1. Определение
Структурное напряжение, также называемое трансформационным напряжением, представляет собой тип внутреннего напряжения, возникающего во время термической обработки стали, особенно закалки. Оно возникает в результате асинхронного фазового превращения и специфических объемных различий микроструктур. Взаимное ограничение изменения объема в разных сечениях заготовки делает его основной причиной деформации и растрескивания при термообработке.
2. Сущность и механизм генерации
Основные причины
Различные фазы в стали имеют различный удельный объем (объем на единицу массы):
Аустенит (γ) < Феррит (α) < Перлит < Бейнит < Мартенсит (М)
Превращение аустенита в мартенсит приводит к значительному объемному расширению — 3–5%.
Поверхность и сердцевина заготовок имеют неодинаковую скорость охлаждения, что приводит к асинхронному фазовому превращению и нескоординированному изменению объема, что в конечном итоге вызывает структурное напряжение.
Типичный процесс закалки
Стадия раннего охлаждения (выше точки Ms)
Поверхность остывает быстрее и первой достигает температуры Ms, превращаясь из аустенита в мартенсит с объемным расширением. Сердцевина остается аустенитной без расширения. Ограниченная ядром поверхность испытывает сжимающее напряжение, а ядро ​​— растягивающее напряжение.
Стадия позднего охлаждения (ниже точки Ms)
Сердечник остывает до точки Ms и с объемным расширением превращается в мартенсит. Поверхность стала твердой и хрупкой с ограниченной способностью к деформации. Расширяющееся ядро ​​сжимает поверхность, вызывая изменение напряжения.
Окончательное распределение напряжений: поверхностное растягивающее напряжение, сжимающее напряжение в сердцевине (противоположное тепловому напряжению).
3. Основные факторы, влияющие на структурное напряжение.
Химический состав
Более высокое содержание углерода увеличивает удельную разницу объемов мартенсита и увеличивает структурные напряжения.
Элементы сплава, такие как Cr, Ni и Mo, снижают температуру Ms, увеличивают разницу температур фазового превращения, улучшают прокаливаемость и усиливают неоднородное преобразование сечения, тем самым повышая структурное напряжение.
Размер и форма заготовки
Больший размер сечения, неравномерная толщина, более острые углы и канавки усугубляют асинхронное фазовое превращение, увеличивая структурные напряжения и концентрацию напряжений. В небольших заготовках преобладают структурные напряжения, а в крупных – термические напряжения.
Параметры процесса
Более высокая температура закалки гомогенизирует состав аустенита и укрупняет зерна, усиливая объемный эффект фазового превращения и напряжения. Более высокая скорость охлаждения ниже Ms и более высокая прокаливаемость увеличивают разницу во времени фазового превращения и градиент мартенситного превращения, что еще больше увеличивает структурное напряжение.
Начальная микроструктура
Пластинчатая перлитная и полосчатая структура вызывают неравномерное фазовое превращение и более высокие напряжения. Сфероидизированная микроструктура отжига обеспечивает равномерное фазовое превращение и снижает структурные напряжения.
4. Резюме
Структурное напряжение является неизбежным результатом асинхронного фазового превращения и удельной разницы объемов, проявляющихся поверхностным натяжением и сжатием ядра. Это основной стимул закалочной деформации и растрескивания.
Меры борьбы: Снизить скорость охлаждения в зоне Ms, гомогенизировать фазовое превращение, проводить своевременный отпуск, оптимизировать структуру заготовки и выбор материала. В производстве необходимо сбалансировать структурное напряжение и термическое напряжение, чтобы согласовать риски производительности, деформации и растрескивания.