Напруга та вплив термічної обробки сталі в трубчастій печі

Залишкова сила термічної обробки стосується напруги, яка залишається після термічної обробки заготовки, яка має значний вплив на форму, розмір і продуктивність заготовки. Коли він перевищує межу текучості матеріалу, це викликає деформацію заготовки, а коли він перевищує межу міцності матеріалу, це може спричинити розтріскування заготовки. Це шкідливий аспект, який слід зменшити та усунути. Однак за певних умов контроль розподілу напруги, щоб зробити його розумним, може покращити механічні властивості та термін служби деталі, перетворивши шкоду на користь. Аналізуючи закон розподілу та зміни напруги в сталі під час процесу термічної обробки, розумний розподіл має глибоке практичне значення для підвищення якості продукції. Так, широку увагу привернула проблема раціонального розподілу залишкової напруги стиску на поверхневий шар і її вплив на довговічність деталей.
Чим вище швидкість охолодження, тим вищий вміст вуглецю та склад сплаву, а також тим більша нерівномірна пластична деформація, що виникає під час термічної напруги під час процесу охолодження, що призводить до більшої залишкової напруги. З іншого боку, через структурні зміни під час термічної обробки сталі, тобто коли аустеніт перетворюється на мартенсит, збільшення питомого об’єму буде супроводжувати розширення об’єму заготовки, і кожна частина заготовки піддаватиметься фазі послідовне перетворення, що призводить до непослідовного зростання об’єму та створення структурної напруги. Кінцевим результатом зміни організаційної напруги є напруга розтягування на поверхні та напруга стиснення на серцевині, що прямо протилежне термічному напрузі. Величина структурної напруги пов'язана зі швидкістю охолодження і формою заготовки в зоні мартенситного перетворення, хімічним складом матеріалу та іншими факторами.
Під час процесу нагрівання та охолодження заготовки через невідповідність швидкості та часу охолодження між поверхнею та серцевиною утворюється різниця температур, що призводить до нерівномірного розширення та звуження об’єму та створює напругу. Під дією термічної напруги поверхня починає мати температуру нижчу, ніж ядро, і стиснення також є більшим, ніж ядро, що спричиняє розтягування ядра. Коли охолодження завершується, поверхня стискається, а ядро ​​витягується через неможливість остаточного охолоджувального скорочення об’єму ядра проходити вільно. Під дією термічної напруги поверхня заготовки остаточно стискається, а серцевина витягується. На це явище впливають такі фактори, як швидкість охолодження, склад матеріалу та процес термічної обробки.
Практика довела, що термічне напруження та структурне напруження будуть виникати в будь-якій заготовці під час процесу термічної обробки, якщо відбувається зміна фази. Проте тепловий стрес виникає ще до організаційної трансформації, а організаційний стрес виникає під час процесу організаційної трансформації. Протягом усього процесу охолодження комбінований вплив термічного та організаційного стресу є фактичним стресом, присутнім у заготовці. Комбінований ефект цих двох навантажень є дуже складним і залежить від багатьох факторів, таких як склад, форма, процес термічної обробки тощо. З точки зору процесу розвитку існує лише два типи, а саме термічний стрес і стрес тканини. Коли напрямок дії протилежний, вони компенсуються, а коли напрямок дії однаковий, вони накладаються один на одного. Незалежно від того, чи це взаємне погашення, чи суперпозиція, два напруження повинні мати один домінуючий фактор, і коли домінує термічний напруга, результатом є те, що центр заготовки тягнеться, а поверхня стискається. Коли домінує організаційний стрес, результатом є те, що стиснута поверхня в центрі заготовки знаходиться в напрузі.
Вплив напруги термічної обробки на загартовування тріщин існує у факторах, які можуть спричинити концентрацію напруги в різних частинах загартованої деталі (включаючи металургійні дефекти), які мають стимулюючий вплив на утворення гартових тріщин. Однак він проявляється лише в полі напруги розтягу (особливо при максимальному напруженні розтягу), якщо немає стимулюючого ефекту в полі напруги стиску.
