В области обработки металлических материалов и тепловой обработки, тепловое напряжение и структурное напряжение, также известные как напряжение фазового преобразования,являются двумя основными внутренними напряжениями, неизбежно возникающими во время нагрева и охлаждения стали.Механизмы их формирования, эволюционные правила, распределение остаточного напряжения и характеристики удара совершенно разные.Эти два типа напряжения всегда накладываются и взаимодействуют друг с другом., превращаясь в основной стимул деформации заготовительной части, нарушения толерантности размеров, деформации и расщепления при тушении.Для инженеров по тепловой обработке важно овладеть их принципами и стратегиями управления, техники производства и персонал по управлению качеством в металлургической промышленности.

1. Комплексное введение в термический стресс

1.1 Существенная природа и условия генерации

Тепловое напряжение в основном возникает из-за неравномерного теплового расширения и охлаждения.между поверхностью и ядром образуются очевидные температурные градиентыМеталлические детали с различными температурами производят несовместимое расширение или сжатие деформации,и взаимное ограничение соседних металлических тканей препятствует свободной деформации, создавая тем самым внутреннее тепловое напряжение.

Он в основном встречается в процессах быстрого нагрева, зарядки и разгрузки печи, общего охлаждения при тушении и медленного охлаждения больших деталей.

1.2 Процесс формирования и эволюции (утепление и охлаждение в качестве стандарта)

В начальной стадии охлаждения отключением поверхность заготовки сначала контактирует с охлаждающей средой, температура быстро падает, а амплитуда сжатия велика;в то время как ядро охлаждается медленно с небольшим сокращениемОграниченная ядром, поверхность находится в состоянии напряжения натяжения, а ядро находится в состоянии сжатия.

На поздней стадии охлаждения температура поверхности, как правило, стабильна, и структура в основном завершена.но его деформация сжатия ограничена уже жестким поверхностным слоемВ конечном итоге происходит обратное напряжение, образуя стабильное остаточное напряжение: поверхностный слой представляет собой сжатие, а ядро представляет собой напряжение натяжения.

1.3 Основные факторы, влияющие на тепловой стресс

Величина теплового напряжения определяется множеством комплексных факторов: градиент температурной разницы, вызванный скоростью охлаждения и нагрева,разница между размером поперечного сечения и толщиной стенки, теплопроводность стали, линейный коэффициент теплового расширения, модуль эластичности материала, а также температурный интервал нагрева и охлаждения и время хранения.Большая разница температуры и более быстрая скорость изменения температуры значительно увеличат тепловое напряжение.

2. Комплексное введение в структурные (фазовые трансформации) стрессы

2.1 Существенная природа и условия генерации

Структурное напряжение возникает из-за разницы в удельном объеме при преобразовании стали в твердое состояние.Специфический объем стальных фаз фиксирован: аустенит < феррит / перлит < банит < мартензит.

Когда аустенит превращается в мартензит во время охлаждения, объем очевидно расширяется.несовместимое расширение объема ограничено, что приводит к фазовой трансформации структурного напряжения.

2.2 Процесс формирования и эволюции (утепление и охлаждение в качестве стандарта)

Во время охлаждения поверхность заготовки сначала охлаждается до стартовой температуры мартенсита (точка Ms), предпочтительно завершает трансформацию аустенита-мартенсита и производит расширение объема.В это время, ядро по-прежнему сохраняется в состоянии аустенита без изменения фазы и изменения объема.

Позже ядро постепенно охлаждается до точки Ms и подвергается мартенситовой трансформации и объемному расширению.Поверхностная ткань, которая завершила трансформацию заранее, тянется и сдерживается расширяющимся ядромНаконец, распределение остаточного напряжения формируется так: поверхностный слой - это напряжение натяжения, а ядро - это напряжение на сжатие,что полностью противоположно правилу распределения теплового напряжения.

2.3 Основные факторы структурного стресса

Ключевые факторы влияния включают содержание углерода в стали более высокое содержание углерода приводит к большему удельному объему мартенсита и большему структурному напряжению;специфическая разница объема до и после фазовой трансформацииАсинхронность фазового преобразования, влияющая на скорость охлаждения и размер сечения заготовки; твердость материала, температура точки Ms и состав сплава стали.Элементы сплава изменят процесс преобразования точек и фаз Ms, что влияет на величину структурного напряжения.

