تعریف و هدف از کوئنچینگ
فولاد تا دمایی بالاتر از نقطه بحرانی Ac3 (فولاد هیپویوتکتوئید) یا Ac1 (فولاد هیپریوتکتوئید) گرم می‌شود، برای مدتی نگه داشته می‌شود تا به طور کامل یا جزئی آستنیته شود و سپس با سرعتی بیشتر از سرعت بحرانی کوئنچ سرد می‌شود. فرآیند عملیات حرارتی که آستنیت فوق سرد را به مارتنزیت یا بینیت پایینی تبدیل می‌کند، کوئنچ نامیده می‌شود.
هدف از کوئنچ کردن، تبدیل آستنیت فوق سرد شده به مارتنزیت یا بینیت برای بدست آوردن ساختار مارتنزیت یا بینیت پایین‌تر است که سپس با عملیات تمپر در دماهای مختلف ترکیب می‌شود تا استحکام، سختی و مقاومت فولاد را تا حد زیادی بهبود بخشد. قابلیت سایش، استحکام خستگی و چقرمگی و غیره، برای برآورده کردن نیازهای مختلف استفاده از قطعات و ابزارهای مکانیکی مختلف. کوئنچ کردن همچنین می‌تواند برای برآورده کردن خواص فیزیکی و شیمیایی خاص برخی از فولادهای خاص مانند فرومغناطیس و مقاومت در برابر خوردگی استفاده شود.
وقتی قطعات فولادی در یک محیط کوئنچ با تغییرات در حالت فیزیکی سرد می‌شوند، فرآیند خنک‌سازی عموماً به سه مرحله زیر تقسیم می‌شود: مرحله لایه بخار، مرحله جوش و مرحله همرفت.
سختی پذیری فولاد
سختی‌پذیری و سختی‌پذیری دو شاخص عملکردی هستند که توانایی فولاد را در تحمل کوئنچ مشخص می‌کنند. آنها همچنین مبنای مهمی برای انتخاب و استفاده از مواد هستند.
۱. مفاهیم سختی‌پذیری و سختی‌پذیری
سختی‌پذیری، توانایی فولاد برای دستیابی به بالاترین سختی ممکن هنگام کوئنچ و سخت‌کاری در شرایط ایده‌آل است. عامل اصلی تعیین‌کننده سختی‌پذیری فولاد، میزان کربن آن است. به طور دقیق‌تر، میزان کربن حل شده در آستنیت در حین کوئنچ و حرارت‌دهی است. هرچه میزان کربن بیشتر باشد، سختی‌پذیری فولاد بیشتر است. عناصر آلیاژی موجود در فولاد تأثیر کمی بر سختی‌پذیری دارند، اما تأثیر قابل توجهی بر سختی‌پذیری فولاد دارند.
سختی‌پذیری به ویژگی‌هایی اشاره دارد که عمق سخت شدن و توزیع سختی فولاد را در شرایط مشخص تعیین می‌کنند. یعنی توانایی دستیابی به عمق لایه سخت شده هنگام کوئنچ فولاد. این یک خاصیت ذاتی فولاد است. سختی‌پذیری در واقع نشان دهنده سهولت تبدیل آستنیت به مارتنزیت هنگام کوئنچ فولاد است. این امر عمدتاً به پایداری آستنیت فوق سرد شده فولاد یا به سرعت سرد شدن بحرانی فولاد مربوط می‌شود.
همچنین باید اشاره کرد که سختی‌پذیری فولاد باید از عمق سخت‌شدن مؤثر قطعات فولادی تحت شرایط کوئنچ خاص متمایز شود. سختی‌پذیری فولاد یک خاصیت ذاتی خود فولاد است. این خاصیت فقط به عوامل داخلی خود فولاد بستگی دارد و هیچ ارتباطی با عوامل خارجی ندارد. عمق سخت‌شدن مؤثر فولاد نه تنها به سختی‌پذیری فولاد بستگی دارد، بلکه به ماده مورد استفاده نیز بستگی دارد. این امر به عوامل خارجی مانند محیط خنک‌کننده و اندازه قطعه کار مربوط می‌شود. به عنوان مثال، در شرایط آستنیته کردن یکسان، سختی‌پذیری همان فولاد یکسان است، اما عمق سخت‌شدن مؤثر کوئنچ در آب بیشتر از کوئنچ در روغن است و قطعات کوچک کوچکتر از کوئنچ در روغن هستند. عمق سخت‌شدن مؤثر قطعات بزرگ زیاد است. نمی‌توان گفت که کوئنچ در آب سختی‌پذیری بیشتری نسبت به کوئنچ در روغن دارد. نمی‌توان گفت که قطعات کوچک سختی‌پذیری بیشتری نسبت به قطعات بزرگ دارند. مشاهده می‌شود که برای ارزیابی سختی‌پذیری فولاد، باید تأثیر عوامل خارجی مانند شکل قطعه کار، اندازه، محیط خنک‌کننده و غیره حذف شود.
