熱處理應(yīng)力和其影響926

1、熱處理應(yīng)力及其影響熱處理應(yīng)力及其影響熱處理殘余力是指工件經(jīng)熱處理后最終殘存下來(lái)的應(yīng)力，對(duì)工件的形狀,;尺寸和性能都有極為重要的影響。當(dāng)它超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí),;便引起工件的變形,超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)就會(huì)使工件開(kāi)裂，這是它有害的一面，應(yīng)當(dāng)減少和消除。但在一定條件下控制應(yīng)力使之合理分布,就可以提高零件的機(jī)械性能和使用壽命,變有害為有利。分析鋼在熱處理過(guò)程中應(yīng)力的分布和變化規(guī)律,使之合理分布對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量有著深遠(yuǎn)的實(shí)際意義。例如關(guān)于表層殘余壓應(yīng)力的合 理分布對(duì)零件使用壽命的影響問(wèn)題已經(jīng)引起了人們的廣泛重視。一、鋼的熱處理應(yīng)力工件在加熱和冷卻過(guò)程中,由于表層和心部的冷卻速度和進(jìn)度的不一致,形成溫 差，

2、就會(huì)導(dǎo)致體積膨脹和收縮不均而產(chǎn)生應(yīng)力，即熱應(yīng)力。在熱應(yīng)力的作用下，由于表層開(kāi)始溫度低于心部，收縮也大于心部而使心部受拉，當(dāng)冷卻結(jié)束時(shí)，由 于心部最后冷卻體積收縮不能自由進(jìn)行而使表層受壓心部受拉。即在熱應(yīng)力的 作用下最終使工件表層受壓而心部受拉。這種現(xiàn)象受到冷卻速度,材料成分和熱處理工藝等因素的影響。當(dāng)冷卻速度愈快，含碳量和合金成分愈高，冷卻過(guò)程中在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生的不均勻塑性變形愈大，最后形成的殘余應(yīng)力就愈大。另一方面鋼在熱處理過(guò)程中由于組織的變化即奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，因比容的增大會(huì)伴隨工件體積的膨脹,;工件各部位先后相變，造成體積長(zhǎng)大不一致而 產(chǎn)生組織應(yīng)力。組織應(yīng)力變化的最終結(jié)果是表層受拉

3、應(yīng)力，心部受壓應(yīng)力，恰好與熱應(yīng)力相反。組織應(yīng)力的大小與工件在馬氏體相變區(qū)的冷卻速度,形狀，材料的化學(xué)成分等因素有關(guān)。實(shí)踐證明，任何工件在熱處理過(guò)程中,;只要有相變，熱應(yīng)力和組織應(yīng)力都會(huì)發(fā) 生。；只不過(guò)熱應(yīng)力在組織轉(zhuǎn)變以前就已經(jīng)產(chǎn)生了，而組織應(yīng)力則是在組織轉(zhuǎn)熱處理應(yīng)力及其影響變過(guò)程中產(chǎn)生的，在整個(gè)冷卻過(guò)程中，熱應(yīng)力與組織應(yīng)力綜合作用的結(jié)果,;就是 工件中實(shí)際存在的應(yīng)力。這兩種應(yīng)力綜合作用的結(jié)果是十分復(fù)雜的，受著許多因素的影響，如成分、形狀、熱處理工藝等。就其發(fā)展過(guò)程來(lái)說(shuō)只有兩種類(lèi)型，即熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，作用方向相反時(shí)二者抵消，作用方向相同時(shí)二者相互迭 加。不管是相互抵消還是相互迭加，兩個(gè)應(yīng)力應(yīng)有

4、一個(gè)占主導(dǎo)因素，熱應(yīng)力占主 導(dǎo)地位時(shí)的作用結(jié)果是工件心部受拉，表面受壓。；組織應(yīng)力占主導(dǎo)地位時(shí)的作用結(jié)果是工件心部受壓表面受拉。二、熱處理應(yīng)力對(duì)淬火裂紋的影響存在于淬火件不同部位上能引起應(yīng)力集中的因素（包括冶金缺陷在內(nèi)）,對(duì)淬火裂紋的產(chǎn)生都有促進(jìn)作用，但只有在拉應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)（;尤其是在最大拉應(yīng)力下）才會(huì) 表現(xiàn)出來(lái),;若在壓應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)并無(wú)促裂作用。淬火冷卻速度是一個(gè)能影響淬火質(zhì)量并決定殘余應(yīng)力的重要因素，也是一個(gè)能對(duì)淬火裂紋賦于重要乃至決定性影響的因素。為了達(dá)到淬火的追求，通常必須 加速零件在高溫段內(nèi)的冷卻速度，并使之超過(guò)鋼的臨界淬火冷卻速度才能得到 馬氏體組織。就殘余應(yīng)力而論，這樣做由于能增加抵消組

