De definitie en het doel van afkoeling.
Het staal wordt verhit tot een temperatuur boven het kritische punt Ac3 (hypoeutectoïdisch staal) of Ac1 (hypereutectoïdisch staal), gedurende een bepaalde tijd op deze temperatuur gehouden om het volledig of gedeeltelijk te austenitiseren, en vervolgens afgekoeld met een snelheid die hoger is dan de kritische afkoelsnelheid. Het warmtebehandelingsproces dat onderkoeld austeniet omzet in martensiet of lagere bainiet wordt afschrikken genoemd.
Het doel van afschrikken is om het onderkoelde austeniet om te zetten in martensiet of bainiet, waardoor een martensiet- of lagere bainietstructuur ontstaat. Deze structuur wordt vervolgens gecombineerd met temperen bij verschillende temperaturen om de sterkte, hardheid en weerstand van het staal aanzienlijk te verbeteren. Ook de slijtvastheid, vermoeiingssterkte en taaiheid worden verbeterd, zodat aan de uiteenlopende eisen van diverse mechanische onderdelen en gereedschappen kan worden voldaan. Afschrikken kan ook worden gebruikt om te voldoen aan de specifieke fysische en chemische eigenschappen van bepaalde speciale staalsoorten, zoals ferromagnetisme en corrosiebestendigheid.
Wanneer stalen onderdelen worden afgekoeld in een afschrikmedium met veranderingen in fysische toestand, wordt het afkoelingsproces over het algemeen onderverdeeld in de volgende drie fasen: dampfilmfase, kookfase en convectiefase.
Hardbaarheid van staal
Hardbaarheid en hardbaarheid zijn twee prestatie-indicatoren die het vermogen van staal om afschrikking te ondergaan karakteriseren. Ze vormen tevens een belangrijke basis voor materiaalselectie 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. Om precies te zijn, het is het koolstofgehalte dat tijdens het afschrikken en opwarmen in het austeniet is opgelost. Hoe hoger het koolstofgehalte, hoe hoger de hardbaarheid van het staal. De legeringselementen in staal hebben weinig invloed op de hardbaarheid, maar ze hebben wel een significante 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 diepte van de geharde laag te bereiken wanneer staal wordt afgeschrikt. Het is een intrinsieke eigenschap van staal. Hardbaarheid weerspiegelt in feite het gemak waarmee austeniet in martensiet transformeert wanneer het staal wordt afgeschrikt. Het is voornamelijk gerelateerd aan de stabiliteit van het onderkoelde austeniet van het staal, of aan de kritische afkoelsnelheid van het staal tijdens het afschrikken.
Het is belangrijk om te benadrukken dat de hardbaarheid van staal moet worden onderscheiden van de effectieve hardingsdiepte van stalen onderdelen onder specifieke afkoelingsomstandigheden. De hardbaarheid van staal is een intrinsieke eigenschap van het staal zelf. Deze hangt alleen af van 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 zelf, maar ook van het gebruikte materiaal. Deze is gerelateerd aan externe factoren zoals het koelmedium en de afmetingen van het werkstuk. Bijvoorbeeld: onder dezelfde austenitiseeromstandigheden is de hardbaarheid van hetzelfde staal gelijk, maar de effectieve hardingsdiepte bij afkoeling in water is groter dan bij afkoeling in olie. Bij kleinere onderdelen is de effectieve hardingsdiepte bij grotere onderdelen groter. Dit betekent niet dat afkoeling in water een hogere hardbaarheid heeft dan afkoeling in olie. Evenmin betekent het dat kleine onderdelen een hogere hardbaarheid hebben dan grote onderdelen. Het is duidelijk dat bij het beoordelen van de hardbaarheid van staal de invloed van externe factoren zoals de vorm en grootte van het werkstuk, het koelmedium, enz. moet worden geëlimineerd.
Omdat hardbaarheid en hardbaarheid twee verschillende begrippen zijn, betekent dit dat staal met een hoge hardheid na afschrikken niet per se een hoge hardbaarheid heeft; en dat staal met een lage hardheid ook een hoge hardbaarheid kan 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 daardoor de kritische afkoelsnelheid kan verlagen, kan de hardbaarheid van hoogstaal verbeteren. De stabiliteit van austeniet hangt voornamelijk af van de chemische samenstelling, de korrelgrootte en de uniformiteit van de samenstelling, die op hun beurt weer samenhangen met de chemische samenstelling van het staal en de verhittingsomstandigheden.
