Das Reißen von Metallen ist ein komplexer Prozess, an dem eine Reihe von Faktoren beteiligt sind. Im Folgenden sind einige der Hauptgründe aufgeführt:
- Faktoren des Materials selbst: Die chemische Zusammensetzung und die metallografische Anordnung wirken sich direkt auf die Schlagzähigkeit des Metalls aus. Eine Erhöhung beispielsweise von Kohlenstoff, Phosphor, Schwefel und anderen Elementen verringert die Schlagzähigkeit.
- Wärmebehandlungsprozess: Unsachgemäße Wärmebehandlungsprozesse wie Abschrecken, Anlassen usw. können zu Veränderungen der Mikrostruktur und der Eigenschaften des Materials führen und somit dessen Zähigkeit beeinträchtigen.
- Innere Defekte: Einschlüsse, Entmischungen, Blasen, innere Risse und andere Defekte im Material verringern dessen Schlagzähigkeit erheblich und führen zu Spannungskonzentrationen.
- Probenvorbereitung und Prüfbedingungen: Probenentnahmerichtung, Kerbgeometrie und Verarbeitungsqualität, Prüftemperatur usw. wirken sich auf die Schlagzähigkeit aus.
Risse in Metallen sind eine der Hauptursachen für das Versagen vieler Strukturen, insbesondere bei Bauteilen, die hohen Spannungen oder Belastungen ausgesetzt sind. Durch Rissanalysen können potenzielle Rissprobleme rechtzeitig erkannt und so Sicherheitsunfälle durch strukturelles Versagen wie Brüche, Leckagen, Einstürze usw. vermieden werden.
Die Rissanalyse hilft, die Ursache, die Ausbreitungsgeschwindigkeit und die verbleibende Lebensdauer von Rissen zu verstehen. Durch geeignete Reparatur- oder Wartungsmaßnahmen kann die Rissausbreitung verlangsamt und so die Lebensdauer von Metallteilen verlängert und die Kosten für Austausch und Reparatur gesenkt werden.
Klassifizierung und Unterschied von Metallrissen
Wärmebehandlungsrisse
Eigenschaften:
Morphologie: Wärmebehandlungsrisse entstehen häufig in der martensitischen Umwandlungszone, sodass ihre Risse entlang des Kristalls oder durch den Kristall hindurch verlaufen können. Risse können radial, in einzelnen Linien oder als Netz verlaufen.
Lage: Risse entstehen im Allgemeinen an scharfen Ecken des Werkstücks, an plötzlichen Querschnittsänderungen.
Abschnitt: Der Abschnitt eines Abschreckrisses ist normalerweise nicht oxidiert und kann weiß, mattweiß oder hellrot sein (Wasserrost durch Abschrecken).
Ursachen:
Rissbildung tritt auf, wenn die beim Abschrecken erzeugten großen Spannungen größer sind als die Festigkeit des Materials selbst und die Grenze der plastischen Verformung überschreiten.
Dies kann mit Faktoren wie einer zu hohen Abschrecktemperatur oder einer zu schnellen Abkühlung zusammenhängen.
Gründe für Wärmebehandlungsrisse
a. Metallurgische Qualität des Materials:
Metallurgische Probleme wie Schrumpfung und starke Walzfehler können Materialinhomogenitäten verursachen, die das Risiko von Abschreckrissen erhöhen.
b. Kohlenstoffgehalt und Legierungselemente im Werkstoff: Ein Anstieg des Kohlenstoffgehalts verringert die Bruchfestigkeit von Martensit und erhöht dadurch die Neigung zur Bildung von Abschreckrissen.
c. Bedingungen des Abschreckprozesses:
Eine unsachgemäße Steuerung der Heizgeschwindigkeit beim Abschrecken, eine ungleichmäßige Erwärmung oder eine zu hohe Abschrecktemperatur können zu Abschreckrissen führen.
