A têmpera do aço é o processo mais importante e mais utilizado no processo de tratamento térmico. A têmpera pode aumentar significativamente a resistência e a dureza do aço.
A definição e propósito de têmpera
O aço é aquecido a uma temperatura acima do ponto crítico Ac3 (aço hipoeutetóide) ou Ac1 (aço hipereutetóide), mantido por um período de tempo para torná-lo total ou parcialmente austenitizado, e então resfriado a uma velocidade superior à velocidade crítica de têmpera. O processo de tratamento térmico que transforma a austenita super-resfriada em martensita ou bainita inferior é chamado de têmpera.
O objetivo da têmpera é transformar a austenita super-resfriada em martensita ou bainita para obter uma estrutura de martensita ou bainita inferior, que é então combinada com revenimento em diferentes temperaturas para melhorar significativamente a resistência, dureza e resistência do aço. Usabilidade, resistência à fadiga e tenacidade, etc., para atender aos diferentes requisitos de uso de várias peças mecânicas e ferramentas. A têmpera também pode ser usada para atender às propriedades físicas e químicas especiais de certos aços especiais, como ferromagnetismo e resistência à corrosão.
Quando as peças de aço são resfriadas em um meio de têmpera com mudanças no estado físico, o processo de resfriamento é geralmente dividido nas três etapas a seguir: fase de filme de vapor, fase de ebulição e fase de convecção.
Temperabilidade do aço
A temperabilidade e a temperabilidade são dois indicadores de desempenho que caracterizam a capacidade do aço de sofrer têmpera. Eles também são uma base importante para a seleção e uso de materiais.
1. Os conceitos de temperabilidade e temperabilidade
A temperabilidade é a capacidade do aço de atingir a maior dureza possível quando endurecido por têmpera em condições ideais. O principal fator que determina a temperabilidade do aço é o teor de carbono do aço, ou mais precisamente, o teor de carbono dissolvido na austenita durante a têmpera e o aquecimento. Quanto maior o teor de carbono, maior será a temperabilidade do aço. Os elementos de liga do aço têm pouco impacto na temperabilidade, mas têm um impacto significativo na temperabilidade do aço.
A temperabilidade refere-se às características que determinam a profundidade de endurecimento e a distribuição de dureza do aço sob condições específicas. Ou seja, a capacidade de obter a profundidade da camada endurecida quando o aço é temperado. É uma propriedade inerente ao aço. A temperabilidade na verdade reflete a facilidade com que a austenita se transforma em martensita quando o aço é temperado. Está principalmente relacionado à estabilidade da austenita super-resfriada do aço, ou à taxa crítica de resfriamento de têmpera do aço.
Deve-se também salientar que a temperabilidade do aço deve ser diferenciada da profundidade efetiva de endurecimento das peças de aço sob condições específicas de têmpera. A temperabilidade do aço é uma propriedade inerente ao próprio aço. Depende apenas de seus próprios fatores internos e não tem nada a ver com fatores externos. A profundidade efetiva de temperabilidade do aço não depende apenas da temperabilidade do aço, mas também do material utilizado. Está relacionado a fatores externos, como o meio de resfriamento e o tamanho da peça. Por exemplo, sob as mesmas condições de austenitização, a temperabilidade do mesmo aço é a mesma, mas a profundidade efetiva de endurecimento da têmpera em água é maior do que a da têmpera em óleo, e as peças pequenas são menores do que a têmpera em óleo. A profundidade efetiva de endurecimento de peças grandes é grande. Isto não significa que a têmpera em água tenha maior temperabilidade do que a têmpera em óleo, nem se pode dizer que peças pequenas tenham maior temperabilidade do que peças grandes. Pode-se observar que para avaliar a temperabilidade do aço, a influência de fatores externos como formato da peça, tamanho, meio de resfriamento, etc.
Além disso, como a temperabilidade e a temperabilidade são dois conceitos diferentes, o aço com alta dureza após a têmpera não apresenta necessariamente alta temperabilidade; e aços com baixa dureza também podem ter alta temperabilidade.
2. Fatores que afetam a temperabilidade
A temperabilidade do aço depende da estabilidade da austenita. Qualquer fator que possa melhorar a estabilidade da austenita super-resfriada, deslocar a curva C para a direita e, assim, reduzir a taxa crítica de resfriamento pode melhorar a temperabilidade do aço de alta qualidade. A estabilidade da austenita depende principalmente de sua composição química, tamanho de grão e uniformidade de composição, que estão relacionadas à composição química do aço e às condições de aquecimento.
