A Tensão e a Influência do Tratamento Térmico do Aço em Fornos Tubulares

A força residual do tratamento térmico refere-se à tensão que permanece depois que a peça de trabalho é tratada termicamente, o que tem um impacto significativo na forma, tamanho e desempenho da peça de trabalho. Quando excede o limite de elasticidade do material, causa deformação da peça de trabalho e, quando excede o limite de resistência do material, pode causar rachaduras na peça de trabalho. Este é um aspecto prejudicial que deve ser reduzido e eliminado. No entanto, sob certas condições, controlar a distribuição de tensão para torná-la razoável pode melhorar as propriedades mecânicas e a vida útil da peça, transformando danos em vantagens. Analisando a lei de distribuição e variação de tensão no aço durante o processo de tratamento térmico, a distribuição razoável tem um significado prático profundo para melhorar a qualidade do produto. Por exemplo, a questão da distribuição razoável da tensão de compressão residual na camada superficial e seu impacto na vida útil das peças tem atraído atenção generalizada.
Quanto mais rápida a taxa de resfriamento, maior o teor de carbono e a composição da liga, e maior a deformação plástica irregular gerada sob tensão térmica durante o processo de resfriamento, resultando em uma maior tensão residual. Por outro lado, devido à mudança estrutural durante o tratamento térmico do aço, ou seja, quando a austenita se transforma em martensita, o aumento do volume específico acompanhará a expansão do volume da peça, e cada peça da peça passará pela fase transformação sucessivamente, resultando em crescimento de volume inconsistente e gerando tensão estrutural. O resultado final das mudanças no estresse organizacional é o estresse de tração na superfície e o estresse de compressão no núcleo, que é exatamente o oposto do estresse térmico. A magnitude da tensão estrutural está relacionada com a taxa de resfriamento e a forma da peça na zona de transformação da martensita, a composição química do material e outros fatores.
Durante o processo de aquecimento e resfriamento da peça, devido à inconsistência na velocidade e no tempo de resfriamento entre a superfície e o núcleo, uma diferença de temperatura é formada, o que leva à expansão e contração de volume desigual e gera tensão. Sob a ação do estresse térmico, a superfície começa a ter uma temperatura menor que o núcleo, e a contração também é maior que o núcleo, fazendo com que o núcleo seja tracionado. Quando o resfriamento é concluído, a superfície é comprimida e o núcleo é puxado devido à incapacidade da contração do volume de resfriamento final do núcleo de prosseguir livremente. Sob a ação do estresse térmico, a superfície da peça de trabalho é finalmente comprimida enquanto o núcleo é puxado. Esse fenômeno é influenciado por fatores como taxa de resfriamento, composição do material e processo de tratamento térmico.
A prática tem comprovado que tensões térmicas e estruturais ocorrerão em qualquer peça durante o processo de tratamento térmico, desde que haja uma mudança de fase. No entanto, o estresse térmico já é gerado antes da transformação organizacional, e o estresse organizacional é gerado durante o processo de transformação organizacional. Ao longo do processo de resfriamento, o efeito combinado do estresse térmico e do estresse organizacional é o estresse real presente na peça de trabalho. O efeito combinado dessas duas tensões é muito complexo e é influenciado por muitos fatores, como composição, forma, processo de tratamento térmico, etc. Em termos de processo de desenvolvimento, existem apenas dois tipos, a saber, estresse térmico e estresse tecidual. Quando a direção da ação é oposta, as duas se anulam, e quando a direção da ação é a mesma, as duas se sobrepõem. Quer se trate de cancelamento mútuo ou superposição, as duas tensões devem ter um fator dominante e, quando a tensão térmica domina, o resultado é que o centro da peça de trabalho é puxado e a superfície é comprimida. Quando o estresse organizacional domina, o resultado é que a superfície comprimida no centro da peça de trabalho está sob tensão.
O efeito da tensão do tratamento térmico nas trincas de têmpera existe em fatores que podem causar concentração de tensão em diferentes partes da peça resfriada (incluindo defeitos metalúrgicos), que têm um efeito promotor na geração de trincas de têmpera. No entanto, ela só se manifesta no campo de tensão de tração (especialmente na tensão de tração máxima), se não houver efeito promotor no campo de tensão de compressão.
