Hva skjer når metaller gjennomgår varmebehandling?

Teknikker for oppvarming og kjøling av metall

Monty Rakusen / Kultur / Getty Images

Før moderne metallbearbeidingsteknikker ble oppfunnet, brukte smeder varme for å gjøre metall bearbeidbart. Når metallet ble formet til ønsket form, ble det oppvarmede metallet raskt avkjølt. Rask avkjøling gjorde metallet hardere og mindre sprøtt. Moderne metallbearbeiding har blitt mye mer sofistikert og presis, noe som gjør det mulig å bruke forskjellige teknikker til forskjellige formål.

Effekter av varme på metall

Å utsette metall for ekstrem varme får det til å utvide seg i tillegg til å påvirke strukturen, den elektriske motstanden og magnetismen. Termisk ekspansjon er ganske selvforklarende. Metaller utvider seg når de utsettes for spesifikke temperaturer, som varierer avhengig av metallet. Selve strukturen til metall endres også med varme. Referert til som allotrop fasetransformasjon , gjør varme vanligvis metaller mykere, svakere og mer formbare. Duktilitet er evnen til å strekke metall inn i en tråd eller noe lignende.

Varme kan også påvirke den elektriske motstanden til metall. Jo varmere metallet blir, jo mer sprer elektronene seg, noe som gjør at metallet er mer motstandsdyktig mot en elektrisk strøm. Metaller oppvarmet til visse temperaturer kan også miste magnetismen. Ved å heve temperaturen til mellom 626 grader Fahrenheit og 2012 grader Fahrenheit, avhengig av metallet, vil magnetismen forsvinne. Temperaturen som dette skjer i et bestemt metall er kjent som Curie-temperaturen.

Varmebehandling

Varmebehandling er prosessen med oppvarming og avkjøling av metaller for å endre deres mikrostruktur og for å få frem de fysiske og mekaniske egenskapene som gjør metaller mer ønskelige. Temperaturene metaller varmes opp til, og avkjølingshastigheten etter varmebehandling kan endre metallets egenskaper betydelig.

De vanligste årsakene til at metaller gjennomgår varmebehandling er å forbedre deres styrke, hardhet, seighet, duktilitet og korrosjonsbestandighet. Vanlige teknikker for varmebehandling inkluderer følgende:

• Gløding er en form for varmebehandling som bringer et metall nærmere sin likevektstilstand. Det myker metall, gjør det mer brukbart og gir større duktilitet. I denne prosessen varmes metallet opp over dens øvre kritiske temperatur for å endre mikrostrukturen. Etterpå avkjøles metallet sakte.
• Billigere enn gløding, slukking er en varmebehandlingsmetode som raskt returnerer metall til romtemperatur etter at det er varmet opp til over sin øvre kritiske temperatur. Bråkjølingsprosessen stopper kjøleprosessen fra å endre metallets mikrostruktur. Bråkjøling, som kan gjøres med vann, olje og andre medier, herder stål ved samme temperatur som full gløding gjør.
• Nedbørsherding er også kjent som aldersherding . Det skaper ensartethet i et metalls kornstruktur, noe som gjør materialet sterkere. Prosessen innebærer å varme opp en løsningsbehandling til høye temperaturer etter en rask avkjølingsprosess. Nedbørsherding utføres vanligvis i en inert atmosfære ved temperaturer fra 900 grader Fahrenheit til 1150 grader Fahrenheit. Det kan ta alt fra en time til fire timer å gjennomføre prosessen. Tidslengden avhenger vanligvis av tykkelsen på metallet og lignende faktorer.
• Vanligvis brukt i stålproduksjon i dag, temperering er en varmebehandling som brukes for å forbedre hardhet og seighet i stål samt for å redusere sprøhet. Prosessen skaper en mer duktil og stabil struktur. Målet med herding er å oppnå den beste kombinasjonen av mekaniske egenskaper i metaller.
Stressavlastendeer en varmebehandlingsprosess som reduserer stress i metaller etter at de har blitt bråkjølt, støpt, normalisert og så videre. Stress avlastes ved å varme opp metall til en temperatur lavere enn det som kreves for transformasjon. Etter denne prosessen avkjøles metallet sakte. Normaliseringer en form for varmebehandling som eliminerer urenheter og forbedrer styrke og hardhet ved å endre kornstørrelsen slik at den blir mer jevn gjennom hele metallet. Dette oppnås ved å avkjøle metallet med luft etter at det har blitt varmet opp til en nøyaktig temperatur.
• Når en metalldel er kryogenisk behandlet , avkjøles den sakte med flytende nitrogen. Den langsomme avkjølingsprosessen bidrar til å forhindre termisk stress av metallet. Deretter holdes metalldelen ved en temperatur på omtrent minus 190 grader Celsius i omtrent en dag. Når den senere varmetemperes, gjennomgår metalldelen en temperaturøkning opp til omtrent 149 grader Celsius. Dette bidrar til å redusere mengden sprøhet som kan oppstå når martensitt dannes under kryogen behandling.