Austenite trattenuta dopo tempra ad induzione: Perché si forma e perché è importante

Formazione, Effetti sulle prestazioni, e misurazione nell'acciaio temprato a induzione

Perché l'austenite trattenuta rimane dopo la tempra ad induzione, ed è dannoso? La risposta dipende dall'acciaio, la microstruttura prodotta durante il riscaldamento e la tempra, e i requisiti del componente finito.

Austenite trattenuta è una porzione dell'austenite formatasi durante il riscaldamento che rimane non trasformata dopo la tempra. Non è automaticamente un difetto, ma la sua quantità e distribuzione possono influenzare la durezza, resistenza all'usura e stabilità dimensionale. Comprendere come si forma e come può essere misurato aiuta gli ingegneri a determinare se rappresenta una condizione microstrutturale accettabile o richiede ulteriori indagini.

1. Cosa viene trattenuto dall'austenite dopo la tempra ad induzione?

Durante tempra ad induzione, la superficie del pezzo viene riscaldata per formare austenite. Il raffreddamento rapido trasforma poi gran parte dell’austenite in martensite, producendo uno strato superficiale indurito. La trasformazione potrebbe rimanere incompleta, lasciando un po' di austenite nella microstruttura finale.

La regione indurita può contenere martensite, mantenuto l'austenite e, a seconda delle condizioni dell'acciaio e del riscaldamento, carburi non disciolti o altri costituenti. Le loro proporzioni possono variare attraverso lo strato indurito a causa della storia termica locale, la microstruttura iniziale e la distribuzione del carbonio non sono necessariamente uniformi.

L'austenite trattenuta e i carburi non disciolti sono costituenti diversi. I carburi che si dissolvono durante il riscaldamento possono rilasciare carbonio nell'austenite, modificandone la composizione e il successivo comportamento di trasformazione. La quantità di dissoluzione del carburo può quindi influenzare il contenuto di austenite trattenuta dopo la tempra.

Per un componente temprato ad induzione, identificare l’austenite trattenuta è solo il primo passo. Il suo importo, la posizione e l'effetto sulle proprietà del componente richiesto determinano se necessita di un'ulteriore valutazione.

2. Perché l'austenite trattenuta rimane dopo la tempra?

L'austenite trattenuta si forma quando la trasformazione martensitica non consuma tutta l'austenite prodotta durante il riscaldamento. Il risultato dipende dalla composizione dell'austenite, il suo stato prima dello spegnimento e la temperatura raggiunta durante il raffreddamento.

Composizione dell'austenite e temperatura di trasformazione

La temperatura di inizio martensite (SM) è la temperatura alla quale inizia la trasformazione martensitica durante il raffreddamento. Carbonio disciolto nell'austenite, insieme ad alcuni elementi di lega, può abbassare la signora.

Mentre l'acciaio si raffredda sotto Ms, forme di martensite. Se il raffreddamento si interrompe prima che la trasformazione sia sufficientemente avanzata, parte dell'austenite rimane non trasformata. Negli acciai con temperatura di trasformazione relativamente bassa, l'austenite trattenuta può rimanere anche dopo un sostanziale raffreddamento.

Ciò aiuta a spiegare perché due acciai sottoposti a cicli di tempra ad induzione simili possono sviluppare microstrutture diverse. La loro composizione e le risultanti caratteristiche dell'austenite possono differire, quindi le stesse condizioni nominali di processo non producono necessariamente lo stesso contenuto di austenite trattenuta.

Temperatura di austenitizzazione e dissoluzione del carburo

Durante il riscaldamento, i carburi possono dissolversi nell'austenite. L'entità della dissoluzione dipende dal materiale, temperatura e tempo alla temperatura.

Il carbonio aggiuntivo disciolto nell'austenite può modificarne il comportamento di trasformazione e, in alcuni acciai, aumentare la quantità di austenite trattenuta dopo la tempra.

Questa relazione è stata studiata nell'acciaio per cuscinetti riscaldato a induzione. In Influenza delle condizioni di riscaldamento a induzione sulla struttura temprata dell'acciaio SUJ2, i ricercatori hanno esaminato gli effetti della temperatura di austenitizzazione e del contenuto di carburo non disciolto sull’austenite e sulla durezza trattenute. Nelle condizioni studiate, temperature di austenitizzazione più elevate e un contenuto inferiore di carburo non disciolto erano associati ad una maggiore austenite trattenuta.

Questi risultati si applicano all'acciaio SUJ2 indagato e alle condizioni sperimentali. Non dovrebbero essere trattati come una relazione universale per ogni acciaio temprato a induzione.

Perché le condizioni di riscaldamento a induzione sono importanti

La tempra a induzione utilizza comunemente un riscaldamento rapido e cicli di riscaldamento relativamente brevi. L'austenite risultante dipende da come risponde il materiale durante quel particolare ciclo termico, compresa la velocità con cui si forma l'austenite e la quantità di carbonio che si dissolve prima della tempra.

