynników zewnętrznych, takich jak kształt i rozmiar przedmiotu obrabianego, medium chłodzące itp.
Ponadto, ponieważ hartowność i hartowność to dwa różne pojęcia, stal o dużej twardości po zahartowaniu niekoniecznie musi mieć dużą hartowność; z kolei stal o małej twardości może również mieć dużą hartowność.
2. Czynniki wpływające na hartowność
Hartowność stali zależy od stabilności austenitu. Każdy czynnik, który może poprawić stabilność przechłodzonego austenitu, przesunąć krzywą C w prawo, a tym samym zmniejszyć krytyczną szybkość chłodzenia, może poprawić hartowność stali wysokotemperaturowej. Stabilność austenitu zależy głównie od jego składu chemicznego, wielkości ziarna i jednorodności składu, które są związane ze składem chemicznym stali i warunkami nagrzewania.
3.Metoda pomiaru hartowności
Istnieje wiele metod pomiaru hartowności stali. Do najczęściej stosowanych należą metoda pomiaru średnicy krytycznej i metoda badania hartowności czołowej.
(1)Metoda pomiaru średnicy krytycznej
Po hartowaniu stali w określonym środowisku, maksymalna średnica, przy której rdzeń uzyskuje strukturę całkowicie martenzytyczną lub 50% martenzytu, nazywana jest średnicą krytyczną, reprezentowaną przez Dc. Metoda pomiaru średnicy krytycznej polega na wykonaniu serii okrągłych prętów o różnych średnicach, a następnie po hartowaniu zmierzeniu krzywej twardości U rozłożonej wzdłuż średnicy na każdym przekroju próbki i znalezieniu pręta ze strukturą półmartenzytyczną w środku. Średnica okrągłego pręta to średnica krytyczna. Im większa średnica krytyczna, tym wyższa hartowność stali.
(2) Metoda badania gaszenia końcowego
Metoda badania hartowania czołowego wykorzystuje próbkę hartowaną czołowo o standardowych wymiarach (Ф25 mm × 100 mm). Po austenityzacji, jeden koniec próbki jest chłodzony wodą za pomocą specjalnego urządzenia. Po schłodzeniu mierzona jest twardość wzdłuż osi – od końca chłodzonego wodą. Metoda badania krzywej zależności odległości. Metoda badania hartowania czołowego jest jedną z metod określania hartowności stali. Jej zaletami są prostota obsługi i szeroki zakres zastosowania.
4. Naprężenia hartownicze, odkształcenia i pęknięcia
(1) Naprężenia wewnętrzne przedmiotu obrabianego podczas hartowania
Gdy przedmiot obrabiany jest szybko chłodzony w medium hartowniczym, ponieważ przedmiot obrabiany ma określoną wielkość, a współczynnik przewodnictwa cieplnego również ma określoną wartość, wystąpi pewien gradient temperatury wzdłuż wewnętrznej części przedmiotu obrabianego podczas procesu chłodzenia. Temperatura powierzchni jest niska, temperatura rdzenia jest wysoka, a temperatury powierzchni i rdzenia są wysokie. Występuje różnica temperatur. Podczas procesu chłodzenia przedmiotu obrabianego zachodzą również dwa zjawiska fizyczne: jedno to rozszerzalność cieplna, gdy temperatura spada, długość linii przedmiotu obrabianego się kurczy; drugie to przemiana austenitu w martenzyt, gdy temperatura spada do punktu przemiany martenzytycznej, co powoduje wzrost objętości właściwej. Ze względu na różnicę temperatur podczas procesu chłodzenia, wielkość rozszerzalności cieplnej będzie różna w różnych częściach przekroju przedmiotu obrabianego, a naprężenia wewnętrzne będą generowane w różnych częściach przedmiotu obrabianego. Ze względu na występowanie różnic temperatur wewnątrz przedmiotu obrabianego mogą również występować części, w których temperatura spada szybciej niż punkt, w którym występuje martenzyt. Podczas transformacji objętość się rozszerza, a części o wysokiej temperaturze nadal znajdują się powyżej punktu i nadal znajdują się w stanie austenitycznym. Te różne części również generują naprężenia wewnętrzne z powodu różnic w zmianach objętości właściwej. Dlatego podczas procesu hartowania i chłodzenia mogą powstawać dwa rodzaje naprężeń wewnętrznych: jedno to naprężenie termiczne, a drugie to naprężenie tkankowe.