3.Método para determinação da temperabilidade
Existem muitos métodos para medir a temperabilidade do aço, os mais comumente usados são o método de medição do diâmetro crítico e o método de teste de temperabilidade final.
(1) Método de medição do diâmetro crítico: Depois que o aço é temperado em um determinado meio, o diâmetro máximo quando toda a estrutura de martensita ou 50% de martensita é obtida no centro é chamado de diâmetro crítico, representado por Dc. O método de medição do diâmetro crítico é fazer uma série de hastes redondas com diâmetros diferentes e, após a têmpera, medir a curva U de dureza distribuída ao longo do diâmetro em cada seção da amostra e encontrar a haste com a estrutura semi-martensita no centro. O diâmetro da haste redonda Esse é o diâmetro crítico. Quanto maior o diâmetro crítico, maior será a temperabilidade do aço.
(2) Método de teste de têmpera final O método de teste de têmpera final usa uma amostra de têmpera final de tamanho padrão (φ25mm×100mm). Após a austenitização, água é pulverizada em uma superfície final do equipamento especial para resfriá-lo. Após o resfriamento, ele é resfriado ao longo da direção do eixo. Método de teste para medir a curva de relação entre dureza e distância da extremidade de resfriamento de água. O método de teste de endurecimento final é um dos métodos para determinar a temperabilidade do aço. Suas vantagens são operação simples e ampla gama de aplicações.
4. Têmpera de tensão, deformação e fissuras
(1) Tensão interna da peça durante a têmpera
Quando a peça é resfriada rapidamente no meio de têmpera, uma vez que a peça tem um determinado tamanho e o coeficiente de condutividade térmica também é um determinado valor, um certo gradiente de temperatura ocorrerá ao longo da seção interna da peça durante o processo de resfriamento. A temperatura da superfície é baixa, a temperatura central é alta e as temperaturas da superfície e do núcleo são altas. Há uma diferença de temperatura. Durante o processo de resfriamento da peça, também ocorrem dois fenômenos físicos: um é a expansão térmica, à medida que a temperatura cai, o comprimento da linha da peça encolhe; a outra é a transformação da austenita em martensita quando a temperatura cai até o ponto de transformação da martensita. , o que aumentará o volume específico. Devido à diferença de temperatura durante o processo de resfriamento, a quantidade de expansão térmica será diferente em diferentes partes ao longo da seção transversal da peça de trabalho, e tensão interna será gerada em diferentes partes da peça de trabalho. Devido à existência de diferenças de temperatura dentro da peça, também pode haver partes onde a temperatura cai mais rapidamente do que o ponto onde ocorre a martensita. Transformação, o volume se expande, e as peças com alta temperatura ainda estão acima do ponto e ainda estão no estado austenita. Estas diferentes partes também irão gerar tensão interna devido a diferenças nas alterações específicas de volume. Portanto, dois tipos de estresse interno podem ser gerados durante o processo de têmpera e resfriamento: um é o estresse térmico e o outro é o estresse tecidual.
De acordo com as características de tempo de existência da tensão interna, ela também pode ser dividida em tensão instantânea e tensão residual. A tensão interna gerada pela peça em determinado momento do processo de resfriamento é chamada de tensão instantânea; depois que a peça é resfriada, a tensão restante dentro da peça é chamada de tensão residual.
Estresse térmico refere-se ao estresse causado por expansão térmica inconsistente (ou contração a frio) devido a diferenças de temperatura em diferentes partes da peça de trabalho quando ela é aquecida (ou resfriada).
