Sammutuksen määritelmä ja tarkoitus
Teräs kuumennetaan kriittisen pisteen Ac3 (hypoeutektoiditeräs) tai Ac1 (hypereutektoiditeräs) yläpuolelle, pidetään tässä lämpötilassa tietyn ajan, kunnes se on täysin tai osittain austeniittinen, ja sitten jäähdytetään nopeudella, joka on suurempi kuin kriittinen sammutusnopeus. Lämpökäsittelyprosessia, jossa alijäähtynyt austeniitti muuttuu martensiitiksi tai alemmaksi bainiitiksi, kutsutaan sammutukseksi.
Sammuttamisen tarkoituksena on muuttaa alijäähtynyt austeniitti martensiitiksi tai bainiitiksi martensiitti- tai alemman bainiittipitoisuuden omaavaksi rakenteeksi. Tätä päästöä ja päästöä eri lämpötiloissa parannetaan huomattavasti teräksen lujuutta, kovuutta ja kestävyyttä. Kulumiskestävyyttä, väsymislujuutta ja sitkeyttä voidaan parantaa erilaisten mekaanisten osien ja työkalujen erilaisten käyttövaatimusten täyttämiseksi. Sammuttamista voidaan käyttää myös tiettyjen erikoisterästen erityisten fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien, kuten ferromagneettisuuden ja korroosionkestävyyden, täyttämiseen.
Kun teräsosia jäähdytetään sammutusväliaineessa, jonka fysikaalinen olomuoto muuttuu, jäähdytysprosessi jaetaan yleensä seuraaviin kolmeen vaiheeseen: höyrykalvovaihe, kiehumisvaihe ja konvektiovaihe.
Teräksen karkenevuus
Karkenevuus ja karkenevuus ovat kaksi suorituskykyindikaattoria, jotka kuvaavat teräksen kykyä sammua. Ne ovat myös tärkeä perusta materiaalin valinnalle ja käytölle.
1. Karkenevuuden ja karkenevuuden käsitteet
Karkenevuus on teräksen kyky saavuttaa suurin kovuus, jonka se voi saavuttaa sammutettuna ja karkaistuna ihanteellisissa olosuhteissa. Tärkein teräksen karkenevuutta määräävä tekijä on teräksen hiilipitoisuus. Tarkemmin sanottuna se on austeniittiin sammutuksen ja kuumennuksen aikana liuenneen hiilipitoisuuden määrä. Mitä korkeampi hiilipitoisuus on, sitä parempi on teräksen karkenevuus. Teräksen seosaineilla on vain vähän vaikutusta karkenevuuteen, mutta niillä on merkittävä vaikutus teräksen karkenevuuteen.
Karkenevuus viittaa ominaisuuksiin, jotka määräävät teräksen karkenemissyvyyden ja kovuusjakauman tietyissä olosuhteissa. Toisin sanoen kykyyn saavuttaa karkaistun kerroksen paksuus teräksen sammutuksessa. Se on teräksen luontainen ominaisuus. Karkenevuus heijastaa itse asiassa sitä, kuinka helposti austeniitti muuttuu martensiitiksi teräksen sammutuksessa. Se liittyy pääasiassa teräksen alijäähtyneen austeniitin stabiilisuuteen tai teräksen kriittiseen sammutusjäähdytysnopeuteen.
On myös huomattava, että teräksen karkenevuus on erotettava teräsosien tehokkaasta karkenemissyvyydestä tietyissä sammutusolosuhteissa. Teräksen karkenevuus on teräksen itsensä luontainen ominaisuus. Se riippuu vain sen omista sisäisistä tekijöistä eikä sillä ole mitään tekemistä ulkoisten tekijöiden kanssa. Teräksen tehokas karkenemissyvyys ei riipu ainoastaan teräksen karkenevuudesta, vaan myös käytetystä materiaalista. Se liittyy ulkoisiin tekijöihin, kuten jäähdytysväliaineeseen ja työkappaleen kokoon. Esimerkiksi samoissa austenitointiolosuhteissa saman teräksen karkenevuus on sama, mutta vesisammutuksen tehokas karkenemissyvyys on suurempi kuin öljysammutuksen, ja pienet osat ovat pienempiä kuin öljysammutuksen. Suurten osien tehokas karkenemissyvyys on suuri. Tätä ei voida sanoa tarkoittavan, että vesisammutuksen karkenevuus olisi parempi kuin öljysammutuksen. Ei voida sanoa, että pienillä osilla olisi parempi karkenevuus kuin suurilla osilla. Voidaan nähdä, että teräksen karkenevuuden arvioimiseksi on poistettava ulkoisten tekijöiden, kuten työkappaleen muodon, koon, jäähdytysväliaineen jne., vaikutus.
