De definitie en het doel van blussen
Het staal wordt verhit tot een temperatuur boven het kritische punt Ac3 (hypoeutectoïde staal) of Ac1 (hypereutectoïde staal), gedurende een bepaalde tijd op deze temperatuur gehouden om het volledig of gedeeltelijk te austenitiseren, en vervolgens afgekoeld met een snelheid die hoger ligt dan de kritische afschriksnelheid. Het warmtebehandelingsproces dat onderkoeld austeniet omzet in martensiet of lagerbainiet wordt afschrikken genoemd.
Het doel van afschrikken is om het onderkoelde austeniet om te zetten in martensiet of bainiet om een martensiet- of lagerbainietstructuur te verkrijgen. Deze structuur wordt vervolgens gecombineerd met ontlaten bij verschillende temperaturen om de sterkte, hardheid en bestendigheid van het staal aanzienlijk te verbeteren. Slijtvastheid, vermoeiingssterkte en taaiheid, enz., worden verbeterd om te voldoen aan de verschillende gebruiksvereisten van diverse mechanische onderdelen en gereedschappen. Afschrikken kan ook worden gebruikt om te voldoen aan de speciale fysische en chemische eigenschappen van bepaalde speciale staalsoorten, zoals ferromagnetisme en corrosiebestendigheid.
Wanneer stalen onderdelen worden afgekoeld in een blusmedium met veranderingen in de fysieke toestand, wordt het koelproces over het algemeen onderverdeeld in de volgende drie fasen: dampfilmfase, kookfase en convectiefase.
Hardbaarheid van staal
Hardbaarheid en hardbaarheid zijn twee prestatie-indicatoren die de hardbaarheid van staal kenmerken. Ze vormen tevens een belangrijke basis voor materiaalkeuze en -gebruik.
1. De begrippen hardbaarheid en hardbaarheid
Hardbaarheid is het vermogen van staal om de hoogst mogelijke hardheid te bereiken wanneer het onder ideale omstandigheden wordt afgeschrikt en gehard. De belangrijkste factor die de hardbaarheid van staal bepaalt, is het koolstofgehalte van het staal. Om preciezer te zijn, het is het koolstofgehalte dat tijdens het afschrikken en verhitten in het austeniet wordt opgelost. Hoe hoger het koolstofgehalte, hoe hoger de hardbaarheid van het staal. De legeringselementen in staal hebben weinig invloed op de hardbaarheid, maar wel een aanzienlijke invloed op de hardbaarheid van het staal.
Hardbaarheid verwijst naar de eigenschappen die de hardingsdiepte en hardheidsverdeling van staal onder bepaalde omstandigheden bepalen. Dat wil zeggen, het vermogen om de gewenste hardingslaagdiepte te bereiken wanneer staal wordt afgeschrikt. Het is een inherente eigenschap van staal. Hardbaarheid weerspiegelt in feite het gemak waarmee austeniet transformeert in martensiet wanneer het staal wordt afgeschrikt. Het hangt voornamelijk af van de stabiliteit van het onderkoelde austeniet van het staal, of van de kritische afkoelsnelheid van het staal tijdens het afschrikken.
Er moet ook op worden gewezen dat de hardbaarheid van staal moet worden onderscheiden van de effectieve hardingsdiepte van stalen onderdelen onder specifieke afschrikomstandigheden. De hardbaarheid van staal is een inherente eigenschap van het staal zelf. Het hangt alleen af van zijn eigen interne factoren en heeft niets te maken met externe factoren. De effectieve hardingsdiepte van staal hangt niet alleen af van de hardbaarheid van het staal, maar ook van het gebruikte materiaal. Het is gerelateerd aan externe factoren zoals het koelmedium en de grootte van het werkstuk. Bijvoorbeeld, onder dezelfde austenitiseringsomstandigheden is de hardbaarheid van hetzelfde staal hetzelfde, maar de effectieve hardingsdiepte van waterafschrikken is groter dan die van olieafschrikken, en kleine onderdelen zijn kleiner dan olieafschrikken. De effectieve hardingsdiepte van grote onderdelen is groot. Dit kan niet worden gezegd dat waterafschrikken een hogere hardbaarheid heeft dan olieafschrikken. Er kan niet worden gezegd dat kleine onderdelen een hogere hardbaarheid hebben dan grote onderdelen. Het is duidelijk dat om de hardbaarheid van staal te beoordelen, de invloed van externe factoren, zoals de vorm van het werkstuk, de grootte, het koelmiddel, enz., uitgesloten moet worden.