5、織應(yīng)力作用的熱應(yīng)力 值,故能減少工件表面上的拉應(yīng)力而達(dá)到抑制縱裂的追求。其效果將隨高溫冷 卻速度的加快而增大。而且，在能淬透的情況下，截面尺寸越大的工件，雖然實(shí) 際冷卻速度更緩,開(kāi)裂的危險(xiǎn)性卻反而愈大。這一切都是由于這類(lèi)鋼的熱應(yīng)力 隨尺寸的增大實(shí)際冷卻速度減慢，熱應(yīng)力減小,;組織應(yīng)力隨尺寸的增大而增加， 最后形成以組織應(yīng)力為主的拉應(yīng)力作用在工件表面的作用特點(diǎn)造成的。并與冷 卻愈慢應(yīng)力愈小的傳統(tǒng)觀(guān)念大相徑庭。對(duì)這類(lèi)鋼件而言，在正常條件下淬火的高淬透性鋼件中只能形成縱裂。避免淬裂的可靠原則是設(shè)法盡量減小截面內(nèi)外 馬氏體轉(zhuǎn)變的不等時(shí)性。僅僅實(shí)行馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)的緩冷卻不足以預(yù)防縱裂的熱處理應(yīng)力及其影響

6、形成。一般情況下只能產(chǎn)生在非淬透性件中的弧裂，雖以整體快速冷卻為必要的形成條件，可是它的真正形成原因，卻不在快速冷卻（包括馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)） 本身,而是淬火件局部位置（由幾何結(jié)構(gòu)決定）,在高溫臨界溫度區(qū)內(nèi)的冷卻速度 顯著減緩，因而沒(méi)有淬硬所致；。產(chǎn)生在大型非淬透性件中的橫斷和縱劈，是由以熱應(yīng)力為主要成份的殘余拉應(yīng)力作用在淬火件中心;,而在淬火件末淬硬的截面中心處，第一步形成裂紋并由內(nèi)往外擴(kuò)展而造成的。為了避免這類(lèi)裂紋產(chǎn) 生，往往使用水-油雙液淬火工藝。在此工藝中實(shí)施高溫段內(nèi)的快速冷卻，追求僅僅在于確保外層金屬得到馬氏體組織,;而從內(nèi)應(yīng)力的角度來(lái)看，這時(shí)快冷有害無(wú)益。其次，冷卻后期緩冷的追求，主要

7、不是為了降低馬氏體相變的膨脹速 度和組織應(yīng)力值，而在于盡量減小截面溫差和截面中心部位金屬的收縮速度，從而達(dá)到減小應(yīng)力值和最終抑制淬裂的追求。三、殘余壓應(yīng)力對(duì)工件的影響滲碳表面強(qiáng)化作為提高工件的疲勞強(qiáng)度的方法應(yīng)用得很廣泛的原因。一方面是 由于它能有效的增加工件表面的強(qiáng)度和硬度，提高工件的耐磨性，另一方面是 滲碳能有效的改善工件的應(yīng)力分布，在工件表面層獲得較大的殘余壓應(yīng)力,;提 高工件的疲勞強(qiáng)度。如果在滲碳后再進(jìn)行等溫淬火將會(huì)增加表層殘余壓應(yīng)力，使疲勞強(qiáng)度得到進(jìn)一步的提高。有人對(duì)35SiM n2MoV鋼滲碳后進(jìn)行等溫淬火與滲碳后淬火低溫回火的殘余應(yīng)力進(jìn)行過(guò)測(cè)試其熱處理工藝殘余應(yīng)力值（kg/mm2）

8、滲碳后880-900度鹽浴加熱，260度等溫40分鐘-65熱處理應(yīng)力及其影響滲碳后880-900度鹽浴加熱淬火，260度等溫90分鐘-18滲碳后880-900度鹽浴加熱，260度等溫40分鐘，260度回火90分鐘-38表1.35SiM n2MoV鋼滲碳等溫淬火與滲碳低溫回火后的殘余應(yīng)力值從表1的測(cè)試結(jié)果可以看出等溫淬火比通常的淬火低溫回火工藝具有更高的表 面殘余壓應(yīng)力。等溫淬火后即使進(jìn)行低溫回火，其表面殘余壓應(yīng)力，也比淬火后低溫回火高。因此可以得出這樣一個(gè)結(jié)論,即滲碳后等溫淬火比通常的滲碳淬火低溫回火獲得的表面殘余壓應(yīng)力更高，從表面層殘余壓應(yīng)力對(duì)疲勞抗力的 有利影響的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，滲碳等溫淬火工藝

9、是提高滲碳件疲勞強(qiáng)度的有效方法。滲碳淬火工藝為什么能獲得表層殘余壓應(yīng)力？滲碳等溫淬火為什么能獲得更大的表層殘余壓應(yīng)力？其主要原因有兩個(gè)：一個(gè)原因是表層高碳馬氏體比容比心 部低碳馬氏體的比容大，淬火后表層體積膨脹大，而心部低碳馬氏體體積膨脹小 制約了表層的自由膨脹,;造成表層受壓心部受拉的應(yīng)力狀態(tài)。而另一個(gè)更重要 的原因是高碳過(guò)冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度（Ms）,比心部含碳量低的過(guò)冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始溫度（M9低。這就是說(shuō)在淬火過(guò)程中往往是心部第一步產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變引起心部體積膨脹，并獲得強(qiáng)化，而表面還末冷卻到其對(duì)應(yīng)的馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變點(diǎn)（MS ,故仍處于過(guò)冷奧氏體狀態(tài),;具有良好 的塑