3. Meetmethode voor hardbaarheid
Er bestaan veel methoden om de hardbaarheid van staal te meten. De meest gebruikte methoden zijn de kritische diameter-meetmethode en de eindhardbaarheidstest.
(1)Methode voor het meten van de kritische diameter
Nadat staal in een bepaald medium is afgeschrikt, wordt de maximale diameter waarbij de kern volledig martensiet of voor 50% martensiet bevat, de kritische diameter genoemd, aangeduid met Dc. De methode om de kritische diameter te meten, is als volgt: er worden een reeks ronde staven met verschillende diameters gemaakt. Na afschrikken wordt de hardheidscurve (U-curve) gemeten langs de diameter van elk monster. De staaf met de semi-martensietstructuur in het midden wordt vervolgens bepaald. De diameter van deze ronde staaf is de kritische diameter. Hoe groter de kritische diameter, hoe hoger de hardbaarheid van het staal.
(2) Testmethode voor eindafkoeling
De eindhardingstestmethode maakt gebruik van een standaard eindhardingsproefstuk (Ф25mm×100mm). Na austenitisatie wordt water op één uiteinde van het proefstuk gespoten in een speciale opstelling om het af te koelen. Na afkoeling wordt de hardheid gemeten langs de asrichting – vanaf het watergekoelde uiteinde. Testmethode voor het bepalen van de afstandsrelatiecurve. De eindhardingstestmethode is een van de methoden om de hardbaarheid van staal te bepalen. De voordelen ervan zijn de eenvoudige bediening en het brede toepassingsgebied.
4. Afschrikspanning, vervorming en scheurvorming
(1) Interne spanning van het werkstuk tijdens het afkoelen
Wanneer een werkstuk snel wordt afgekoeld in een afkoelingsmedium, ontstaat er, vanwege de afmetingen en de thermische geleidbaarheidscoëfficiënt van het werkstuk, een temperatuurgradiënt langs de binnendoorsnede van het werkstuk tijdens het afkoelingsproces. De oppervlaktetemperatuur is laag, de kerntemperatuur hoog, en er is een temperatuurverschil tussen de oppervlakte- en kerntemperatuur. Tijdens het afkoelingsproces van het werkstuk treden er twee fysische verschijnselen op: thermische uitzetting, waarbij de lengte van het werkstuk afneemt naarmate de temperatuur daalt; en de transformatie van austeniet naar martensiet wanneer de temperatuur daalt tot het martensiettransformatiepunt, waardoor het soortelijk volume toeneemt. Door het temperatuurverschil tijdens het afkoelingsproces zal de mate van thermische uitzetting verschillen op verschillende plaatsen langs de dwarsdoorsnede van het werkstuk, en zullen er interne spanningen ontstaan op verschillende plaatsen in het werkstuk. Door de temperatuurverschillen binnen het werkstuk kunnen er ook plaatsen zijn waar de temperatuur sneller daalt dan het punt waarop martensietvorming optreedt. Tijdens de transformatie zet het volume uit, en de delen met een hoge temperatuur blijven hoger dan het punt en bevinden zich nog steeds in de austenietfase. Deze verschillende delen genereren ook interne spanningen als gevolg van verschillen in de specifieke volumeveranderingen. Daarom kunnen er tijdens het afschrik- en koelproces twee soorten interne spanningen ontstaan: thermische spanning en weefselspanning.
Afhankelijk van de tijdsduur waarin interne spanningen aanwezig zijn, kunnen ze worden onderverdeeld in momentane spanning en restspanning. De interne spanning die op een bepaald moment tijdens het afkoelingsproces in het werkstuk ontstaat, wordt momentane spanning genoemd; de spanning die na afkoeling in het werkstuk achterblijft, wordt restspanning genoemd.