Bovendien zijn hardbaarheid en hardbaarheid twee verschillende concepten. Staal met een hoge hardheid na afschrikken heeft dus niet noodzakelijkerwijs een hoge hardbaarheid. Staal met een lage hardheid kan echter ook een hoge hardbaarheid hebben.
2. Factoren die de hardbaarheid beïnvloeden
De hardbaarheid van staal hangt af van de stabiliteit van austeniet. Elke factor die de stabiliteit van onderkoeld austeniet kan verbeteren, de C-curve naar rechts kan verschuiven en daarmee de kritische afkoelsnelheid kan verlagen, kan de hardbaarheid van hooggelegeerd staal verbeteren. De stabiliteit van austeniet hangt voornamelijk af van de chemische samenstelling, korrelgrootte en uniformiteit van de samenstelling, die verband houden met de chemische samenstelling van het staal en de verhittingsomstandigheden.
3. Meetmethode voor de hardbaarheid
Er bestaan veel methoden om de hardbaarheid van staal te meten. De meest gebruikte methoden zijn de kritische diametermeetmethode en de eindhardheidstestmethode.
(1)Kritische diametermeetmethode
Nadat het staal in een bepaald medium is afgeschrikt, wordt de maximale diameter, wanneer de kern volledig martensiet of 50% martensietstructuur heeft, de kritische diameter genoemd, weergegeven als Dc. De meetmethode voor de kritische diameter bestaat uit het maken van een reeks ronde staven met verschillende diameters. Na het afschrikken wordt de U-curve van de hardheid over de diameter van elk monsterdeel gemeten en wordt de staaf met de semi-martensietstructuur in het midden gevonden. De diameter van de ronde staaf is de kritische diameter. Hoe groter de kritische diameter, hoe hoger de hardbaarheid van het staal.
(2) Eindblustestmethode
De eindafschriktestmethode maakt gebruik van een standaardafmeting van een eindafgeschrikt monster (Ф25 mm × 100 mm). Na austenitisatie wordt één uiteinde van het monster met speciale apparatuur besproeid met water om het te koelen. Na afkoeling wordt de hardheid gemeten in de asrichting – vanaf het watergekoelde uiteinde. Testmethode voor afstandsrelatiekromme. De eindafschriktestmethode is een van de methoden om de hardbaarheid van staal te bepalen. De voordelen zijn de eenvoudige bediening en het brede toepassingsbereik.
4. Blussen van spanning, vervorming en scheuren
(1) Interne spanning van het werkstuk tijdens het afschrikken
Wanneer het werkstuk snel wordt afgekoeld in het afschrikmiddel, zal er een bepaalde temperatuurgradiënt optreden langs de binnenkant van het werkstuk tijdens het afkoelproces, aangezien het werkstuk een bepaalde grootte heeft en de thermische geleidbaarheidscoëfficiënt ook een bepaalde waarde heeft. De oppervlaktetemperatuur is laag, de kerntemperatuur is hoog en de oppervlakte- en kerntemperaturen zijn hoog. Er is een temperatuurverschil. Tijdens het afkoelproces van het werkstuk treden ook twee fysische verschijnselen op: ten eerste thermische uitzetting, naarmate de temperatuur daalt, zal de lijnlengte van het werkstuk krimpen; ten tweede de transformatie van austeniet naar martensiet wanneer de temperatuur daalt tot het martensiettransformatiepunt, waardoor het soortelijk volume toeneemt. Door het temperatuurverschil tijdens het afkoelproces zal de mate van thermische uitzetting op verschillende plaatsen langs de doorsnede van het werkstuk verschillen en zal er in verschillende delen van het werkstuk interne spanning ontstaan. Door het bestaan van temperatuurverschillen binnen het werkstuk kunnen er ook delen zijn waar de temperatuur sneller daalt dan het punt waar martensiet ontstaat. Transformatie: het volume breidt zich uit en de delen met een hoge temperatuur zijn nog steeds hoger dan het punt en bevinden zich nog steeds in de austeniettoestand. Deze verschillende delen zullen ook interne spanning genereren als gevolg van verschillen in specifieke volumeveranderingen. Daarom kunnen er twee soorten interne spanning ontstaan tijdens het afschrik- en afkoelingsproces: de ene is thermische spanning en de andere is weefselspanning.
