تنش و تأثیر فولاد عملیات حرارتی در کوره لولهای
پیام بگذارید
نیروی باقیمانده عملیات حرارتی به تنشی اطلاق می شود که پس از عملیات حرارتی قطعه کار باقی می ماند که تأثیر قابل توجهی بر شکل، اندازه و عملکرد قطعه کار دارد. هنگامی که از مقاومت تسلیم ماده بیشتر شود، باعث تغییر شکل قطعه کار می شود و زمانی که از حد مقاومت ماده فراتر رود، می تواند باعث ترک خوردن قطعه کار شود. این یک جنبه مضر است که باید کاهش یابد و از بین برود. با این حال، تحت شرایط خاص، کنترل توزیع تنش برای معقول کردن آن می تواند خواص مکانیکی و عمر مفید قطعه را بهبود بخشد و آسیب را به مزیت تبدیل کند. تجزیه و تحلیل قانون توزیع و تغییرات تنش در فولاد در طول فرآیند عملیات حرارتی، توزیع منطقی آن اهمیت عملی عمیقی برای بهبود کیفیت محصول دارد. به عنوان مثال، موضوع توزیع معقول تنش فشاری پسماند بر روی لایه سطحی و تأثیر آن بر طول عمر قطعات، توجه گستردهای را به خود جلب کرده است.
هرچه سرعت خنکسازی سریعتر باشد، محتوای کربن و ترکیب آلیاژ بالاتر است و تغییر شکل پلاستیک ناهمواری که تحت تنش حرارتی در طول فرآیند خنکسازی ایجاد میشود، بیشتر میشود و در نتیجه تنش پسماند بیشتری ایجاد میشود. از طرفی به دلیل تغییر ساختاری در طی عملیات حرارتی فولاد، یعنی زمانی که آستنیت به مارتنزیت تبدیل میشود، افزایش حجم مخصوص با انبساط حجم قطعه کار همراه بوده و هر قسمت از قطعه کار دچار فاز میشود. دگرگونی پی در پی، منجر به رشد حجم ناسازگار و ایجاد تنش ساختاری می شود. نتیجه نهایی تغییرات تنش سازمانی، تنش کششی در سطح و تنش فشاری بر روی هسته است که دقیقاً مخالف تنش حرارتی است. بزرگی تنش ساختاری به سرعت سرد شدن و شکل قطعه کار در ناحیه تبدیل مارتنزیت، ترکیب شیمیایی ماده و سایر عوامل مرتبط است.
در طی فرآیند گرمایش و سرمایش قطعه کار، به دلیل ناهماهنگی سرعت و زمان خنکسازی بین سطح و هسته، اختلاف دما ایجاد میشود که منجر به انبساط و انقباض حجمی ناهموار و ایجاد تنش میشود. تحت تأثیر تنش حرارتی، سطح شروع به دمای کمتر از هسته می کند و انقباض نیز بیشتر از هسته است و باعث کشیده شدن هسته می شود. هنگامی که خنک سازی کامل شد، به دلیل عدم توانایی انقباض حجم خنک کننده نهایی هسته برای ادامه آزاد، سطح فشرده شده و هسته کشیده می شود. در اثر تنش حرارتی، سطح قطعه کار در نهایت فشرده می شود در حالی که هسته کشیده می شود. این پدیده تحت تأثیر عواملی مانند سرعت سرد شدن، ترکیب مواد و فرآیند عملیات حرارتی است.