La microstruttura iniziale è quindi rilevante. La distribuzione del carburo e il trattamento termico precedente possono influenzare il processo di austenitizzazione e la composizione dell'austenite risultante.

L'impostazione della potenza nominale o il tempo di riscaldamento da soli non stabiliscono l'effettiva condizione di austenitizzazione dell'intero pezzo. La storia termica della regione indurita deve essere considerata quando si studia una microstruttura inaspettata.

Per una spiegazione più ampia dell’influenza del materiale di partenza, vedere In che modo la microstruttura precedente influisce sui risultati della tempra a induzione.

Condizioni di quench e trasformazione finale

La tempra determina il percorso di raffreddamento dopo l'austenitizzazione, ma l’austenite trattenuta non è semplicemente la prova di un raffreddamento non sufficientemente severo. Una parte di austenite può rimanere perché la sua composizione e le caratteristiche di trasformazione impediscono alla trasformazione martensitica di procedere fino al completamento alla temperatura finale.

Le condizioni di raffreddamento contano ancora, ma dovrebbero essere valutati insieme alla composizione dell'acciaio e all'austenite prodotta durante il riscaldamento. Cambiare severità di spegnimento da solo potrebbe non risolvere la causa sottostante.

3. In che modo l'austenite trattenuta può influenzare l'acciaio temprato?

L'austenite trattenuta può influire sulle prestazioni del componente, ma la sua presenza non indica automaticamente un problema. Le conseguenze dipendono dalla sua quantità e distribuzione, la microstruttura circostante e le condizioni in cui opera il componente.

Durezia

La martensite è generalmente la principale fase dura prodotta dalla tempra convenzionale dell'acciaio. Perché l'austenite e la martensite ritenute hanno proprietà meccaniche diverse, le loro proporzioni possono influenzare la durezza misurata.

La durezza dipende anche da fattori come il contenuto di carbonio della martensite e la distribuzione di altri costituenti microstrutturali. Una lettura della durezza pertanto non può stabilire in modo affidabile la frazione di austenite trattenuta. Due componenti con valori di durezza simili possono avere composizioni di fase diverse.

Se la durezza cambia dopo una regolazione del processo, questo risultato da solo non stabilisce se l'austenite trattenuta sia aumentata o diminuita.

Usura e fatica da contatto

Negli ingranaggi, cuscinetti e altri componenti soggetti a carichi di contatto ripetuti, l'austenite trattenuta può influenzare il comportamento all'usura e alla fatica.

In alcune condizioni di carico, l'austenite trattenuta può trasformarsi e contribuire ai cambiamenti della durezza e dello stress locale. In altre circostanze, la sua presenza può essere associata a prestazioni ridotte. Il risultato dipende dall'acciaio, la microstruttura circostante e le condizioni di servizio, quindi il contenuto di austenite trattenuta da solo non è sufficiente per prevedere la resistenza all'usura o la vita a fatica.

Stabilità dimensionale e tensioni residue

L'austenite trattenuta può essere importante quando la stabilità dimensionale è fondamentale. Se si trasforma durante lavorazioni o servizi successivi, la variazione di volume associata può influenzare le dimensioni dei componenti e ridistribuire le tensioni residue.

Questo è importante per i componenti di precisione la cui vestibilità, il gioco o la geometria devono rimanere entro le tolleranze specificate. Il rischio dipende dalla stabilità dell'austenite trattenuta e dalle condizioni a cui è esposto il componente; la sua presenza non significa che si verificheranno necessariamente cambiamenti dimensionali.

La questione ingegneristica rilevante è se la microstruttura risultante soddisfa i requisiti del componente, piuttosto che se l’austenite trattenuta possa essere eliminata completamente.

4. Come viene misurata l'austenite trattenuta?

Se trattenuta, l'austenite può influire sulle prestazioni del componente, il suo contenuto dovrebbe essere misurato con un metodo adeguato piuttosto che dedotto esclusivamente dalla durezza.

Diffrazione dei raggi X

Diffrazione dei raggi X (XRD) è ampiamente utilizzato per quantificare l'austenite trattenuta nell'acciaio. Identifica le fasi cristalline attraverso i loro modelli di diffrazione e può stimare la frazione di austenite trattenuta quando viene utilizzata una procedura di misurazione appropriata.

Il documento tecnico SAE Austenite trattenuta e sua misurazione mediante diffrazione di raggi X discute la misurazione XRD negli acciai temprati e altri materiali tecnici.

Per componenti temprati ad induzione, il luogo di misurazione è importante. Un risultato XRD caratterizza il volume di misurazione campionato in prossimità della superficie; non dovrebbe essere automaticamente trattato come rappresentativo dell'intero caso indurito. Se il contenuto di austenite trattenuta varia con la profondità, il piano di ispezione deve tenere conto di tale variazione.

Il risultato deve anche essere interpretato nel contesto. Condizione della superficie, consistenza materiale, procedura di misurazione e altri costituenti microstrutturali possono influenzare la misurazione o la sua interpretazione.

