Austenit zachowany po hartowaniu indukcyjnym: Dlaczego powstaje i dlaczego ma to znaczenie

Tworzenie, Efekty wydajnościowe, i pomiary w stali hartowanej indukcyjnie

Dlaczego austenit szczątkowy pozostaje po hartowaniu indukcyjnym?, i czy jest to szkodliwe? Odpowiedź zależy od stali, mikrostruktura powstająca podczas ogrzewania i hartowania, i wymaganiami gotowego komponentu.

Austenit zachowany jest częścią austenitu powstałą podczas ogrzewania, która pozostaje nieprzekształcona po hartowaniu. Nie jest to automatycznie wada, ale jego ilość i rozmieszczenie może wpływać na twardość, odporność na zużycie i stabilność wymiarowa. Zrozumienie, jak powstaje i jak można go zmierzyć, pomaga inżynierom określić, czy reprezentuje akceptowalny stan mikrostrukturalny, czy też wymaga dalszych badań.

1. Co to jest austenit pozostały po hartowaniu indukcyjnym?

podczas hartowanie indukcyjne, powierzchnia przedmiotu obrabianego jest podgrzewana w celu wytworzenia austenitu. Szybkie chłodzenie powoduje następnie przekształcenie dużej części tego austenitu w martenzyt, tworząc utwardzoną warstwę wierzchnią. Transformacja może pozostać niepełna, pozostawiając trochę austenitu w końcowej mikrostrukturze.

Utwardzony obszar może zawierać martenzyt, austenit zachowany i, w zależności od stali i warunków ogrzewania, nierozpuszczonych węglików lub innych składników. Ich proporcje mogą się zmieniać w obrębie utwardzonej warstwy ze względu na lokalną historię termiczną, Początkowa mikrostruktura i rozkład węgla niekoniecznie są jednolite.

Austenit szczątkowy i nierozpuszczone węgliki to różne składniki. Węgliki rozpuszczające się podczas ogrzewania mogą uwalniać węgiel do austenitu, zmiana jego składu i późniejsze zachowanie transformacyjne. Ilość rozpuszczonego węglika może zatem wpływać na zawartość austenitu szczątkowego po hartowaniu.

Do elementów hartowanych indukcyjnie, identyfikacja austenitu szczątkowego to dopiero pierwszy krok. Jego ilość, lokalizacja i wpływ na wymagane właściwości komponentu decydują o tym, czy wymaga on dalszej oceny.

2. Dlaczego austenit szczątkowy pozostaje po hartowaniu?

Austenit szczątkowy tworzy się, gdy przemiana martenzytyczna nie zużywa całego austenitu powstałego podczas ogrzewania. Wynik zależy od składu austenitu, jego stan przed hartowaniem i temperaturę osiągniętą podczas chłodzenia.

Skład austenitu i temperatura przemiany

Temperatura początkowa martenzytu (SM) jest temperaturą, w której rozpoczyna się przemiana martenzytyczna podczas chłodzenia. Węgiel rozpuszczony w austenicie, wraz z pewnymi pierwiastkami stopowymi, może obniżyć panią.

W miarę stygnięcia stali poniżej pani Ms, formy martenzytyczne. Jeśli chłodzenie zakończy się zanim przemiana nie postępuje dostatecznie, część austenitu pozostaje nieprzekształcona. W stalach o stosunkowo niskiej temperaturze przemiany, austenit szczątkowy może pozostać nawet po znacznym ochłodzeniu.

Pomaga to wyjaśnić, dlaczego dwie stale poddane podobnym cyklom hartowania indukcyjnego mogą wytworzyć różne mikrostruktury. Ich skład i wynikające z niego właściwości austenitu mogą się różnić, zatem te same nominalne warunki procesu niekoniecznie dają tę samą zawartość austenitu szczątkowego.

Temperatura austenityzowania i rozpuszczanie węglików

Podczas nagrzewania, węgliki mogą rozpuścić się w austenicie. Stopień rozpuszczania zależy od materiału, temperatura i czas w temperaturze.

Dodatkowy węgiel rozpuszczony w austenicie może zmienić jego zachowanie transformacyjne i, w niektórych stalach, zwiększyć ilość austenitu szczątkowego po hartowaniu.