Ze względu na charakterystykę czasową naprężenia wewnętrznego, można je również podzielić na naprężenie chwilowe i naprężenie szczątkowe. Naprężenie wewnętrzne generowane przez przedmiot obrabiany w określonym momencie podczas procesu chłodzenia nazywane jest naprężeniem chwilowym; po schłodzeniu przedmiotu obrabianego naprężenie pozostające wewnątrz przedmiotu obrabianego nazywane jest naprężeniem szczątkowym.
Naprężenie cieplne odnosi się do naprężenia wywołanego nierównomierną rozszerzalnością cieplną (lub kurczeniem się na zimno) ze względu na różnice temperatur w różnych częściach przedmiotu obrabianego podczas jego ogrzewania (lub chłodzenia).
Weźmy teraz pełny cylinder jako przykład, aby zilustrować zasady powstawania i zmiany naprężeń wewnętrznych podczas procesu chłodzenia. Omówiono tu tylko naprężenia osiowe. Na początku chłodzenia, ze względu na szybkie stygnięcie powierzchni, temperatura jest niska i następuje znaczny skurcz, podczas gdy rdzeń jest chłodzony, temperatura jest wysoka, a skurcz niewielki. W rezultacie powierzchnia i wnętrze są wzajemnie unieruchomione, co powoduje naprężenia rozciągające na powierzchni, podczas gdy rdzeń jest pod ciśnieniem. W miarę postępu chłodzenia różnica temperatur między wnętrzem a otoczeniem rośnie, a naprężenia wewnętrzne również odpowiednio rosną. Gdy naprężenia rosną do wartości przekraczającej granicę plastyczności w tej temperaturze, następuje odkształcenie plastyczne. Ponieważ grubość rdzenia jest większa niż grubość powierzchni, zawsze najpierw kurczy się on osiowo. W wyniku odkształcenia plastycznego naprężenia wewnętrzne przestają rosnąć. Po schłodzeniu do określonego czasu spadek temperatury powierzchni stopniowo zwalnia, a skurcz również stopniowo maleje. W tym czasie rdzeń nadal się kurczy, więc naprężenia rozciągające na powierzchni i ściskające na rdzeniu będą stopniowo maleć, aż do zaniku. Jednak w miarę postępu chłodzenia wilgotność powierzchni staje się coraz niższa, a skurcz staje się coraz mniejszy, a nawet przestaje się kurczyć. Ponieważ temperatura w rdzeniu jest nadal wysoka, będzie on nadal się kurczył, a ostatecznie na powierzchni przedmiotu obrabianego powstaną naprężenia ściskające, podczas gdy rdzeń będzie miał naprężenia rozciągające. Jednak ponieważ temperatura jest niska, odkształcenie plastyczne nie jest łatwe, więc naprężenie to będzie rosło w miarę postępu chłodzenia. Nadal rośnie i ostatecznie pozostaje wewnątrz przedmiotu obrabianego jako naprężenie szczątkowe.
Można zauważyć, że naprężenia cieplne występujące podczas procesu chłodzenia początkowo powodują rozciąganie warstwy powierzchniowej i ściskanie rdzenia, a pozostałe naprężenia szczątkowe powodują ściskanie warstwy powierzchniowej i rozciąganie rdzenia.