d. Werkstückgröße und -form:
An den scharfen Ecken des Werkstücks und bei plötzlichen Querschnittsänderungen bilden sich leicht Abschreckrisse, da diese Stellen anfällig für Spannungskonzentrationen sind. Große Wellenteile sind beim Abschrecken, wenn sie nicht abgeschreckt werden, anfällig für thermisch spannungsbedingte Risse.
e. Innere Mängel:
Im Material vorhandene Defekte wie Dampfblasen, Einschlüsse, Haarrisse, weiße Flecken usw. können unter der Einwirkung von Wärmebehandlungsspannungen zu Rissen führen und sich allmählich ausweiten.
f. Martensit-intrinsische Sprödigkeit:
Die inhärente Sprödigkeit von Martensit ist die innere Ursache für Abschreckrisse und seine Kristallstruktur, chemische Zusammensetzung, metallurgische Defekte usw. wirken sich darauf aus.
Risse schmieden
Eigenschaften:
Morphologie: Schmiederisse entstehen bei hohen Temperaturen, die Risse sind relativ dick und bestehen im Allgemeinen aus mehreren Streifen, ohne feine Spitze und ohne feine Richtung. Manchmal ist der Riss nicht vollständig entkohlt, sondern halb entkohlt.
Fundort: Entsteht oft in der Grobstruktur, Spannungskonzentration oder bei Legierungselementen an der Entmischungsstelle.
Abschnitt: Rissabschnitte können dunkelbraun sein und sogar Sauerstoffhaut aufweisen. Dies liegt daran, dass sich der Riss beim Schmieden durch Verformung ausdehnt und mit Luft in Kontakt kommt.
Ursachen: a) Rohstofffehler: Restschrumpfung: Wenn im Rohstoff Poren oder Löcher vorhanden sind, die sich nicht vollständig schließen, kann dies beim Schmieden zu einer Verringerung der Materialfestigkeit führen und leicht zu Rissen führen.
b. Stahleinschlüsse: Nichtmetallische Einschlüsse im Rohmaterial, Karbidseigerungen, heterogene Metalleinschlüsse usw. können die Kontinuität des Materials schwächen und die Rissbildung fördern.
Unsachgemäßer Schmiedeprozess:
c. Unsachgemäßes Erhitzen: Die Heiztemperatur ist zu hoch oder zu niedrig, was zu einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung im Material führen kann, was wiederum beim Schmieden Risse verursacht.
d, unsachgemäße Verformung: Die Verformungsrate ist zu groß, die Plastizität des Stahls reicht nicht aus, um dem Formdruck standzuhalten, was leicht zum Bruch führen kann. Dieser Riss tritt häufig zu Beginn der Schmiedephase auf und dehnt sich schnell aus.
e) Unsachgemäße Abkühlung nach dem Schmieden: Die Abkühlungsgeschwindigkeit ist zu schnell oder zu langsam, was zu einer Konzentration innerer Spannungen im Material führen und so Risse verursachen kann.
f. Nicht rechtzeitige Wärmebehandlung: Wenn nach dem Schmieden keine rechtzeitige und angemessene Wärmebehandlung durchgeführt wird, kann dies dazu führen, dass die inneren Spannungen im Material nicht effektiv freigesetzt werden, was zu einer erhöhten Rissgefahr führt.
g, unsachgemäße Temperaturkontrolle:
Wenn beim Erhitzen und Abkühlen die Temperatur nicht richtig kontrolliert wird, kann dies zu übermäßigen inneren Spannungen im Material führen und so zu Rissen führen. Wenn beispielsweise beim Abschrecken die Abkühlung zu schnell erfolgt, können Abschreckrisse auftreten.
h. Spannungskonzentration im Material:
Wenn es im Schmiedestück Spannungskonzentrationsbereiche gibt, wie etwa scharfe Ecken und Querschnittsveränderungen, und die Spannung die Belastbarkeit des Materials übersteigt, kann es zu Rissen kommen.