Definícia a účel kalenia
Oceľ sa zahreje na teplotu nad kritickým bodom Ac3 (hypoeutektoidná oceľ) alebo Ac1 (hypereutektoidná oceľ), ponechá sa určitý čas, aby sa úplne alebo čiastočne austenitizovala, a potom sa ochladí rýchlosťou vyššou ako je kritická rýchlosť kalenia. Proces tepelného spracovania, ktorý premieňa podchladený austenit na martenzit alebo nižší bainit, sa nazýva kalenie.
Účelom kalenia je premeniť podchladený austenit na martenzit alebo bainit, čím sa získa martenzitická alebo nižšia bainitová štruktúra. Táto štruktúra sa potom kombinuje s popúšťaním pri rôznych teplotách, čím sa výrazne zlepšuje pevnosť, tvrdosť a odolnosť ocele. Opotrebiteľnosť, únavová pevnosť a húževnatosť atď. sa používajú na splnenie rôznych požiadaviek na použitie rôznych mechanických súčiastok a nástrojov. Kalenie sa môže použiť aj na splnenie špeciálnych fyzikálnych a chemických vlastností určitých špeciálnych ocelí, ako je feromagnetizmus a odolnosť proti korózii.
Keď sa oceľové súčiastky chladia v kaliacom médiu so zmenami fyzikálneho stavu, proces chladenia sa vo všeobecnosti delí na nasledujúce tri fázy: fáza parného filmu, fáza varu a fáza konvekcie.
Kaliteľnosť ocele
Kaliteľnosť a prekaliteľnosť sú dva ukazovatele, ktoré charakterizujú schopnosť ocele kaliť. Sú tiež dôležitým základom pre výber a použitie materiálu.
1. Pojmy kaliteľnosť a kaliteľnosť
Kaliteľnosť je schopnosť ocele dosiahnuť najvyššiu možnú tvrdosť pri kalení a spevnení za ideálnych podmienok. Hlavným faktorom, ktorý určuje kaliteľnosť ocele, je obsah uhlíka v oceli. Presnejšie povedané, ide o obsah uhlíka rozpusteného v austenite počas kalenia a zahrievania. Čím vyšší je obsah uhlíka, tým vyššia je kaliteľnosť ocele. Legujúce prvky v oceli majú malý vplyv na kaliteľnosť, ale majú významný vplyv na kaliteľnosť ocele.
Kaliteľnosť sa vzťahuje na charakteristiky, ktoré určujú hĺbku kalenia a rozloženie tvrdosti ocele za špecifikovaných podmienok. To znamená schopnosť dosiahnuť hĺbku kalené vrstvy pri kalení ocele. Je to inherentná vlastnosť ocele. Kaliteľnosť v skutočnosti odráža ľahkosť, s akou sa austenit transformuje na martenzit pri kalení ocele. Súvisí to najmä so stabilitou podchladeného austenitu ocele alebo s kritickou rýchlosťou ochladzovania ocele pri kalení.
Treba tiež zdôrazniť, že kaliteľnosť ocele sa musí rozlišovať od efektívnej hĺbky kalenia oceľových dielov za špecifických podmienok kalenia. Kaliteľnosť ocele je inherentnou vlastnosťou samotnej ocele. Závisí iba od jej vlastných vnútorných faktorov a nemá nič spoločné s vonkajšími faktormi. Efektívna hĺbka kaliteľnosti ocele závisí nielen od kaliteľnosti ocele, ale aj od použitého materiálu. Súvisí s vonkajšími faktormi, ako je chladiace médium a veľkosť obrobku. Napríklad za rovnakých austenitizačných podmienok je kaliteľnosť tej istej ocele rovnaká, ale efektívna hĺbka kalenia pri kalení vo vode je väčšia ako pri kalení v oleji a malé diely sú menšie ako pri kalení v oleji. Efektívna hĺbka kalenia veľkých dielov je veľká. To však neznamená, že kalenie vo vode má vyššiu kaliteľnosť ako kalenie v oleji. Nedá sa povedať, že malé diely majú vyššiu kaliteľnosť ako veľké diely. Je zrejmé, že na posúdenie kaliteľnosti ocele je potrebné eliminovať vplyv vonkajších faktorov, ako je tvar obrobku, veľkosť, chladiace médium atď.
