Qual è lo scopo della tempra dell'acciaio strutturale al carbonio?

Qual è lo scopo della tempra dell'acciaio strutturale al carbonio?
Il processo di tempra per l'acciaio strutturale al carbonio prevede il riscaldamento dell'acciaio alla temperatura di austenitizzazione (tipicamente 30-50 gradi sopra Ac3, che richiede un'austenitizzazione completa per l'acciaio ipoeutettoidico), il mantenimento dell'acciaio a questa temperatura per un periodo di tempo per consentire alla microstruttura di trasformarsi completamente in austenite, quindi il rapido raffreddamento in un mezzo di raffreddamento come acqua o olio. Il suo scopo principale è quello di ottenere un miglioramento "rivoluzionario" delle proprietà meccaniche alterando la microstruttura interna dell'acciaio (trasformando l'austenite in strutture non in equilibrio come martensite o bainite), in particolare per i requisiti di resistenza e durezza. Questo processo può essere classificato nei seguenti quattro obiettivi principali:
1. Migliorare significativamente la durezza dell'acciaio e la resistenza all'usura
La microstruttura di equilibrio dell'acciaio strutturale al carbonio (ad esempio, perlite + ferrite) ha una durezza relativamente bassa (ad esempio, la durezza-laminata a caldo dell'acciaio Q235 è di circa HB150-180 e quella dell'acciaio 45 è di circa HB170-210). Ciò lo rende inadatto per applicazioni che richiedono resistenza all'usura e ai graffi (ad esempio, superfici resistenti all'usura su parti meccaniche e bordi di utensili). Durante la tempra, l'austenite si raffredda rapidamente (la velocità di raffreddamento deve superare la "velocità di raffreddamento critica"). Gli atomi non hanno il tempo di diffondersi e formare perlite in equilibrio, e sono invece costretti a formare martensite. La martensite è una soluzione solida sovrasatura di carbonio in -Fe, con significativa distorsione reticolare e numerose dislocazioni interne. Ciò aumenta significativamente la durezza:
L'acciaio strutturale a medio-carbonio (come l'acciaio 45) può raggiungere una durezza di HRC55-60 dopo la tempra, superando di gran lunga quella dell'acciaio laminato a caldo.
L'acciaio strutturale ad alto- tenore di carbonio (come l'acciaio 65) può anche raggiungere una durezza di HRC60-65 dopo la tempra, avvicinandosi al livello del normale acciaio per utensili.
Questa elevata durezza migliora efficacemente la resistenza all'usura delle parti e riduce l'usura durante l'uso (ad esempio, guide di macchine utensili temprate e fianchi dei denti degli ingranaggi).
2. Migliora significativamente la resistenza dell'acciaio e la resistenza alla deformazione
Oltre alla durezza, la tempra aumenta significativamente la resistenza alla trazione, allo snervamento e alla deformazione dell'acciaio strutturale al carbonio. La ferrite nella struttura di equilibrio ha un'elevata plasticità ma una bassa resistenza, mentre la perlite ha una resistenza moderata. La martensite, tuttavia, può raggiungere un aumento di resistenza del 50%-100% a causa della distorsione del reticolo e del rafforzamento della dislocazione.
Ad esempio, l'acciaio 45 ha una resistenza alla trazione-laminata a caldo di circa 600 MPa. Dopo la tempra (senza rinvenimento), la resistenza alla trazione aumenta fino a oltre 1000 MPa e la resistenza allo snervamento aumenta da 355 MPa a oltre 800 MPa.
Per le parti che sopportano carichi, resistono agli urti o alla deformazione (come alberi, bielle e bulloni), l'elevata resistenza dopo la tempra garantisce che le parti non si deformino o si fratturano in condizioni operative complesse, soddisfacendo così i requisiti strutturali di-resistenza al carico. 3. Getta le basi per il successivo processo di "tempra", ottenendo una "resistenza-tenacità bilancia."
Sebbene gli acciai strutturali al carbonio raggiungano durezza e resistenza estremamente elevate dopo la tempra, presentano notevoli inconvenienti: elevato stress interno nella struttura della martensite, scarsa duttilità e tenacità estremamente bassa (incline a fratture fragili, con assorbimento di energia di impatto tipicamente solo 5-10J). L'uso diretto può facilmente portare a guasti dovuti a piccoli impatti o concentrazioni di stress. Pertanto, la tempra viene utilizzata raramente come "trattamento termico finale", ma piuttosto come precursore del processo di rinvenimento. La sua funzione principale è fornire una "struttura fondamentale ad alta-durezza e alta resistenza" per le successive regolazioni delle prestazioni.
Il successivo rinvenimento a temperature diverse (rinvenimento a bassa-temperatura 150-250 gradi, rinvenimento a media-temperatura 350-500 gradi e rinvenimento ad alta temperatura 500-650 gradi) può eliminare lo stress interno della martensite e migliorare la tenacità mantenendo la maggior parte della resistenza temprata.
Ad esempio, dopo la tempra e il rinvenimento ad alta-temperatura (tempra e rinvenimento) dell'acciaio 45, la durezza viene ridotta a 28-32 HRC, mentre la resistenza alla trazione rimane superiore a 800 MPa e l'assorbimento dell'energia d'impatto aumenta fino a oltre 50J. Ciò consente di raggiungere un equilibrio ideale tra "elevata resistenza ed elevata tenacità", rendendola la soluzione completa di ottimizzazione delle prestazioni più comunemente utilizzata nella produzione di macchinari. 4. Migliorare le prestazioni locali e soddisfare i requisiti di "rafforzamento locale"
Alcune parti strutturali in acciaio al carbonio non richiedono un'elevata resistenza complessiva (per evitare la fragilità complessiva) e richiedono solo il rafforzamento delle aree di lavoro critiche (come superfici soggette a usura e aree di stress concentrato). In questi casi, il quenching può ottenere “miglioramenti delle prestazioni locali” attraverso un approccio “riscaldamento locale + raffreddamento locale”.
Ad esempio, le guide delle macchine utensili richiedono resistenza all'usura superficiale (elevata durezza), ma la matrice delle guide deve mantenere la tenacità (per evitare fratture da impatto). Ciò può essere ottenuto attraverso la "tempra della superficie di riscaldamento a induzione". Ciò comporta il riscaldamento solo della superficie della guida fino all'austenitizzazione e il rapido raffreddamento, formando martensite bonificata (durezza HRC 50-55) sulla superficie mantenendo la struttura di equilibrio originale della matrice (mantenendo la tenacità).
Per fare un altro esempio, la testa o la porzione filettata di un bullone richiede resistenza al taglio e all'usura. La tempra locale può raggiungere prestazioni critiche evitando la fragilità generale e riducendo il rischio di guasto delle parti.