Надійний принцип цього виду сталі, яка може утворювати лише поздовжні тріщини в деталях із високої гартованої сталі, загартованих за нормальних умов, щоб уникнути гартових тріщин, полягає в спробі максимально зменшити неізохронність мартенситного перетворення всередині та зовні секції. Тільки повільного охолодження в зоні мартенситного перетворення недостатньо для запобігання утворенню поздовжніх тріщин. Як правило, дугові тріщини можуть виникнути лише в негартованих частинах. Хоча загальне швидке охолодження є необхідною умовою формування, справжньою причиною його утворення є не швидке охолодження (включаючи зону мартенситного перетворення), а локальне положення загартованої частини (визначене геометричною структурою). Швидкість охолодження у високотемпературній зоні критичної температури значно сповільнюється за відсутності загартування. А поперечні та поздовжні розколи, які виникають у великих негартованих деталях, викликані залишковою напругою розтягування, що складається в основному з термічної напруги, що діє на центр загартованої деталі. У центрі остаточно зміцненої ділянки загартованої деталі спочатку утворюються тріщини, які поширюються зсередини назовні.
Щоб уникнути таких тріщин, часто використовується водно-масляний подвійний рідинний процес гартування. У цьому процесі швидке охолодження у високотемпературній секції використовується лише для того, щоб зовнішній метал отримав мартенситну структуру. З точки зору внутрішньої напруги швидке охолодження шкідливо і марно. По-друге, метою повільного охолодження на пізній стадії охолодження є не зменшення швидкості розширення мартенситного перетворення та значення напруги структури, а мінімізація різниці температур секції та швидкості усадки металу в центрі перерізу, щоб зменшити величину напруги і в кінцевому підсумку запобігти утворенню гартівних тріщин.
Швидкість охолодження при гарту є важливим фактором, який може впливати на якість гарту та визначати залишкову напругу, а також фактором, який може мати важливий або навіть вирішальний вплив на тріщини гарту. Щоб досягти мети загартування, зазвичай необхідно прискорити швидкість охолодження деталей у високотемпературній секції та зробити так, щоб вона перевищувала критичну швидкість охолодження загартування сталі для отримання мартенситної структури. З точки зору залишкової напруги, трубчаста електрична піч може збільшити значення термічного напруження, яке протидіє ефекту структурної напруги, тим самим зменшуючи напругу розтягування на поверхні заготовки та досягаючи мети придушення поздовжніх тріщин. Ефект посилюватиметься з прискоренням швидкості високотемпературного охолодження. Крім того, у випадку загартовування, чим більший розмір поперечного перерізу заготовки, хоча фактична швидкість охолодження нижча, тим більший ризик розтріскування. Все це пов’язано з тим, що термічна напруга цього типу сталі уповільнює фактичну швидкість охолодження зі збільшенням розміру, зменшує термічну напругу та збільшує структурну напругу зі збільшенням розміру. Електрична піч коробчастого типу остаточно формує напругу розтягування, що складається в основному зі структурної напруги, яка діє на поверхню заготовки. І це повністю відрізняється від традиційної концепції, що чим повільніше охолодження, тим менше напруга.
Вплив залишкової напруги стиску на заготовку широко використовується як метод підвищення втомної міцності заготовки шляхом зміцнення поверхні цементацією. З одного боку, це може ефективно підвищити міцність і твердість поверхні заготовки, покращити зносостійкість заготовки, а з іншого боку, цементація може ефективно покращити розподіл напруги заготовки, отримати велике залишкове напруження стиску в поверхневий шар заготовки, а також покращити втомну міцність заготовки. Якщо після науглерожування проводити ізотермічне гартування, це призведе до збільшення залишкової напруги стиску на поверхневому шарі та подальшого підвищення втомної міцності. Хтось випробував залишкову напругу сталі 35SiMn2MoV після ізотермічного загартування та низькотемпературного відпустки після цементації. Результати наведено в таблиці 1.35: Значення залишкового напруження сталі SiMn2MoV після ізотермічного загартування та низькотемпературного відпуску після цементації
Значення залишкової напруги (кг/мм2)
Нагрівання в соляній бані 880-900 градусів після науглерожування, ізотермічне при 260 градусах протягом 40 хвилин
-65
Після науглерожування нагрійте та загартуйте в соляній ванні 880-900 градусів, ізотермічно при 260 градусах протягом 90 хвилин
-18
Після науглерожування нагрійте в соляній ванні при 880-900 градусах Цельсія, ізотермічно при 260 градусах Цельсія протягом 40 хвилин і відпустіть при 260 градусах Цельсія протягом 90 хвилин
-38
Дивлячись на результати випробувань у таблиці 1, можна побачити, що ізотермічне загартування має вищу поверхневу залишкову напругу стиску, ніж звичайний процес загартування та низькотемпературного відпустки. Навіть після низькотемпературного відпуску після ізотермічного гарту залишкова напруга стиску на поверхні вище, ніж після низькотемпературного відпуску після гарту. Таким чином, можна зробити висновок, що поверхневе залишкове напруження стиску, отримане ізотермічним загартуванням після науглерожування, вище, ніж отримане звичайним науглерожуванням і низькотемпературним відпуском. З точки зору позитивного впливу залишкової напруги стиснення поверхневого шару на опір втомі, процес ізотермічного гартування цементацією є ефективним методом підвищення втомної міцності науглерожених деталей.