O princípio confiável desse tipo de aço que só pode formar trincas longitudinais em peças de aço de alta temperabilidade temperadas em condições normais para evitar trincas de têmpera é tentar reduzir ao máximo a não isocronia da transformação da martensita dentro e fora da seção. Apenas o resfriamento lento na zona de transformação da martensita não é suficiente para evitar a formação de trincas longitudinais. Geralmente, as trincas de arco só podem ocorrer em partes não endurecíveis. Embora o resfriamento rápido geral seja a condição de formação necessária, a verdadeira razão para sua formação não é o resfriamento rápido (incluindo a zona de transformação da martensita), mas a posição local da parte resfriada (determinada pela estrutura geométrica). A taxa de resfriamento na zona de temperatura crítica de alta temperatura é significativamente reduzida na ausência de endurecimento. E as rachaduras transversais e longitudinais que ocorrem em grandes peças não temperáveis ​​são causadas por tensões residuais de tração, compostas principalmente por tensões térmicas, atuando no centro da peça temperada. No centro da seção endurecida final da peça resfriada, as trincas primeiro se formam e se propagam de dentro para fora.
A fim de evitar tais rachaduras, o processo de têmpera líquido duplo com óleo de água é frequentemente usado. Nesse processo, o resfriamento rápido na seção de alta temperatura é usado apenas para garantir que o metal externo adquira a estrutura de martensita. Do ponto de vista do estresse interno, o resfriamento rápido é prejudicial e inútil. Em segundo lugar, o objetivo do resfriamento lento no estágio posterior do resfriamento não é reduzir a taxa de expansão da transformação da martensita e o valor do estresse da estrutura, mas minimizar a diferença de temperatura da seção e a taxa de encolhimento do metal no centro da seção, de modo a reduzir o valor de tensão e, finalmente, inibir trincas de têmpera.
A taxa de resfriamento da têmpera é um fator importante que pode afetar a qualidade da têmpera e determinar a tensão residual, bem como um fator que pode ter um impacto importante ou mesmo decisivo nas trincas da têmpera. Para atingir o objetivo da têmpera, geralmente é necessário acelerar a taxa de resfriamento das peças na seção de alta temperatura e fazê-la exceder a taxa crítica de resfriamento da têmpera do aço para obter a estrutura martensítica. Em termos de tensão residual, o forno elétrico tubular pode aumentar o valor da tensão térmica que neutraliza o efeito da tensão estrutural, reduzindo assim a tensão de tração na superfície da peça e atingindo o objetivo de suprimir as fissuras longitudinais. O efeito aumentará com a aceleração da taxa de resfriamento de alta temperatura. Além disso, no caso da temperabilidade, quanto maior o tamanho da seção transversal da peça, embora a taxa de resfriamento real seja mais lenta, maior o risco de trincas. Tudo isso se deve ao fato de que o estresse térmico desse tipo de aço diminui a taxa de resfriamento real com o aumento do tamanho, diminui o estresse térmico e aumenta o estresse estrutural com o aumento do tamanho. O forno elétrico tipo caixa finalmente forma uma tensão de tração composta principalmente de tensão estrutural, que atua na superfície da peça de trabalho. E é completamente diferente do conceito tradicional de que quanto mais lento o resfriamento, menor o estresse.