Thermische spanning verwijst naar de spanning die ontstaat door ongelijkmatige thermische uitzetting (of krimp bij lage temperaturen) als gevolg van temperatuurverschillen in verschillende delen van het werkstuk tijdens het verwarmen (of afkoelen).
Laten we nu een massieve cilinder als voorbeeld nemen om de regels voor de vorming en verandering van interne spanning tijdens het afkoelingsproces te illustreren. Alleen de axiale spanning wordt hier besproken. Aan het begin van de afkoeling koelt het oppervlak snel af, waardoor de temperatuur laag is en het materiaal sterk krimpt. De kern daarentegen koelt snel af, heeft een hoge temperatuur en krimpt weinig. Hierdoor worden het oppervlak en de binnenkant tegen elkaar gedrukt, wat resulteert in trekspanning aan het oppervlak en drukspanning in de kern. Naarmate de afkoeling vordert, neemt het temperatuurverschil tussen de binnen- en buitenkant toe, en daarmee ook de interne spanning. Wanneer de spanning de vloeigrens bij deze temperatuur overschrijdt, treedt plastische vervorming op. Omdat de kern dikker is dan het oppervlak, krimpt de kern altijd eerst axiaal. Als gevolg van de plastische vervorming neemt de interne spanning niet verder toe. Na een bepaalde afkoelingsperiode 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 aan het oppervlak en de drukspanning in de kern geleidelijk afnemen totdat ze verdwijnen. Naarmate het afkoelen voortschrijdt, neemt de oppervlaktevochtigheid echter steeds verder af en neemt de krimp af, of stopt deze zelfs helemaal. Omdat de temperatuur in de kern nog steeds hoog is, zal deze blijven krimpen, waardoor uiteindelijk drukspanning aan het oppervlak van het werkstuk ontstaat, terwijl de kern trekspanning zal vertonen. Omdat de temperatuur echter laag is, treedt plastische vervorming niet gemakkelijk op, waardoor deze spanning toeneemt naarmate het afkoelen vordert. Deze spanning blijft toenemen en blijft uiteindelijk in het werkstuk achter als restspanning.
Hieruit blijkt dat de thermische spanning tijdens het afkoelingsproces er aanvankelijk voor zorgt dat de oppervlaktelaag wordt uitgerekt en de kern wordt samengedrukt, en dat de resterende restspanning bestaat uit het samendrukken van de oppervlaktelaag en het uitrekken van de kern.
Samenvattend wordt de thermische spanning die ontstaat tijdens het afschrikken veroorzaakt door het temperatuurverschil in de dwarsdoorsnede tijdens het afkoelingsproces. Hoe hoger de afkoelsnelheid en hoe groter het temperatuurverschil in de dwarsdoorsnede, hoe groter de thermische spanning. Onder dezelfde omstandigheden van het koelmedium geldt dat hoe hoger de verwarmingstemperatuur van het werkstuk, hoe groter de afmetingen, hoe lager de thermische geleidbaarheid van het staal, hoe groter het temperatuurverschil in het werkstuk en hoe groter de thermische spanning. Als het werkstuk ongelijkmatig afkoelt bij een hoge temperatuur, zal het vervormen. Als de momentane trekspanning die ontstaat tijdens het afkoelingsproces van het werkstuk groter is dan de treksterkte van het materiaal, zullen er afschrikscheuren ontstaan.
Faseovergangsspanning verwijst naar de spanning die ontstaat door de verschillende timing van de faseovergang in diverse delen van het werkstuk tijdens het warmtebehandelingsproces, ook wel weefselspanning genoemd.
Tijdens het afkoelen en snel afkoelen vindt er, wanneer de oppervlaktelaag tot het Ms-punt wordt afgekoeld, een martensitische transformatie plaats die volumetoename veroorzaakt. Door de belemmering van de kern, die nog geen transformatie heeft ondergaan, ontstaat er echter drukspanning in de oppervlaktelaag, terwijl de kern trekspanning ondervindt. Wanneer deze spanning groot genoeg is, treedt vervorming op. Wanneer de kern tot het Ms-punt wordt afgekoeld, ondergaat deze ook een martensitische transformatie en neemt het volume toe. Door de beperkingen van de getransformeerde oppervlaktelaag met lage plasticiteit en hoge sterkte, zal de uiteindelijke restspanning echter de vorm aannemen van oppervlaktespanning, waardoor de kern onder druk komt te staan. Het is duidelijk dat de verandering en de uiteindelijke toestand van de faseovergangsspanning precies het tegenovergestelde zijn van thermische spanning. Bovendien is vervorming moeilijk te bereiken bij faseovergangsspanning, omdat deze optreedt bij lage temperaturen met een lage plasticiteit. Daardoor is de kans op scheurvorming in het werkstuk groter.