Lisäksi, koska karkenevuus ja karkenevuus ovat kaksi eri käsitettä, teräksellä, jolla on korkea kovuus sammutuksen jälkeen, ei välttämättä ole korkeaa karkenevuutta; ja teräksellä, jolla on alhainen kovuus, voi myös olla korkea karkenevuus.
2. Karkenevuuteen vaikuttavat tekijät
Teräksen karkenevuus riippuu austeniitin stabiilisuudesta. Mikä tahansa tekijä, joka voi parantaa alijäähtyneen austeniitin stabiilisuutta, siirtää C-käyrää oikealle ja siten vähentää kriittistä jäähdytysnopeutta, voi parantaa korkealujuusteräksen karkenevuutta. Austeniitin stabiilius riippuu pääasiassa sen kemiallisesta koostumuksesta, raekoosta ja koostumuksen tasaisuudesta, jotka liittyvät teräksen kemialliseen koostumukseen ja lämmitysolosuhteisiin.
3. Karkenevuuden mittausmenetelmä
Teräksen karkenevuuden mittaamiseen on monia menetelmiä, joista yleisimmin käytettyjä ovat kriittisen halkaisijan mittausmenetelmä ja loppukarkenevuuden testausmenetelmä.
(1) Kriittisen halkaisijan mittausmenetelmä
Kun teräs on sammutettu tietyssä väliaineessa, kriittiseksi halkaisijaksi kutsutaan sitä suurinta halkaisijaa, jossa ydin on kokonaan tai 50 % martensiittia, ja sitä edustaa merkinnällä Dc. Kriittisen halkaisijan mittausmenetelmässä valmistetaan sarja eri halkaisijoita sisältäviä pyöreitä tankoja. Sammutuksen jälkeen mitataan kunkin näyteosan halkaisijan suuntainen kovuus-U-käyrä ja etsitään tanko, jonka keskellä on puolimartensiittinen rakenne. Pyöreän tangon halkaisija on kriittinen halkaisija. Mitä suurempi kriittinen halkaisija, sitä parempi on teräksen karkenevuus.
(2) Loppusammutustestimenetelmä
Päätysammutuskoemenetelmässä käytetään standardikokoista päätysammutusnäytettä (Ф25mm × 100mm). Austenisoinnin jälkeen näytteen toiseen päähän suihkutetaan vettä erityisellä laitteistolla sen jäähdyttämiseksi. Jäähdytyksen jälkeen kovuus mitataan akselin suunnassa – vesijäähdytteisestä päästä. Etäisyyssuhdekäyrän testausmenetelmä. Päätysammutuskoemenetelmä on yksi menetelmä teräksen karkenevuuden määrittämiseksi. Sen etuja ovat yksinkertainen käyttö ja laaja käyttöalue.
4. Jännityksen, muodonmuutoksen ja halkeilun sammutus
(1) Työkappaleen sisäinen jännitys sammutuksen aikana
Kun työkappaletta jäähdytetään nopeasti sammutusväliaineessa, koska työkappaleella on tietty koko ja lämmönjohtavuuskerroin on myös tietty arvo, jäähdytysprosessin aikana työkappaleen sisäosassa esiintyy tietty lämpötilagradientti. Pinnan lämpötila on alhainen, ytimen lämpötila on korkea ja pinnan ja ytimen lämpötilat ovat korkeat. Lämpötilaero on olemassa. Työkappaleen jäähdytysprosessin aikana on myös kaksi fysikaalista ilmiötä: toinen on lämpölaajeneminen, jossa lämpötilan laskiessa työkappaleen viivan pituus kutistuu; toinen on austeniitin muuttuminen martensiitiksi, kun lämpötila laskee martensiitin muutospisteeseen, mikä lisää ominaistilavuutta. Jäähdytysprosessin aikana vallitsevan lämpötilaeron vuoksi lämpölaajenemisen määrä on erilainen työkappaleen poikkileikkauksen eri osissa, ja työkappaleen eri osiin syntyy sisäisiä jännityksiä. Työkappaleen sisäisten lämpötilaerojen vuoksi voi myös olla osia, joissa lämpötila laskee nopeammin kuin piste, jossa martensiittia esiintyy. Muutoksen myötä tilavuus laajenee, ja korkeassa lämpötilassa olevat osat ovat edelleen pistettä korkeammalla ja austeniittisessa tilassa. Nämä eri osat aiheuttavat myös sisäistä jännitystä ominaistilavuusmuutosten erojen vuoksi. Siksi sammutus- ja jäähdytysprosessin aikana voi syntyä kahdenlaisia sisäisiä jännityksiä: toinen on lämpöjännitys ja toinen on kudosjännitys.