علاوه بر این، از آنجایی که سختی‌پذیری و سختی‌پذیری دو مفهوم متفاوت هستند، فولادی که پس از کوئنچ سختی بالایی دارد، لزوماً سختی‌پذیری بالایی ندارد؛ و فولادی که سختی پایینی دارد نیز ممکن است سختی‌پذیری بالایی داشته باشد.
۲. عوامل مؤثر بر سختی‌پذیری
سختی‌پذیری فولاد به پایداری آستنیت بستگی دارد. هر عاملی که بتواند پایداری آستنیت فوق سرد شده را بهبود بخشد، منحنی C را به سمت راست جابجا کند و در نتیجه سرعت بحرانی سرد شدن را کاهش دهد، می‌تواند سختی‌پذیری فولاد با سختی بالا را بهبود بخشد. پایداری آستنیت عمدتاً به ترکیب شیمیایی، اندازه دانه و یکنواختی ترکیب آن بستگی دارد که به ترکیب شیمیایی فولاد و شرایط گرمایش مربوط می‌شود.
۳. روش اندازه‌گیری سختی‌پذیری
روش‌های زیادی برای اندازه‌گیری سختی‌پذیری فولاد وجود دارد که رایج‌ترین آنها روش اندازه‌گیری قطر بحرانی و روش آزمایش سختی‌پذیری نهایی است.
(1) روش اندازه‌گیری قطر بحرانی
پس از کوئنچ فولاد در یک محیط خاص، حداکثر قطری که در آن هسته تمام مارتنزیت یا 50٪ ساختار مارتنزیت را به دست می‌آورد، قطر بحرانی نامیده می‌شود که با Dc نشان داده می‌شود. روش اندازه‌گیری قطر بحرانی این است که یک سری میله گرد با قطرهای مختلف بسازیم و پس از کوئنچ، منحنی سختی U را که در امتداد قطر روی هر بخش نمونه توزیع شده است، اندازه‌گیری کنیم و میله‌ای را که ساختار نیمه مارتنزیتی در مرکز آن قرار دارد، پیدا کنیم. قطر میله گرد، قطر بحرانی است. هرچه قطر بحرانی بزرگتر باشد، سختی‌پذیری فولاد بیشتر است.
(2) روش آزمون خاموش شدن نهایی
روش آزمایش کوئنچ انتهایی از یک نمونه کوئنچ انتهایی با اندازه استاندارد (Ф25mm×100mm) استفاده می‌کند. پس از آستنیته کردن، آب روی یک انتهای نمونه با تجهیزات مخصوص اسپری می‌شود تا خنک شود. پس از خنک شدن، سختی در امتداد جهت محور - از انتهای خنک شده با آب - اندازه‌گیری می‌شود. روش آزمایش برای منحنی رابطه فاصله. روش آزمایش سخت شدن انتهایی یکی از روش‌های تعیین سختی‌پذیری فولاد است. مزایای آن عملیات ساده و طیف کاربرد وسیع است.
۴. رفع تنش، تغییر شکل و ترک خوردگی
(1) تنش داخلی قطعه کار در حین کوئنچ
وقتی قطعه کار به سرعت در محیط کوئنچ خنک می‌شود، از آنجایی که قطعه کار اندازه مشخصی دارد و ضریب هدایت حرارتی نیز مقدار مشخصی است، در طول فرآیند خنک‌سازی، گرادیان دمایی خاصی در امتداد بخش داخلی قطعه کار رخ می‌دهد. دمای سطح پایین، دمای هسته بالا و دمای سطح و هسته بالا است. اختلاف دما وجود دارد. در طول فرآیند خنک‌سازی قطعه کار، دو پدیده فیزیکی نیز وجود دارد: یکی انبساط حرارتی، با کاهش دما، طول خط قطعه کار کوچک می‌شود؛ دیگری تبدیل آستنیت به مارتنزیت هنگام کاهش دما به نقطه تبدیل مارتنزیت است که باعث افزایش حجم مخصوص می‌شود. به دلیل اختلاف دما در طول فرآیند خنک‌سازی، میزان انبساط حرارتی در قسمت‌های مختلف در امتداد سطح مقطع قطعه کار متفاوت خواهد بود و تنش داخلی در قسمت‌های مختلف قطعه کار ایجاد می‌شود. به دلیل وجود اختلاف دما در داخل قطعه کار، ممکن است قسمت‌هایی نیز وجود داشته باشند که دما سریع‌تر از نقطه‌ای که مارتنزیت تشکیل می‌شود، کاهش یابد. در اثر استحاله، حجم افزایش می‌یابد و قطعات با دمای بالا هنوز بالاتر از نقطه هستند و هنوز در حالت آستنیت قرار دارند. این قطعات مختلف به دلیل تفاوت در تغییرات حجم مخصوص، تنش داخلی نیز ایجاد می‌کنند. بنابراین، دو نوع تنش داخلی ممکن است در طول فرآیند کوئنچ و خنک‌سازی ایجاد شود: یکی تنش حرارتی و دیگری تنش بافتی.