Zależność tę badano w stali łożyskowej nagrzewanej indukcyjnie. W Wpływ warunków nagrzewania indukcyjnego na hartowaną strukturę stali SUJ2, badacze zbadali wpływ temperatury austenityzacji i zawartości nierozpuszczonych węglików na austenit szczątkowy i twardość. W badanych warunkach, wyższe temperatury austenityzacji i niższa zawartość nierozpuszczonych węglików były związane ze wzrostem austenitu szczątkowego.

Ustalenia te dotyczą badanej stali SUJ2 i warunków eksperymentalnych. Nie należy ich traktować jako uniwersalnej zależności dla każdej stali hartowanej indukcyjnie.

Dlaczego warunki nagrzewania indukcyjnego mają znaczenie

Hartowanie indukcyjne zwykle wykorzystuje szybkie nagrzewanie i stosunkowo krótkie cykle ogrzewania. Powstały austenit zależy od reakcji materiału podczas danego cyklu termicznego, w tym szybkość tworzenia się austenitu i ilość węgla rozpuszczanego przed hartowaniem.

Dlatego też istotna jest początkowa mikrostruktura. Dystrybucja węglika i wcześniejsza obróbka cieplna mogą mieć wpływ na proces austenityzacji i skład powstałego austenitu.

Samo ustawienie mocy nominalnej lub czasu nagrzewania nie określa rzeczywistego stanu austenityzowania w całym przedmiocie obrabianym. Podczas badania nieoczekiwanej mikrostruktury należy wziąć pod uwagę historię termiczną utwardzonego obszaru.

Dla szerszego wyjaśnienia wpływu materiału wyjściowego, zobacz Jak wcześniejsza mikrostruktura wpływa na wyniki hartowania indukcyjnego.

Warunki hartowania i ostateczna przemiana

Hartowanie określa ścieżkę chłodzenia po austenityzacji, ale austenit szczątkowy nie jest po prostu dowodem niewystarczająco silnego hartowania. Część austenitu może pozostać, ponieważ jego skład i charakterystyka przemiany uniemożliwiają zakończenie przemiany martenzytycznej w temperaturze końcowej.

Warunki chłodzenia nadal mają znaczenie, należy je jednak oceniać na podstawie składu stali i austenitu powstającego podczas ogrzewania. Wymiana pieniędzy złagodzić nasilenie samodzielnie może nie rozwiązać przyczyny.

3. Jak austenit szczątkowy może wpływać na stal hartowaną?

Austenit szczątkowy może mieć wpływ na wydajność komponentu, ale jego obecność nie oznacza automatycznie problemu. Konsekwencje zależą od jego ilości i rozmieszczenia, otaczającą mikrostrukturę i warunki, w jakich element działa.

Twardość

Martenzyt jest na ogół główną twardą fazą wytwarzaną w wyniku konwencjonalnego hartowania stali. Ponieważ austenit szczątkowy i martenzyt mają różne właściwości mechaniczne, ich proporcje mogą mieć wpływ na zmierzoną twardość.

Twardość zależy również od takich czynników, jak zawartość węgla w martenzycie i rozmieszczenie innych składników mikrostrukturalnych. Dlatego też odczyt twardości nie pozwala na wiarygodne ustalenie frakcji austenitu szczątkowego. Dwa składniki o podobnych odczytach twardości mogą mieć różny skład fazowy.

Jeśli twardość zmieni się po dostosowaniu procesu, sam ten wynik nie pozwala ustalić, czy austenit szczątkowy wzrósł, czy spadł.

Zużycie i zmęczenie kontaktowe

W biegach, łożyska i inne elementy poddawane wielokrotnym obciążeniom kontaktowym, austenit szczątkowy może wpływać na zużycie i zachowanie zmęczeniowe.

W pewnych warunkach obciążenia, Austenit szczątkowy może przekształcić się i przyczynić do zmian lokalnej twardości i naprężeń. W innych okolicznościach, jego obecność może wiązać się ze zmniejszoną wydajnością. Wynik zależy od stali, otaczającą mikrostrukturę i warunki eksploatacji, dlatego sama zawartość austenitu szczątkowego nie jest wystarczająca do przewidywania odporności na zużycie lub trwałości zmęczeniowej.