10、性，不會(huì)對(duì)心部馬氏體轉(zhuǎn)變的體積膨脹起嚴(yán)重的壓制作用。隨著淬火冷卻 溫度的不斷下降使表層溫度降到該處的（MS點(diǎn)以下，表層產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變，引起表層體積的膨脹。但心部此時(shí)早已轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體而強(qiáng)化，所以心部對(duì)表層的體積膨脹將會(huì)起很大的壓制作用，使表層獲得殘余壓應(yīng)力。；而在滲碳后進(jìn)行等熱處理應(yīng)力及其影響溫淬火時(shí)，當(dāng)?shù)葴販囟仍跐B碳層的馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度（Ms）以上，心部的馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度（；Ms）點(diǎn)以下的適當(dāng)溫度等溫淬火，比連續(xù)冷卻淬火更能保 證這種轉(zhuǎn)變的先后順序的特點(diǎn)（；即保證表層馬氏體轉(zhuǎn)變僅僅產(chǎn)生于等溫后的冷 卻過(guò)程中）。；當(dāng)然滲碳后等溫淬火的等溫溫度和等溫進(jìn)度對(duì)表層殘余應(yīng)力的大 小有很大的影響。有人

11、對(duì) 35SiMn2MoVi岡試樣滲碳后在260C和320C等溫40; 分鐘后的表面殘余應(yīng)力進(jìn)行過(guò)測(cè)試 ，其結(jié)果如表2。由表2可知在260C行動(dòng) 等溫比在320 C等溫的表面殘余應(yīng)力要高出一倍多可見(jiàn)表面殘余應(yīng)力狀態(tài)對(duì)滲碳等溫淬火的等溫溫度是很敏感的。不僅等溫溫度 對(duì)表面殘余壓應(yīng)力狀態(tài)有影響，而且等溫進(jìn)度也有一定的影響。有人對(duì)35SiMn2V鋼在310C等溫2分鐘,10分鐘,90分鐘的殘余應(yīng)力進(jìn)行過(guò)測(cè)試。2分鐘后殘余壓應(yīng)力為-20kg/mm,10分鐘后為-60kg/mm,60分鐘后為-80kg/mm,60分鐘后再 延長(zhǎng)等溫進(jìn)度殘余應(yīng)力變化不大。從上面的討論表明，滲碳層與心部馬氏體轉(zhuǎn)變的先后順序?qū)Ρ?/p>

12、層殘余應(yīng)力的大 小有重要影響。滲碳后的等溫淬火對(duì)進(jìn)一步提高零件的疲勞壽命具有普遍意 義。此外能降低表層馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度（Ms）點(diǎn)的表面化學(xué)熱處理如滲碳、氮化、氰化等都為造成表層殘余壓應(yīng)力提供了條件，如高碳鋼的氮化-淬火工藝,由于表層,;氮含量的提高而降低了表層馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變點(diǎn)（Ms）,淬火后獲得了較高的表層殘余壓應(yīng)力使疲勞壽命得到提高。又如氰化工藝往往比滲碳具 有更高的疲勞強(qiáng)度和使用壽命，也是因氮含量的增加可獲得比滲碳更高的表面 殘余壓應(yīng)力之故。此外,;從獲得表層殘余壓應(yīng)力的合理分布的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，單一的表面強(qiáng)化工藝不容易獲得夢(mèng)想的表層殘余壓應(yīng)力分布，而復(fù)合的表面強(qiáng)化工藝則可以有效的改善表層殘余

13、應(yīng)力的分布。如滲碳淬火的殘余應(yīng)力一般在表面熱處理應(yīng)力及其影響壓應(yīng)力較低，最大壓應(yīng)力則出現(xiàn)在離表面一定深度處 ，而且殘余壓力層較厚。氮 化后的表面殘余壓應(yīng)力很高，但殘余壓應(yīng)力層很溥，往里急劇下降。如果采用滲 碳-;氮化復(fù)合強(qiáng)化工藝，則可獲得更合理的應(yīng)力分布狀態(tài)。；因此表面復(fù)合強(qiáng) 化工藝,如滲碳-氮化,滲碳-;高頻淬火等,都是值得重視的方向。根據(jù)上述討論可得出以下結(jié)論;1、 熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力是不可避免的，而且往往是有害的；。但我們可以 控制熱處理工藝盡量使應(yīng)力分布合理，就可將其有害程度降低到最低限度，甚至 變有害為有利。2、 當(dāng)熱應(yīng)力占主導(dǎo)地位時(shí)應(yīng)力分布為心部受拉表面受壓，當(dāng)組織應(yīng)力占主導(dǎo)地 時(shí)應(yīng)力分布為心部受壓表面受拉。3、在高淬透性鋼件中易形成縱裂，在非淬透性工件中往往形成弧裂，在大型非 淬透工件中容易形成橫斷