Afhankelijk van de aanwezigheidsduur van inwendige spanningen, kan deze ook worden onderverdeeld in momentane spanningen en restspanningen. De inwendige spanning die door het werkstuk wordt gegenereerd op een bepaald moment tijdens het afkoelingsproces, wordt momentane spanning genoemd; nadat het werkstuk is afgekoeld, wordt de spanning die in het werkstuk achterblijft, restspanning genoemd.
Onder thermische spanning wordt de spanning verstaan die ontstaat door inconsistente thermische uitzetting (of koude krimp) als gevolg van temperatuurverschillen in verschillende delen van het werkstuk wanneer dit wordt verwarmd (of afgekoeld).
Neem nu een massieve cilinder als voorbeeld om de regels voor vorming en verandering van inwendige spanning tijdens het afkoelingsproces te illustreren. Alleen de axiale spanning wordt hier besproken. Aan het begin van het afkoelproces, omdat het oppervlak snel afkoelt, is de temperatuur laag en krimpt het sterk, terwijl de kern afkoelt, is de temperatuur hoog en de krimp gering. Hierdoor worden het oppervlak en de binnenkant tegen elkaar gedrukt, wat resulteert in een trekspanning op het oppervlak, terwijl de kern onder druk staat. Naarmate het afkoelen vordert, neemt het temperatuurverschil tussen de binnen- en buitenkant toe en neemt de inwendige spanning dienovereenkomstig toe. Wanneer de spanning toeneemt tot boven de vloeigrens bij deze temperatuur, treedt plastische vervorming op. Omdat de dikte van het hart groter is dan die van het oppervlak, krimpt het hart altijd eerst axiaal. Als gevolg van plastische vervorming neemt de inwendige spanning niet meer toe. Na afkoeling tot een bepaalde tijd zal de daling van de oppervlaktetemperatuur geleidelijk vertragen en zal de krimp ook geleidelijk afnemen. Op dit moment krimpt de kern nog steeds, waardoor de trekspanning op het oppervlak en de drukspanning op de kern geleidelijk afnemen totdat ze verdwijnen. Naarmate de afkoeling vordert, neemt de oppervlaktevochtigheid echter steeds verder af en neemt de krimp steeds verder af, of stopt zelfs met krimpen. Omdat de temperatuur in de kern nog steeds hoog is, zal deze blijven krimpen en uiteindelijk zal er drukspanning ontstaan op het oppervlak van het werkstuk, terwijl de kern trekspanning zal ondervinden. Omdat de temperatuur echter laag is, treedt plastische vervorming niet gemakkelijk op, waardoor deze spanning zal toenemen naarmate de afkoeling vordert. Deze spanning blijft toenemen en blijft uiteindelijk als restspanning in het werkstuk achter.
Te zien is dat de thermische spanning tijdens het afkoelingsproces er in eerste instantie voor zorgt dat de oppervlaktelaag wordt uitgerekt en de kern wordt samengedrukt, en dat de resterende restspanning de oppervlaktelaag is die wordt samengedrukt en de kern die wordt uitgerekt.
Samenvattend: de thermische spanning die ontstaat tijdens het afkoelproces wordt veroorzaakt door het temperatuurverschil in de dwarsdoorsnede tijdens het afkoelproces. Hoe sneller het materiaal wordt afgekoeld en hoe groter het temperatuurverschil in de dwarsdoorsnede, hoe groter de thermische spanning. Onder dezelfde koelmediumomstandigheden geldt: hoe hoger de verwarmingstemperatuur van het werkstuk, hoe groter de afmetingen, hoe kleiner de thermische geleidbaarheid van het staal, hoe groter het temperatuurverschil binnen het werkstuk en hoe groter de thermische spanning. Als het werkstuk ongelijkmatig wordt afgekoeld bij hoge temperaturen, zal het vervormen. Als de momentane trekspanning die ontstaat tijdens het afkoelproces van het werkstuk groter is dan de treksterkte van het materiaal, zullen er afschrikscheuren ontstaan.
Met faseovergangsspanning wordt de spanning bedoeld die ontstaat door de verschillende timing van de faseovergang in verschillende delen van het werkstuk tijdens het warmtebehandelingsproces. Deze spanning staat ook bekend als weefselspanning.
