Thermodynamics and Heat Transfer
The Effect of Rapid Cooling on Tensile Strength of Metal Alloys
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Entender el enfriamiento rápido (Presentación)
El enfriamiento rápido, o el enfriamiento, es un proceso de tratamiento térmico de piedra angular en metalurgia. Se trata de calentar una aleación metálica a una temperatura elevada específica, a menudo por encima de su punto de transformación crítico, y luego enfriarlo rápidamente por inmersión en un medio como agua, aceite, solución de polímero, o aire forzado.
La ciencia detrás de la quenching
Cuando una aleación se calienta, sus átomos obtienen energía y reorganizan en una fase de alta temperatura —para el acero, esto es austenita (estructura cúbica centrada en la cara). Como los metales se enfrían, los átomos comienzan a difuminarse para formar fases de baja temperatura como ferrite o perla. Sin embargo, si el enfriamiento es suficientemente rápido, la difusión se transforma intrín
Medios de enfriamiento y sus tarifas
El agua proporciona el enfriamiento más agresivo -más de 200°C por segundo en el rango de temperatura crítica- pero puede causar distorsión o grieta debido a la extracción de calor desigual. El aceite ofrece un enfriamiento más lento, más uniforme (normalmente 50–100°C por segundo), reduciendo el estrés térmico mientras que todavía logran martensita en muchos aceros.
Transformaciones microestructurales inducidas por el enfriamiento rápido
La rápida refrigeración cambia fundamentalmente la microestructura de las aleaciones metálicas. La transformación más dramática es la formación de martensita en aleaciones ferrosas, pero otros sistemas como aluminio, titanio y aleaciones basadas en cobre también están bajo cambios de fase.En aleaciones de aluminio, el apagado del tratamiento térmico de solución permite endurecimiento de precipitación: los átomos de soltura se mantienen en solución sólida y posteriormente forma de precipitaciones finas.
Formación de Martensito en Acero
La formación de granos es una transformación desactivada que ocurre casi instantáneamente cuando la tasa de refrigeración supera la tasa crítica.Los granos de austenita se despliegan en placas de martensita de forma lúdica o de alta calidad.En aceros de alto beneficio, la martensita es dura y frágil debido al alto contenido de carbono; en aceros de baja carbono, martensita resistente ofrece un buen equilibrio de resistencia
Otras transformaciones de fase
No todas las aleaciones forman martensita al apagar. Por ejemplo, en muchas aleaciones de aluminio, el enfriamiento rápido después de la solución evita la precipitación de los átomos de soluto, manteniendo una solución sólida supersaturada. Esta condición es seguida por el envejecimiento artificial para producir precipitaciones finas que fortalecen la aleación, un proceso conocido como endurecimiento de precipitación.
Efecto de la refrigeración rápida en la fuerza de la tensión
La fuerza de la tensión de las aleaciones metálicas se incrementa significativamente por el enfriamiento rápido, principalmente mediante la introducción de obstáculos microestructurales que impiden el movimiento de dislocación. En aceros martensiáticos, la fuerza de la tensión puede aumentar de alrededor de 500 MPa en el estado amasado a más de 2000 MPa después de apagar y templar.
Dislocation Density and Strengthening Mechanisms
La rápida y difusa formación de los componentes de la martensita introduce una densidad de dislocación extremadamente alta, en el orden de 10[ρFLT:0]12 a 1013 cm-2.
Comercio-offs: Fuerza vs. Ductility
Mientras que la fuerza de la tensión aumenta dramáticamente después de la rápida refrigeración, la ductilidad - medida por el alargamiento en una prueba de tensión- generalmente cae. Por ejemplo, un acero de carbono claro que muestra un 25% de alargamiento en la condición normalizada puede mostrar sólo el alargamiento del 2–5% después de la fracturación sin temperamento.
Factores que influyen en el efecto del enfriamiento rápido
Varias variables determinan cuánto fuerza de tensil aumenta al apagar y cómo se consiguen uniformemente las propiedades a lo largo de una parte. Entre ellas se incluyen la tasa de enfriamiento, la composición química de la aleación, la geometría y el tamaño del componente, y la microestructura inicial antes de la calefacción. Ignorar estos factores puede conducir a endurecimiento incompleto, distorsión excesiva o grieta.