Podsumowując, naprężenia cieplne powstające podczas chłodzenia hartowniczego są spowodowane różnicą temperatur w przekroju poprzecznym podczas procesu chłodzenia. Im większa szybkość chłodzenia i im większa różnica temperatur w przekroju poprzecznym, tym większe powstające naprężenia cieplne. Przy tych samych warunkach chłodzenia, im wyższa temperatura nagrzewania przedmiotu obrabianego, tym większy jego rozmiar, mniejsza przewodność cieplna stali, większa różnica temperatur wewnątrz przedmiotu obrabianego i tym większe naprężenia cieplne. Nierównomierne chłodzenie przedmiotu obrabianego w wysokiej temperaturze spowoduje jego odkształcenie i deformację. Jeśli chwilowe naprężenie rozciągające powstające podczas chłodzenia przedmiotu obrabianego jest większe niż wytrzymałość materiału na rozciąganie, powstaną pęknięcia hartownicze.
Naprężenie wywołane przemianą fazową odnosi się do naprężenia wywołanego różnym czasem przemiany fazowej w różnych częściach przedmiotu obrabianego podczas procesu obróbki cieplnej, znanego również jako naprężenie tkankowe.
Podczas hartowania i szybkiego chłodzenia, gdy warstwa powierzchniowa jest chłodzona do punktu Ms, zachodzi przemiana martenzytyczna i powoduje zwiększenie objętości. Jednakże, ze względu na przeszkodę w rdzeniu, który nie uległ jeszcze przemianie, warstwa powierzchniowa generuje naprężenia ściskające, podczas gdy rdzeń ma naprężenia rozciągające. Gdy naprężenie jest wystarczająco duże, spowoduje ono odkształcenie. Gdy rdzeń zostanie schłodzony do punktu Ms, również ulegnie przemianie martenzytycznej i zwiększy swoją objętość. Jednakże, ze względu na ograniczenia przekształconej warstwy powierzchniowej o niskiej plastyczności i wysokiej wytrzymałości, jej końcowe naprężenie szczątkowe będzie miało postać napięcia powierzchniowego, a rdzeń będzie pod ciśnieniem. Można zauważyć, że zmiana i końcowy stan naprężenia przemiany fazowej są dokładnie odwrotne do naprężenia cieplnego. Ponadto, ponieważ naprężenie przemiany fazowej występuje w niskich temperaturach przy niskiej plastyczności, odkształcenie jest w tym czasie trudne, więc naprężenie przemiany fazowej z większym prawdopodobieństwem spowoduje pęknięcie przedmiotu obrabianego.
Istnieje wiele czynników wpływających na wielkość naprężenia przemiany fazowej. Im szybsza szybkość chłodzenia stali w zakresie temperatur przemiany martenzytycznej, tym większy rozmiar kawałka stali, gorsza przewodność cieplna stali, im większa objętość martenzytu, tym większe naprężenie przemiany fazowej. Tym większe się staje. Ponadto naprężenie przemiany fazowej jest również związane ze składem stali i jej hartownością. Na przykład, stal wysokowęglowa wysokostopowa zwiększa objętość martenzytu ze względu na wysoką zawartość węgla, co powinno zwiększyć naprężenie przemiany fazowej stali. Jednak wraz ze wzrostem zawartości węgla punkt Ms maleje, a po hartowaniu występuje duża ilość austenitu szczątkowego. Jego rozszerzalność objętościowa maleje, a naprężenia szczątkowe są niskie.
(2) Odkształcenie przedmiotu obrabianego podczas hartowania
Podczas hartowania występują dwa główne rodzaje odkształceń przedmiotu obrabianego: jeden to zmiana kształtu geometrycznego przedmiotu obrabianego, która objawia się zmianami wielkości i kształtu, często nazywana odkształceniem wypaczającym, spowodowana naprężeniem hartowniczym; drugi to odkształcenie objętościowe, które objawia się proporcjonalnym rozszerzaniem się lub kurczeniem objętości przedmiotu obrabianego, spowodowanym zmianą objętości właściwej podczas zmiany fazy.
Odkształcenie deformacyjne obejmuje również odkształcenie kształtu i odkształcenie skręcające. Odkształcenie skręcające jest spowodowane głównie niewłaściwym umieszczeniem przedmiotu obrabianego w piecu podczas nagrzewania, brakiem obróbki kształtującej po korekcie odkształcenia przed hartowaniem lub nierównomiernym chłodzeniem różnych części przedmiotu obrabianego podczas jego schładzania. To odkształcenie można analizować i rozwiązywać w konkretnych sytuacjach. Poniżej omówiono głównie odkształcenie objętościowe i odkształcenie kształtu.