با توجه به ویژگی‌های زمانی وجود تنش داخلی، می‌توان آن را به تنش آنی و تنش پسماند نیز تقسیم کرد. تنش داخلی ایجاد شده توسط قطعه کار در یک لحظه خاص در طول فرآیند خنک‌سازی، تنش آنی نامیده می‌شود؛ پس از خنک شدن قطعه کار، تنش باقی مانده در داخل قطعه کار، تنش پسماند نامیده می‌شود.
تنش حرارتی به تنشی اطلاق می‌شود که در اثر انبساط حرارتی (یا انقباض سرد) ناهماهنگ ناشی از اختلاف دما در قسمت‌های مختلف قطعه کار هنگام گرم شدن (یا سرد شدن) آن ایجاد می‌شود.
حال یک استوانه جامد را به عنوان مثال در نظر بگیرید تا قوانین تشکیل و تغییر تنش داخلی در طول فرآیند خنک‌سازی آن را نشان دهیم. در اینجا فقط تنش محوری مورد بحث قرار می‌گیرد. در ابتدای خنک‌سازی، به دلیل اینکه سطح به سرعت خنک می‌شود، دما پایین است و به مقدار زیادی منقبض می‌شود، در حالی که هسته خنک می‌شود، دما بالا است و انقباض کم است. در نتیجه، سطح و داخل به طور متقابل مهار می‌شوند و در نتیجه تنش کششی روی سطح ایجاد می‌شود، در حالی که هسته تحت فشار است. با ادامه خنک‌سازی، اختلاف دما بین داخل و خارج افزایش می‌یابد و تنش داخلی نیز به تبع آن افزایش می‌یابد. هنگامی که تنش از استحکام تسلیم در این دما بیشتر شود، تغییر شکل پلاستیک رخ می‌دهد. از آنجایی که ضخامت قلب بیشتر از ضخامت سطح است، قلب همیشه ابتدا به صورت محوری منقبض می‌شود. در نتیجه تغییر شکل پلاستیک، تنش داخلی دیگر افزایش نمی‌یابد. پس از خنک‌سازی تا یک دوره زمانی مشخص، کاهش دمای سطح به تدریج کند می‌شود و انقباض آن نیز به تدریج کاهش می‌یابد. در این زمان، هسته هنوز در حال کوچک شدن است، بنابراین تنش کششی روی سطح و تنش فشاری روی هسته به تدریج کاهش می‌یابند تا زمانی که ناپدید شوند. با این حال، با ادامه خنک شدن، رطوبت سطح کمتر و کمتر می‌شود و میزان انقباض کمتر و کمتر می‌شود یا حتی انقباض متوقف می‌شود. از آنجایی که دمای هسته هنوز بالاست، انقباض آن ادامه می‌یابد و در نهایت تنش فشاری روی سطح قطعه کار ایجاد می‌شود، در حالی که هسته تنش کششی خواهد داشت. با این حال، از آنجایی که دما پایین است، تغییر شکل پلاستیک به راحتی رخ نمی‌دهد، بنابراین این تنش با ادامه خنک شدن افزایش می‌یابد. این تنش همچنان افزایش می‌یابد و در نهایت به عنوان تنش پسماند در داخل قطعه کار باقی می‌ماند.
مشاهده می‌شود که تنش حرارتی در طول فرآیند خنک‌سازی در ابتدا باعث کشیده شدن لایه سطحی و فشرده شدن هسته می‌شود و تنش پسماند باقیمانده، فشرده شدن لایه سطحی و کشیده شدن هسته است.
به طور خلاصه، تنش حرارتی ایجاد شده در طول خنک‌کاری کوئنچ، ناشی از اختلاف دمای سطح مقطع در طول فرآیند خنک‌کاری است. هرچه سرعت خنک‌کاری بیشتر و اختلاف دمای سطح مقطع بیشتر باشد، تنش حرارتی ایجاد شده بیشتر است. در شرایط یکسان محیط خنک‌کاری، هرچه دمای گرمایش قطعه کار بالاتر باشد، اندازه بزرگتر، رسانایی حرارتی فولاد کمتر، اختلاف دما در داخل قطعه کار بیشتر و تنش حرارتی بیشتر است. اگر قطعه کار به طور ناهموار در دمای بالا خنک شود، دچار اعوجاج و تغییر شکل خواهد شد. اگر تنش کششی آنی ایجاد شده در طول فرآیند خنک‌کاری قطعه کار بیشتر از استحکام کششی ماده باشد، ترک‌های کوئنچ رخ خواهد داد.
تنش تبدیل فازی به تنشی اطلاق می‌شود که در اثر زمان‌بندی متفاوت تبدیل فاز در بخش‌های مختلف قطعه کار در طول فرآیند عملیات حرارتی ایجاد می‌شود و به عنوان تنش بافتی نیز شناخته می‌شود.