Sisäisen jännityksen olemassaoloaikaominaisuuksien mukaan se voidaan jakaa myös hetkelliseen jännitykseen ja jäännösjännitykseen. Työkappaleen jäähdytysprosessin tietyllä hetkellä synnyttämää sisäistä jännitystä kutsutaan hetkelliseksi jännitykseksi; työkappaleen jäähdytyksen jälkeen työkappaleen sisään jäävää jännitystä kutsutaan jäännösjännitykseksi.
Lämpöjännitys tarkoittaa jännitystä, joka johtuu epätasaisesta lämpölaajenemisesta (tai kylmäsupistuksesta), joka johtuu työkappaleen eri osien lämpötilaeroista sitä lämmitettäessä (tai jäähdytettäessä).
Otetaan nyt esimerkkinä kiinteä lieriö havainnollistamaan sisäisen jännityksen muodostumista ja muutossääntöjä sen jäähtymisprosessin aikana. Tässä käsitellään vain aksiaalista jännitystä. Jäähtymisen alussa, koska pinta jäähtyy nopeasti, lämpötila on alhainen ja kutistuu paljon, kun taas ytimen jäähtyessä lämpötila on korkea ja kutistuminen on vähäistä. Tämän seurauksena pinta ja sisäpuoli ovat toisiaan vasten rajoittuneita, mikä johtaa vetojännitykseen pinnalla, kun ydin on paineen alaisena. Jäähtymisen edetessä sisä- ja ulkopuolen lämpötilaero kasvaa, ja myös sisäinen jännitys kasvaa vastaavasti. Kun jännitys kasvaa ylittämään myötölujuuden tässä lämpötilassa, tapahtuu plastista muodonmuutosta. Koska sydämen paksuus on suurempi kuin pinnan paksuus, sydän supistuu aina ensin aksiaalisesti. Plastisen muodonmuutoksen seurauksena sisäinen jännitys ei enää kasva. Tietyn ajan kuluttua jäähdytyksen jälkeen pinnan lämpötilan lasku hidastuu vähitellen ja myös sen kutistuminen vähenee vähitellen. Tällöin ydin kutistuu edelleen, joten pinnan vetojännitys ja ytimen puristusjännitys vähenevät vähitellen, kunnes ne katoavat. Jäähtymisen jatkuessa pinnan kosteus kuitenkin laskee ja laskee, ja kutistumisen määrä vähenee tai jopa lakkaa. Koska ytimen lämpötila on edelleen korkea, se kutistuu edelleen, ja lopulta työkappaleen pintaan muodostuu puristusjännitys, kun taas ytimeen kohdistuu vetojännitystä. Koska lämpötila on alhainen, plastista muodonmuutosta ei kuitenkaan helposti tapahdu, joten tämä jännitys kasvaa jäähtymisen edetessä. Se kasvaa edelleen ja lopulta jää työkappaleen sisään jäännösjännitykseksi.
Voidaan nähdä, että jäähdytysprosessin aikainen lämpöjännitys aiheuttaa aluksi pintakerroksen venymisen ja ytimen puristumisen, ja jäljelle jäävä jäännösjännitys on pintakerroksen puristuminen ja ytimen venyminen.
Yhteenvetona voidaan todeta, että sammutusjäähdytyksen aikana syntyvä lämpöjännitys johtuu jäähdytysprosessin poikkileikkauksen lämpötilaerosta. Mitä suurempi jäähdytysnopeus ja mitä suurempi poikkileikkauksen lämpötilaero, sitä suurempi syntyvä lämpöjännitys. Samoissa jäähdytysväliaineolosuhteissa, mitä korkeampi työkappaleen lämmityslämpötila on, sitä suurempi on koko, sitä pienempi on teräksen lämmönjohtavuus, sitä suurempi on työkappaleen sisäinen lämpötilaero ja sitä suurempi on lämpöjännitys. Jos työkappale jäähdytetään epätasaisesti korkeassa lämpötilassa, se vääntyy ja muuttaa muotoaan. Jos työkappaleen jäähdytysprosessin aikana syntyvä hetkellinen vetojännitys on suurempi kuin materiaalin vetolujuus, syntyy sammutushalkeamia.
Faasimuutosjännitys viittaa jännitykseen, joka johtuu faasimuutoksen eri ajoituksesta työkappaleen eri osissa lämpökäsittelyprosessin aikana, joka tunnetaan myös kudosjännityksenä.
