熱處理殘余力是指工件經(jīng)熱處理后最終殘存下來的應(yīng)力,對工件的形狀,&127;尺寸和性能都有極為重要的影響。當(dāng)它超過材料的屈服強度時,&127;便引起工件的變形,超過材料的強度極限時就會使工件開裂,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械性能和使用壽命,變有害為有利。分析鋼在熱處理過程中應(yīng)力的分布和變化規(guī)律,使之合理分布對提高產(chǎn)品質(zhì)量有著深遠的實際意義。例如關(guān)于表層殘余壓應(yīng)力的合理分布對零件使用壽命的影響問題已經(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程中,由于表層和心部的冷卻速度和時間的不一致,形成溫差，就會導(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，由于心部最后冷卻體積收縮不能自由進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程中由于組織的變化即奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時,因比容的增大會伴隨工件體積的膨脹,&127;工件各部位先后相變，造成體積長大不一致而產(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)。
實踐證明,任何工件在熱處理過程中,&127;只要有相變,熱應(yīng)力和組織應(yīng)力都會發(fā)生。&127;只不過熱應(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)變過程中產(chǎn)生的,在整個冷卻過程中,熱應(yīng)力與組織應(yīng)力綜合作用的結(jié)果,&127;就是工件中實際存在的應(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)展過程來說只有兩種類型,即熱應(yīng)力和組織應(yīng)力,作用方向相反時二者抵消,作用方向相同時二者相互迭加。不管是相互抵消還是相互迭加,兩個應(yīng)力應(yīng)有一個占主導(dǎo)因素,熱應(yīng)力占主導(dǎo)地位時的作用結(jié)果是工件心部受拉,表面受壓。&127;組織應(yīng)力占主導(dǎo)地位時的作用結(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)),對淬火裂紋的產(chǎn)生都有促進作用,但只有在拉應(yīng)力場內(nèi)(&127;尤其是在最大拉應(yīng)力下)才會表現(xiàn)出來,&127;若在壓應(yīng)力場內(nèi)并無促裂作用。
淬火冷卻速度是一個能影響淬火質(zhì)量并決定殘余應(yīng)力的重要因素,也是一個能對淬火裂紋賦于重要乃至決定性影響的因素。為了達到淬火的目的，通常必須加速零件在高溫段內(nèi)的冷卻速度,并使之超過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)力而達到抑制縱裂的目的。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,雖然實際冷卻速度更緩,開裂的危險性卻反而愈大。這一切都是由于這類鋼的熱應(yīng)力隨尺寸的增大實際冷卻速度減慢,熱應(yīng)力減小,&127;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造成的。并與冷卻愈慢應(yīng)力愈小的傳統(tǒng)觀念大相徑庭。對這類鋼件而言,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)變的不等時性。僅僅實行馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)的緩冷卻不足以預(yù)防縱裂的形成。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,因而沒有淬硬所致&127;。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&127;,而在淬火件末淬硬的截面中心處,首先形成裂紋并由內(nèi)往外擴展而造成的。為了避免這類裂紋產(chǎn)生，往往使用水--油雙液淬火工藝。在此工藝中實施高溫段內(nèi)的快速冷卻,目的僅僅在于確保外層金屬得到馬氏體組織,&127;而從內(nèi)應(yīng)力的角度來看,這時快冷有害無益。其次,冷卻后期緩冷的目的,主要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,從而達到減小應(yīng)力值和最終抑制淬裂的目的。
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