1) Przyczyny odkształceń hartowniczych i ich zmienne zasady
Odkształcenie objętościowe spowodowane transformacją strukturalną. Stan strukturalny przedmiotu obrabianego przed hartowaniem to zazwyczaj perlit, czyli mieszana struktura ferrytu i cementytu, a po hartowaniu struktura martenzytyczna. Różne objętości właściwe tych tkanek powodują zmiany objętości przed i po hartowaniu, co prowadzi do odkształcenia. Jednakże odkształcenie to powoduje jedynie proporcjonalne rozszerzanie i kurczenie się przedmiotu obrabianego, a zatem nie zmienia jego kształtu.
Ponadto, im więcej martenzytu w strukturze po obróbce cieplnej lub im wyższa zawartość węgla w martenzycie, tym większa jest jego rozszerzalność objętościowa, a im większa ilość austenitu szczątkowego, tym mniejsza rozszerzalność objętościowa. Dlatego zmianę objętości można kontrolować poprzez kontrolowanie względnej zawartości martenzytu i martenzytu resztkowego podczas obróbki cieplnej. Przy odpowiedniej kontroli, objętość nie będzie się ani zwiększać, ani zmniejszać.
Odkształcenie kształtu spowodowane naprężeniem cieplnym Odkształcenie spowodowane naprężeniem cieplnym występuje w obszarach o wysokiej temperaturze, gdzie granica plastyczności części stalowych jest niska, plastyczność jest wysoka, powierzchnia szybko się chłodzi, a różnica temperatur między wnętrzem a zewnętrzem przedmiotu obrabianego jest największa. W tym momencie chwilowe naprężenie cieplne to powierzchniowe naprężenie rozciągające i naprężenie ściskające w rdzeniu. Ponieważ temperatura rdzenia jest w tym czasie wysoka, granica plastyczności jest znacznie niższa niż powierzchnia, więc objawia się to jako odkształcenie pod działaniem wielokierunkowego naprężenia ściskającego, to znaczy sześcian ma kierunek kulisty. Różnorodność. W rezultacie większy się kurczy, a mniejszy rozszerza. Na przykład długi walec skraca się w kierunku długości i rozszerza w kierunku średnicy.
Odkształcenie kształtu spowodowane naprężeniem tkanki Odkształcenie spowodowane naprężeniem tkanki występuje również we wczesnym momencie, gdy naprężenie tkanki jest maksymalne. W tym czasie różnica temperatur przekroju poprzecznego jest duża, temperatura rdzenia jest wyższa, nadal znajduje się on w stanie austenitu, plastyczność jest dobra, a granica plastyczności jest niska. Chwilowe naprężenie tkanki to powierzchniowe naprężenie ściskające i naprężenie rozciągające rdzenia. Dlatego odkształcenie objawia się wydłużeniem rdzenia pod działaniem wielokierunkowego naprężenia rozciągającego. W rezultacie pod działaniem naprężenia tkanki większa strona przedmiotu obrabianego wydłuża się, a mniejsza strona skraca. Na przykład odkształcenie spowodowane naprężeniem tkanki w długim cylindrze to wydłużenie długości i zmniejszenie średnicy.
Tabela 5.3 przedstawia reguły odkształcania podczas hartowania różnych typowych części stalowych.
2) Czynniki wpływające na odkształcenie podczas hartowania
Czynnikami wpływającymi na odkształcenia po hartowaniu są przede wszystkim skład chemiczny stali, struktura pierwotna, geometria części i proces obróbki cieplnej.
3) Gaszenie pęknięć
Pęknięcia w elementach występują głównie w późnej fazie hartowania i chłodzenia, czyli po zakończeniu przemiany martenzytycznej lub po całkowitym schłodzeniu. W tym przypadku dochodzi do kruchego pęknięcia, ponieważ naprężenia rozciągające w elementach przekraczają wytrzymałość stali na pękanie. Pęknięcia są zazwyczaj prostopadłe do kierunku maksymalnego odkształcenia rozciągającego, dlatego różne formy pęknięć w elementach zależą głównie od rozkładu naprężeń.