Tasa de enfriamiento y dureza
Las velocidades de refrigeración más rápidas son el resultado de una mayor resistencia a la tensión, pero sólo si la velocidad de refrigeración supera la tasa crítica de esa aleación. En el acero, la tasa de refrigeración crítica se define por el diagrama de CCT, debe ser lo suficientemente rápida como para perder la nariz de la curva de inicio de la perla o de la bainita.
Composición de aleación
La composición química de la aleación no sólo dicta la resistencia a la tensión alcanzable después de apagar, sino también la respuesta a tratamientos posteriores. El contenido de carbono es el elemento más influyente en el acero: cada carbono puede aumentar la dureza de la martensidad por alrededor de 300 HV, pero también aumenta la hervidura.
Tamaño de la sección y geometría
Las secciones más gruesas se enfrían más lentamente en el centro que en la superficie debido a la masa térmica y la tasa de transferencia de calor más baja a través del material. Esto resulta en un gradiente de fuerza de la superficie a la base, un fenómeno llamado efecto de masa más fuerte.
Estudios de casos: Enfriamiento rápido en diferentes sistemas de aleación
La aplicación de refrigeración rápida varía ampliamente entre las familias de metal. Mientras que los principios son universales, cada sistema presenta retos y beneficios únicos. A continuación se presentan estudios de casos para aceros de carbono, aleaciones de aluminio y aleaciones de titanio, ilustrando cómo la fuerza de la tensión se ve afectada y cómo se optimizan los parámetros.
Carbon Steels
Los aceros de alta resistencia y la resistencia al desgaste son de alta resistencia, y los de alta resistencia al frío de la superficie de los aceros son de alta resistencia.
Aleaciones de aluminio
El resultado de la limpieza de la hoja es de gran resistencia, pero el resultado de la limpieza es de gran resistencia, y la resistencia a la presión de la presión de la máquina es de gran tamaño.
Aleaciones de titanio
El tratamiento de titanio es muy lento, pero la temperatura de tianio es muy alta.
Aplicaciones industriales y tratamientos posteriores a la pregunta
El enfriamiento rápido es integral para la producción de componentes de alta resistencia en muchas industrias. Sin embargo, el material as-quetado rara vez se utiliza directamente - tratamientos post-quench se aplican para optimizar el equilibrio de fuerza, ductilidad, dureza y estabilidad dimensional. El tratamiento post-quench más común es templado. Otros incluyen el tratamiento criogénico (para el acero) y el envejecimiento (para las aleaciones confiables resistentes a la precipitación).
Temporada
El templado es un proceso de recalor aplicado al acero apagado (o hierro martensiático) a temperaturas inferiores al punto de transformación crítico inferior (normalmente 150–650 °C). Durante el templado, los átomos de carbono se desplazan hacia la celosía de alta resistencia (por ejemplo, los parámetros de tensión)
Tratamiento criogénico
El tratamiento criogénico es el enfriamiento de acero anclado a temperaturas sub-cero (a menudo −80°C a −196°C) para transformar cualquier austenita retenida en martensita. Durante el enfriamiento, algunos austenitos pueden permanecer sin traducir debido a la temperatura de acabado martensito (Mf) es inferior a la temperatura ambiente.
Envejecimiento (Precipitación endurecimiento)
Para las aleaciones que son resistentes a la precipitación (por ejemplo, 2xxx, 6xxxx, 7xxx serie de aluminio; algunas aleaciones de níquel; ciertos aceros como PH 17-4), el enfriamiento rápido de la temperatura de solución es sólo el primer paso. Después de apagar, el material está en un grupo sólido supersaturado.
Conclusión
Tratamiento rápido de metales [Flutamiento]: Ingenieria de metales, para el tratamiento de metales, para el tratamiento de metales más intensos, para el tratamiento de metales más intensos, para el tratamiento de la aleación [Llevación de materiales]