Agora tome um cilindro sólido como exemplo para ilustrar as regras de formação e mudança de tensão interna durante seu processo de resfriamento. Apenas a tensão axial é discutida aqui. No início do resfriamento, como a superfície esfria rapidamente, a temperatura é baixa e encolhe muito, enquanto o núcleo esfria lentamente, a temperatura é alta e o encolhimento é pequeno. Como resultado, a superfície e o interior interferem entre si, resultando em tensão de tração na superfície, enquanto o núcleo está sob pressão. estresse. À medida que o resfriamento prossegue, a diferença de temperatura entre o interior e o exterior aumenta e a tensão interna também aumenta proporcionalmente. Quando a tensão aumenta para exceder o limite de escoamento a esta temperatura, ocorre deformação plástica. Como a temperatura do núcleo é superior à da superfície, o núcleo sempre se contrai axialmente primeiro. Como resultado da deformação plástica, a tensão interna não aumenta mais. Após o resfriamento até um determinado período de tempo, a diminuição da temperatura da superfície diminuirá gradualmente e seu encolhimento também diminuirá gradualmente. Neste momento, o núcleo ainda está encolhendo, de modo que a tensão de tração na superfície e a tensão de compressão no núcleo diminuirão gradualmente até desaparecerem. No entanto, à medida que o resfriamento continua, a umidade da superfície torna-se cada vez menor e a quantidade de encolhimento torna-se cada vez menor, ou até mesmo para de encolher. Como a temperatura do núcleo ainda está alta, ele continuará a encolher e, finalmente, uma tensão de compressão será formada na superfície da peça de trabalho, enquanto o núcleo terá uma tensão de tração. Porém, como a temperatura é baixa, não é fácil produzir deformação plástica, portanto esta tensão aumentará à medida que o resfriamento prossegue. Ela continua a aumentar e finalmente permanece dentro da peça como tensão residual.
Pode-se observar que a tensão térmica durante o processo de resfriamento inicialmente faz com que a camada superficial seja esticada e o núcleo seja comprimido, e a tensão residual restante é a camada superficial a ser comprimida e o núcleo a ser esticado.
Resumindo, o estresse térmico gerado durante o resfriamento por têmpera é causado pela diferença de temperatura na seção transversal durante o processo de resfriamento. Quanto maior a taxa de resfriamento e maior a diferença de temperatura na seção transversal, maior será o estresse térmico gerado. Nas mesmas condições do meio de resfriamento, quanto maior a temperatura de aquecimento da peça, maior o tamanho, menor o coeficiente de condutividade térmica do aço, maior a diferença de temperatura dentro da peça e maior o estresse térmico. Se a peça de trabalho for resfriada de forma desigual em alta temperatura, ela ficará distorcida e deformada. Se a tensão de tração instantânea gerada durante o processo de resfriamento da peça for maior que a resistência à tração do material, ocorrerão trincas de têmpera.
A tensão de transformação de fase refere-se à tensão causada pelos diferentes tempos de transformação de fase em várias partes da peça durante o processo de tratamento térmico, também conhecida como tensão tecidual.
Durante a têmpera e o resfriamento rápido, quando a camada superficial é resfriada até o ponto Ms, ocorre a transformação martensítica e causa expansão de volume. Porém, devido à obstrução do núcleo que ainda não sofreu transformação, a camada superficial gera tensões de compressão, enquanto o núcleo apresenta tensões de tração. Quando a tensão for grande o suficiente, causará deformação. Quando o núcleo é resfriado até o ponto Ms, ele também sofrerá transformação martensítica e expandirá em volume. Porém, devido às restrições da camada superficial transformada com baixa plasticidade e alta resistência, sua tensão residual final será na forma de tensão superficial, e o núcleo ficará sob pressão. Pode-se observar que a mudança e o estado final da tensão de transformação de fase são exatamente opostos à tensão térmica. Além disso, como a tensão de mudança de fase ocorre em baixas temperaturas com baixa plasticidade, a deformação é difícil neste momento, de modo que a tensão de mudança de fase tem maior probabilidade de causar rachaduras na peça de trabalho.
Existem muitos fatores que afetam o tamanho da tensão de transformação de fase. Quanto mais rápida for a taxa de resfriamento do aço na faixa de temperatura de transformação da martensita, quanto maior for o tamanho da peça de aço, pior será a condutividade térmica do aço, quanto maior for o volume específico da martensita, maior será a tensão de transformação de fase. Quanto maior. Além disso, a tensão de transformação de fase também está relacionada à composição do aço e à temperabilidade do aço. Por exemplo, o aço de alta liga com alto teor de carbono aumenta o volume específico de martensita devido ao seu alto teor de carbono, o que deve aumentar a tensão de transformação de fase do aço. No entanto, à medida que o teor de carbono aumenta, o ponto Ms diminui e há uma grande quantidade de austenita retida após a têmpera. Sua expansão de volume diminui e a tensão residual é baixa.