Typowe rodzaje pęknięć hartowniczych: Pęknięcia podłużne (osiowe) powstają głównie wtedy, gdy styczne naprężenie rozciągające przekracza wytrzymałość na zerwanie materiału; pęknięcia poprzeczne powstają, gdy duże osiowe naprężenie rozciągające powstające na wewnętrznej powierzchni elementu przekracza wytrzymałość na zerwanie materiału. Pęknięcia; pęknięcia sieciowe powstają pod wpływem dwuwymiarowego naprężenia rozciągającego na powierzchnię; pęknięcia odpryskowe występują w bardzo cienkiej utwardzonej warstwie, co może wystąpić przy gwałtownej zmianie naprężenia i nadmiernym naprężeniu rozciągającym działającym w kierunku promieniowym. Rodzaj pęknięcia.
Pęknięcia podłużne nazywane są również pęknięciami osiowymi. Pęknięcia występują przy maksymalnym naprężeniu rozciągającym w pobliżu powierzchni elementu i mają określoną głębokość w kierunku środka. Kierunek pęknięć jest zazwyczaj równoległy do osi, ale może się również zmienić w przypadku koncentracji naprężeń w elemencie lub w przypadku wewnętrznych defektów strukturalnych.
Po całkowitym zahartowaniu przedmiotu obrabianego, istnieje podatność na powstawanie pęknięć wzdłużnych. Jest to związane z dużym stycznym naprężeniem rozciągającym na powierzchni zahartowanego przedmiotu. Wraz ze wzrostem zawartości węgla w stali, wzrasta skłonność do tworzenia pęknięć wzdłużnych. Stal niskowęglowa charakteryzuje się małą objętością właściwą martenzytu i silnym naprężeniem cieplnym. Na powierzchni występują duże szczątkowe naprężenia ściskające, dlatego hartowanie jest trudne. Wraz ze wzrostem zawartości węgla, powierzchniowe naprężenie ściskające maleje, a naprężenia strukturalne rosną. Jednocześnie szczytowe naprężenie rozciągające przesuwa się w kierunku warstwy powierzchniowej. Dlatego stal wysokowęglowa jest podatna na pęknięcia wzdłużne podczas przegrzania.
Rozmiar części bezpośrednio wpływa na wielkość i rozkład naprężeń szczątkowych, a także na ich tendencję do pękania hartowniczego. Pęknięcia podłużne łatwo tworzą się również podczas hartowania w niebezpiecznym zakresie wielkości przekroju poprzecznego. Ponadto, zatkanie surowców stalowych często powoduje pęknięcia podłużne. Ponieważ większość części stalowych jest wytwarzana metodą walcowania, wtrącenia niemetaliczne, węgliki itp. w stali są rozmieszczone wzdłuż kierunku odkształcenia, co powoduje anizotropię stali. Na przykład, jeśli stal narzędziowa ma strukturę pasmową, jej wytrzymałość na pękanie poprzeczne po hartowaniu jest o 30% do 50% mniejsza niż wytrzymałość na pękanie wzdłużne. Jeśli w stali występują czynniki, takie jak wtrącenia niemetaliczne, które powodują koncentrację naprężeń, nawet jeśli naprężenie styczne jest większe niż naprężenie osiowe, pęknięcia podłużne łatwo tworzą się w warunkach niskiego naprężenia. Z tego powodu ścisła kontrola poziomu wtrąceń niemetalicznych i węglików w stali jest ważnym czynnikiem zapobiegającym pęknięciom hartowniczym.
Charakterystyka rozkładu naprężeń wewnętrznych pęknięć poprzecznych i łukowych jest następująca: powierzchnia poddawana jest naprężeniom ściskającym. Po odsunięciu się od powierzchni na pewien dystans naprężenie ściskające zmienia się w duże naprężenie rozciągające. Pęknięcie występuje w obszarze naprężenia rozciągającego, a następnie, gdy naprężenie wewnętrzne rozprzestrzenia się na powierzchnię elementu, następuje jego redystrybucja lub dalszy wzrost kruchości stali.