در حین کوئنچ و سرد کردن سریع، وقتی لایه سطحی تا نقطه Ms سرد می‌شود، استحاله مارتنزیتی رخ می‌دهد و باعث انبساط حجمی می‌شود. با این حال، به دلیل انسداد هسته که هنوز دچار استحاله نشده است، لایه سطحی تنش فشاری ایجاد می‌کند، در حالی که هسته دارای تنش کششی است. وقتی تنش به اندازه کافی بزرگ باشد، باعث تغییر شکل می‌شود. وقتی هسته تا نقطه Ms سرد می‌شود، دچار استحاله مارتنزیتی نیز می‌شود و از نظر حجمی منبسط می‌شود. با این حال، به دلیل محدودیت‌های لایه سطحی استحاله شده با پلاستیسیته کم و استحکام بالا، تنش پسماند نهایی آن به شکل کشش سطحی خواهد بود و هسته تحت فشار قرار می‌گیرد. می‌توان مشاهده کرد که تغییر و حالت نهایی تنش استحاله فازی دقیقاً برعکس تنش حرارتی است. علاوه بر این، از آنجایی که تنش تغییر فاز در دماهای پایین با پلاستیسیته کم رخ می‌دهد، تغییر شکل در این زمان دشوار است، بنابراین تنش تغییر فاز به احتمال زیاد باعث ترک خوردن قطعه کار می‌شود.
عوامل زیادی بر اندازه تنش تبدیل فاز تأثیر می‌گذارند. هرچه سرعت سرد شدن فولاد در محدوده دمای تبدیل مارتنزیت سریع‌تر باشد، اندازه قطعه فولادی بزرگتر باشد، رسانایی حرارتی فولاد بدتر باشد، حجم مخصوص مارتنزیت بیشتر باشد، تنش تبدیل فاز بیشتر می‌شود. هرچه بزرگتر شود، تنش تبدیل فاز نیز بیشتر می‌شود. علاوه بر این، تنش تبدیل فاز به ترکیب فولاد و سختی‌پذیری فولاد نیز مربوط می‌شود. به عنوان مثال، فولاد پرکربن آلیاژی به دلیل محتوای کربن بالا، حجم مخصوص مارتنزیت را افزایش می‌دهد که باید تنش تبدیل فاز فولاد را افزایش دهد. با این حال، با افزایش محتوای کربن، نقطه Ms کاهش می‌یابد و مقدار زیادی آستنیت باقیمانده پس از کوئنچ وجود دارد. انبساط حجمی آن کاهش می‌یابد و تنش پسماند کم است.
(2) تغییر شکل قطعه کار در حین کوئنچ
در طول کوئنچ، دو نوع تغییر شکل اصلی در قطعه کار وجود دارد: یکی تغییر شکل هندسی قطعه کار است که به صورت تغییر در اندازه و شکل ظاهر می‌شود و اغلب تغییر شکل تاب برداشتن نامیده می‌شود و در اثر تنش کوئنچ ایجاد می‌شود؛ دیگری تغییر شکل حجمی است که به صورت انبساط یا انقباض متناسب حجم قطعه کار ظاهر می‌شود و در اثر تغییر در حجم مخصوص در طول تغییر فاز ایجاد می‌شود.
تغییر شکل تاب برداشتن همچنین شامل تغییر شکل شکلی و تغییر شکل پیچشی است. تغییر شکل پیچشی عمدتاً ناشی از قرارگیری نامناسب قطعه کار در کوره در حین گرم کردن، یا عدم انجام عملیات شکل‌دهی پس از اصلاح تغییر شکل قبل از کوئنچ، یا خنک شدن ناهموار قسمت‌های مختلف قطعه کار هنگام خنک شدن قطعه کار است. این تغییر شکل را می‌توان برای موقعیت‌های خاص تجزیه و تحلیل و حل کرد. در ادامه عمدتاً تغییر شکل حجمی و تغییر شکل شکلی مورد بحث قرار می‌گیرد.
۱) علل تغییر شکل کوئنچ و قوانین تغییر آن
تغییر شکل حجمی ناشی از دگرگونی ساختاری حالت ساختاری قطعه کار قبل از کوئنچ عموماً پرلیت است، یعنی ساختاری ترکیبی از فریت و سمنتیت، و پس از کوئنچ ساختار مارتنزیتی دارد. حجم‌های ویژه متفاوت این بافت‌ها باعث تغییرات حجمی قبل و بعد از کوئنچ و در نتیجه تغییر شکل می‌شود. با این حال، این تغییر شکل فقط باعث می‌شود قطعه کار به طور متناسب منبسط و منقبض شود، بنابراین شکل قطعه کار را تغییر نمی‌دهد.
علاوه بر این، هر چه مارتنزیت در ساختار پس از عملیات حرارتی بیشتر باشد، یا میزان کربن در مارتنزیت بیشتر باشد، انبساط حجمی آن بیشتر است و هر چه مقدار آستنیت باقیمانده بیشتر باشد، انبساط حجمی کمتر است. بنابراین، تغییر حجم را می‌توان با کنترل محتوای نسبی مارتنزیت و مارتنزیت باقیمانده در طول عملیات حرارتی کنترل کرد. اگر به درستی کنترل شود، حجم نه منبسط می‌شود و نه منقبض.