Okrem toho, keďže kaliteľnosť a kaliteľnosť sú dva odlišné pojmy, oceľ s vysokou tvrdosťou po kalení nemusí mať nevyhnutne vysokú kaliteľnosť; a oceľ s nízkou tvrdosťou môže mať tiež vysokú kaliteľnosť.
2. Faktory ovplyvňujúce kaliteľnosť
Kaliteľnosť ocele závisí od stability austenitu. Akýkoľvek faktor, ktorý môže zlepšiť stabilitu podchladeného austenitu, posunúť krivku C doprava a tým znížiť kritickú rýchlosť ochladzovania, môže zlepšiť kaliteľnosť vysokopevnostnej ocele. Stabilita austenitu závisí najmä od jeho chemického zloženia, veľkosti zŕn a rovnomernosti zloženia, ktoré súvisia s chemickým zložením ocele a podmienkami ohrevu.
3. Metóda merania kaliteľnosti
Existuje mnoho metód na meranie kaliteľnosti ocele, najčastejšie používané sú metóda merania kritického priemeru a metóda skúšky konečnej kaliteľnosti.
(1) Metóda merania kritického priemeru
Po kalení ocele v určitom médiu sa maximálny priemer, pri ktorom jadro získa iba martenzitickú alebo 50 % martenzitickej štruktúry, nazýva kritický priemer a predstavuje ho Dc. Metóda merania kritického priemeru spočíva vo výrobe série kruhových tyčí s rôznymi priemermi a po kalení sa zmeria krivka tvrdosti U rozložená pozdĺž priemeru na každej vzorke a nájde sa tyč so semimartenzitickou štruktúrou v strede. Priemer kruhovej tyče sa nazýva kritický priemer. Čím väčší je kritický priemer, tým vyššia je kaliteľnosť ocele.
(2) Metóda skúšky koncového kalenia
Metóda skúšky kalením na konci používa vzorku štandardnej veľkosti (Ф25 mm × 100 mm). Po austenitizácii sa na jeden koniec vzorky nastrieka voda pomocou špeciálneho zariadenia, aby sa ochladila. Po ochladení sa tvrdosť meria pozdĺž smeru osi – od vodou chladeného konca. Skúšobná metóda pre krivku závislosti vzdialenosti. Metóda skúšky kalenia na konci je jednou z metód na stanovenie kaliteľnosti ocele. Jej výhodami sú jednoduchá obsluha a široký rozsah použitia.
4. Zmiernenie napätia, deformácie a praskania
(1) Vnútorné napätie obrobku počas kalenia
Keď sa obrobok rýchlo ochladí v kaliacom médiu, keďže obrobok má určitú veľkosť a koeficient tepelnej vodivosti má tiež určitú hodnotu, počas procesu chladenia sa pozdĺž vnútornej časti obrobku vyskytne určitý teplotný gradient. Teplota povrchu je nízka, teplota jadra je vysoká a teplota povrchu a jadra sú vysoké. Existuje teplotný rozdiel. Počas procesu chladenia obrobku dochádza tiež k dvom fyzikálnym javom: jedným je tepelná rozťažnosť, pri ktorej sa s poklesom teploty dĺžka čiary obrobku zmenšuje; druhým je premena austenitu na martenzit, keď teplota klesne na bod premeny martenzitu, čo zväčší špecifický objem. V dôsledku teplotného rozdielu počas procesu chladenia sa bude miera tepelnej rozťažnosti v rôznych častiach prierezu obrobku líšiť a v rôznych častiach obrobku sa vytvorí vnútorné napätie. V dôsledku teplotných rozdielov v obrobku sa môžu vyskytnúť aj časti, kde teplota klesá rýchlejšie ako v bode, kde sa vyskytuje martenzit. Transformáciou sa objem zväčšuje a časti s vysokou teplotou sú stále nad bodom a stále sú v austenitickom stave. Tieto rôzne časti tiež vytvárajú vnútorné napätie v dôsledku rozdielov v špecifických zmenách objemu. Preto sa počas procesu kalenia a chladenia môžu vytvárať dva druhy vnútorného napätia: jedno je tepelné napätie a druhé je tkanivové napätie.
Podľa charakteristík doby existencie vnútorného napätia ho možno rozdeliť aj na okamžité napätie a zvyškové napätie. Vnútorné napätie generované obrobkom v určitom okamihu počas procesu chladenia sa nazýva okamžité napätie; po ochladení obrobku sa napätie zostávajúce vo vnútri obrobku nazýva zvyškové napätie.