Tijdens het afschrikken en snel afkoelen, wanneer de oppervlaktelaag wordt afgekoeld tot het Ms-punt, vindt martensitische transformatie plaats en veroorzaakt volume-expansie. Door de obstructie van de kern die nog geen transformatie heeft ondergaan, genereert de oppervlaktelaag echter drukspanning, terwijl de kern trekspanning heeft. Wanneer de spanning groot genoeg is, zal dit vervorming veroorzaken. Wanneer de kern wordt afgekoeld tot het Ms-punt, zal deze ook martensitische transformatie ondergaan en in volume uitzetten. Door de beperkingen van de getransformeerde oppervlaktelaag met lage plasticiteit en hoge sterkte, zal de uiteindelijke restspanning echter in de vorm van oppervlaktespanning zijn en zal de kern onder druk staan. Te zien is dat de verandering en de eindtoestand van fasetransformatiespanning precies tegengesteld zijn aan thermische spanning. Bovendien, aangezien faseveranderingsspanning optreedt bij lage temperaturen met lage plasticiteit, is vervorming op dit moment moeilijk, waardoor de kans groter is dat faseveranderingsspanning scheurvorming in het werkstuk veroorzaakt.
Er zijn veel factoren die de grootte van de faseovergangsspanning beïnvloeden. Hoe sneller het staal afkoelt in het martensietovergangstemperatuurbereik, hoe groter het staalstuk, hoe slechter de thermische geleidbaarheid van het staal, hoe groter het soortelijk volume martensiet, hoe groter de faseovergangsspanning. Hoe groter deze wordt. Bovendien hangt de faseovergangsspanning ook samen met de samenstelling van het staal en de hardbaarheid ervan. Zo verhoogt hooggelegeerd staal met een hoog koolstofgehalte het soortelijk volume martensiet vanwege het hoge koolstofgehalte, wat de faseovergangsspanning van het staal zou moeten verhogen. Naarmate het koolstofgehalte echter toeneemt, daalt het Ms-punt en blijft er na het afschrikken een grote hoeveelheid austeniet achter. De volume-expansie neemt af en de restspanning is laag.
(2) Vervorming van het werkstuk tijdens het afschrikken
Tijdens het afschrikken treden er twee hoofdtypen vervorming op in het werkstuk: de eerste is de verandering in de geometrische vorm van het werkstuk, die zich manifesteert als veranderingen in grootte en vorm, vaak kromtrekken genoemd, die wordt veroorzaakt door afschrikspanning; de andere is volumedeformatie, die zich manifesteert als een evenredige uitzetting of inkrimping van het volume van het werkstuk, die wordt veroorzaakt door de verandering in specifiek volume tijdens de faseovergang.
Kromtrekkende vervorming omvat ook vormvervorming en torsievervorming. Torsievervorming wordt voornamelijk veroorzaakt door een onjuiste plaatsing van het werkstuk in de oven tijdens het verwarmen, of door een gebrek aan vormbehandeling na vervormingscorrectie vóór het afschrikken, of door ongelijkmatige afkoeling van verschillende delen van het werkstuk tijdens het afkoelen. Deze vervorming kan worden geanalyseerd en opgelost voor specifieke situaties. Hieronder worden voornamelijk volumevervorming en vormvervorming besproken.
1) Oorzaken van blusvervorming en de veranderende regels ervan
Volumevervorming veroorzaakt door structurele transformatie. De structurele toestand van het werkstuk vóór het afschrikken is over het algemeen perliet, dat wil zeggen een gemengde structuur van ferriet en cementiet, en na het afschrikken een martensitische structuur. De verschillende specifieke volumes van deze weefsels veroorzaken volumeveranderingen vóór en na het afschrikken, wat resulteert in vervorming. Deze vervorming zorgt er echter alleen voor dat het werkstuk proportioneel uitzet en krimpt, dus de vorm van het werkstuk verandert er niet door.
Bovendien geldt: hoe meer martensiet er in de structuur zit na de warmtebehandeling, of hoe hoger het koolstofgehalte in martensiet, hoe groter de volume-expansie. Hoe groter de hoeveelheid achtergebleven austeniet, hoe kleiner de volume-expansie. De volumeverandering kan daarom worden beheerst door de relatieve hoeveelheid martensiet en restmartensiet tijdens de warmtebehandeling te reguleren. Bij een goede beheersing zal het volume niet uitzetten of krimpen.