Sammutuksen ja nopean jäähdytyksen aikana, kun pintakerros jäähdytetään Ms-pisteeseen, tapahtuu martensiittinen muutos, joka aiheuttaa tilavuuden laajenemista. Muuttumattoman ytimen tukkeutumisen vuoksi pintakerros kuitenkin aiheuttaa puristusjännitystä, kun taas ytimessä on vetojännitystä. Kun jännitys on riittävän suuri, se aiheuttaa muodonmuutosta. Kun ydin jäähdytetään Ms-pisteeseen, se myös läpikäy martensiittisen muutoksen ja laajenee tilavuudessa. Muuntuneen pintakerroksen rajoitusten vuoksi, joilla on alhainen plastisuus ja korkea lujuus, sen lopullinen jäännösjännitys on kuitenkin pintajännityksen muodossa, ja ydin paineen alaisena. Voidaan nähdä, että faasimuutosjännityksen muutos ja lopullinen tila ovat täysin päinvastaiset kuin lämpöjännitys. Lisäksi, koska faasimuutosjännitys esiintyy matalissa lämpötiloissa ja alhaisessa plastisuudessa, muodonmuutos on tässä vaiheessa vaikeaa, joten faasimuutosjännitys aiheuttaa todennäköisemmin työkappaleen halkeilua.
Faasimuutosjännityksen suuruuteen vaikuttaa monia tekijöitä. Mitä nopeampi teräksen jäähtymisnopeus on martensiittimuutoslämpötila-alueella, mitä suurempi teräskappaleen koko, sitä huonompi teräksen lämmönjohtavuus, mitä suurempi martensiitin ominaistilavuus ja sitä suurempi faasimuutosjännitys. Mitä suuremmaksi se kasvaa. Lisäksi faasimuutosjännitys liittyy myös teräksen koostumukseen ja karkenevuuteen. Esimerkiksi runsashiilinen, korkeaseosteinen teräs lisää martensiitin ominaistilavuutta sen korkean hiilipitoisuuden vuoksi, mikä lisää teräksen faasimuutosjännitystä. Hiilipitoisuuden kasvaessa Ms-piste kuitenkin pienenee, ja sammutuksen jälkeen jää paljon austeniittia. Sen tilavuuslaajeneminen pienenee ja jäännösjännitys on pieni.
(2) Työkappaleen muodonmuutos sammutuksen aikana
Sammutusvaiheessa työkappaleessa esiintyy kahdenlaisia muodonmuutoksia: toinen on työkappaleen geometrisen muodon muutos, joka ilmenee koon ja muodon muutoksina, joita usein kutsutaan vääntymismuodonmuutokseksi ja jotka johtuvat sammutusjännityksestä; toinen on tilavuusmuodonmuutos, joka ilmenee työkappaleen tilavuuden suhteellisena laajenemisena tai supistumisena, joka johtuu ominaistilavuuden muutoksesta faasimuutoksen aikana.
Vääntymismuodonmuutokseen kuuluvat myös muodonmuutokset ja kiertävät muodonmuutokset. Vääntymismuodonmuutoksen aiheuttavat pääasiassa työkappaleen virheellinen sijoittelu uuniin kuumennuksen aikana, muotoilukäsittelyn puute muodonmuutoksen korjauksen jälkeen ennen sammutusta tai työkappaleen eri osien epätasainen jäähdytys jäähdytyksen aikana. Tätä muodonmuutosta voidaan analysoida ja ratkaista tietyissä tilanteissa. Seuraavassa käsitellään pääasiassa tilavuusmuodonmuutosta ja muodonmuutosta.
1) Sammutusmuodonmuutoksen syyt ja sen muuttuvat säännöt
Rakenteellisen muutoksen aiheuttama tilavuuden muodonmuutos Työkappaleen rakenteellinen tila ennen sammutusta on yleensä perliittinen eli ferriitin ja sementiitin sekarakenne, ja sammutuksen jälkeen se on martensiittinen rakenne. Näiden kudosten erilaiset ominaistilavuudet aiheuttavat tilavuuden muutoksia ennen sammutusta ja sen jälkeen, mikä johtaa muodonmuutokseen. Tämä muodonmuutos aiheuttaa kuitenkin vain työkappaleen suhteellisen laajenemisen ja supistumisen, joten se ei muuta työkappaleen muotoa.
Lisäksi mitä enemmän martensiittia rakenteessa on lämpökäsittelyn jälkeen tai mitä suurempi martensiitin hiilipitoisuus on, sitä suurempi on sen tilavuuslaajeneminen, ja mitä suurempi on jäljellä olevan austeniitin määrä, sitä pienempi on tilavuuslaajeneminen. Siksi tilavuuden muutosta voidaan hallita säätämällä martensiitin ja jäännösmartensiitin suhteellista pitoisuutta lämpökäsittelyn aikana. Jos hallitaan oikein, tilavuus ei laajene eikä kutistu.