Tepelné namáhanie sa vzťahuje na namáhanie spôsobené nekonzistentnou tepelnou rozťažnosťou (alebo zmršťovaním za studena) v dôsledku teplotných rozdielov v rôznych častiach obrobku pri jeho zahrievaní (alebo chladení).
Teraz si ako príklad vezmime plný valec, aby sme ilustrovali pravidlá vzniku a zmeny vnútorného napätia počas procesu jeho chladnutia. Tu sa bude hovoriť iba o axiálnom napätí. Na začiatku chladenia, pretože povrch chladne rýchlo, je teplota nízka a výrazne sa zmršťuje, zatiaľ čo jadro sa ochladzuje, teplota je vysoká a zmršťovanie je malé. V dôsledku toho sú povrch a vnútro vzájomne obmedzené, čo vedie k ťahovému napätiu na povrchu, zatiaľ čo jadro je pod tlakom. S postupujúcim chladením sa teplotný rozdiel medzi vnútornou a vonkajšou stranou zvyšuje a vnútorné napätie sa tiež zodpovedajúcim spôsobom zvyšuje. Keď napätie presiahne medzu klzu pri tejto teplote, dochádza k plastickej deformácii. Keďže hrúbka jadra je väčšia ako hrúbka povrchu, jadro sa vždy najprv axiálne zmršťuje. V dôsledku plastickej deformácie sa vnútorné napätie už nezvyšuje. Po ochladení na určitý čas sa pokles povrchovej teploty postupne spomalí a jeho zmršťovanie sa tiež postupne zníži. V tomto čase sa jadro stále zmršťuje, takže ťahové napätie na povrchu a tlakové napätie na jadre sa postupne znižujú, až kým nezmiznú. Avšak s pokračujúcim chladením sa povrchová vlhkosť znižuje a zmršťovanie sa zmenšuje alebo sa dokonca úplne zastaví. Keďže teplota v jadre je stále vysoká, bude sa naďalej zmršťovať a nakoniec sa na povrchu obrobku vytvorí tlakové napätie, zatiaľ čo v jadre bude pôsobiť ťahové napätie. Keďže je však teplota nízka, plastická deformácia sa ťažko vyskytuje, takže toto napätie sa s postupujúcim chladením zvyšuje. Neustále sa zvyšuje a nakoniec zostáva vo vnútri obrobku ako zvyškové napätie.
Je vidieť, že tepelné napätie počas procesu chladenia spočiatku spôsobuje natiahnutie povrchovej vrstvy a stlačenie jadra a zostávajúce zvyškové napätie je stlačenie povrchovej vrstvy a natiahnutie jadra.
Stručne povedané, tepelné napätie vznikajúce počas kalenia a chladenia je spôsobené rozdielom teplôt v priečnom reze počas procesu chladenia. Čím vyššia je rýchlosť chladenia a čím väčší je rozdiel teplôt v priečnom reze, tým väčšie je generované tepelné napätie. Za rovnakých podmienok chladiaceho média platí, že čím vyššia je teplota ohrevu obrobku, tým väčší je jeho rozmer, tým menšia je tepelná vodivosť ocele, tým väčší je teplotný rozdiel v obrobku a tým väčšie je tepelné napätie. Ak sa obrobok chladí nerovnomerne pri vysokej teplote, bude sa zdeformovať a zdeformovať. Ak je okamžité ťahové napätie vznikajúce počas procesu chladenia obrobku väčšie ako pevnosť v ťahu materiálu, vzniknú trhliny pri kalení.
Fázové transformačné napätie sa vzťahuje na napätie spôsobené rôznym načasovaním fázovej transformácie v rôznych častiach obrobku počas procesu tepelného spracovania, známe aj ako tkanivové napätie.