O efeito da tensão compressiva residual na peça de trabalho é amplamente utilizado como um método para melhorar a resistência à fadiga da peça de trabalho através do reforço da superfície de cementação. Por um lado, pode efetivamente aumentar a resistência e a dureza da superfície da peça de trabalho, melhorar a resistência ao desgaste da peça de trabalho e, por outro lado, a cementação pode efetivamente melhorar a distribuição de tensão da peça de trabalho, obter grande tensão de compressão residual na camada superficial da peça de trabalho e melhorar a resistência à fadiga da peça de trabalho. Se a têmpera isotérmica for realizada após a cementação, ela aumentará a tensão de compressão residual na camada superficial e melhorará ainda mais a resistência à fadiga. Alguém testou a tensão residual do aço 35SiMn2MoV após têmpera isotérmica e revenimento a baixa temperatura após a cementação. Os resultados são mostrados na Tabela 1.35: Valores de tensão residual do aço SiMn2MoV após têmpera isotérmica e revenido a baixa temperatura após a cementação
Valor de tensão residual (kg/mm2)
Aquecimento em um banho de sal de 880-900 graus após a carburação, isotérmico a 260 graus por 40 minutos
-65
Após a carburação, aqueça e resfrie em um banho de sal de 880-900 graus, isotérmico a 260 graus por 90 minutos
-18
Após a carburação, aquecer em banho de sal a 880-900 graus Celsius, isotérmico a 260 graus Celsius por 40 minutos e revenido a 260 graus Celsius por 90 minutos
-38
Observando os resultados do teste na Tabela 1, pode-se ver que a têmpera isotérmica tem uma tensão de compressão residual de superfície mais alta do que o processo usual de têmpera e revenido a baixa temperatura. Mesmo após o revenimento a baixa temperatura após a têmpera isotérmica, a tensão de compressão residual na superfície é maior do que após o revenimento a baixa temperatura após a têmpera. Portanto, pode-se concluir que a tensão superficial residual de compressão obtida pela têmpera isotérmica após a cementação é maior do que aquela obtida pela têmpera de cementação convencional e revenimento a baixa temperatura. Do ponto de vista do efeito benéfico da tensão compressiva residual da camada superficial na resistência à fadiga, o processo de têmpera isotérmica de cementação é um método eficaz para melhorar a resistência à fadiga de peças cementadas.
Existem duas razões principais pelas quais o processo de cementação e têmpera pode obter tensão de compressão residual na superfície e a cementação e têmpera isotérmica podem obter maior tensão de compressão residual na superfície. Uma razão é que o volume específico da martensita de alto carbono na camada superficial é maior do que o da martensita de baixo carbono no centro. Após a têmpera, o volume da superfície se expande e se expande muito, enquanto a expansão do volume da martensita de baixo carbono no centro é pequena, o que restringe a expansão livre da camada superficial e causa o estado de tensão da camada superficial sob pressão e do centro sob tensão . Outra razão mais importante é que a temperatura inicial de transformação (Ms) da austenita sub-resfriada com alto teor de carbono em martensita é menor do que a da austenita sub-resfriada com baixo teor de carbono no centro para martensita. Quando a têmpera isotérmica é realizada após a cementação, quando a temperatura isotérmica está acima da temperatura de início de transformação de martensita (Ms) da camada carbonetada, a têmpera isotérmica a uma temperatura apropriada abaixo do ponto de temperatura de início de transformação de martensita (Ms) no centro pode garantir a características sequenciais desta transformação mais do que resfriamento contínuo (ou seja, garantir que a transformação de martensita na camada superficial ocorra apenas no processo de resfriamento após resfriamento isotérmico). Obviamente, a temperatura isotérmica e o tempo de têmpera isotérmica após a cementação têm um impacto significativo na magnitude da tensão residual na camada superficial. Alguém testou a tensão residual da superfície de amostras de aço 35SiMn2MoV após a cementação a 260 graus e 320 graus por 40 minutos, e os resultados são mostrados na Tabela 2. Na Tabela 2, pode-se ver que a tensão residual da superfície a 260 graus é mais do que o dobro do que em 320 graus. Tensão residual superficial do aço 35SiMn2MoV em diferentes temperaturas isotérmicas.
No processo de têmpera, a transformação da martensita no centro costuma ser a primeira a causar a expansão do volume no centro e a se fortalecer, mas a superfície ainda não esfriou até o ponto de transformação inicial da martensita correspondente (Ms), portanto ainda está em o estado de austenita super-resfriado, com boa plasticidade, e não desempenhará um papel sério na supressão da expansão de volume da transformação de martensita no centro. Com a diminuição contínua da temperatura de resfriamento da têmpera, a temperatura da superfície cai abaixo do ponto (Ms), e ocorre a transformação da martensita na camada superficial, causando a expansão do volume da superfície. No entanto, o centro já foi transformado em martensita e reforçado, então o centro terá um grande papel em suprimir a expansão de volume da camada superficial, fazendo com que a camada superficial obtenha tensões compressivas residuais.

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