Er zijn veel factoren die de grootte van de faseovergangsspanning beïnvloeden. Hoe sneller het staal afkoelt in het martensiettransformatie-temperatuurbereik, hoe groter het staalstuk, hoe slechter de thermische geleidbaarheid van het staal, hoe groter het specifieke volume van martensiet, en hoe groter de faseovergangsspanning. Bovendien is de faseovergangsspanning ook gerelateerd aan de samenstelling en de hardbaarheid van het staal. Hooggelegeerd staal met een hoog koolstofgehalte verhoogt bijvoorbeeld het specifieke volume van martensiet door het hoge koolstofgehalte, wat de faseovergangsspanning van het staal zou moeten verhogen. Echter, naarmate het koolstofgehalte toeneemt, daalt het Ms-punt en blijft er na het afkoelen een grote hoeveelheid rest-austeniet over. De volumetoename hiervan neemt af en de restspanning is laag.
(2) Vervorming van het werkstuk tijdens het afkoelen
Tijdens het afkoelen treden er twee hoofdvormen van vervorming op in het werkstuk: de ene is de verandering in de geometrische vorm van het werkstuk, die zich manifesteert als veranderingen in grootte en vorm, vaak kromtrekking genoemd, en die wordt veroorzaakt door de afkoelspanning; de andere is volumevervorming, die zich manifesteert als een proportionele uitzetting of inkrimping van het volume van het werkstuk, en die wordt veroorzaakt door de verandering in het soortelijk volume tijdens de faseovergang.
Vervorming door kromtrekken omvat ook vormvervorming en torsievervorming. Torsievervorming wordt voornamelijk veroorzaakt door een onjuiste plaatsing van het werkstuk in de oven tijdens het verhitten, of door het ontbreken van een vormcorrectiebehandeling vóór het afkoelen, of door ongelijkmatige afkoeling van verschillende delen van het werkstuk tijdens het afkoelen. Deze vervorming kan worden geanalyseerd en opgelost voor specifieke situaties. Hieronder wordt voornamelijk ingegaan op volumevervorming en vormvervorming.
1) Oorzaken van afschrikvervorming en de veranderingsregels ervan
Volumevervorming veroorzaakt door structurele transformatie. De structuur van het werkstuk vóór het afkoelen is over het algemeen perliet, dat wil zeggen een gemengde structuur van ferriet en cementiet, en na het afkoelen is het een martensitische structuur. De verschillende soortelijke volumes van deze weefsels veroorzaken volumeveranderingen vóór en na het afkoelen, wat resulteert in vervorming. Deze vervorming zorgt er echter alleen voor dat het werkstuk proportioneel uitzet en krimpt, waardoor de vorm van het werkstuk niet verandert.
Bovendien geldt dat hoe meer martensiet er na de warmtebehandeling in de structuur aanwezig is, of hoe hoger het koolstofgehalte in het martensiet, hoe groter de volumetoename. Hoe groter de hoeveelheid resterend austeniet, hoe kleiner de volumetoename. De volumeverandering kan dus worden beheerst door de relatieve verhouding tussen martensiet en resterend martensiet tijdens de warmtebehandeling te controleren. Bij een juiste beheersing zal het volume noch uitzetten noch krimpen.
Vormvervorming 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 dat moment bestaat de momentane thermische spanning uit trekspanning aan het oppervlak en drukspanning in de kern. Omdat de kerntemperatuur op dat moment hoog is, is de vloeigrens veel lager dan aan het oppervlak, waardoor er vervorming optreedt onder invloed van multidirectionele drukspanning. Dit betekent dat de kubus in verschillende richtingen bolvormig wordt. Het resultaat is dat de grotere delen krimpen, terwijl de kleinere delen uitzetten. Een lange cilinder verkort bijvoorbeeld in de lengterichting en zet uit in de diameterrichting.