Існує дві основні причини, чому процес цементації та загартування може призвести до залишкового поверхневого напруження стиску, а цементація та ізотермічне гартування можуть отримати більшу поверхневу залишкову напругу стиску. Однією з причин є те, що питомий об’єм високовуглецевого мартенситу в поверхневому шарі більший, ніж об’єм низьковуглецевого мартенситу в центрі. Після загартування поверхневий об’єм розширюється і значно розширюється, тоді як об’ємне розширення низьковуглецевого мартенситу в центрі невелике, що обмежує вільне розширення поверхневого шару та викликає напружений стан поверхневого шару під тиском і центр під розтягом . Іншою більш важливою причиною є те, що початкова температура перетворення (Ms) високовуглецевого переохолодженого аустеніту в мартенсит нижча, ніж температура переохолодженого аустеніту з низьким вмістом вуглецю в центрі в мартенсит. Коли ізотермічне гартування здійснюється після цементації, коли ізотермічна температура вище температури початку мартенситного перетворення (Ms) цементованого шару, ізотермічне гартування при відповідній температурі нижче температури початку мартенситного перетворення (Ms) у центрі може гарантувати послідовні характеристики цього перетворення більше, ніж безперервне гартування охолодженням (тобто гарантувати, що мартенситне перетворення в поверхневому шарі відбувається лише в процесі охолодження після ізотермічного гарту). Звичайно, ізотермічна температура і час ізотермічного гарту після науглерожування мають істотний вплив на величину залишкової напруги в поверхневому шарі. Хтось випробував поверхневу залишкову напругу зразків сталі 35SiMn2MoV після науглерожування при 260 градусах і 320 градусах протягом 40 хвилин, і результати наведено в таблиці 2. З таблиці 2 видно, що поверхнева залишкова напруга при 260 градусах більше ніж вдвічі вище, ніж при 320 градусах. Поверхневі залишкові напруги сталі 35SiMn2MoV при різних ізотермічних температурах.
У процесі загартування мартенситне перетворення в центрі часто є першим, що викликає розширення об’єму в центрі та зміцнення, але поверхня ще не охолола до відповідної початкової точки перетворення мартенситу (Ms), тому вона все ще знаходиться в стані. стан переохолодженого аустеніту з хорошою пластичністю і не відіграватиме серйозної ролі в придушенні об’ємного розширення мартенситного перетворення в центрі. При безперервному зниженні температури охолодження гарту температура поверхні падає нижче точки (Ms), і в поверхневому шарі відбувається мартенситне перетворення, що викликає розширення об’єму поверхні. Однак центр уже перетворено на мартенсит і зміцнений, тому центр відіграватиме велику роль у придушенні об’ємного розширення поверхневого шару, змушуючи поверхневий шар отримувати залишкову напругу стиску.

Наведений вище вміст організовано компанією Superb heater Company, super heater. В основному професійне виробництво: промислові нагрівальні елементи, елементи вимірювання температури, виробниче обладнання, аксесуари та сировина, такі як трубчасті нагрівачі, трубчасті нагрівачі, стрічкові нагрівачі, керамічні нагрівачі, нагрівачі з силіконової гуми, термопари тощо.

Ласкаво просимо до глобальних галузевих партнерів для обговорення співпраці!