تغییر شکل ناشی از تنش حرارتی تغییر شکل ناشی از تنش حرارتی در نواحی با دمای بالا رخ می‌دهد که در آنها استحکام تسلیم قطعات فولادی کم، پلاستیسیته زیاد، سطح به سرعت خنک می‌شود و اختلاف دما بین داخل و خارج قطعه کار بیشترین مقدار را دارد. در این زمان، تنش حرارتی آنی، تنش کششی سطحی و تنش فشاری هسته است. از آنجایی که دمای هسته در این زمان زیاد است، استحکام تسلیم بسیار کمتر از سطح است، بنابراین تحت اثر تنش فشاری چند جهته به صورت تغییر شکل ظاهر می‌شود، یعنی مکعب در جهت کروی است. تنوع. نتیجه این است که مکعب بزرگتر کوچک می‌شود، در حالی که مکعب کوچکتر منبسط می‌شود. به عنوان مثال، یک استوانه بلند در جهت طول کوتاه و در جهت قطر منبسط می‌شود.
تغییر شکل ناشی از تنش بافت تغییر شکل ناشی از تنش بافت نیز در لحظه اولیه که تنش بافت حداکثر است، رخ می‌دهد. در این زمان، اختلاف دمای سطح مقطع زیاد است، دمای هسته بالاتر است، هنوز در حالت آستنیت است، پلاستیسیته خوب است و استحکام تسلیم کم است. تنش آنی بافت، تنش فشاری سطحی و تنش کششی هسته است. بنابراین، تغییر شکل به صورت افزایش طول هسته تحت اثر تنش کششی چند جهته آشکار می‌شود. نتیجه این است که تحت اثر تنش بافت، ضلع بزرگتر قطعه کار کشیده می‌شود، در حالی که ضلع کوچکتر کوتاه می‌شود. به عنوان مثال، تغییر شکل ناشی از تنش بافت در یک استوانه بلند، افزایش طول و کاهش قطر است.
جدول 5.3 قوانین تغییر شکل کوئنچ قطعات فولادی معمولی مختلف را نشان می‌دهد.
۲) عوامل مؤثر بر تغییر شکل کوئنچ
عواملی که بر تغییر شکل کوئنچ تأثیر می‌گذارند، عمدتاً ترکیب شیمیایی فولاد، ساختار اولیه، هندسه قطعات و فرآیند عملیات حرارتی هستند.
۳) رفع ترک‌ها
ترک‌ها در قطعات عمدتاً در مرحله پایانی کوئنچ و خنک‌سازی رخ می‌دهند، یعنی پس از اینکه تبدیل مارتنزیتی اساساً تکمیل شد یا پس از خنک‌سازی کامل، شکست ترد رخ می‌دهد زیرا تنش کششی در قطعات از استحکام شکست فولاد فراتر می‌رود. ترک‌ها معمولاً عمود بر جهت حداکثر تغییر شکل کششی هستند، بنابراین اشکال مختلف ترک در قطعات عمدتاً به وضعیت توزیع تنش بستگی دارد.
انواع رایج ترک‌های ناشی از سرد شدن: ترک‌های طولی (محوری) عمدتاً زمانی ایجاد می‌شوند که تنش کششی مماسی از مقاومت شکست ماده بیشتر شود؛ ترک‌های عرضی زمانی تشکیل می‌شوند که تنش کششی محوری بزرگ ایجاد شده روی سطح داخلی قطعه از مقاومت شکست ماده بیشتر شود. ترک‌ها؛ ترک‌های شبکه‌ای تحت تأثیر تنش کششی دوبعدی روی سطح تشکیل می‌شوند؛ ترک‌های لایه‌ای در یک لایه سخت‌شده بسیار نازک رخ می‌دهند که ممکن است زمانی رخ دهد که تنش به شدت تغییر کند و تنش کششی بیش از حد در جهت شعاعی اعمال شود. نوع ترک.
ترک‌های طولی، ترک‌های محوری نیز نامیده می‌شوند. ترک‌ها در حداکثر تنش کششی نزدیک سطح قطعه رخ می‌دهند و عمق مشخصی به سمت مرکز دارند. جهت ترک‌ها عموماً موازی با محور است، اما در صورت وجود تمرکز تنش در قطعه یا وجود عیوب ساختاری داخلی، جهت آنها نیز ممکن است تغییر کند.
پس از اینکه قطعه کار به طور کامل کوئنچ شد، ترک‌های طولی مستعد ایجاد هستند. این امر به دلیل تنش کششی مماسی زیاد روی سطح قطعه کار کوئنچ شده است. با افزایش میزان کربن فولاد، تمایل به تشکیل ترک‌های طولی افزایش می‌یابد. فولاد کم کربن حجم مخصوص کمی از مارتنزیت و تنش حرارتی قوی دارد. تنش فشاری پسماند زیادی روی سطح وجود دارد، بنابراین کوئنچ کردن آن آسان نیست. با افزایش میزان کربن، تنش فشاری سطح کاهش و تنش ساختاری افزایش می‌یابد. در عین حال، حداکثر تنش کششی به سمت لایه سطحی حرکت می‌کند. بنابراین، فولاد پر کربن در صورت گرم شدن بیش از حد، مستعد ترک‌های کوئنچ طولی است.