تمرین ثابت کرده است که تنش حرارتی و تنش ساختاری در هر قطعه کار در طول فرآیند عملیات حرارتی، تا زمانی که تغییر فاز وجود داشته باشد، رخ می دهد. با این حال، استرس حرارتی قبلاً قبل از تحول سازمانی ایجاد می شود و استرس سازمانی در طول فرآیند تحول سازمانی ایجاد می شود. در طول فرآیند خنکسازی، اثر ترکیبی استرس حرارتی و استرس سازمانی، تنش واقعی موجود در قطعه کار است. اثر ترکیبی این دو تنش بسیار پیچیده است و تحت تاثیر عوامل زیادی از جمله ترکیب، شکل، فرآیند عملیات حرارتی و غیره قرار دارد و از نظر روند توسعه آن تنها دو نوع وجود دارد، تنش حرارتی و تنش بافتی. هنگامی که جهت عمل مخالف باشد، آن دو باطل می شوند و زمانی که جهت عمل یکسان است، این دو با یکدیگر همپوشانی دارند. چه لغو متقابل باشد و چه برهم نهفته، دو تنش باید یک عامل غالب داشته باشند و زمانی که تنش حرارتی غالب شود، نتیجه این است که مرکز قطعه کار کشیده شده و سطح فشرده می شود. هنگامی که استرس سازمانی غالب می شود، نتیجه این است که سطح فشرده در مرکز قطعه کار در کشش است.
اثر تنش عملیات حرارتی بر خاموش کردن ترک ها در عواملی وجود دارد که می تواند باعث تمرکز تنش در قسمت های مختلف قسمت کوئنچ شده (از جمله عیوب متالورژیکی) شود که تأثیر ارتقاء دهنده ای بر ایجاد ترک های خاموش کننده دارد. با این حال، آن را تنها در میدان تنش کششی (به ویژه در حداکثر تنش کششی) آشکار می شود، اگر هیچ اثر ارتقایی در میدان تنش فشاری وجود نداشته باشد.
اصل قابل اعتماد این نوع فولاد که فقط می تواند در قطعات فولادی با سختی پذیری بالا که در شرایط معمولی کوئنچ شده اند، ترک های طولی ایجاد کند، این است که سعی شود تا حد امکان عدم همزمانی تبدیل مارتنزیت در داخل و خارج مقطع کاهش یابد. تنها خنک سازی آهسته در ناحیه تبدیل مارتنزیت برای جلوگیری از ایجاد ترک های طولی کافی نیست. به طور کلی، ترک های قوس تنها می توانند در قطعات غیر قابل سخت شدن ایجاد شوند. اگرچه خنکسازی سریع کلی شرط لازم شکلگیری است، اما دلیل واقعی شکلگیری آن، خنکشدن سریع (از جمله ناحیه تبدیل مارتنزیت) نیست، بلکه موقعیت محلی قسمت خاموش شده (تعیین شده توسط ساختار هندسی) است. سرعت سرمایش در منطقه دمای بحرانی دمای بالا در غیاب سخت شدن به طور قابل توجهی کاهش می یابد. و شکافهای عرضی و طولی که در بخشهای بزرگ غیرقابل سخت شدن اتفاق میافتد، ناشی از تنش کششی پسماند است که عمدتاً از تنش حرارتی تشکیل شده است که در مرکز قسمت خاموش شده اثر میکند. در مرکز بخش نهایی سخت شده قسمت کوئنچ شده، ابتدا شکاف ایجاد شده و از داخل به بیرون منتشر می شود.
به منظور جلوگیری از چنین ترک هایی، اغلب از فرآیند کوئنچ مایع دوگانه روغن آب استفاده می شود. در این فرآیند، خنکسازی سریع در بخش دمای بالا تنها برای اطمینان از اینکه فلز بیرونی ساختار مارتنزیت پیدا میکند، استفاده میشود. از منظر استرس داخلی، خنک شدن سریع مضر و بی فایده است. ثانیاً، هدف از خنکسازی آهسته در مرحله آخر خنکسازی، کاهش نرخ انبساط تبدیل مارتنزیت و مقدار تنش سازه نیست، بلکه به حداقل رساندن اختلاف دمای مقطع و نرخ انقباض فلز در مرکز است. از بخش، به طوری که مقدار تنش را کاهش دهد و در نهایت ترک های خاموش کننده را مهار کند.