Počas kalenia a rýchleho ochladzovania, keď sa povrchová vrstva ochladí na bod Ms, dochádza k martenzitickej transformácii a spôsobuje objemovú expanziu. Avšak v dôsledku prekážky v jadre, ktoré ešte neprešlo transformáciou, povrchová vrstva vytvára tlakové napätie, zatiaľ čo jadro má ťahové napätie. Keď je napätie dostatočne veľké, spôsobí deformáciu. Keď sa jadro ochladí na bod Ms, tiež prejde martenzitickou transformáciou a zväčší sa jeho objem. Avšak v dôsledku obmedzení transformovanej povrchovej vrstvy s nízkou plasticitou a vysokou pevnosťou bude jej konečné zvyškové napätie vo forme povrchového napätia a jadro bude pod tlakom. Je zrejmé, že zmena a konečný stav fázového transformačného napätia sú presne opačné ako tepelné napätie. Navyše, keďže fázové transformačné napätie sa vyskytuje pri nízkych teplotách s nízkou plasticitou, deformácia je v tomto čase náročná, takže fázové transformačné napätie s väčšou pravdepodobnosťou spôsobí praskanie obrobku.
Existuje mnoho faktorov, ktoré ovplyvňujú veľkosť fázového transformačného napätia. Čím rýchlejšia je rýchlosť ochladzovania ocele v teplotnom rozsahu martenzitickej transformácie, čím väčšia je veľkosť oceľového kusu, tým horšia je tepelná vodivosť ocele, čím väčší je špecifický objem martenzitu, tým väčšie je fázové transformačné napätie. Čím väčšie je. Okrem toho fázové transformačné napätie súvisí aj so zložením ocele a jej kaliteľnosťou. Napríklad vysoko uhlíková vysoko legovaná oceľ zvyšuje špecifický objem martenzitu v dôsledku vysokého obsahu uhlíka, čo by malo zvýšiť fázové transformačné napätie ocele. So zvyšujúcim sa obsahom uhlíka však bod Ms klesá a po kalení zostáva veľké množstvo austenitu. Jeho objemová expanzia sa znižuje a zvyškové napätie je nízke.
(2) Deformácia obrobku počas kalenia
Počas kalenia existujú v obrobku dva hlavné typy deformácie: jedným je zmena geometrického tvaru obrobku, ktorá sa prejavuje zmenami veľkosti a tvaru, často nazývanými deformácia zvlnenia, ktorá je spôsobená kalením; druhým je objemová deformácia, ktorá sa prejavuje ako proporcionálne zväčšovanie alebo zmenšovanie objemu obrobku, ktoré je spôsobené zmenou špecifického objemu počas fázovej zmeny.
Deformácia deformáciou zahŕňa aj tvarovú deformáciu a deformáciu krútením. Deformácia krútením je spôsobená hlavne nesprávnym umiestnením obrobku v peci počas ohrevu alebo nedostatočným tvarovacím spracovaním po korekcii deformácie pred kalením, alebo nerovnomerným ochladením rôznych častí obrobku pri chladení obrobku. Túto deformáciu je možné analyzovať a riešiť pre špecifické situácie. Nasledujúci text sa zaoberá najmä objemovou deformáciou a deformáciou tvaru.
1) Príčiny kalenia a pravidlá jeho zmien
Objemová deformácia spôsobená štrukturálnou transformáciou Štrukturálny stav obrobku pred kalením je vo všeobecnosti perlit, teda zmiešaná štruktúra feritu a cementitu, a po kalení má martenzitickú štruktúru. Rôzne špecifické objemy týchto tkanív spôsobia zmeny objemu pred a po kalení, čo vedie k deformácii. Táto deformácia však spôsobuje iba proporcionálne rozťahovanie a sťahovanie obrobku, takže nemení jeho tvar.
Okrem toho, čím viac martenzitu je v štruktúre po tepelnom spracovaní alebo čím vyšší je obsah uhlíka v martenzite, tým väčšia je jeho objemová expanzia a čím väčšie je množstvo zadržaného austenitu, tým menšia je objemová expanzia. Zmenu objemu je preto možné kontrolovať riadením relatívneho obsahu martenzitu a zvyškového martenzitu počas tepelného spracovania. Pri správnej kontrole sa objem ani neroztiahne, ani nezmrští.
