Introduzione alla quenching e alla resistenza residua

Il processo di trattamento termico fondamentale utilizzato per ottenere specifiche proprietà meccaniche nei metalli, come ad esempio una maggiore durezza e resistenza. Il processo prevede il riscaldamento di un componente metallico ad una temperatura elevata, in modo che la sua gamma di trasformazione sia superiore a quella, e quindi il raffreddamento rapido in un mezzo come l'acqua, l'olio o l'aria.

In fogli sottili, gli stress traslitti sulla superficie possono promuovere l'iniziazione e la propagazione della crepa, mentre gli stress della compressione possono essere utili per la resistenza alla fatica, ma possono causare l'instaurazione se non uniforme. Pertanto, la comprensione del rapporto tra velocità di quenching e formazione di stress residuo è essenziale per gli ingegneri che lavorano in industrie di produzione di precisione come l'aerospaziale, l'analisi di base.

La Fisica dei Gradienti Termici durante il Quenching

Quando un foglio di metallo sottile viene rimosso da un forno ad alta temperatura e immerso in un quenchant, una grande differenza di temperatura esiste tra la superficie e il nucleo. Flussi di calore dall'interno alla superficie, poi nel mezzo di quenching. Il tasso di estrazione di calore dipende da diversi fattori: la conducibilità termica del metallo, il coefficiente di trasferimento termico del quenchant, lo spessore del foglio e la temperatura quenchant rapidamente.

La grandezza dello stress residuo è proporzionale alla differenza di temperatura tra superficie e nucleo al momento il materiale diventa elastico e lo stress di resa viene superato localmente. Per i fogli sottili, la risposta termica è in gran parte determinata dal numero di Biot (Bi), che confronta la resistenza termica interna alla resistenza di convezione superficiale. Quando Bi è grande, il foglio mostra un gradiente interno ripido; quando Bi è piccolo, il controllo del foglio raffredda quasi uniformemente in modo uniforme.

Effetto della velocità di incollaggio sui profili di stress residenziali

Acconciatura veloce

L'acciaio inossidabile, che si ottiene con un elevato grado di resistenza, non può essere utilizzato per ridurre lo stress.

Acconciatura moderata

Per i rilievi di polimero, i risvolti di questo tipo di trattamento sono più bassi di quelli di tipo post-traccia, e per questo sono più bassi di quelli di tipo post-traccia.

Rallentamento

Lenta interrogazione, spesso eseguita con raffreddamento in aria ferma, aria forzata, o utilizzando oli di smorzamento a bassa induribilità con elevata viscosità, produce un raffreddamento quasi uniforme sullo spessore del foglio. Il gradiente termico è minimo, quindi gli stress residui del bronzo sono bassi - di tipo 50-100 MPa in acciai a basso tenore di carbonio. Tuttavia, il quenching lento non può raggiungere la durezza desiderata.

Trasformazioni di fase e loro ruolo nella formazione di stress residuo

In molti metalli, in particolare gli acciai, il processo di quenching induce trasformazioni di fase che influiscono significativamente sullo sviluppo dello stress residuo. Quando l'austenite (cucina a fuoco) si trasforma in martensite (teragona a temperatura inversa), si verifica un'espansione del volume di circa il 4 %.

Tecniche di misura per le tensioni residenziali in fogli sottili

La caratterizzazione accurata delle sollecitazioni residue è essenziale per la convalida dei modelli di processo e l'ottimizzazione dei parametri di quenching.

Fattori che influenzano la Stress Outcome oltre la velocità di Quenching

Mentre la velocità di interrogazione è il driver primario, diversi altri fattori interagiscono per determinare lo stato di stress residuo finale in fogli di metallo sottili. Spessore del prodotto] determina la pendenza del gradiente termico: per una determinata velocità di erogazione di calore, i fogli più sottili raffreddano più uniformemente perché la distanza di diffusione termica è più piccola.

Implicazioni pratiche nelle industrie

Aerospaziale

In aerospaziale, i fogli di lega di alluminio sottili (come 2024‐T3, 7075-T6) sono spesso soluzione termotrattata e poi disseminata in acqua o polimeri. Queste leghe sono induribili all'età, e la velocità di quench deve essere abbastanza veloce per mantenere la soluzione solida supersaturi ma non così veloce che causa eccessiva distorsione o fessione di quench.

Automobilismo

L'industria automobilistica utilizza sempre più acciai ad alta resistenza (AHSS) per le strutture del corpo leggero, che raggiungono la loro forza attraverso una combinazione di martensite, bainite e austenite.

Componenti elettronici e di precisione

In elettronica, sottili fogli di metallo in leghe di rame, rame di berillio e acciaio inossidabile sono utilizzati per connettori, molle e schermatura. Questi componenti richiedono un'eccellente planarità e condizioni senza stress per garantire un contatto elettrico affidabile.

Strategie di ottimizzazione per la gestione delle tensioni residenziali

Poiché la temperatura di raffreddamento è molto bassa, la temperatura di raffreddamento è molto più bassa (il tempo di raffreddamento è molto basso)[6].

La simulazione degli elementi finiti è diventata uno strumento indispensabile per la progettazione dei processi di quenching. Modellando il comportamento termico, meccanico e di transizione di fase, gli ingegneri possono prevedere le distribuzioni di stress in geometrie complesse e regolare la velocità di raffreddamento localmente, ad esempio, utilizzando ugelli di quench a velocità variabile o stampi profilati.

Conclusioni

Il controllo rapido dei metalli e delle sollecitazioni ad alta tensione (in inglese) e il controllo delle sollecitazioni a lungo termine (in inglese) (in inglese)