نرخ خنک شدن کوئنچ عامل مهمی است که می تواند بر کیفیت کوئنچ تأثیر بگذارد و تنش پسماند را تعیین کند و همچنین عاملی است که می تواند تأثیر مهم یا حتی تعیین کننده ای در خاموش کردن ترک ها داشته باشد. به منظور دستیابی به هدف کوئنچ، معمولاً لازم است سرعت خنکسازی قطعات در بخش دمای بالا تسریع شود و از سرعت خنککننده بحرانی فولاد فراتر رود تا ساختار مارتنزیت به دست آید. از نظر تنش پسماند، کوره الکتریکی لولهای میتواند مقدار تنش حرارتی را افزایش دهد که با اثر تنش ساختاری مقابله میکند و در نتیجه تنش کششی روی سطح قطعه کار را کاهش میدهد و به هدف سرکوب ترکهای طولی دست مییابد. این اثر با شتاب سرعت خنک کننده در دمای بالا افزایش می یابد. علاوه بر این، در مورد سختی پذیری، هرچه اندازه مقطع قطعه کار بزرگتر باشد، اگرچه سرعت خنک شدن واقعی کمتر است، خطر ترک خوردن بیشتر می شود. همه اینها به این دلیل است که تنش حرارتی این نوع فولاد با افزایش سایز سرعت سرمایش واقعی را کاهش می دهد، تنش حرارتی را کاهش می دهد و با افزایش اندازه، تنش سازه را افزایش می دهد. کوره الکتریکی نوع جعبه ای در نهایت یک تنش کششی تشکیل می دهد که عمدتاً از تنش ساختاری تشکیل شده است که بر روی سطح قطعه کار عمل می کند. و این کاملاً متفاوت از مفهوم سنتی است که هر چه خنک شدن کندتر باشد، استرس کمتر است.
اثر تنش فشاری پسماند بر روی قطعه کار به طور گسترده ای به عنوان روشی برای بهبود استحکام خستگی قطعه کار از طریق تقویت سطح کربوره استفاده می شود. از یک طرف، می تواند به طور موثری استحکام و سختی سطح قطعه کار را افزایش دهد، مقاومت به سایش قطعه کار را بهبود بخشد، و از طرف دیگر، کربناته کردن می تواند به طور موثر توزیع تنش قطعه کار را بهبود بخشد، تنش فشاری پسماند زیادی را در قطعه کار به دست آورد. لایه سطحی قطعه کار، و استحکام خستگی قطعه کار را بهبود می بخشد. اگر کوئنچ همدما پس از کربورسازی انجام شود، تنش فشاری باقیمانده بر روی لایه سطحی را افزایش داده و استحکام خستگی را بیشتر میکند. شخصی تنش پسماند فولاد 35SiMn2MoV را پس از خاموش کردن همدما و تمپر در دمای پایین پس از کربنسازی آزمایش کرده است. نتایج در جدول 1.35 نشان داده شده است: مقادیر تنش پسماند فولاد SiMn2MoV پس از کوئنچ همدما و اعتدال در دمای پایین پس از کربوریزاسیون
مقدار تنش پسماند (kg/mm2)
حرارت دادن در حمام نمک 880-900 درجه پس از کربوهیداسیون، همدما در دمای 260 درجه به مدت 40 دقیقه
-65
پس از کربوریزه شدن، حرارت داده و در حمام نمک 880-900 درجه، همدما در دمای ۲۶۰ درجه به مدت ۹۰ دقیقه خاموش کنید.
-18
پس از کربوهیداسیون، در حمام نمک در دمای 880-900 درجه سانتیگراد، همدما در دمای 260 درجه سانتیگراد به مدت 40 دقیقه و در دمای 260 درجه سانتیگراد به مدت 90 دقیقه حرارت دهید.
-38
با نگاهی به نتایج آزمایش در جدول 1، می توان دریافت که کوئنچ همدما دارای تنش فشاری پسماند سطحی بالاتری نسبت به فرآیند معمول خاموش کردن و اعتدال در دمای پایین است. حتی پس از تلطیف دمای پایین پس از خاموش کردن همدما، تنش فشاری باقیمانده روی سطح بیشتر از دمپر کردن در دمای پایین پس از کوئنچ است. بنابراین، میتوان نتیجه گرفت که تنش فشاری پسماند سطحی حاصل از کوئنچ همدما پس از کربنسازی بیشتر از تنش فشاری معمولی و معتدلسازی در دمای پایین است. از منظر اثر سودمند تنش فشاری پسماند لایه سطحی بر مقاومت خستگی، فرآیند خاموش کردن همدما کربورهسازی روشی مؤثر برای بهبود استحکام خستگی قطعات کربوریزه است.