Lämpöjännityksen aiheuttama muodonmuutos Lämpöjännityksen aiheuttama muodonmuutos tapahtuu korkean lämpötilan alueilla, joissa teräsosien myötölujuus on alhainen, plastisuus korkea, pinta jäähtyy nopeasti ja työkappaleen sisä- ja ulkopinnan lämpötilaero on suurin. Tällöin hetkellinen lämpöjännitys on pinnan vetojännitys ja ytimen puristusjännitys. Koska ytimen lämpötila on korkea, myötölujuus on paljon pienempi kuin pinnan, joten se ilmenee muodonmuutoksena monisuuntaisen puristusjännityksen vaikutuksesta eli kuutio on pallomainen. Vaihtelu. Tuloksena on, että suurempi kutistuu, kun taas pienempi laajenee. Esimerkiksi pitkä sylinteri lyhenee pituussuunnassa ja laajenee halkaisijan suunnassa.
Kudosjännityksen aiheuttama muodonmuutos Kudosjännityksen aiheuttama muodonmuutos tapahtuu myös alussa, kun kudosjännitys on suurimmillaan. Tällöin poikkileikkauksen lämpötilaero on suuri, ytimen lämpötila on korkeampi, se on edelleen austeniittisessa tilassa, plastisuus on hyvä ja myötölujuus on alhainen. Hetkellinen kudosjännitys on pinnan puristusjännitys ja ytimen vetojännitys. Näin ollen muodonmuutos ilmenee ytimen venymisenä monisuuntaisen vetojännityksen vaikutuksesta. Tuloksena on, että kudosjännityksen vaikutuksesta työkappaleen suurempi sivu venyy ja pienempi sivu lyhenee. Esimerkiksi pitkässä sylinterissä kudosjännityksen aiheuttama muodonmuutos on pituuden venymistä ja halkaisijan pienenemistä.
Taulukossa 5.3 on esitetty erilaisten tyypillisten teräsosien sammutusmuodonmuutossäännöt.
2) Sammutusmuodonmuutokseen vaikuttavat tekijät
Sammutusmuodonmuutokseen vaikuttavia tekijöitä ovat pääasiassa teräksen kemiallinen koostumus, alkuperäinen rakenne, osien geometria ja lämpökäsittelyprosessi.
3) Halkeamien sammuttaminen
Osien halkeamat esiintyvät pääasiassa sammutuksen ja jäähdytyksen loppuvaiheessa, eli sen jälkeen, kun martensiittinen muutos on olennaisesti päättynyt tai täydellinen jäähdytys. Hauras murtuma tapahtuu, koska osien vetojännitys ylittää teräksen murtolujuuden. Halkeamat ovat yleensä kohtisuorassa suurimman vetomuodonmuutoksen suuntaan nähden, joten osien eri halkeamien muodot riippuvat pääasiassa jännitysjakauman tilasta.
Yleisiä sammutushalkeamien tyyppejä: Pituussuuntaisia (aksiaalisia) halkeamia syntyy pääasiassa, kun tangentiaalinen vetojännitys ylittää materiaalin murtolujuuden; poikittaisia halkeamia muodostuu, kun osan sisäpinnalle muodostuva suuri aksiaalinen vetojännitys ylittää materiaalin murtolujuuden. Halkeamat; verkkohalkeamat muodostuvat kaksiulotteisen vetojännityksen vaikutuksesta pintaan; kuoriutumishalkeamat syntyvät hyvin ohueen kovettuneeseen kerrokseen, mikä voi tapahtua, kun jännitys muuttuu jyrkästi ja liiallinen vetojännitys vaikuttaa säteittäiseen suuntaan. Halkeaman tyyppi.
Pituussuuntaisia halkeamia kutsutaan myös aksiaalisiksi halkeamiksi. Halkeamat syntyvät suurimmalla vetojännityksellä lähellä kappaleen pintaa ja niillä on tietty syvyys kohti keskustaa. Halkeamien suunta on yleensä yhdensuuntainen akselin kanssa, mutta suunta voi myös muuttua, kun kappaleeseen kohdistuu jännityskeskittymää tai kun siinä on sisäisiä rakenteellisia vikoja.
Kun työkappale on täysin sammutettu, pitkittäissuuntaisia halkeamia esiintyy todennäköisesti. Tämä liittyy sammutetun työkappaleen pinnan suureen tangentiaaliseen vetojännitykseen. Teräksen hiilipitoisuuden kasvaessa taipumus pitkittäissuuntaisten halkeamien muodostumiseen kasvaa. Vähähiilisellä teräksellä on pieni martensiittipitoisuus ja voimakas lämpöjännitys. Pinnan jäännöspuristusjännitys on suuri, joten sitä ei ole helppo sammuttaa. Hiilipitoisuuden kasvaessa pinnan puristusjännitys pienenee ja rakenteellinen jännitys kasvaa. Samalla vetojännityksen huippu siirtyy kohti pintakerrosta. Siksi runsashiilinen teräs on altis pitkittäisille sammutushalkeamille ylikuumentuessaan.