Stabilność wymiarowa i naprężenia własne

Austenit szczątkowy może być ważny, kiedy stabilność wymiarowa jest krytyczny. Jeżeli ulegnie zmianie w trakcie późniejszego przetwarzania lub świadczenia usługi, związana z tym zmiana objętości może wpływać na wymiary komponentów i redystrybuować naprężenia szczątkowe.

Ma to znaczenie w przypadku precyzyjnych komponentów, które pasują, luz lub geometria muszą mieścić się w określonych tolerancjach. Ryzyko zależy od stabilności austenitu szczątkowego i warunków, na jakie narażony jest element; jego obecność nie oznacza, że ​​koniecznie wystąpią zmiany wymiarowe.

Istotnym pytaniem inżynierskim jest to, czy uzyskana mikrostruktura spełnia wymagania komponentu, a nie to, czy austenit szczątkowy można całkowicie wyeliminować.

4. Jak mierzy się austenit szczątkowy?

Austenit szczątkowy może mieć wpływ na wydajność elementu, jego zawartość należy mierzyć odpowiednią metodą, a nie wyciągać wniosków na podstawie samej twardości.

Dyfrakcja promieni rentgenowskich

Dyfrakcja promieni rentgenowskich (XRD) jest szeroko stosowany do ilościowego oznaczania austenitu szczątkowego w stali. Identyfikuje fazy krystaliczne na podstawie ich wzorów dyfrakcyjnych i może oszacować frakcję austenitu szczątkowego, gdy zostanie zastosowana odpowiednia procedura pomiarowa.

Dokument techniczny SAE Austenit szczątkowy i jego pomiar metodą dyfrakcji promieni rentgenowskich omawia pomiary XRD w stalach hartowanych i innych materiałach inżynierskich.

Do elementów hartowanych indukcyjnie, miejsce pomiaru ma znaczenie. Wynik XRD charakteryzuje pobraną próbkę objętości pomiarowej przy powierzchni; nie należy go automatycznie traktować jako reprezentatywnego dla całej utwardzanej obudowy. Jeśli zawartość austenitu szczątkowego zmienia się wraz z głębokością, plan inspekcji musi uwzględniać tę zmianę.

Wynik należy również interpretować w kontekście. Stan powierzchni, tekstura materiału, procedura pomiarowa i inne składniki mikrostrukturalne mogą mieć wpływ na pomiar lub jego interpretację.

Inne metody pomiaru

Metody magnetyczne i dyfrakcja rozproszenia wstecznego elektronów (EBSD) mogą być odpowiednie do określonych zastosowań. Metody magnetyczne mogą wymagać kalibracji specyficznej dla aplikacji, podczas gdy EBSD może dostarczyć informacji o zlokalizowanej fazie, ale wymaga bardziej wymagającego przygotowania i analizy próbek.

Samo badanie wizualne wytrawionej mikrostruktury nie jest niezawodnym substytutem ilościowego pomiaru fazy, gdy wymagana jest dokładna frakcja austenitu szczątkowego. Dokument z postępowania ASM Korzyści z austenitu zatrzymanego lub ich unikanie wymaga niezawodnej determinacji omawia znaczenie wiarygodnych oznaczeń i ograniczenia różnych podejść pomiarowych.

Metoda powinna pasować do pytania inżynierskiego. Rutynowe badanie twardości, Na przykład, nie dostarcza takich samych informacji jak ilościowy pomiar austenitu szczątkowego. Aby uzyskać szerszy przegląd weryfikacji, zobacz Jak sprawdzać części hartowane indukcyjnie.

5. Co należy sprawdzić, gdy austenit szczątkowy jest wyższy niż oczekiwano?

Wyższy od oczekiwanego wynik austenitu szczątkowego nie oznacza automatycznie, że element jest niezgodny ze specyfikacją. Nie ma jednego akceptowalnego procentu dla wszystkich stali hartowanych indukcyjnie. Wynik należy ocenić pod kątem odpowiednich wymagań materiałowych i kryteriów wydajności komponentów.