Vormvervorming veroorzaakt door thermische spanning Vervorming veroorzaakt door thermische spanning treedt op in gebieden met hoge temperaturen waar de vloeigrens van stalen onderdelen laag is, de plasticiteit hoog is, het oppervlak snel afkoelt en het temperatuurverschil tussen de binnen- en buitenkant van het werkstuk het grootst is. Op dit moment is de momentane thermische spanning de oppervlaktetrekspanning en de kerndrukspanning. Omdat de kerntemperatuur op dit moment hoog is, is de vloeigrens veel lager dan het oppervlak, dus het manifesteert zich als vervorming onder invloed van multidirectionele drukspanning, dat wil zeggen, de kubus is bolvormig in richting. Variatie. Het resultaat is dat de grotere krimpt, terwijl de kleinere uitzet. Bijvoorbeeld, een lange cilinder verkort in de lengterichting en zet uit in de diameterrichting.
Vormvervorming veroorzaakt door weefselspanning Vervorming veroorzaakt door weefselspanning treedt ook op in het vroege moment wanneer de weefselspanning maximaal is. Op dit moment is het temperatuurverschil in de doorsnede groot, de kerntemperatuur hoger, deze is nog in de austeniettoestand, de plasticiteit is goed en de vloeigrens laag. De momentane weefselspanning is oppervlaktedrukspanning en kerntrekspanning. Daarom manifesteert de vervorming zich als de verlenging van de kern onder invloed van multidirectionele trekspanning. Het resultaat is dat onder invloed van weefselspanning de grotere zijde van het werkstuk langer wordt, terwijl de kleinere zijde korter wordt. De vervorming veroorzaakt door weefselspanning in een lange cilinder is bijvoorbeeld verlenging in lengte en afname in diameter.
In tabel 5.3 worden de vervormingsregels voor het afschrikken van verschillende typische stalen onderdelen weergegeven.
2) Factoren die de vervorming bij het blussen beïnvloeden
De factoren die de afschrikvervorming beïnvloeden, zijn voornamelijk de chemische samenstelling van het staal, de oorspronkelijke structuur, de geometrie van de onderdelen en het warmtebehandelingsproces.
3) Scheuren blussen
Scheuren in onderdelen ontstaan voornamelijk in de late fase van het afschrikken en afkoelen, dat wil zeggen nadat de martensitische transformatie vrijwel voltooid is of na volledige afkoeling. Er treedt dan brosse breuk op omdat de trekspanning in de onderdelen de breuksterkte van het staal overschrijdt. Scheuren staan meestal loodrecht op de richting van de maximale trekvervorming, dus de verschillende vormen van scheuren in onderdelen hangen voornamelijk af van de spanningsverdeling.
Veelvoorkomende soorten afschrikscheuren: longitudinale (axiale) scheuren ontstaan voornamelijk wanneer de tangentiële trekspanning de breeksterkte van het materiaal overschrijdt; transversale scheuren ontstaan wanneer de grote axiale trekspanning aan de binnenzijde van het onderdeel de breeksterkte van het materiaal overschrijdt. Scheuren: netwerkscheuren ontstaan onder invloed van tweedimensionale trekspanning op het oppervlak; afpelscheuren ontstaan in een zeer dunne, uitgeharde laag, die kan ontstaan wanneer de spanning sterk verandert en er een overmatige trekspanning in radiale richting inwerkt. Soort scheur.
Longitudinale scheuren worden ook wel axiale scheuren genoemd. Scheuren ontstaan bij de maximale trekspanning nabij het oppervlak van het onderdeel en hebben een zekere diepte richting het midden. De richting van de scheuren is over het algemeen parallel aan de as, maar de richting kan ook veranderen wanneer er spanningsconcentratie in het onderdeel is of wanneer er interne structurele defecten zijn.
Nadat het werkstuk volledig is afgeschrikt, is er een grote kans op longitudinale scheuren. Dit hangt samen met de grote tangentiële trekspanning op het oppervlak van het afgeschrikte werkstuk. Naarmate het koolstofgehalte van het staal toeneemt, neemt de neiging tot longitudinale scheuren toe. Laagkoolstofstaal heeft een klein soortelijk volume martensiet en een sterke thermische spanning. Er is een grote restdrukspanning op het oppervlak, waardoor het niet gemakkelijk te blussen is. Naarmate het koolstofgehalte toeneemt, neemt de oppervlaktedrukspanning af en neemt de structurele spanning toe. Tegelijkertijd verplaatst de piektrekspanning zich naar de oppervlaktelaag. Daarom is hoogkoolstofstaal gevoelig voor longitudinale afschrikscheuren bij oververhitting.