Osien koko vaikuttaa suoraan jäännösjännityksen kokoon ja jakautumiseen, ja myös niiden sammutushalkeilualttius on erilainen. Myös pitkittäishalkeamia muodostuu helposti sammutettaessa vaarallisella poikkileikkauskokoalueella. Lisäksi teräsraaka-aineiden tukkeutuminen aiheuttaa usein pitkittäishalkeamia. Koska useimmat teräsosat valmistetaan valssaamalla, teräksen muut kuin kultaiset sulkeumat, karbidit jne. jakautuvat muodonmuutossuuntaan, mikä tekee teräksestä anisotrooppisen. Esimerkiksi jos työkaluteräksellä on nauhamainen rakenne, sen poikittainen murtolujuus sammutuksen jälkeen on 30–50 % pienempi kuin pitkittäinen murtolujuus. Jos teräksessä on muita kuin kultaisia sulkeumia, jotka aiheuttavat jännityskeskittymistä, pitkittäishalkeamia muodostuu helposti alhaisissa jännitysolosuhteissa, vaikka tangentiaalinen jännitys olisi suurempi kuin aksiaalinen jännitys. Tästä syystä teräksen muiden kuin metallisten sulkeumien ja sokerin pitoisuuden tiukka valvonta on tärkeä tekijä sammutushalkeamien estämisessä.
Poikittaisten ja kaarihalkeamien sisäisen jännityksen jakautumisominaisuudet ovat: pintaan kohdistuu puristusjännitystä. Tietyn matkan jälkeen pinnasta poistuttaessa puristusjännitys muuttuu suureksi vetojännitykseksi. Halkeama syntyy vetojännityksen alueelle, ja sitten kun sisäinen jännitys leviää osan pintaan vain, jos se jakautuu uudelleen tai teräksen hauraus lisääntyy entisestään.
Poikittaisia halkeamia esiintyy usein suurissa akselin osissa, kuten rullissa, turbiiniroottoreissa tai muissa akselin osissa. Halkeamien ominaispiirteisiin kuuluu, että ne ovat kohtisuorassa akselin suuntaan nähden ja murtuvat sisältä ulospäin. Ne muodostuvat usein ennen karkaisua ja johtuvat lämpöjännityksestä. Suurissa takeissa on usein metallurgisia vikoja, kuten huokosia, sulkeumia, taontahalkeamia ja valkoisia täpliä. Nämä viat toimivat murtumisen lähtökohtana ja murtuvat aksiaalisen vetojännityksen vaikutuksesta. Kaarihalkeamat johtuvat lämpöjännityksestä ja ne jakautuvat yleensä kaaren muotoon osissa, joissa osan muoto muuttuu. Se esiintyy pääasiassa työkappaleen sisällä tai terävien reunojen, urien ja reikien lähellä, ja se jakautuu kaaren muotoon. Kun 80–100 mm:n tai suuremman halkaisijan tai paksuuden omaavia runsashiilisen teräksen osia ei sammuteta, pintaan kohdistuu puristusjännitystä ja keskelle vetojännitystä. Jännityksessä suurin vetojännitys esiintyy karkaistun kerroksen ja karkaisemattoman kerroksen siirtymäalueella, ja näillä alueilla esiintyy kaarihalkeamia. Lisäksi terävien reunojen ja kulmien jäähtymisnopeus on nopea ja kaikki sammutetaan. Siirtyessämme hellävaraisiin osiin eli karkaisemattomaan alueeseen, suurimman vetojännityksen vyöhyke syntyy täällä, joten valokaarihalkeamia esiintyy helposti. Jäähtymisnopeus työkappaleen tapinreiän, uran tai keskireiän lähellä on hidas, vastaava karkaistu kerros on ohut ja vetojännitys karkaistun siirtymäalueen lähellä voi helposti aiheuttaa valokaarihalkeamia.
Verkkomaiset halkeamat, jotka tunnetaan myös pintahalkeamina, ovat pintahalkeamia. Halkeaman syvyys on pieni, yleensä noin 0,01–1,5 mm. Tämän tyyppisen halkeaman tärkein ominaisuus on, että halkeaman mielivaltaisella suunnalla ei ole mitään tekemistä osan muodon kanssa. Monet halkeamat ovat yhteydessä toisiinsa muodostaen verkon ja ovat laajalle levinneitä. Kun halkeaman syvyys on suurempi, esimerkiksi yli 1 mm, verkoston ominaisuudet katoavat ja niistä tulee satunnaisesti suuntautuneita tai pituussuunnassa jakautuneita halkeamia. Verkkohalkeamat liittyvät pinnan kaksiulotteisen vetojännityksen tilaan.