Deformácia tvaru spôsobená tepelným namáhaním Deformácia spôsobená tepelným namáhaním sa vyskytuje vo vysokoteplotných oblastiach, kde je medza klzu oceľových dielov nízka, plasticita vysoká, povrch sa rýchlo ochladzuje a teplotný rozdiel medzi vnútornou a vonkajšou stranou obrobku je najväčší. V tomto čase je okamžité tepelné napätie ťahové napätie povrchu a tlakové napätie jadra. Keďže teplota jadra je v tomto čase vysoká, medza klzu je oveľa nižšia ako povrchová medza klzu, takže sa prejavuje ako deformácia pôsobením viacsmerového tlakového napätia, to znamená, že kocka má guľovitý tvar. Výsledkom je, že väčšia kocka sa zmenšuje, zatiaľ čo menšia sa rozťahuje. Napríklad dlhý valec sa skracuje v smere dĺžky a rozťahuje v smere priemeru.
Deformácia tvaru spôsobená napätím v tkanive Deformácia spôsobená napätím v tkanive sa vyskytuje aj v skorom momente, keď je napätie v tkanive maximálne. V tomto čase je rozdiel teplôt prierezu veľký, teplota jadra je vyššia, stále je v austenitickom stave, plasticita je dobrá a medza klzu je nízka. Okamžité napätie v tkanive je povrchové tlakové napätie a ťahové napätie v jadre. Deformácia sa preto prejavuje ako predĺženie jadra pôsobením viacsmerového ťahového napätia. Výsledkom je, že pôsobením napätia v tkanive sa väčšia strana obrobku predlžuje, zatiaľ čo menšia strana sa skracuje. Napríklad deformácia spôsobená napätím v tkanive v dlhom valci je predĺženie dĺžky a zmenšenie priemeru.
Tabuľka 5.3 zobrazuje pravidlá pre kalenie a deformáciu rôznych typických oceľových súčiastok.
2) Faktory ovplyvňujúce deformáciu kalením
Faktory, ktoré ovplyvňujú deformáciu kalením, sú najmä chemické zloženie ocele, pôvodná štruktúra, geometria dielov a proces tepelného spracovania.
3) Kalenie trhlín
Trhliny v dieloch sa vyskytujú najmä v neskorej fáze kalenia a chladenia, teda po základnom dokončení martenzitickej transformácie alebo po úplnom ochladení, dochádza ku krehkému porušeniu, pretože ťahové napätie v dieloch prevyšuje lomovú pevnosť ocele. Trhliny sú zvyčajne kolmé na smer maximálnej ťahovej deformácie, takže rôzne formy trhlín v dieloch závisia najmä od stavu rozloženia napätia.
Bežné typy kaliacich trhlín: Pozdĺžne (axiálne) trhliny vznikajú hlavne vtedy, keď tangenciálne ťahové napätie presiahne medzu pevnosti materiálu; priečne trhliny vznikajú, keď veľké axiálne ťahové napätie vytvorené na vnútornom povrchu súčiastky presiahne medzu pevnosti materiálu. Trhliny; sieťové trhliny vznikajú pôsobením dvojrozmerného ťahového napätia na povrch; odlupujúce sa trhliny vznikajú vo veľmi tenkej stvrdnutej vrstve a môžu vzniknúť, keď sa napätie prudko zmení a nadmerné ťahové napätie pôsobí v radiálnom smere. Druh trhliny.
Pozdĺžne trhliny sa nazývajú aj axiálne trhliny. Trhliny vznikajú pri maximálnom ťahovom napätí v blízkosti povrchu súčiastky a smerom do stredu majú určitú hĺbku. Smer trhlín je vo všeobecnosti rovnobežný s osou, ale smer sa môže zmeniť aj vtedy, keď je v súčiastke koncentrácia napätia alebo keď sa vyskytnú vnútorné štrukturálne chyby.
Po úplnom zakalení obrobku sa môžu vyskytovať pozdĺžne trhliny. Súvisí to s veľkým tangenciálnym ťahovým napätím na povrchu zakaleného obrobku. So zvyšujúcim sa obsahom uhlíka v oceli sa zvyšuje tendencia k tvorbe pozdĺžnych trhlín. Nízkouhlíková oceľ má malý špecifický objem martenzitu a silné tepelné napätie. Na povrchu je veľké zvyškové tlakové napätie, takže sa ťažko kalí. So zvyšujúcim sa obsahom uhlíka sa povrchové tlakové napätie znižuje a štrukturálne napätie sa zvyšuje. Zároveň sa maximálne ťahové napätie posúva smerom k povrchovej vrstve. Preto je vysokouhlíková oceľ pri prehriatí náchylná na pozdĺžne kalené trhliny.