Pęknięcia poprzeczne często występują w dużych częściach wału, takich jak rolki, wirniki turbin lub inne części wału. Charakterystyka pęknięć polega na tym, że są prostopadłe do kierunku osi i pękają od wewnątrz na zewnątrz. Często powstają przed zahartowaniem i są spowodowane naprężeniem cieplnym. Duże odkuwki często mają wady metalurgiczne, takie jak pory, wtrącenia, pęknięcia kuźnicze i białe plamy. Wady te służą jako punkt wyjścia pękania i pęknięcia pod działaniem osiowego naprężenia rozciągającego. Pęknięcia łukowe są spowodowane naprężeniem cieplnym i zwykle rozkładają się w kształcie łuku w częściach, w których kształt części ulega zmianie. Występują głównie wewnątrz przedmiotu obrabianego lub w pobliżu ostrych krawędzi, rowków i otworów i rozkładają się w kształcie łuku. Gdy części ze stali wysokowęglowej o średnicy lub grubości 80 do 100 mm lub więcej nie są hartowane, powierzchnia będzie wykazywać naprężenie ściskające, a środek będzie wykazywać naprężenie rozciągające. Naprężenie, maksymalne naprężenie rozciągające występuje w strefie przejściowej między warstwą utwardzoną a nieutwardzoną, a w tych obszarach powstają pęknięcia łukowe. Dodatkowo, szybkość chłodzenia na ostrych krawędziach i narożnikach jest duża i wszystkie elementy są hartowane. Podczas przechodzenia do części o delikatnej strukturze, czyli do obszaru nieutwardzonego, pojawia się tutaj strefa maksymalnego naprężenia rozciągającego, co sprzyja powstawaniu pęknięć łukowych. Szybkość chłodzenia w pobliżu otworu sworzniowego, rowka lub otworu środkowego przedmiotu obrabianego jest niska, odpowiadająca jej warstwa utwardzona jest cienka, a naprężenie rozciągające w pobliżu utwardzonej strefy przejściowej może łatwo powodować pęknięcia łukowe.
Pęknięcia siatkowe, znane również jako pęknięcia powierzchniowe, to pęknięcia powierzchniowe. Głębokość pęknięcia jest niewielka, zazwyczaj około 0,01–1,5 mm. Główną cechą tego rodzaju pęknięć jest to, że ich dowolny kierunek nie ma związku z kształtem elementu. Wiele pęknięć jest połączonych ze sobą, tworząc sieć i jest szeroko rozłożonych. Gdy głębokość pęknięcia jest większa, np. powyżej 1 mm, cechy sieci zanikają i stają się pęknięciami o losowej orientacji lub rozłożonymi wzdłużnie. Pęknięcia sieciowe są związane ze stanem dwuwymiarowego naprężenia rozciągającego na powierzchni.
Części ze stali wysokowęglowej lub nawęglanej z warstwą odwęgloną na powierzchni są podatne na powstawanie pęknięć sieciowych podczas hartowania. Dzieje się tak, ponieważ warstwa powierzchniowa ma niższą zawartość węgla i mniejszą objętość właściwą niż wewnętrzna warstwa martenzytu. Podczas hartowania warstwa powierzchniowa węglika jest poddawana naprężeniom rozciągającym. Części, których warstwa odfosforyzowana nie została całkowicie usunięta podczas obróbki mechanicznej, również będą tworzyć pęknięcia sieciowe podczas hartowania powierzchniowego prądami o wysokiej częstotliwości lub płomieniem. Aby uniknąć takich pęknięć, należy ściśle kontrolować jakość powierzchni części i zapobiegać spawaniu utleniającemu podczas obróbki cieplnej. Ponadto, po pewnym czasie użytkowania matrycy kuźniczej, pęknięcia zmęczeniowe cieplne, które pojawiają się w paskach lub sieciach wnęki, a także pęknięcia w procesie szlifowania zahartowanych części, należą do tej formy.