(2) Deformação da peça durante a têmpera
Durante a têmpera, existem dois tipos principais de deformação na peça: um é a mudança na forma geométrica da peça, que se manifesta como mudanças no tamanho e na forma, muitas vezes chamada de deformação por empenamento, que é causada pela tensão de têmpera; a outra é a deformação do volume. , que se manifesta como uma expansão ou contração proporcional do volume da peça, causada pela mudança no volume específico durante a mudança de fase.
A deformação por empenamento também inclui deformação de forma e deformação por torção. A deformação por torção é causada principalmente pelo posicionamento inadequado da peça no forno durante o aquecimento, ou pela falta de tratamento de modelagem após a correção da deformação antes da têmpera, ou pelo resfriamento irregular de várias partes da peça quando a peça é resfriada. Esta deformação pode ser analisada e resolvida para situações específicas. O que se segue discute principalmente a deformação de volume e a deformação de forma.
1) Causas da deformação por têmpera e suas regras variáveis
Deformação volumétrica causada pela transformação estrutural O estado estrutural da peça antes da têmpera é geralmente perlita, ou seja, uma estrutura mista de ferrita e cementita, e após a têmpera é uma estrutura martensítica. Os diferentes volumes específicos destes tecidos causarão alterações de volume antes e depois da têmpera, resultando em deformação. No entanto, esta deformação apenas faz com que a peça se expanda e contraia proporcionalmente, não alterando a forma da peça.
Além disso, quanto mais martensita na estrutura após o tratamento térmico, ou quanto maior o teor de carbono na martensita, maior será sua expansão volumétrica, e quanto maior a quantidade de austenita retida, menor será a expansão volumétrica. Portanto, a mudança de volume pode ser controlada controlando o conteúdo relativo de martensita e austenita retida durante o tratamento térmico. Se for devidamente controlado, o volume não expandirá nem diminuirá.
(a) Deformação de forma causada por tensão térmica A deformação causada por tensão térmica ocorre em áreas de alta temperatura onde as peças de aço têm baixa resistência ao escoamento, alta plasticidade, rápido resfriamento superficial e a maior diferença de temperatura entre o interior e o exterior da peça de trabalho. Neste momento, a tensão térmica instantânea é a tensão de tração superficial e a tensão de compressão do núcleo. Como a temperatura central neste momento é alta, o limite de escoamento é muito inferior ao da superfície, por isso se manifesta como deformação sob a ação de tensões compressivas multidirecionais, ou seja, o cubo tem direção esférica. Variedade. O resultado é que o maior encolhe e o menor se expande. Por exemplo, um cilindro longo encurta na direção do comprimento e se expande na direção do diâmetro.
(b) Deformação da forma causada pelo estresse tecidual A deformação causada pelo estresse tecidual também ocorre no momento inicial, quando o estresse tecidual é máximo. Neste momento, a diferença de temperatura na seção transversal é grande, a temperatura central é mais alta, ainda está no estado austenita, a plasticidade é boa e o limite de escoamento é baixo. A tensão instantânea do tecido é a tensão de compressão superficial e a tensão de tração do núcleo. Portanto, a deformação se manifesta como o alongamento do núcleo sob a ação de uma tensão de tração multidirecional. O resultado é que sob a ação da tensão do tecido, o lado maior da peça se alonga, enquanto o lado menor encurta. Por exemplo, a deformação causada pela tensão do tecido em um cilindro longo é o alongamento no comprimento e a redução no diâmetro. A tabela a seguir mostra as regras de deformação por têmpera de várias peças de aço típicas.
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2) Fatores que afetam a deformação por têmpera
Os fatores que afetam a deformação por têmpera são principalmente a composição química do aço, a estrutura original, a geometria das peças e o processo de tratamento térmico.
(3) Têmpera de fissuras
As trincas nas peças ocorrem principalmente na fase final de têmpera e resfriamento, ou seja, após a transformação martensítica estar basicamente concluída ou após o resfriamento completo, a falha frágil ocorre porque a tensão de tração nas peças excede a resistência à fratura do aço. As fissuras são geralmente perpendiculares à direção da deformação máxima de tração, portanto, as diferentes formas de fissuras nas peças dependem principalmente do estado de distribuição de tensões.