Altri metodi di misurazione

Metodi magnetici e diffrazione da retrodiffusione di elettroni (EBSD) può essere adatto per applicazioni particolari. I metodi magnetici possono richiedere una calibrazione specifica dell'applicazione, mentre l'EBSD può fornire informazioni sulla fase localizzata ma comporta una preparazione e un'analisi del campione più impegnative.

L'esame visivo di una microstruttura incisa da solo non è un sostituto affidabile per la misurazione quantitativa della fase quando è richiesta un'accurata frazione di austenite trattenuta. Il documento del procedimento dell'ASM I benefici o la possibilità di evitare l'austenite richiedono una determinazione affidabile discute l'importanza di una determinazione affidabile e i limiti dei diversi approcci di misurazione.

Il metodo dovrebbe corrispondere alla domanda di ingegneria. Prove di durezza di routine, per esempio, non fornisce le stesse informazioni della misurazione quantitativa dell’austenite trattenuta. Per una panoramica più ampia della verifica, vedere Come ispezionare le parti temprate ad induzione.

5. Cosa dovrebbe essere controllato quando l'austenite trattenuta è superiore al previsto?

Un risultato di austenite trattenuta superiore alle aspettative non significa automaticamente che il componente non rientra nelle specifiche. Non esiste un'unica percentuale accettabile per tutti gli acciai temprati a induzione. Il risultato deve essere valutato rispetto ai requisiti dei materiali pertinenti e ai criteri di prestazione dei componenti.

Confermare prima la misurazione

Verificare che il metodo di misurazione sia adatto, il risultato è affidabile e il luogo di misurazione rappresenta la regione di interesse. Se il risultato è inaspettato, verificarlo prima di modificare il processo.

Esaminare la cronologia del materiale e del processo

Conferma il grado dell'acciaio e condizione materiale iniziale, quindi rivedere il ciclo di riscaldamento effettivo e le registrazioni di raffreddamento. Particolare attenzione dovrebbe essere prestata alla condizione di austenitizzazione e se il processo ha seguito la procedura prevista.

Queste registrazioni aiutano a determinare se il risultato è coerente con il comportamento di trasformazione del materiale o può indicare una deviazione del processo.

Decidere se un cambiamento di processo è giustificato

Confrontare il risultato misurato con le specifiche applicabili e i requisiti funzionali. Se l'austenite trattenuta è associata a un problema prestazionale dimostrato, indagare sulla probabile causa prima di modificare il processo.

Aumentare la temperatura di austenitizzazione o modificare la severità di raffreddamento senza comprenderne la causa potrebbe non produrre il risultato previsto. Tali cambiamenti possono anche influenzare la formazione della martensite, dissoluzione e durezza del carburo.

Dove è necessario un aggiustamento, verificarne l'effetto mediante opportune misurazioni microstrutturali e relativi test qualitativi dei componenti.

Chiave da asporto

L'austenite trattenuta dopo la tempra ad induzione è la frazione di austenite che rimane non trasformata dopo la tempra, e la sua presenza non è automaticamente un difetto.

La sua quantità dipende dalla composizione dell'acciaio, condizioni di austenitizzazione, dissoluzione del carburo e il percorso di raffreddamento, e le sue conseguenze sulla durezza, usura, la fatica da contatto e la stabilità dimensionale dipendono dal componente e dalle condizioni di servizio.

La questione pratica è se il contenuto misurato soddisfa i requisiti del componente, non se l’austenite trattenuta possa essere eliminata completamente.

Domande frequenti

L'austenite è ritenuta sempre un difetto?

No.

L'austenite trattenuta non è automaticamente dannosa. Il suo significato dipende dalla sua quantità e distribuzione, la microstruttura circostante e i requisiti di servizio del componente. Una parte di austenite trattenuta è accettabile in molte parti temprate a induzione.

Posso determinare il contenuto di austenite trattenuta da una lettura della durezza?

No.

La durezza dipende da diversi fattori, compreso il contenuto di carbonio della martensite e la distribuzione degli altri costituenti. Due componenti con durezza simile possono avere composizioni di fase diverse, quindi la durezza da sola non può stabilire in modo affidabile la frazione austenite trattenuta. Utilizza un metodo quantitativo come la diffrazione dei raggi X quando il contenuto è importante.

Un risultato di austenite trattenuta superiore alle aspettative significa che la parte non rientra nelle specifiche?

Non automaticamente.

Non esiste un’unica percentuale accettabile per tutti gli acciai. Il risultato deve essere valutato rispetto ai requisiti applicabili dei materiali e dei componenti. Per prima cosa verificare che la misurazione sia affidabile, quindi rivedere la cronologia del materiale e del processo prima di modificare il processo.

Quali condizioni aumentano l'austenite trattenuta?

Il carbonio disciolto nell'austenite e alcuni elementi di lega abbassano la temperatura iniziale della martensite, quindi temperature di austenitizzazione più elevate e una maggiore dissoluzione del carburo possono aumentare l'austenite trattenuta in alcuni acciai. L'effetto è specifico del materiale e dovrebbe essere confermato per ciascun acciaio anziché ipotizzato.