Hiilettömällä pinnalla olevan korkeahiilisen tai hiiletetyn teräksen osat ovat alttiita verkkohalkeamien muodostumiselle sammutuksen aikana. Tämä johtuu siitä, että pintakerroksen hiilipitoisuus ja ominaistilavuus ovat alhaisemmat kuin martensiittikerroksen. Sammutuksen aikana kovametallin pintakerrokseen kohdistuu vetojännitystä. Osiin, joiden fosforinpoistokerrosta ei ole poistettu kokonaan mekaanisen käsittelyn aikana, muodostuu myös verkkohalkeamia korkeataajuisen tai liekkisammutuksen aikana. Tällaisten halkeamien välttämiseksi osien pinnanlaatua on valvottava tarkasti ja hapettumishitsautumista on estettävä lämpökäsittelyn aikana. Lisäksi tietyn ajan kuluttua taontamuotin käytöstä onteloon muodostuu nauhoina tai verkkoina lämpöväsymishalkeamia sekä sammutettujen osien hiontaprosessissa syntyviä halkeamia.
Kuoriutumishalkeamia esiintyy pintakerroksen hyvin kapealla alueella. Puristusjännitys vaikuttaa aksiaalisessa ja tangentiaalisessa suunnassa ja vetojännitys säteittäisessä suunnassa. Halkeamat ovat kappaleen pinnan suuntaisia. Karkaistun kerroksen kuoriutuminen pintasammutuksen ja hiiletysosan jäähdytyksen jälkeen kuuluu tällaisiin halkeamiin. Sen esiintyminen liittyy karkaistun kerroksen epätasaiseen rakenteeseen. Esimerkiksi kun seostettu hiiletetty teräs on jäähdytetty tietyllä nopeudella, hiiletetyn kerroksen rakenne on: ulkokerros on erittäin hienoa perliittiä + karbidia ja alikerros on martensiittia + jäännösausteniittia, sisäkerros on hienoa perliittiä tai erittäin hienoa perliittiä. Koska alikerroksen martensiitin muodostuman ominaistilavuus on suurin, tilavuuden laajenemisen seurauksena puristusjännitys vaikuttaa pintakerrokseen aksiaalisessa ja tangentiaalisessa suunnassa, vetojännitys esiintyy säteittäisessä suunnassa ja jännitysmutaatio tapahtuu sisäpuolella, jolloin siirtyy puristusjännitystilaan, ja kuoriutumishalkeamia esiintyy erittäin ohuilla alueilla, joissa jännitys siirtyy jyrkästi. Yleensä halkeamat piilevät pinnan suuntaisesti sisäpuolella, ja vakavissa tapauksissa ne voivat aiheuttaa pinnan kuoriutumista. Jos hiiletettyjen osien jäähdytysnopeutta kiihdytetään tai hidastetaan, hiiletettyyn kerrokseen voidaan saada tasainen martensiittirakenne tai erittäin hieno perliittirakenne, mikä voi estää tällaisten halkeamien syntymisen. Lisäksi korkeataajuisen tai liekkisammutuksen aikana pinta usein ylikuumenee, ja karkaistun kerroksen rakenteellinen epähomogeenisuus voi helposti muodostaa tällaisia pintahalkeamia.
Mikrohalkeamat eroavat neljästä edellä mainitusta halkeamasta siinä, että ne johtuvat mikrojännityksestä. Rakeiden väliset halkeamat, jotka ilmenevät korkean hiilipitoisuuden omaavan työkaluteräksen tai hiiletettyjen työkappaleiden sammutuksen, ylikuumenemisen ja hiomisen jälkeen, sekä halkeamat, jotka johtuvat sammutettujen osien liian heikosta päästöstä, liittyvät kaikki teräksen mikrohalkeamien olemassaoloon ja niiden myöhempään laajenemiseen.
Mikrohalkeamat on tutkittava mikroskoopilla. Ne esiintyvät yleensä austeniitin alkuperäisillä raerajoilla tai martensiittilevyjen liitoskohdassa. Jotkut halkeamat lävistävät martensiittilevyjä. Tutkimukset osoittavat, että mikrohalkeamat ovat yleisempiä hiutaleisessa kaksosmartensiitissa. Syynä on se, että hiutaleiset martensiitit törmäävät toisiinsa kasvaessaan suurella nopeudella ja aiheuttavat suurta jännitystä. Kaksosmartensiitti itsessään on kuitenkin hauras eikä pysty tuottamaan plastista muodonmuutosta, joka laukaisee jännitystä ja aiheuttaa helposti mikrohalkeamia. Austeniittirakeet ovat karkeita ja alttius mikrohalkeamille kasvaa. Mikrohalkeamien esiintyminen teräksessä vähentää merkittävästi sammutettujen osien lujuutta ja plastisuutta, mikä johtaa osien ennenaikaiseen vaurioitumiseen (murtumiseen).