Pęknięcia łuszczące występują w bardzo wąskim obszarze warstwy powierzchniowej. Naprężenia ściskające działają w kierunku osiowym i stycznym, a naprężenia rozciągające w kierunku promieniowym. Pęknięcia są równoległe do powierzchni elementu. Odrywanie się warstwy zahartowanej po ochłodzeniu powierzchni i nawęglaniu należy do tego typu pęknięć. Jego występowanie jest związane z nierównomierną strukturą warstwy zahartowanej. Na przykład, po schłodzeniu stali stopowej nawęglonej z określoną prędkością, struktura warstwy nawęglonej przedstawia się następująco: warstwa zewnętrzna składa się z bardzo drobnego perlitu + węglika, a podwarstwa to martenzyt + austenit resztkowy, warstwa wewnętrzna to drobnoziarnisty perlit lub bardzo drobnoziarnista struktura perlitu. Ponieważ objętość właściwa formowania podwarstwy martenzytu jest największa, wynikiem rozszerzalności objętości jest to, że naprężenia ściskające działają na warstwę powierzchniową w kierunkach osiowym i stycznym, a naprężenia rozciągające występują w kierunku promieniowym, a mutacja naprężeń zachodzi do wewnątrz, przechodząc w stan naprężenia ściskającego, a pęknięcia łuszczące się występują w ekstremalnie cienkich obszarach, w których naprężenia zmieniają się gwałtownie. Ogólnie rzecz biorąc, pęknięcia czają się wewnątrz, równolegle do powierzchni, a w poważnych przypadkach mogą powodować łuszczenie się powierzchni. Jeśli szybkość chłodzenia nawęglanych części zostanie przyspieszona lub zmniejszona, w nawęglonej warstwie można uzyskać jednorodną strukturę martenzytu lub ultradrobną strukturę perlitu, co może zapobiec występowaniu takich pęknięć. Ponadto, podczas hartowania powierzchni wysoką częstotliwością lub płomieniem, powierzchnia jest często przegrzewana, a niejednorodność strukturalna wzdłuż utwardzonej warstwy może łatwo tworzyć takie pęknięcia powierzchniowe.
Mikropęknięcia różnią się od czterech wcześniej wymienionych pęknięć tym, że powstają pod wpływem mikronaprężeń. Pęknięcia międzykrystaliczne, które pojawiają się po hartowaniu, przegrzaniu i szlifowaniu wysokowęglowej stali narzędziowej lub nawęglanych elementów, a także pęknięcia powstałe w wyniku nieterminowego odpuszczania zahartowanych elementów, są związane z istnieniem i późniejszym rozszerzaniem się mikropęknięć w stali.
Mikropęknięcia należy badać pod mikroskopem. Zazwyczaj występują one na granicach ziaren austenitu lub na styku warstw martenzytu. Niektóre pęknięcia wnikają w warstwy martenzytu. Badania pokazują, że mikropęknięcia występują częściej w płatkowatym martenzycie bliźniaczym. Powodem jest to, że płatkowaty martenzyt zderza się ze sobą podczas wzrostu z dużą prędkością i generuje wysokie naprężenia. Jednak sam martenzyt bliźniaczy jest kruchy i nie może wytwarzać odkształceń plastycznych, które odprężają naprężenia, co łatwo prowadzi do powstawania mikropęknięć. Ziarna austenitu są grube, a podatność na mikropęknięcia wzrasta. Obecność mikropęknięć w stali znacznie zmniejsza wytrzymałość i plastyczność zahartowanych elementów, co prowadzi do ich przedwczesnego uszkodzenia (pęknięcia).