Veľkosť súčiastok priamo ovplyvňuje veľkosť a rozloženie zvyškového napätia a ich tendencia k kaleniu a praskaniu je tiež rôzna. Pozdĺžne trhliny sa tiež ľahko tvoria kalením v nebezpečnom rozsahu veľkostí prierezu. Okrem toho, blokovanie oceľových surovín často spôsobuje pozdĺžne trhliny. Keďže väčšina oceľových súčiastok sa vyrába valcovaním, nežlaté inklúzie, karbidy atď. v oceli sú rozložené pozdĺž smeru deformácie, čo spôsobuje, že oceľ je anizotropná. Napríklad, ak má nástrojová oceľ pásovú štruktúru, jej priečna lomová pevnosť po kalení je o 30 % až 50 % menšia ako pozdĺžna lomová pevnosť. Ak sú v oceli prítomné faktory, ako sú nežlaté inklúzie, ktoré spôsobujú koncentráciu napätia, aj keď je tangenciálne napätie väčšie ako axiálne napätie, pozdĺžne trhliny sa ľahko tvoria aj pri nízkych napätiach. Z tohto dôvodu je prísna kontrola hladiny nekovových inklúzií a cukru v oceli dôležitým faktorom pri prevencii kalenia a trhlín.
Charakteristiky rozloženia vnútorného napätia priečnych trhlín a oblúkových trhlín sú: povrch je vystavený tlakovému napätiu. Po opustení povrchu na určitú vzdialenosť sa tlakové napätie zmení na veľké ťahové napätie. Trhlina vzniká v oblasti ťahového napätia a potom, keď sa vnútorné napätie rozšíri na povrch súčiastky, iba ak je prerozdelené alebo sa krehkosť ocele ďalej zvyšuje.
Priečne trhliny sa často vyskytujú vo veľkých častiach hriadeľov, ako sú valce, rotory turbín alebo iné časti hriadeľov. Charakteristickým znakom trhlín je, že sú kolmé na smer osi a lámu sa zvnútra von. Často sa tvoria pred kalením a sú spôsobené tepelným namáhaním. Veľké výkovky často obsahujú metalurgické chyby, ako sú póry, inklúzie, trhliny po kovaní a biele škvrny. Tieto chyby slúžia ako východiskový bod lomu a lámu sa pôsobením axiálneho ťahového napätia. Oblúkové trhliny sú spôsobené tepelným namáhaním a zvyčajne sú rozložené v tvare oblúka v častiach, kde sa mení tvar dielu. Vyskytujú sa hlavne vo vnútri obrobku alebo v blízkosti ostrých hrán, drážok a otvorov a sú rozložené v tvare oblúka. Ak diely z vysoko uhlíkovej ocele s priemerom alebo hrúbkou 80 až 100 mm alebo viac nie sú kalené, povrch vykazuje tlakové napätie a stred vykazuje ťahové napätie. Maximálne ťahové napätie sa vyskytuje v prechodovej zóne z kalenej vrstvy do nekalenej vrstvy a v týchto oblastiach sa vyskytujú oblúkové trhliny. Okrem toho je rýchlosť ochladzovania na ostrých hranách a rohoch rýchla a všetky sú kalené. Pri prechode na jemné časti, teda do nekalenej oblasti, sa tu objavuje zóna maximálneho ťahového napätia, takže je náchylný na vznik oblúkových trhlín. Rýchlosť ochladzovania v blízkosti otvoru pre kolík, drážky alebo stredového otvoru obrobku je pomalá, zodpovedajúca kalená vrstva je tenká a ťahové napätie v blízkosti kalenej prechodovej zóny môže ľahko spôsobiť oblúkové trhliny.
Retikulárne trhliny, známe aj ako povrchové trhliny, sú povrchové trhliny. Hĺbka trhliny je malá, zvyčajne okolo 0,01 až 1,5 mm. Hlavnou charakteristikou tohto typu trhliny je, že ľubovoľný smer trhliny nemá nič spoločné s tvarom dielu. Mnohé trhliny sú navzájom prepojené a tvoria sieť, ktorá je široko rozmiestnená. Keď je hĺbka trhliny väčšia, napríklad viac ako 1 mm, charakteristiky siete miznú a stávajú sa náhodne orientovanými alebo pozdĺžne rozloženými trhlinami. Sieťové trhliny súvisia so stavom dvojrozmerného ťahového napätia na povrchu.