اندازه قطعات مستقیماً بر اندازه و توزیع تنش پسماند تأثیر می‌گذارد و تمایل به ترک خوردگی ناشی از کوئنچ نیز متفاوت است. ترک‌های طولی نیز به راحتی با کوئنچ در محدوده اندازه مقطع خطرناک ایجاد می‌شوند. علاوه بر این، انسداد مواد اولیه فولادی اغلب باعث ترک‌های طولی می‌شود. از آنجایی که اکثر قطعات فولادی با نورد ساخته می‌شوند، آخال‌های غیرطلایی، کاربیدها و غیره در فولاد در امتداد جهت تغییر شکل توزیع می‌شوند و باعث می‌شوند فولاد ناهمسانگرد باشد. به عنوان مثال، اگر فولاد ابزار ساختار نواری شکل داشته باشد، مقاومت شکست عرضی آن پس از کوئنچ 30 تا 50 درصد کمتر از مقاومت شکست طولی است. اگر عواملی مانند آخال‌های غیرطلایی در فولاد وجود داشته باشد که باعث تمرکز تنش می‌شوند، حتی اگر تنش مماسی بیشتر از تنش محوری باشد، ترک‌های طولی در شرایط تنش کم به راحتی تشکیل می‌شوند. به همین دلیل، کنترل دقیق سطح آخال‌های غیرفلزی و قند در فولاد عامل مهمی در جلوگیری از ترک‌های ناشی از کوئنچ است.
ویژگی‌های توزیع تنش داخلی ترک‌های عرضی و ترک‌های قوسی عبارتند از: سطح تحت تنش فشاری قرار دارد. پس از ترک سطح برای مسافتی مشخص، تنش فشاری به تنش کششی بزرگی تبدیل می‌شود. ترک در ناحیه تنش کششی رخ می‌دهد و سپس هنگامی که تنش داخلی تنها در صورت توزیع مجدد یا افزایش بیشتر شکنندگی فولاد به سطح قطعه گسترش می‌یابد.
ترک‌های عرضی اغلب در قطعات بزرگ شفت، مانند غلتک‌ها، روتورهای توربین یا سایر قطعات شفت رخ می‌دهند. ویژگی‌های ترک‌ها این است که عمود بر جهت محور هستند و از داخل به خارج می‌شکنند. آنها اغلب قبل از سخت شدن تشکیل می‌شوند و در اثر تنش حرارتی ایجاد می‌شوند. قطعات آهنگری بزرگ اغلب دارای عیوب متالورژیکی مانند منافذ، آخال‌ها، ترک‌های آهنگری و لکه‌های سفید هستند. این عیوب به عنوان نقطه شروع شکست و شکست تحت عمل تنش کششی محوری عمل می‌کنند. ترک‌های قوسی در اثر تنش حرارتی ایجاد می‌شوند و معمولاً در قسمت‌هایی که شکل قطعه تغییر می‌کند، به شکل قوسی توزیع می‌شوند. این ترک‌ها عمدتاً در داخل قطعه کار یا نزدیک لبه‌های تیز، شیارها و سوراخ‌ها رخ می‌دهند و به شکل قوسی توزیع می‌شوند. هنگامی که قطعات فولادی پرکربن با قطر یا ضخامت 80 تا 100 میلی‌متر یا بیشتر کوئنچ نشوند، سطح تنش فشاری و مرکز تنش کششی نشان می‌دهد. تنش، حداکثر تنش کششی در ناحیه انتقال از لایه سخت شده به لایه سخت نشده رخ می‌دهد و ترک‌های قوسی در این نواحی رخ می‌دهند. علاوه بر این، سرعت خنک شدن در لبه‌ها و گوشه‌های تیز سریع است و همه آنها کوئنچ می‌شوند. هنگام انتقال به قطعات ملایم، یعنی به ناحیه سخت نشده، حداکثر ناحیه تنش کششی در اینجا ظاهر می‌شود، بنابراین ترک‌های قوس مستعد وقوع هستند. سرعت خنک شدن در نزدیکی سوراخ پین، شیار یا سوراخ مرکزی قطعه کار کند است، لایه سخت شده مربوطه نازک است و تنش کششی در نزدیکی ناحیه انتقال سخت شده می‌تواند به راحتی باعث ترک‌های قوس شود.
ترک‌های مشبک، که به عنوان ترک‌های سطحی نیز شناخته می‌شوند، ترک‌های سطحی هستند. عمق ترک کم است، عموماً حدود 0.01 تا 1.5 میلی‌متر. ویژگی اصلی این نوع ترک این است که جهت دلخواه ترک هیچ ارتباطی با شکل قطعه ندارد. بسیاری از ترک‌ها به یکدیگر متصل هستند تا یک شبکه تشکیل دهند و به طور گسترده توزیع شده‌اند. وقتی عمق ترک بزرگتر باشد، مثلاً بیش از 1 میلی‌متر، ویژگی‌های شبکه ناپدید می‌شوند و به ترک‌های با جهت‌گیری تصادفی یا توزیع طولی تبدیل می‌شوند. ترک‌های شبکه‌ای به حالت تنش کششی دو بعدی روی سطح مربوط می‌شوند.