De grootte van de onderdelen heeft direct invloed op de grootte en verdeling van de restspanning, en de neiging tot afschrikscheuren is ook verschillend. Langsscheuren ontstaan ook gemakkelijk door afschrikken binnen het gevaarlijke doorsnedebereik. Bovendien veroorzaakt de blokkade van staalgrondstoffen vaak langsscheuren. Omdat de meeste stalen onderdelen worden gemaakt door walsen, worden niet-gouden insluitsels, carbiden, enz. in het staal verspreid langs de vervormingsrichting, waardoor het staal anisotroop is. Als het gereedschapsstaal bijvoorbeeld een bandachtige structuur heeft, is de dwarse breuksterkte na afschrikken 30% tot 50% kleiner dan de longitudinale breuksterkte. Als er factoren zijn, zoals niet-gouden insluitsels in het staal die spanningsconcentratie veroorzaken, zelfs als de tangentiële spanning groter is dan de axiale spanning, zijn langsscheuren gemakkelijk te vormen onder lage spanningsomstandigheden. Om deze reden is een strikte controle van het gehalte aan niet-metalen insluitsels en suiker in staal een belangrijke factor bij het voorkomen van afschrikscheuren.
De interne spanningsverdelingskenmerken van dwarsscheuren en boogscheuren zijn als volgt: het oppervlak is onderhevig aan drukspanning. Nadat de drukspanning het oppervlak een bepaalde afstand heeft verlaten, verandert deze in een grote trekspanning. De scheur ontstaat in het gebied van de trekspanning en verspreidt zich vervolgens, wanneer de interne spanning zich verspreidt, alleen naar het oppervlak van het onderdeel als deze wordt herverdeeld of als de brosheid van het staal verder toeneemt.
Dwarsscheuren komen vaak voor in grote asonderdelen, zoals rollen, turbinerotoren of andere asonderdelen. De kenmerken van de scheuren zijn dat ze loodrecht op de asrichting staan en van binnen naar buiten breken. Ze ontstaan vaak vóór het harden en worden veroorzaakt door thermische spanning. Grote smeedstukken vertonen vaak metallurgische defecten zoals poriën, insluitsels, smeedscheuren en witte vlekken. Deze defecten dienen als startpunt voor breuk en breuk onder invloed van axiale trekspanning. Boogscheuren worden veroorzaakt door thermische spanning en zijn meestal boogvormig verdeeld op de plaatsen waar de vorm van het onderdeel verandert. Ze komen voornamelijk voor in het werkstuk of nabij scherpe randen, groeven en gaten, en zijn boogvormig verdeeld. Wanneer onderdelen van koolstofstaal met een diameter of dikte van 80 tot 100 mm of meer niet worden afgeschrikt, zal het oppervlak drukspanning vertonen en het midden trekspanning. Spanning: de maximale trekspanning treedt op in de overgangszone van de geharde laag naar de niet-geharde laag, en in deze gebieden ontstaan boogscheuren. Bovendien koelt de temperatuur bij scherpe randen en hoeken snel af en worden alle onderdelen afgeschrikt. Bij de overgang naar zachte onderdelen, dat wil zeggen naar het niet-geharde gedeelte, treedt hier de zone met de maximale trekspanning op, waardoor boogscheuren gemakkelijk kunnen ontstaan. De afkoelsnelheid nabij het pengat, de groef of het middengat van het werkstuk is laag, de bijbehorende geharde laag is dun en de trekspanning nabij de geharde overgangszone kan gemakkelijk boogscheuren veroorzaken.
Reticulaire scheuren, ook wel oppervlaktescheuren genoemd, zijn oppervlaktescheuren. De diepte van de scheur is ondiep, doorgaans rond de 0,01 tot 1,5 mm. Het belangrijkste kenmerk van dit type scheur is dat de willekeurige richting van de scheur niets te maken heeft met de vorm van het onderdeel. Veel scheuren zijn met elkaar verbonden en vormen een netwerk. Ze zijn wijd verspreid. Wanneer de scheurdiepte groter is, bijvoorbeeld meer dan 1 mm, verdwijnen de netwerkkenmerken en worden scheuren willekeurig georiënteerd of longitudinaal verdeeld. Netwerkscheuren zijn gerelateerd aan de toestand van tweedimensionale trekspanning op het oppervlak.