Aby uniknąć mikropęknięć w elementach ze stali wysokowęglowej, można zastosować takie środki, jak obniżenie temperatury hartowania, uzyskanie drobnej struktury martenzytu oraz zmniejszenie zawartości węgla w martenzycie. Ponadto, terminowe odpuszczanie po hartowaniu jest skuteczną metodą redukcji naprężeń wewnętrznych. Testy dowiodły, że po wystarczającym odpuszczaniu w temperaturze powyżej 200°C, węgliki wydzielone w pęknięciach powodują ich „spawanie”, co może znacznie zmniejszyć ryzyko wystąpienia mikropęknięć.
Powyżej omówiono przyczyny pęknięć i metody ich zapobiegania w oparciu o schemat ich rozkładu. W rzeczywistej produkcji rozkład pęknięć zmienia się ze względu na takie czynniki, jak jakość stali, kształt elementu oraz technologia obróbki cieplnej i na zimno. Czasami pęknięcia istnieją już przed obróbką cieplną i ulegają dalszemu poszerzeniu podczas hartowania; czasami w tym samym elemencie może pojawić się kilka rodzajów pęknięć jednocześnie. W takim przypadku, na podstawie charakterystyki morfologicznej pęknięcia, należy zastosować analizę makroskopową powierzchni przełomu, badania metalograficzne, a w razie potrzeby analizę chemiczną i inne metody, aby przeprowadzić kompleksową analizę, od jakości materiału, struktury organizacyjnej po przyczyny naprężeń w obróbce cieplnej, w celu znalezienia pęknięcia. Należy zidentyfikować główne przyczyny, a następnie określić skuteczne środki zapobiegawcze.
Analiza pęknięć jest ważną metodą analizy przyczyn powstawania pęknięć. Każde pęknięcie ma swój punkt początkowy. Pęknięcia hartownicze zazwyczaj zaczynają się w punkcie zbieżności pęknięć promieniowych.
Jeśli źródło pęknięcia znajduje się na powierzchni elementu, oznacza to, że pęknięcie jest spowodowane nadmiernym naprężeniem rozciągającym na powierzchni. Jeśli na powierzchni nie występują wady strukturalne, takie jak wtrącenia, ale występują czynniki powodujące koncentrację naprężeń, takie jak wyraźne ślady po nożach, zgorzelina tlenkowa, ostre narożniki elementów stalowych lub mutacje strukturalne, mogą wystąpić pęknięcia.
Jeśli pęknięcie ma swoje źródło wewnątrz elementu, jest ono związane z defektami materiału lub nadmiernym wewnętrznym naprężeniem rozciągającym. Powierzchnia pęknięcia po normalnym hartowaniu jest szara i drobnoziarnista. Jeśli powierzchnia pęknięcia jest ciemnoszara i szorstka, jest to spowodowane przegrzaniem lub gruba tkanka pierwotna.
Ogólnie rzecz biorąc, na szklanej części pęknięcia po hartowaniu nie powinno być śladów utlenienia, a wokół pęknięcia nie powinno być śladów odwęglenia. Jeśli wokół pęknięcia występuje odwęglenie lub utlenienie, oznacza to, że element miał już pęknięcia przed hartowaniem, a pierwotne pęknięcia ulegną rozszerzeniu pod wpływem naprężeń podczas obróbki cieplnej. Jeśli w pobliżu pęknięć elementu widoczne są wydzielone węgliki i wtrącenia, oznacza to, że pęknięcia są związane z silną wydzieleniem węglików w surowcu lub obecnością wtrąceń. Jeśli pęknięcia pojawiają się tylko na ostrych narożnikach lub w miejscach o zmienionym kształcie, bez powyższego zjawiska, oznacza to, że pęknięcie jest spowodowane nierozsądną konstrukcją elementu lub niewłaściwymi środkami zapobiegawczymi pęknięciom, bądź nadmiernymi naprężeniami podczas obróbki cieplnej.
Ponadto pęknięcia w elementach poddanych obróbce cieplno-chemicznej i hartowaniu powierzchniowemu pojawiają się najczęściej w pobliżu warstwy utwardzonej. Poprawa struktury warstwy utwardzonej i redukcja naprężeń podczas obróbki cieplnej to istotne sposoby uniknięcia pęknięć powierzchniowych.
Czas publikacji: 22 maja 2024 r.