3Подробный сравнительный анализ теплового напряжения и структурного напряжения

Таблица

Размер сравнения Тепловое напряжение Структурное (трансформационное) напряжение

Основная причина Неравномерное температурное поле приводит к несовместимому тепловому расширению и сокращению Трансформация фаз твердого состояния приводит к различному специфическому объему и асинхронному изменению объема

Распределение остаточного стресса Напряжение на поверхности, напряжение на ядре Напряжение поверхности, напряжение ядра

Сценарий доминирующего применения Рабочие части с большим поперечным сечением, медленный процесс охлаждения, нормализация и отжигание Небольшие тонкие заготовки, быстрый процесс тушения, высокая закаленность стали

Основная причина дефекта Склонны к тепловым трещинам, общим деформациям и макроскопическим деформациям Склонны к охлаждению, локальному расщеплению и задержке трещин

Резюме основного механизма Создается из-за неравномерного холода и жары Сгенерированная асинхронной фазовой трансформацией

4Эффект суперпозиции, инженерные риски и практическое значение

При фактическом производстве тепловой обработки тепловое напряжение и структурное напряжение не существуют независимо друг от друга;они сосуществуют все время и накладываются друг на друга, чтобы сформировать общее внутреннее напряжение заготовки.

Для небольших и тонких запчастей с быстрой скоростью охлаждения структурное напряжение преобладает; для больших толстых запчастей с медленной скоростью охлаждениятепловое напряжение становится основным регулирующим напряжением.

Основные инженерные опасности

Размерная деформация: когда наложенное внутреннее напряжение превышает прочность материала, заготовка производит необратимую пластическую деформацию,приводящие к нарушению допустимых размеров и искажению формы.

Неисправность трещин: чрезмерное тепловое напряжение вызывает тепловые трещины при высокой температуре; чрезмерное структурное напряжение вызывает холодные трещины после гашения,что является основной причиной остатков заготовки в термической обработке.

Ослабление производительности: долгосрочное остаточное внутреннее напряжение снижает прочность от усталости, выносливость при ударах и коррозионную стойкость деталей,и вызывает размерную нестабильность во время длительной службы.

Промышленное практическое значение

Разумное управление тепловым напряжением и структурным напряжением может эффективно снизить скорость утилизации тепловой обработки, улучшить точность измерений и срок службы деталей,и широко применяется в автомобильных деталях, машиностроение, подшипниковые инструменты, металлургия и другие промышленные производства.

5. Ключевые моменты контроля промышленного стандарта и меры по оптимизации процессов

Оптимизация процесса охлаждения

Принять технологию постепенного охлаждения и изотермического охлаждения, должным образом уменьшить скорость охлаждения охлаждения, сузить градиент температуры между поверхностью и ядром,и уменьшить разницу во времени фазовой трансформации, чтобы ослабить как тепловое напряжение, так и структурное напряжение.

Контроль нагрева и загрузки печи

Принять процесс предварительного нагрева и поэтапного повышения температуры, чтобы избежать быстрого нагрева; оптимизировать режим загрузки печи, чтобы обеспечить равномерное нагревание деталей,предотвращение локального перегрева и чрезмерной разницы температуры.

Оптимизация материала и конструкции

Для высокоуглеродистой и высоколегированной стали, должным образом снизить интенсивность охлаждения при охлаждении; избегать острых углов,розы и резкие изменения толщины в конструкции заготовки для устранения источников концентрации напряжения из конструкции.

Своевременное лечение от стресса

Своевременное закаливание после тушения является наиболее эффективной мерой процесса для устранения остаточного внутреннего напряжения, сбалансированного распределения напряжения и предотвращения задержки трещин при тушении.

Разумное соответствие сорта стали и процесса

Выбирать стальные сорта с соответствующей закаленностью в соответствии с размером заготовки, соответствовать соответствующим процессам тепловой обработки, контролировать диапазон фазовых преобразований и скорость охлаждения,и фундаментально предотвращает чрезмерное создание внутреннего стресса.