Diely z vysoko uhlíkovej alebo cementovanej ocele s dekarbonizovanou vrstvou na povrchu sú náchylné na tvorbu sieťových trhlín počas kalenia. Je to preto, že povrchová vrstva má nižší obsah uhlíka a menší špecifický objem ako vnútorná vrstva martenzitu. Počas kalenia je povrchová vrstva karbidu vystavená ťahovému namáhaniu. Diely, ktorých defosforenizačná vrstva nebola počas mechanického spracovania úplne odstránená, budú tiež tvoriť sieťové trhliny počas vysokofrekvenčného alebo plameňového povrchového kalenia. Aby sa predišlo takýmto trhlinám, mala by sa prísne kontrolovať kvalita povrchu dielov a počas tepelného spracovania by sa malo zabrániť oxidačnému zváraniu. Okrem toho po určitom čase používania kovania patria k tomuto typu tepelné únavové trhliny, ktoré sa objavujú v pásoch alebo sieťach v dutine, a trhliny pri brúsení kalených dielov.
Odlupujúce sa trhliny sa vyskytujú vo veľmi úzkej oblasti povrchovej vrstvy. Tlakové napätie pôsobí v axiálnom a tangenciálnom smere a ťahové napätie sa vyskytuje v radiálnom smere. Trhliny sú rovnobežné s povrchom súčiastky. Odlupovanie kalenej vrstvy po ochladení súčiastky povrchovým kalením a cementáciou patrí medzi takéto trhliny. Ich výskyt súvisí s nerovnomernou štruktúrou kalenej vrstvy. Napríklad po ochladení legovanej cementovanej ocele určitou rýchlosťou je štruktúra cementovanej vrstvy nasledovná: vonkajšia vrstva z extrémne jemného perlitu + karbidu a podvrstva z martenzitu + zvyškového austenitu, vnútorná vrstva je z jemného perlitu alebo extrémne jemnej perlitovej štruktúry. Keďže špecifický objem tvorby podvrstvy martenzitu je najväčší, výsledkom objemovej expanzie je, že tlakové napätie pôsobí na povrchovú vrstvu v axiálnom a tangenciálnom smere a ťahové napätie sa vyskytuje v radiálnom smere a dochádza k zmene napätia smerom dovnútra, ktorá prechádza do stavu tlakového napätia. Odlupujúce sa trhliny sa vyskytujú v extrémne tenkých oblastiach, kde napätie prudko prechádza. Trhliny sa vo všeobecnosti nachádzajú vo vnútri rovnobežne s povrchom a v závažných prípadoch môžu spôsobiť odlupovanie povrchu. Ak sa rýchlosť chladenia nauhličených častí zrýchli alebo sníži, v nauhličovanej vrstve sa môže dosiahnuť rovnomerná martenzitická štruktúra alebo ultrajemná perlitová štruktúra, čo môže zabrániť vzniku takýchto trhlín. Okrem toho sa počas vysokofrekvenčného alebo plameňového kalenia povrchu povrch často prehrieva a štrukturálna nehomogenita pozdĺž kalené vrstvy môže ľahko viesť k vzniku takýchto povrchových trhlín.
Mikrotrhliny sa od štyroch vyššie uvedených trhlín líšia tým, že sú spôsobené mikronapätím. Medzikryštalické trhliny, ktoré sa objavujú po kalení, prehriatí a brúsení nástrojovej ocele s vysokým obsahom uhlíka alebo cementovaných obrobkov, ako aj trhliny spôsobené nedostatočným popúšťaním kalených dielov, súvisia s existenciou a následným rozširovaním mikrotrhlín v oceli.
Mikrotrhliny sa musia skúmať pod mikroskopom. Zvyčajne sa vyskytujú na pôvodných hraniciach zŕn austenitu alebo na spoji martenzitických vrstiev. Niektoré trhliny prenikajú cez martenzitické vrstvy. Výskum ukazuje, že mikrotrhliny sú častejšie vo lupinovitom dvojčatom martenzite. Dôvodom je, že lupinovitý martenzit sa pri raste vysokou rýchlosťou navzájom zráža a vytvára vysoké napätie. Samotný dvojčatý martenzit je však krehký a nemôže vytvárať plastické deformácie, ktoré uvoľňujú napätie, a preto ľahko spôsobujú mikrotrhliny. Zrná austenitu sú hrubé a zvyšuje sa ich náchylnosť na mikrotrhliny. Prítomnosť mikrotrhlín v oceli výrazne znižuje pevnosť a plasticitu kalených dielov, čo vedie k ich predčasnému poškodeniu (lomu).