قطعات فولادی پرکربن یا کربوریزه شده با لایه دکربوره شده روی سطح، مستعد تشکیل ترک‌های شبکه‌ای در حین کوئنچ هستند. این به این دلیل است که لایه سطحی دارای محتوای کربن کمتر و حجم مخصوص کوچکتری نسبت به لایه داخلی مارتنزیت است. در حین کوئنچ، لایه سطحی کاربید تحت تنش کششی قرار می‌گیرد. قطعاتی که لایه فسفرزدایی آنها در حین پردازش مکانیکی به طور کامل برداشته نشده است، در حین کوئنچ سطحی با فرکانس بالا یا شعله، ترک‌های شبکه‌ای نیز ایجاد می‌کنند. برای جلوگیری از چنین ترک‌هایی، کیفیت سطح قطعات باید به شدت کنترل شود و در حین عملیات حرارتی از جوشکاری اکسیداسیون جلوگیری شود. علاوه بر این، پس از استفاده از قالب آهنگری برای مدت زمان مشخصی، ترک‌های خستگی حرارتی که به صورت نوارها یا شبکه‌هایی در حفره ظاهر می‌شوند و ترک‌هایی که در فرآیند سنگ‌زنی قطعات کوئنچ شده ایجاد می‌شوند، همگی به این شکل تعلق دارند.
ترک‌های لایه‌ای در ناحیه بسیار باریکی از لایه سطحی رخ می‌دهند. تنش فشاری در جهت محوری و مماسی و تنش کششی در جهت شعاعی رخ می‌دهد. ترک‌ها موازی با سطح قطعه هستند. کنده شدن لایه سخت شده پس از کوئنچ سطحی و سرد شدن قطعات کربن‌دهی شده، از جمله ترک‌های این چنینی است. وقوع آن مربوط به ساختار ناهموار در لایه سخت شده است. به عنوان مثال، پس از اینکه فولاد کربن‌دهی شده آلیاژی با سرعت مشخصی سرد می‌شود، ساختار در لایه کربن‌دهی شده به صورت زیر است: لایه بیرونی از پرلیت بسیار ریز + کاربید و زیرلایه آن مارتنزیت + آستنیت باقیمانده است، لایه داخلی از پرلیت ریز یا ساختار پرلیت بسیار ریز تشکیل شده است. از آنجایی که حجم مخصوص تشکیل زیرلایه مارتنزیت بیشترین مقدار را دارد، نتیجه انبساط حجمی این است که تنش فشاری در جهت محوری و مماسی بر لایه سطحی اعمال می‌شود و تنش کششی در جهت شعاعی رخ می‌دهد و یک جهش تنش به سمت داخل رخ می‌دهد که به حالت تنش فشاری منتقل می‌شود و ترک‌های لایه‌ای در نواحی بسیار نازک که تنش به شدت تغییر می‌کند، رخ می‌دهد. عموماً، ترک‌ها به موازات سطح در داخل کمین می‌کنند و در موارد شدید ممکن است باعث لایه‌برداری سطحی شوند. اگر سرعت خنک‌سازی قطعات کربن‌دهی شده افزایش یابد یا کاهش یابد، می‌توان یک ساختار مارتنزیتی یکنواخت یا ساختار پرلیتی فوق‌العاده ریز در لایه کربن‌دهی شده به دست آورد که می‌تواند از بروز چنین ترک‌هایی جلوگیری کند. علاوه بر این، در طول کوئنچ سطحی با فرکانس بالا یا شعله، سطح اغلب بیش از حد گرم می‌شود و ناهمگنی ساختاری در امتداد لایه سخت شده می‌تواند به راحتی چنین ترک‌های سطحی را ایجاد کند.
ریزترک‌ها با چهار ترک ذکر شده متفاوت هستند، زیرا در اثر ریزتنش ایجاد می‌شوند. ترک‌های بین دانه‌ای که پس از کوئنچ، گرم شدن بیش از حد و سنگ‌زنی فولاد ابزار پرکربن یا قطعات کار کربن‌دهی شده ظاهر می‌شوند، و همچنین ترک‌هایی که در اثر عدم تمپر شدن به موقع قطعات کوئنچ شده ایجاد می‌شوند، همگی به وجود و گسترش بعدی ریزترک‌ها در فولاد مربوط می‌شوند.
ریزترک‌ها باید زیر میکروسکوپ بررسی شوند. آنها معمولاً در مرز دانه‌های آستنیت اولیه یا در محل اتصال صفحات مارتنزیت رخ می‌دهند. برخی از ترک‌ها به صفحات مارتنزیت نفوذ می‌کنند. تحقیقات نشان می‌دهد که ریزترک‌ها در مارتنزیت دوقلویی پولکی رایج‌تر هستند. دلیل آن این است که مارتنزیت پولکی هنگام رشد با سرعت بالا با یکدیگر برخورد می‌کند و تنش بالایی ایجاد می‌کند. با این حال، خود مارتنزیت دوقلویی شکننده است و نمی‌تواند تغییر شکل پلاستیک ایجاد کند و تنش را آزاد کند، بنابراین به راحتی باعث ریزترک می‌شود. دانه‌های آستنیت درشت هستند و حساسیت به ریزترک‌ها افزایش می‌یابد. وجود ریزترک‌ها در فولاد به طور قابل توجهی استحکام و انعطاف‌پذیری قطعات کوئنچ شده را کاهش می‌دهد و منجر به آسیب اولیه (شکستگی) قطعات می‌شود.