Onderdelen van staal met een hoog koolstofgehalte of gecarboniseerd staal met een ontkoolde laag op het oppervlak zijn gevoelig voor netwerkscheuren tijdens het afschrikken. Dit komt doordat de oppervlaktelaag een lager koolstofgehalte en een kleiner soortelijk volume heeft dan de binnenste martensietlaag. Tijdens het afschrikken wordt de oppervlaktelaag van het hardmetaal blootgesteld aan trekspanning. Onderdelen waarvan de ontfosforlaag niet volledig is verwijderd tijdens mechanische bewerking, zullen ook netwerkscheuren vormen tijdens hoogfrequent- of vlamafschrikken. Om dergelijke scheuren te voorkomen, moet de oppervlaktekwaliteit van de onderdelen strikt worden gecontroleerd en moet oxidatielassen tijdens de warmtebehandeling worden voorkomen. Bovendien behoren thermische vermoeiingsscheuren die na een bepaalde tijd van gebruik van de smeedmatrijs in stroken of netwerken in de holte ontstaan, en scheuren tijdens het slijpproces van afgeschrikte onderdelen allemaal tot deze vorm.
Schilferende scheuren ontstaan in een zeer smal gebied van de oppervlaktelaag. Drukspanningen werken in axiale en tangentiële richting, en trekspanningen in radiale richting. De scheuren lopen parallel aan het oppervlak van het onderdeel. Het afbladderen van de geharde laag na oppervlakteafkoeling en het afkolven van onderdelen behoort tot dergelijke scheuren. Het optreden ervan hangt samen met de onregelmatige structuur in de geharde laag. Bijvoorbeeld, nadat gelegeerd gecarboneerd staal met een bepaalde snelheid is afgekoeld, is de structuur in de gecarboneerde laag: een buitenste laag van extreem fijn perliet + carbide, en de onderlaag van martensiet + restausteniet, de binnenste laag heeft een fijne perliet- of extreem fijne perlietstructuur. Omdat het formatiespecifieke volume van martensiet in de sublaag het grootst is, is het resultaat van volume-expansie dat drukspanning in axiale en tangentiële richting op de oppervlaktelaag inwerkt, en trekspanning in radiale richting, en dat er een spanningsmutatie naar binnen toe optreedt, die overgaat in een drukspanningstoestand, en dat er scheurvorming optreedt. Deze scheurvorming treedt op in extreem dunne gebieden waar de spanning scherp overgaat. Over het algemeen bevinden de scheuren zich parallel aan het oppervlak en kunnen in ernstige gevallen scheurvorming aan het oppervlak veroorzaken. Als de afkoelsnelheid van gecarboneerde onderdelen wordt versneld of verlaagd, kan een uniforme martensietstructuur of ultrafijne perlietstructuur in de gecarboneerde laag worden verkregen, waardoor het ontstaan van dergelijke scheuren kan worden voorkomen. Bovendien raakt het oppervlak tijdens hoogfrequente of vlamblussing vaak oververhit en kan de structurele inhomogeniteit langs de geharde laag gemakkelijk dergelijke oppervlaktescheuren vormen.
Microscheuren verschillen van de vier eerder genoemde scheuren doordat ze worden veroorzaakt door microspanning. Interkristallijne scheuren die ontstaan na het afschrikken, oververhitten en slijpen van gereedschapsstaal met een hoog koolstofgehalte of gecarboniseerde werkstukken, evenals scheuren veroorzaakt door het niet tijdig ontlaten van afgeschrikte onderdelen, zijn allemaal gerelateerd aan het ontstaan en de daaropvolgende uitbreiding van microscheuren in het staal.
Microscheuren moeten onder een microscoop worden onderzocht. Ze ontstaan meestal bij de oorspronkelijke austenietkorrelgrenzen of bij de verbinding van martensietplaten. Sommige scheuren dringen door in de martensietplaten. Onderzoek toont aan dat microscheuren vaker voorkomen in schilferige tweelingmartensieten. De reden hiervoor is dat de schilferige martensieten met elkaar botsen bij hoge groeisnelheid en hoge spanningen genereren. De tweelingmartensieten zelf zijn echter bros en kunnen geen plastische vervorming veroorzaken, waardoor er gemakkelijk microscheuren ontstaan. De austenietkorrels zijn grof en de gevoeligheid voor microscheuren neemt toe. De aanwezigheid van microscheuren in het staal zal de sterkte en plasticiteit van de afgeschrikte onderdelen aanzienlijk verminderen, wat leidt tot vroegtijdige schade (breuk).