Vormvervorming veroorzaakt door weefselspanning treedt ook op in de beginfase, wanneer de weefselspanning maximaal is. Op dat moment is het temperatuurverschil in de dwarsdoorsnede groot, is de kerntemperatuur hoger, bevindt het materiaal zich nog in de austenietfase, is de plasticiteit goed en is de vloeigrens laag. De momentane weefselspanning bestaat uit drukspanning aan het oppervlak en trekspanning in de kern. De vervorming manifesteert zich daarom als een verlenging van de kern onder invloed van multidirectionele trekspanning. Het resultaat is dat onder invloed van de weefselspanning de langere zijde van het werkstuk langer wordt, terwijl de kortere zijde korter wordt. Bijvoorbeeld, de vervorming veroorzaakt door weefselspanning in een lange cilinder is een verlenging in lengte en een afname in diameter.
Tabel 5.3 toont de vervormingsregels tijdens het afkoelen van verschillende typische stalen onderdelen.
2) Factoren die de afschrikvervorming beïnvloeden
De factoren die de afschrikvervorming beïnvloeden, zijn hoofdzakelijk de chemische samenstelling van het staal, de oorspronkelijke structuur, de geometrie van de onderdelen en het warmtebehandelingsproces.
3) Afkoelingsscheuren
Scheuren in onderdelen ontstaan voornamelijk in de late fase van het afschrik- en koelproces, dat wil zeggen nadat de martensitische transformatie in principe is voltooid of na volledige afkoeling. Er treedt dan brosbreuk op omdat de trekspanning in de onderdelen de breuksterkte van het staal overschrijdt. Scheuren lopen meestal loodrecht op de richting van de maximale trekvervorming, waardoor de verschillende vormen van scheuren in onderdelen voornamelijk afhangen van de spanningsverdeling.
Veelvoorkomende soorten afschrikbarsten: Langwerpige (axiale) barsten ontstaan voornamelijk wanneer de tangentiële trekspanning de breeksterkte van het materiaal overschrijdt; dwarsbarsten ontstaan wanneer de grote axiale trekspanning aan het binnenoppervlak van het onderdeel de breeksterkte van het materiaal overschrijdt; netbarsten ontstaan onder invloed van tweedimensionale trekspanning aan het oppervlak; afschilferingsbarsten ontstaan in een zeer dunne geharde laag, wat kan gebeuren wanneer de spanning abrupt verandert en er een te hoge trekspanning in radiale richting werkt.
Langsscheuren worden ook wel axiale scheuren genoemd. Scheuren ontstaan op de plek waar de trekspanning het hoogst is, vlakbij het oppervlak van het onderdeel, en hebben een bepaalde diepte naar het midden toe. De richting van de scheuren is over het algemeen parallel aan de as, maar de richting kan veranderen bij spanningsconcentraties in het onderdeel of bij interne structurele defecten.
Na het volledig afkoelen van het werkstuk is de kans op het ontstaan van longitudinale scheuren groot. Dit hangt samen met de grote tangentiële trekspanning aan het oppervlak van het afgeschrikte werkstuk. Naarmate het koolstofgehalte van het staal toeneemt, neemt de neiging tot het vormen van longitudinale scheuren toe. Laag koolstofstaal heeft een klein specifiek volume martensiet en een sterke thermische spanning. Er is een grote residuele drukspanning aan het oppervlak, waardoor het moeilijk af te schrikken is. Naarmate het koolstofgehalte toeneemt, neemt de drukspanning aan het oppervlak af en de structurele spanning toe. Tegelijkertijd verschuift de piektrekspanning naar de oppervlaktelaag. Daarom is hoog koolstofstaal gevoelig voor longitudinale afschrikscheuren bij oververhitting.