Aby sa predišlo mikrotrhlinám v súčiastkach z vysoko uhlíkovej ocele, možno prijať opatrenia, ako je nižšia teplota kalenia, dosiahnutie jemnej martenzitickej štruktúry a zníženie obsahu uhlíka v martenzite. Okrem toho je včasné popúšťanie po kalení účinnou metódou na zníženie vnútorného napätia. Testy preukázali, že po dostatočnom popúšťaní nad 200 °C majú karbidy vyzrážané v trhlinách účinok „zvárania“ trhlín, čo môže výrazne znížiť riziko vzniku mikrotrhlín.
Vyššie uvedené je diskusia o príčinách a metódach prevencie trhlín na základe vzoru rozloženia trhlín. V skutočnej výrobe sa rozloženie trhlín líši v dôsledku faktorov, ako je kvalita ocele, tvar dielu a technológia spracovania za tepla a za studena. Niekedy trhliny existujú už pred tepelným spracovaním a ďalej sa rozširujú počas procesu kalenia; niekedy sa v tej istej časti môže objaviť niekoľko foriem trhlín súčasne. V tomto prípade by sa na základe morfologických charakteristík trhliny mala použiť makroskopická analýza lomovej plochy, metalografické vyšetrenie a v prípade potreby chemická analýza a ďalšie metódy na vykonanie komplexnej analýzy od kvality materiálu, organizačnej štruktúry až po príčiny napätia pri tepelnom spracovaní, aby sa našli hlavné príčiny trhliny a následne sa stanovili účinné preventívne opatrenia.
Analýza lomu trhlín je dôležitou metódou na analýzu príčin vzniku trhlín. Každý lom má východiskový bod pre vznik trhlín. Trhliny spôsobené kalením zvyčajne začínajú v bode konvergencie radiálnych trhlín.
Ak sa pôvod trhliny nachádza na povrchu súčiastky, znamená to, že trhlina je spôsobená nadmerným ťahovým napätím na povrchu. Ak na povrchu nie sú žiadne štrukturálne chyby, ako sú inklúzie, ale existujú faktory koncentrácie napätia, ako sú silné stopy po noži, oxidové okoviny, ostré rohy oceľových súčiastok alebo štrukturálne zmeny súčiastok, môžu sa vyskytnúť trhliny.
Ak je pôvod trhliny vo vnútri súčiastky, súvisí s chybami materiálu alebo nadmerným vnútorným zvyškovým ťahovým napätím. Lomová plocha normálneho kalenia je sivá a jemne porcelánová. Ak je lomová plocha tmavosivá a drsná, je spôsobená prehriatím alebo je pôvodné tkanivo hrubé.
Vo všeobecnosti by na sklenenej časti kaliacej trhliny nemalo byť žiadne oxidačné sfarbenie a okolo trhliny by nemalo byť žiadne oduhličenie. Ak je okolo trhliny oduhličenie alebo oxidované sfarbenie na časti trhliny, znamená to, že diel už mal trhliny pred kalením a pôvodné trhliny sa budú rozširovať vplyvom tepelného namáhania. Ak sa v blízkosti trhlín dielu nachádzajú oddelené karbidy a inklúzie, znamená to, že trhliny súvisia so silnou segregáciou karbidov v surovine alebo prítomnosťou inklúzií. Ak sa trhliny objavujú iba na ostrých rohoch alebo v častiach dielu s mutáciou tvaru bez vyššie uvedeného javu, znamená to, že trhlina je spôsobená neprimeraným konštrukčným riešením dielu alebo nesprávnymi opatreniami na prevenciu trhlín, prípadne nadmerným tepelným namáhaním.
Okrem toho sa trhliny v dieloch po chemickom tepelnom spracovaní a povrchovom kalení väčšinou objavujú v blízkosti kalenej vrstvy. Zlepšenie štruktúry kalenej vrstvy a zníženie napätia pri tepelnom spracovaní sú dôležitými spôsobmi, ako sa vyhnúť povrchovým trhlinám.
Čas uverejnenia: 22. mája 2024