Tipos comuns de trincas de têmpera: Trincas longitudinais (axiais) são geradas principalmente quando a tensão de tração tangencial excede a resistência à ruptura do material; fissuras transversais são formadas quando a grande tensão de tração axial formada na superfície interna da peça excede a resistência à ruptura do material. Rachaduras; fissuras na rede são formadas sob a ação de tensões de tração bidimensionais na superfície; as fissuras de descascamento ocorrem em uma camada endurecida muito fina, o que pode ocorrer quando a tensão muda bruscamente e a tensão de tração excessiva atua na direção radial. Uma espécie de crack.
As fissuras longitudinais também são chamadas de fissuras axiais. As fissuras ocorrem na tensão máxima de tração perto da superfície da peça e têm uma certa profundidade em direção ao centro. A direção das fissuras é geralmente paralela ao eixo, mas a direção também pode mudar quando há concentração de tensões na peça ou quando há defeitos estruturais internos.
Após a peça de trabalho estar completamente temperada, é provável que ocorram fissuras longitudinais. Isto está relacionado à grande tensão de tração tangencial na superfície da peça temperada. À medida que o teor de carbono do aço aumenta, aumenta a tendência de formação de fissuras longitudinais. O aço de baixo carbono possui um pequeno volume específico de martensita e forte estresse térmico. Há uma grande tensão de compressão residual na superfície, por isso não é fácil de ser temperada. À medida que o teor de carbono aumenta, a tensão de compressão superficial diminui e a tensão estrutural aumenta. Ao mesmo tempo, o pico de tensão de tração se move em direção à camada superficial. Portanto, o aço com alto teor de carbono está sujeito a trincas longitudinais quando superaquecido.
O tamanho das peças afeta diretamente o tamanho e a distribuição da tensão residual, e sua tendência à fissuração por têmpera também é diferente. Fissuras longitudinais também são facilmente formadas por têmpera dentro da faixa perigosa de tamanho de seção transversal. Além disso, o bloqueio das matérias-primas de aço muitas vezes causa fissuras longitudinais. Como a maioria das peças de aço é feita por laminação, inclusões que não sejam de ouro, carbonetos, etc. no aço são distribuídas ao longo da direção de deformação, fazendo com que o aço seja anisotrópico. Por exemplo, se o aço ferramenta tiver uma estrutura semelhante a uma faixa, sua resistência à fratura transversal após a têmpera será 30% a 50% menor que a resistência à fratura longitudinal. Se houver fatores como inclusões não-ouro no aço que causam concentração de tensão, mesmo que a tensão tangencial seja maior que a tensão axial, as fissuras longitudinais são fáceis de formar sob condições de baixa tensão. Por esta razão, o controle rigoroso do nível de inclusões não metálicas e açúcar no aço é um fator importante na prevenção de trincas por têmpera.
As características de distribuição de tensão interna de fissuras transversais e fissuras de arco são: a superfície está sujeita a tensões de compressão. Depois de deixar a superfície por uma certa distância, a tensão de compressão muda para uma grande tensão de tração. A trinca ocorre na área da tensão de tração e, então, quando a tensão interna se espalha para a superfície da peça somente se for redistribuída ou se a fragilidade do aço aumentar ainda mais.
As fissuras transversais ocorrem frequentemente em grandes peças do eixo, como rolos, rotores de turbinas ou outras peças do eixo. As características das fissuras são que são perpendiculares à direção do eixo e quebram de dentro para fora. Freqüentemente, eles se formam antes de serem endurecidos e são causados por estresse térmico. Peças forjadas grandes geralmente apresentam defeitos metalúrgicos, como poros, inclusões, rachaduras de forjamento e manchas brancas. Esses defeitos servem como ponto de partida para fratura e ruptura sob a ação de tensão de tração axial. As trincas de arco são causadas por estresse térmico e geralmente são distribuídas em forma de arco nas peças onde a forma da peça muda. Ocorre principalmente dentro da peça ou próximo a arestas vivas, ranhuras e furos, e é distribuído em um arco. Quando peças de aço de alto carbono com diâmetro ou espessura de 80 a 100 mm ou mais não são temperadas, a superfície apresentará tensão de compressão e o centro apresentará tensão de tração. Tensão, na camada endurecida para não