De afmetingen van de onderdelen hebben direct invloed op de grootte en verdeling van de restspanning, en de neiging tot afschrikscheuren verschilt ook. Binnen het gevaarlijke bereik van de doorsnedeafmetingen ontstaan gemakkelijk langsscheuren tijdens het afschrikken. Bovendien veroorzaakt verstopping van de staalgrondstoffen vaak langsscheuren. Omdat de meeste stalen onderdelen door walsen worden vervaardigd, zijn niet-metallische insluitingen, carbiden, enz. in het staal verdeeld langs de vervormingsrichting, waardoor het staal anisotroop wordt. Als gereedschapsstaal bijvoorbeeld een bandstructuur heeft, is de dwarsbreuksterkte na afschrikken 30% tot 50% kleiner dan de langsbreuksterkte. Als er factoren zoals niet-metallische insluitingen in het staal aanwezig zijn die spanningsconcentratie veroorzaken, ontstaan er gemakkelijk langsscheuren, zelfs als de tangentiële spanning groter is dan de axiale spanning, onder lage spanningsomstandigheden. Om deze reden is strikte controle van het gehalte aan niet-metallische insluitingen en suikers in staal een belangrijke factor bij het voorkomen van afschrikscheuren.
De interne spanningsverdeling in dwars- en boogscheuren kenmerkt zich door de volgende eigenschappen: het oppervlak staat onder drukspanning. Na een bepaalde afstand vanaf het oppervlak verandert de drukspanning in een grote trekspanning. De scheur ontstaat in het gebied met trekspanning, en wanneer de interne spanning zich vervolgens naar het oppervlak van het onderdeel verspreidt, treedt er alleen herverdeling op of neemt de brosheid van het staal verder toe.
Dwarsbreuken komen vaak voor in grote asonderdelen, zoals rollen, turbinerotoren of andere asonderdelen. De kenmerken van deze breuken 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 spanningen. Grote smeedstukken vertonen vaak metallurgische defecten zoals poriën, insluitingen, smeedscheuren en witte vlekken. Deze defecten dienen als uitgangspunt voor breuken en leiden tot scheuren onder invloed van axiale trekspanning. Boogbreuken worden veroorzaakt door thermische spanningen en zijn meestal in een boogvorm verdeeld op plaatsen waar de vorm van het onderdeel verandert. Ze komen voornamelijk voor in het werkstuk of in de buurt van scherpe randen, groeven en gaten, en zijn in een boogvorm verdeeld. Wanneer onderdelen van koolstofstaal met een diameter of dikte van 80 tot 100 mm of meer niet worden gehard, zal het oppervlak drukspanning vertonen en het midden trekspanning. Spanning, met name de maximale trekspanning, treedt op in de overgangszone van de geharde naar de ongeharde laag, waardoor boogscheuren in deze gebieden ontstaan. Bovendien koelt het werkstuk snel af bij scherpe randen en hoeken, waardoor alle delen snel afkoelen. Bij de overgang naar de minder scherpe delen, oftewel het ongeharde gebied, ontstaat hier de zone met de maximale trekspanning, waardoor boogscheuren gemakkelijk kunnen ontstaan. De afkoelsnelheid nabij de penopening, groef of centreeropening van het werkstuk is laag, de bijbehorende geharde laag is dun en de trekspanning in de overgangszone kan gemakkelijk boogscheuren veroorzaken.
Netvormige scheuren, ook wel oppervlaktescheuren genoemd, zijn scheuren aan het oppervlak. De scheurdiepte is gering, doorgaans tussen de 0,01 en 1,5 mm. Het belangrijkste kenmerk van dit type scheur is dat de willekeurige richting ervan niets te maken heeft met de vorm van het onderdeel. Veel scheuren zijn met elkaar verbonden en vormen een netwerk dat wijdverspreid is. Wanneer de scheurdiepte groter is, bijvoorbeeld meer dan 1 mm, verdwijnen de netwerkkenmerken en ontstaan willekeurig georiënteerde of in de lengte verdeelde scheuren. Netvormige scheuren houden verband met de tweedimensionale trekspanning aan het oppervlak.