دو دلیل اصلی وجود دارد که چرا فرآیند کربورسازی و کوئنچینگ میتواند تنش فشاری پسماند سطحی را به دست آورد و کربورسازی و کوئنچ همدما میتواند تنش فشاری پسماند سطحی بیشتری را به دست آورد. یک دلیل این است که حجم ویژه مارتنزیت با کربن بالا در لایه سطحی بزرگتر از مارتنزیت کم کربن در مرکز است. پس از کوئنچ، حجم سطح به شدت منبسط و منبسط می شود، در حالی که انبساط حجمی مارتنزیت کم کربن در مرکز کم است که انبساط آزاد لایه سطحی را محدود می کند و باعث ایجاد حالت تنش لایه سطحی تحت فشار و مرکز تحت کشش می شود. . دلیل مهم دیگر این است که دمای تبدیل اولیه (Ms) آستنیت سرد شده با کربن بالا به مارتنزیت کمتر از آستنیت سرد شده با محتوای کربن کم در مرکز به مارتنزیت است. هنگامی که خاموش کردن همدما پس از کربورسازی انجام می شود، زمانی که دمای همدما بالاتر از دمای تبدیل شروع مارتنزیت (Ms) لایه کربوری شده است، خاموش کردن همدما در دمای مناسب زیر نقطه دمای تبدیل شروع مارتنزیت (Ms) در مرکز می تواند تضمین کند. ویژگی های متوالی این تبدیل بیشتر از کوئنچ خنک کننده مداوم است (یعنی اطمینان حاصل شود که تبدیل مارتنزیت در لایه سطحی فقط در فرآیند خنک سازی پس از خاموش کردن همدما رخ می دهد). البته دمای همدما و زمان خاموش شدن همدما پس از کربوریزاسیون تاثیر بسزایی بر میزان تنش پسماند در لایه سطحی دارد. فردی تنش پسماند سطحی نمونه های فولادی 35SiMn2MoV را پس از کربن سازی در دمای 260 درجه و 320 درجه به مدت 40 دقیقه آزمایش کرده است و نتایج در جدول 2 نشان داده شده است. از جدول 2 می توان دریافت که تنش پسماند سطحی در 260 درجه بیشتر است. بیش از دو برابر بالاتر از آن در 320 درجه. تنش پسماند سطحی فولاد 35SiMn2MoV در دماهای همدما مختلف.
در فرآیند کوئنچ، تبدیل مارتنزیت در مرکز اغلب اولین موردی است که باعث انبساط حجم در مرکز می شود و تقویت می شود، اما سطح هنوز به نقطه تبدیل مارتنزیت مربوطه (Ms) خنک نشده است، بنابراین هنوز در حالت آستنیت فوق سرد، با پلاستیسیته خوب، و نقش جدی در سرکوب انبساط حجمی تبدیل مارتنزیت در مرکز ندارد. با کاهش مداوم دمای خنک کننده خاموش کننده، دمای سطح به زیر نقطه (Ms) کاهش می یابد و تبدیل مارتنزیت در لایه سطحی رخ می دهد و باعث انبساط حجم سطح می شود. با این حال، مرکز قبلاً به مارتنزیت تبدیل شده و تقویت شده است، بنابراین مرکز نقش بزرگی در سرکوب انبساط حجمی لایه سطحی ایفا می کند و باعث می شود که لایه سطحی تنش فشاری پسماند را به دست آورد.
مطالب فوق توسط شرکت سوپرب هیتر سوپر هیتر سازماندهی شده است. تولید عمدتاً حرفه ای: عناصر گرمایش صنعتی، عناصر اندازه گیری دما، تجهیزات تولید، لوازم جانبی و مواد اولیه مانند بخاری های لوله ای، بخاری های لوله ای، بخاری های تسمه ای، بخاری های سرامیکی، بخاری های لاستیکی سیلیکونی، ترموکوپل ها و غیره.
از شرکای صنعت جهانی برای بحث در مورد همکاری استقبال کنید!