Najpierw potwierdź pomiar

Sprawdź, czy metoda pomiaru jest odpowiednia, wynik jest wiarygodny, a miejsce pomiaru odpowiada obszarowi zainteresowania. Jeśli wynik jest nieoczekiwany, sprawdź to przed zmianą procesu.

Przejrzyj historię materiałów i procesów

Potwierdź gatunek stali i stan materiału wyjściowego, następnie przejrzyj aktualne zapisy dotyczące cyklu ogrzewania i hartowania. Szczególną uwagę należy zwrócić na stan austenityzowania oraz na to, czy proces przebiegał zgodnie z zamierzoną procedurą.

Zapisy te pomagają określić, czy wynik jest zgodny z zachowaniem materiału w procesie transformacji lub może wskazywać na odchylenie od procesu.

Zdecyduj, czy zmiana procesu jest uzasadniona

Porównaj zmierzony wynik z obowiązującą specyfikacją i wymaganiami funkcjonalnymi. Jeśli austenit szczątkowy wiąże się z wykazanymi problemami związanymi z wydajnością, przed dostosowaniem procesu zbadaj prawdopodobną przyczynę.

Zwiększanie temperatury austenityzacji lub zmiana intensywności hartowania bez zrozumienia przyczyny może nie dać zamierzonego rezultatu. Takie zmiany mogą również wpływać na powstawanie martenzytu, rozpuszczalność węglików i twardość.

Tam, gdzie konieczna jest regulacja, zweryfikować jego działanie poprzez odpowiednie pomiary mikrostruktury i odpowiednie testy jakości komponentów.

Klucz na wynos

Austenit szczątkowy po hartowaniu indukcyjnym to część austenitu, która pozostaje niezmieniona po hartowaniu, i jego obecność nie jest automatycznie wadą.

Jego ilość zależy od składu stali, warunkach austenityzacji, rozpuszczanie węglika i droga chłodzenia, i jego konsekwencje dla twardości, zużycie, zmęczenie kontaktowe i stabilność wymiarowa zależą od komponentu i warunków pracy.

Praktycznym pytaniem jest, czy zmierzona zawartość spełnia wymagania komponentu, nie to, czy austenit szczątkowy można całkowicie wyeliminować.

Często zadawane pytania

Czy austenit szczątkowy jest zawsze wadą?

Nie.

Austenit szczątkowy nie jest automatycznie szkodliwy. Jego znaczenie zależy od jego ilości i rozmieszczenia, otaczającą mikrostrukturę i wymagania serwisowe komponentu. Część austenitu szczątkowego jest dopuszczalna w wielu częściach hartowanych indukcyjnie.

Czy mogę określić zawartość austenitu szczątkowego na podstawie odczytu twardości??

Nie.

Twardość zależy od kilku czynników, łącznie z zawartością węgla w martenzycie i rozmieszczeniem innych składników. Dwa składniki o podobnej twardości mogą mieć różny skład fazowy, dlatego sama twardość nie może wiarygodnie ustalić frakcji austenitu szczątkowego. Jeśli zawartość ma znaczenie, należy zastosować metodę ilościową, taką jak dyfrakcja promieni rentgenowskich.

Czy wyższy od oczekiwanego wynik austenitu szczątkowego oznacza, że ​​część jest niezgodna ze specyfikacją??

Nie automatycznie.

Nie ma jednego akceptowalnego procentu dla wszystkich stali. Wynik należy ocenić pod kątem mających zastosowanie wymagań dotyczących materiałów i komponentów. Najpierw upewnij się, że pomiar jest wiarygodny, następnie przejrzyj historię materiału i procesu przed zmianą procesu.

Jakie warunki zwiększają austenit szczątkowy?

Węgiel rozpuszczony w austenicie i niektóre pierwiastki stopowe obniżają temperaturę początkową martenzytu, dlatego wyższe temperatury austenityzacji i większe rozpuszczanie węglików mogą zwiększyć austenit szczątkowy w niektórych stalach. Efekt jest specyficzny dla materiału i należy go potwierdzić dla każdej stali, a nie zakładać.