Onderdelen van koolstofrijk of gecarburiseerd staal met een ontkolingslaag aan het oppervlak zijn gevoelig voor het ontstaan van netvormige scheuren tijdens het afkoelen. Dit komt doordat de oppervlaktelaag een lager koolstofgehalte en een kleiner soortelijk volume heeft dan de binnenste martensietlaag. Tijdens het afkoelen wordt de oppervlaktelaag van het carbide blootgesteld aan trekspanning. Onderdelen waarvan de ontkolingslaag niet volledig is verwijderd tijdens de mechanische bewerking, zullen ook netvormige scheuren vertonen tijdens hoogfrequent of vlamafkoeling. Om dergelijke scheuren te voorkomen, moet de oppervlaktekwaliteit van de onderdelen strikt worden gecontroleerd en moet oxidatielassen tijdens de warmtebehandeling worden vermeden. Daarnaast vallen thermische vermoeidheidsscheuren die na verloop van tijd in stroken of netwerken in de matrijs ontstaan, evenals scheuren die tijdens het slijpproces van afgeschrikte onderdelen ontstaan, allemaal onder deze vorm.
Afschilferingsscheuren ontstaan in een zeer smal gebied van de oppervlaktelaag. Drukspanning werkt in de axiale en tangentiële richting, terwijl trekspanning in de radiale richting optreedt. De scheuren lopen parallel aan het oppervlak van het onderdeel. Het afschilferen van de geharde laag na oppervlakteharding en het afkoelen van gecarburiseerde onderdelen behoort tot dit type scheuren. Het ontstaan ervan houdt verband met de ongelijkmatige structuur in de geharde laag. Bijvoorbeeld, na het afkoelen van gecarburiseerd staal met een bepaalde snelheid, is de structuur in de gecarburiseerde laag als volgt: een buitenlaag van extreem fijn perliet + carbide, een onderlaag van martensiet + rest-austeniet, en een binnenlaag van fijn perliet of extreem fijn perliet. Omdat het specifieke vormingsvolume van de martensietlaag het grootst is, resulteert de volumetoename in een drukspanning in de axiale en tangentiële richting op de oppervlaktelaag, terwijl er trekspanning in de radiale richting ontstaat. Hierdoor vindt er een spanningsverandering naar binnen plaats, waardoor een drukspanningstoestand ontstaat en afschilferingsscheuren optreden in extreem dunne gebieden waar de spanningsverandering abrupt is. Over het algemeen bevinden de scheuren zich parallel aan het oppervlak en kunnen ze in ernstige gevallen leiden tot afschilfering van het oppervlak. Door de afkoelsnelheid van gecarburiseerde onderdelen te versnellen of te verlagen, kan een uniforme martensietstructuur of een ultrafijne perlietstructuur in de gecarburiseerde laag worden verkregen, wat het ontstaan van dergelijke scheuren kan voorkomen. Bovendien raakt het oppervlak tijdens hoogfrequente of vlamafkoeling vaak oververhit, waardoor de structurele inhomogeniteit langs de geharde laag gemakkelijk kan leiden tot dergelijke oppervlaktescheuren.
Microbarsten verschillen van de vier eerdergenoemde scheuren doordat ze worden veroorzaakt door microspanning. Intergranulaire scheuren die ontstaan na het afschrikken, oververhitten en slijpen van gereedschapsstaal met een hoog koolstofgehalte of gecarburiseerde werkstukken, evenals scheuren die ontstaan door het niet tijdig temperen van afgeschrikte onderdelen, houden allemaal verband met het bestaan en de daaropvolgende uitbreiding van microbarsten in het staal.
Microscheurtjes moeten onder een microscoop worden onderzocht. Ze ontstaan meestal aan de oorspronkelijke korrelgrenzen van het austeniet of op de overgang tussen de martensietlagen. Sommige scheurtjes dringen door de martensietlagen heen. Onderzoek wijst uit dat microscheurtjes vaker voorkomen in schilferig getwijnd martensiet. Dit komt doordat de schilferige martensietkorrels met elkaar botsen tijdens hun snelle groei, waardoor hoge spanningen ontstaan. Het getwijnde martensiet zelf is echter bros en kan geen plastische vervorming ondergaan. Plastische vervorming vermindert de spanning, waardoor gemakkelijk microscheurtjes ontstaan. De austenietkorrels zijn grof en de gevoeligheid voor microscheurtjes neemt toe. De aanwezigheid van microscheurtjes in het staal vermindert de sterkte en plasticiteit van de geharde onderdelen aanzienlijk, wat leidt tot vroegtijdige beschadiging (breuk) van de onderdelen.