Om microscheuren in onderdelen met een hoog koolstofgehalte te voorkomen, kunnen maatregelen worden genomen zoals een lagere afschriktemperatuur, het verkrijgen van een fijne martensietstructuur en het verlagen van het koolstofgehalte in martensiet. Daarnaast is tijdig ontlaten na het afschrikken een effectieve methode om interne spanningen te verminderen. Tests hebben aangetoond dat na voldoende ontlaten boven 200 °C de carbiden die bij de scheuren neerslaan, de scheuren "aan elkaar lassen", wat de kans op microscheuren aanzienlijk kan verminderen.
Het bovenstaande beschrijft de oorzaken en preventiemethoden van scheuren op basis van het scheurverdelingspatroon. In de daadwerkelijke productie varieert de scheurverdeling door factoren zoals staalkwaliteit, onderdeelvorm en warm- en koudverwerkingstechnologie. Soms bestaan scheuren al vóór de warmtebehandeling en breiden ze zich verder uit tijdens het afschrikproces; soms kunnen er meerdere scheurvormen tegelijk in hetzelfde onderdeel ontstaan. In dit geval moeten, op basis van de morfologische kenmerken van de scheur, macroscopische analyse van het breukvlak, metallografisch onderzoek en, indien nodig, chemische analyse en andere methoden worden gebruikt om een uitgebreide analyse uit te voeren van de materiaalkwaliteit, organisatiestructuur tot de oorzaken van de warmtebehandelingsspanning om de scheur te lokaliseren. De belangrijkste oorzaken kunnen worden geïdentificeerd en vervolgens effectieve preventieve maatregelen worden bepaald.
Breukanalyse van scheuren is een belangrijke methode om de oorzaken van scheuren te analyseren. Elke breuk heeft een beginpunt voor scheuren. Afschrikscheuren beginnen meestal bij het convergentiepunt van radiale scheuren.
Als de oorsprong van de scheur zich op het oppervlak van het onderdeel bevindt, betekent dit dat de scheur wordt veroorzaakt door overmatige trekspanning op het oppervlak. Als er geen structurele defecten zoals insluitsels op het oppervlak zijn, maar er wel spanningsconcentratiefactoren zijn zoals ernstige snijwonden, oxidehuid, scherpe hoeken van stalen onderdelen of structurele mutaties, kunnen er scheuren ontstaan.
Als de oorsprong van de scheur zich binnen het onderdeel bevindt, is er sprake van materiaaldefecten of overmatige interne resttrekspanning. Het breukoppervlak bij normaal afschrikken is grijs en fijn porselein. Als het breukoppervlak donkergrijs en ruw is, is dit het gevolg van oververhitting of is het oorspronkelijke weefsel dik.
Over het algemeen mag er geen oxidatiekleur aanwezig zijn op het glasgedeelte van de afschrikscheur en mag er geen ontkoling rond de scheur optreden. Als er ontkoling rond de scheur of een geoxideerde kleur op het scheurgedeelte aanwezig is, duidt dit erop dat het onderdeel al scheuren had vóór het afschrikken. De oorspronkelijke scheuren zullen zich uitbreiden onder invloed van warmtebehandelingsspanning. Als er gescheiden carbiden en insluitsels worden waargenomen nabij de scheuren van het onderdeel, betekent dit dat de scheuren verband houden met de sterke scheiding van carbiden in het ruwe materiaal of de aanwezigheid van insluitsels. Als er alleen scheuren ontstaan bij de scherpe hoeken of vormveranderingen van het onderdeel zonder het bovengenoemde fenomeen, betekent dit dat de scheur wordt veroorzaakt door een onredelijk structureel ontwerp van het onderdeel, onjuiste maatregelen om scheuren te voorkomen of overmatige warmtebehandelingsspanning.
Bovendien ontstaan scheuren bij chemische warmtebehandeling en oppervlakteafschrikkingen meestal in de buurt van de geharde laag. Het verbeteren van de structuur van de geharde laag en het verminderen van de warmtebehandelingsspanning zijn belangrijke manieren om oppervlaktescheuren te voorkomen.
Geplaatst op: 22 mei 2024