Hiiliteräsosien mikrohalkeamien välttämiseksi voidaan ottaa käyttöön toimenpiteitä, kuten alentaa sammutuslämmityslämpötilaa, saada hienojakoinen martensiittirakenne ja vähentää martensiitin hiilipitoisuutta. Lisäksi oikea-aikainen päästö sammutuksen jälkeen on tehokas menetelmä sisäisen jännityksen vähentämiseksi. Testit ovat osoittaneet, että riittävän yli 200 °C:n päästön jälkeen halkeamiin saostuneet karbidit "hitsaavat" halkeamat, mikä voi merkittävästi vähentää mikrohalkeamien vaaraa.
Yllä on keskustelu halkeamien syistä ja ehkäisymenetelmistä halkeamien jakautumismallin perusteella. Todellisessa tuotannossa halkeamien jakautuminen vaihtelee sellaisten tekijöiden vuoksi kuin teräksen laatu, osan muoto sekä kuuma- ja kylmäkäsittelytekniikka. Joskus halkeamat ovat olemassa jo ennen lämpökäsittelyä ja laajenevat edelleen sammutusprosessin aikana; joskus samassa osassa voi esiintyä samanaikaisesti useita halkeamien muotoja. Tässä tapauksessa halkeaman morfologisten ominaisuuksien perusteella tulisi käyttää murtumapinnan makroskooppista analyysia, metallografista tutkimusta ja tarvittaessa kemiallista analyysia ja muita menetelmiä kattavan analyysin tekemiseksi materiaalin laadusta, organisaatiorakenteesta lämpökäsittelyjännityksen syihin, halkeaman pääasiallisten syiden löytämiseksi ja sitten tehokkaiden ehkäisevien toimenpiteiden määrittämiseksi.
Halkeamien murtuma-analyysi on tärkeä menetelmä halkeamien syiden analysoimiseksi. Kaikilla murtumilla on lähtökohtansa. Halkeamien sammuminen alkaa yleensä säteittäisten halkeamien yhtymäkohdasta.
Jos halkeaman alkuperä on osan pinnalla, se tarkoittaa, että halkeaman aiheuttaa pinnan liiallinen vetojännitys. Jos pinnalla ei ole rakenteellisia vikoja, kuten sulkeumia, mutta jännityskeskittymiä on, kuten vakavia veitsenjälkiä, oksidihilsettä, teräsosien teräviä kulmia tai rakenteellisia muutoksia, halkeamia voi esiintyä.
Jos halkeaman alkuperä on osan sisällä, se liittyy materiaalivirheisiin tai liialliseen sisäiseen jäännösvetolujuuteen. Normaalin sammutuksen murtumapinta on harmaata ja hienoa posliinia. Jos murtumapinta on tummanharmaa ja karhea, se johtuu ylikuumenemisesta tai alkuperäinen kudos on paksua.
Yleisesti ottaen sammutushalkeaman lasiosassa ei saa olla hapettumisväriä, eikä halkeaman ympärillä saa olla hiilenpoistoa. Jos halkeaman ympärillä on hiilenpoistoa tai halkeaman osassa on hapettunutta väriä, se osoittaa, että osassa oli halkeamia jo ennen sammutusta, ja alkuperäiset halkeamat laajenevat lämpökäsittelyrasituksen vaikutuksesta. Jos halkeamien lähellä näkyy irtonaisia karbideja ja sulkeumia, se tarkoittaa, että halkeamat liittyvät raaka-aineen kovametallien voimakkaaseen erotteluun tai sulkeumien läsnäoloon. Jos halkeamia esiintyy vain osan terävissä kulmissa tai muodonmuutoksissa ilman edellä mainittua ilmiötä, se tarkoittaa, että halkeaman aiheuttaa osan kohtuuton rakennesuunnittelu, virheelliset toimenpiteet halkeamien estämiseksi tai liiallinen lämpökäsittelyrasitus.
Lisäksi kemiallisesti lämpökäsiteltyjen ja pintasammutettujen osien halkeamat esiintyvät enimmäkseen kovettuneella kerroksella. Karkaistun kerroksen rakenteen parantaminen ja lämpökäsittelyjännityksen vähentäminen ovat tärkeitä tapoja välttää pintahalkeamia.
Julkaisun aika: 22.5.2024