Om microscheurtjes in onderdelen van koolstofrijk staal te voorkomen, kunnen maatregelen worden genomen zoals een lagere afschriktemperatuur, het verkrijgen van een fijne martensietstructuur en het verlagen van het koolstofgehalte in het martensiet. Daarnaast is tijdig temperen na het afkoelen een effectieve methode om interne spanningen te verminderen. Tests hebben aangetoond dat na voldoende temperen boven 200 °C de carbiden die in de scheuren neerslaan, de scheuren als het ware "lassen", waardoor het risico op microscheurtjes aanzienlijk wordt verminderd.
Bovenstaande tekst bespreekt de oorzaken en preventiemethoden van scheuren op basis van het scheurpatroon. In de praktijk varieert de scheurverdeling door factoren zoals de staalkwaliteit, de vorm van het onderdeel en de warm- en koudverwerkingstechnologie. Soms zijn er al scheuren aanwezig vóór de warmtebehandeling en breiden deze zich verder uit tijdens het afkoelingsproces; soms kunnen er meerdere soorten scheuren tegelijkertijd in hetzelfde onderdeel voorkomen. In dat geval moet, op basis van de morfologische kenmerken van de scheur, macroscopische analyse van het breukvlak, metallografisch onderzoek en, indien nodig, chemische analyse en andere methoden, een uitgebreide analyse worden uitgevoerd van de materiaalkwaliteit en de organisatiestructuur tot de oorzaken van de spanningen tijdens de warmtebehandeling om de belangrijkste oorzaken van de scheur te achterhalen en vervolgens effectieve preventieve maatregelen te bepalen.
Breukanalyse is een belangrijke methode om de oorzaken van scheuren te onderzoeken. Elke breuk heeft een beginpunt. Afschrikscheuren ontstaan meestal op het punt waar radiale scheuren samenkomen.
Als de scheur aan het oppervlak van het onderdeel ontstaat, betekent dit dat de scheur wordt veroorzaakt door overmatige trekspanning aan het oppervlak. Ook als er geen structurele defecten zoals insluitingen aan het oppervlak aanwezig zijn, maar wel spanningsconcentratiefactoren zoals diepe snijsporen, oxidatie, scherpe hoeken van stalen onderdelen of structurele mutaties, kunnen scheuren ontstaan.
Als de scheur zich in het onderdeel bevindt, houdt dit verband met materiaalfouten of overmatige interne restspanning. Het breukvlak van normaal gehard materiaal is grijs en fijn porseleinachtig. Als het breukvlak donkergrijs en ruw is, wordt dit veroorzaakt door oververhitting of een te dikke oorspronkelijke laag.
Over het algemeen mag er geen oxidatiekleur op het glasoppervlak van de afschrikbarst aanwezig zijn en mag er geen ontkoling rond de barst voorkomen. Als er wel ontkoling rond de barst of een oxidatiekleur op het barstoppervlak te zien is, duidt dit erop dat het onderdeel vóór het afschrikken al barsten vertoonde en dat deze oorspronkelijke barsten onder invloed van de warmtebehandeling verder zullen uitzetten. Als er in de buurt van de barsten in het onderdeel gesegregeerde carbiden en insluitsels worden waargenomen, betekent dit dat de barsten verband houden met de sterke segregatie van carbiden in het basismateriaal of de aanwezigheid van insluitsels. Als er alleen barsten voorkomen in scherpe hoeken of op plaatsen met een afwijkende vorm, zonder de bovengenoemde verschijnselen, betekent dit dat de barst is veroorzaakt door een onredelijk structureel ontwerp van het onderdeel, onvoldoende maatregelen om barsten te voorkomen of overmatige warmtebehandeling.
Daarnaast ontstaan scheuren in chemisch warmtebehandelde en oppervlaktegeharde onderdelen meestal in de buurt van de geharde laag. Het verbeteren van de structuur van de geharde laag en het verminderen van de spanning tijdens de warmtebehandeling zijn belangrijke manieren om scheuren aan het oppervlak te voorkomen.
Geplaatst op: 22 mei 2024