1. Definition
Strukturspannung, auch Transformationsspannung genannt, ist eine Art innerer Spannung, die bei der Wärmebehandlung von Stahl, insbesondere beim Abschrecken, entsteht. Es entsteht durch asynchrone Phasenumwandlung und spezifische Volumenunterschiede zwischen Mikrostrukturen. Die gegenseitige Einschränkung der Volumenänderungen in verschiedenen Werkstückabschnitten macht sie zu einer Hauptursache für Verformungen und Risse bei der Wärmebehandlung.
2. Essenz und Erzeugungsmechanismus
Kernursachen
Verschiedene Phasen in Stahl haben ein unterschiedliches spezifisches Volumen (Volumen pro Masseneinheit):
Austenit (γ) < Ferrit (α) < Perlit < Bainit < Martensit (M)
Die Umwandlung von Austenit in Martensit bringt eine erhebliche Volumenausdehnung von 3 % bis 5 % mit sich.
Die Oberfläche und der Kern von Werkstücken weisen inkonsistente Abkühlraten auf, was zu asynchronen Phasenumwandlungen und unkoordinierten Volumenschwankungen führt, die schließlich zu strukturellen Spannungen führen.
Typischer Abschreckprozess
Frühes Abkühlstadium (über Ms-Punkt)
Die Oberfläche kühlt schneller ab und erreicht zuerst die Ms-Temperatur, wobei sie sich unter Volumenausdehnung von Austenit in Martensit umwandelt. Der Kern bleibt ohne Ausdehnung austenitisch. Durch die Einspannung des Kerns steht die Oberfläche unter Druckspannung, während der Kern unter Zugspannung steht.
Spätes Abkühlstadium (unterhalb des Ms-Punkts)
Der Kern kühlt bis zum Ms-Punkt ab und wandelt sich unter Volumenausdehnung in Martensit um. Die Oberfläche ist hart und spröde geworden und verfügt nur über eine begrenzte Verformungsfähigkeit. Der sich ausdehnende Kern drückt die Oberfläche zusammen und führt zu einer Spannungsumkehr.
Endspannungsverteilung: Oberflächenzugspannung, Kerndruckspannung (entgegengesetzt zur thermischen Spannung).
3. Haupteinflussfaktoren struktureller Belastung
Chemische Zusammensetzung
Ein höherer Kohlenstoffgehalt vergrößert den spezifischen Volumenunterschied von Martensit und erhöht die strukturelle Spannung.
Legierungselemente wie Cr, Ni und Mo senken die Ms-Temperatur, vergrößern die Phasenumwandlungstemperaturdifferenz, verbessern die Härtbarkeit und verstärken die ungleichmäßige Querschnittsumwandlung, wodurch die Strukturspannung steigt.
Werkstückgröße und -form
Größere Abschnittsgrößen, ungleichmäßige Dicken, spitzere Ecken und Rillen erschweren die asynchrone Phasenumwandlung und erhöhen die strukturelle Spannung und Spannungskonzentration. Bei kleinen Werkstücken dominiert die strukturelle Spannung, bei großen Werkstücken dominiert die thermische Spannung.
Prozessparameter
Eine höhere Abschrecktemperatur homogenisiert die Austenitzusammensetzung und vergröbert die Körner, wodurch der Volumeneffekt der Phasenumwandlung und Spannung verstärkt wird. Eine schnellere Abkühlungsrate unter Ms und eine höhere Härtbarkeit vergrößern den Phasenumwandlungszeitunterschied und den Martensitumwandlungsgradienten, was die strukturelle Spannung weiter erhöht.
Anfängliche Mikrostruktur
Lamellenperlit und Streifenstruktur verursachen eine ungleichmäßige Phasenumwandlung und höhere Spannungen. Die sphäroidisierte Glühmikrostruktur ermöglicht eine gleichmäßige Phasenumwandlung und reduziert strukturelle Spannungen.
4. Zusammenfassung
Strukturelle Spannung ist eine unvermeidliche Folge asynchroner Phasenumwandlung und spezifischer Volumenunterschiede, die durch Oberflächenspannung und Kernkompression gekennzeichnet sind. Es ist die Hauptursache für Abschreckverformung und Rissbildung.
Kontrollmaßnahmen: Reduzieren Sie die Abkühlrate im Ms-Bereich, homogenisieren Sie die Phasenumwandlung, führen Sie rechtzeitiges Tempern durch und optimieren Sie die Werkstückstruktur und Materialauswahl. In der Produktion ist es notwendig, strukturelle Spannungen und thermische Belastungen auszugleichen, um Leistung, Verformung und Rissrisiken in Einklang zu bringen.