برای جلوگیری از ایجاد ریزترک‌ها در قطعات فولادی پرکربن، می‌توان اقداماتی مانند کاهش دمای گرمایش کوئنچ، دستیابی به ساختار مارتنزیت ریز و کاهش میزان کربن در مارتنزیت را اتخاذ کرد. علاوه بر این، تمپر کردن به موقع پس از کوئنچ، روشی مؤثر برای کاهش تنش داخلی است. آزمایش‌ها ثابت کرده‌اند که پس از تمپر کردن کافی در دمای بالاتر از 200 درجه سانتیگراد، کاربیدهای رسوب شده در ترک‌ها، اثر "جوش خوردن" ترک‌ها را دارند که می‌تواند خطرات ریزترک‌ها را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.
موارد فوق، بحثی در مورد علل و روش‌های پیشگیری از ترک‌ها بر اساس الگوی توزیع ترک است. در تولید واقعی، توزیع ترک‌ها به دلیل عواملی مانند کیفیت فولاد، شکل قطعه و فناوری پردازش گرم و سرد متفاوت است. گاهی اوقات ترک‌ها قبل از عملیات حرارتی وجود دارند و در طول فرآیند کوئنچ بیشتر گسترش می‌یابند. گاهی اوقات ممکن است چندین نوع ترک به طور همزمان در یک قطعه ظاهر شوند. در این حالت، بر اساس ویژگی‌های مورفولوژیکی ترک، تجزیه و تحلیل ماکروسکوپی سطح شکست، بررسی متالوگرافی و در صورت لزوم، تجزیه و تحلیل شیمیایی و سایر روش‌ها باید برای انجام یک تجزیه و تحلیل جامع از کیفیت مواد، ساختار سازمانی گرفته تا علل تنش عملیات حرارتی برای یافتن ترک استفاده شود. علل اصلی و سپس اقدامات پیشگیرانه مؤثر تعیین می‌شوند.
تحلیل شکست ترک‌ها یک روش مهم برای تحلیل علل ترک‌ها است. هر شکستی یک نقطه شروع برای ترک‌ها دارد. ترک‌های ناشی از خاموش شدن معمولاً از نقطه همگرایی ترک‌های شعاعی شروع می‌شوند.
اگر منشأ ترک در سطح قطعه باشد، به این معنی است که ترک در اثر تنش کششی بیش از حد روی سطح ایجاد شده است. اگر هیچ نقص ساختاری مانند آخال روی سطح وجود نداشته باشد، اما عوامل تمرکز تنش مانند رد شدید چاقو، پوسته اکسید، گوشه‌های تیز قطعات فولادی یا قطعات جهش ساختاری وجود داشته باشد، ترک‌ها می‌توانند رخ دهند.
اگر منشأ ترک در داخل قطعه باشد، مربوط به عیوب مواد یا تنش کششی پسماند داخلی بیش از حد است. سطح شکست کوئنچ معمولی خاکستری و چینی ظریف است. اگر سطح شکست خاکستری تیره و خشن باشد، ناشی از گرم شدن بیش از حد یا ضخیم بودن بافت اصلی است.
به طور کلی، نباید هیچ رنگ اکسیداسیونی در قسمت شیشه‌ای ترک کوئنچ شده وجود داشته باشد و نباید هیچ گونه دکربوریزاسیونی در اطراف ترک وجود داشته باشد. اگر دکربوریزاسیون در اطراف ترک یا رنگ اکسیدی در قسمت ترک وجود داشته باشد، نشان می‌دهد که قطعه قبل از کوئنچ شدن ترک داشته است و ترک‌های اولیه تحت تأثیر تنش عملیات حرارتی گسترش می‌یابند. اگر کاربیدها و آخال‌های جدا شده در نزدیکی ترک‌های قطعه مشاهده شوند، به این معنی است که ترک‌ها مربوط به جدایش شدید کاربیدها در ماده اولیه یا وجود آخال‌ها هستند. اگر ترک‌ها فقط در گوشه‌های تیز یا قسمت‌های جهش شکل قطعه بدون پدیده فوق ظاهر شوند، به این معنی است که ترک ناشی از طراحی ساختاری غیرمنطقی قطعه یا اقدامات نامناسب برای جلوگیری از ترک یا تنش عملیات حرارتی بیش از حد است.
علاوه بر این، ترک‌ها در قطعات عملیات حرارتی شیمیایی و کوئنچ سطحی بیشتر در نزدیکی لایه سخت شده ظاهر می‌شوند. بهبود ساختار لایه سخت شده و کاهش تنش عملیات حرارتی، راه‌های مهمی برای جلوگیری از ترک‌های سطحی هستند.
زمان ارسال: ۲۲ مه ۲۰۲۴