熱處置應(yīng)力及其影響

　　熱處置殘余力是指工件經(jīng)熱處置后終究 殘余 下來的應(yīng)力,對工件的外形 ,&127;尺寸和機能 都有極其 主要 的影響。當(dāng)它跨越 材料的屈就 強度時,&127;便引發(fā) 工件的變形,跨越 材料的強度極限時就會使工件開裂,這是它有害的一面,該當(dāng) 削減 和消弭 。但在必然 前提 下節(jié)制 應(yīng)力使之公道 散布 ,便可 以提高零件的機械機能 和利用 壽命,變有害為有益 。闡發(fā)鋼在熱處置進程 中應(yīng)力的散布 和轉(zhuǎn)變 紀律 ,使之公道 散布 對提高產(chǎn)物 質(zhì)量有著深遠的現(xiàn)實 意義。例如關(guān)于表層殘余壓應(yīng)力的公道 散布 對零件利用 壽命的影響問題已 引發(fā) 了人們的普遍 正視 。

　　1、 鋼的熱處置應(yīng)力

　　工件在加熱和冷卻進程 中,因為 表層和心部的冷卻速度和時候 的紛歧 致,構(gòu)成 溫差，就會致使 體積膨脹和縮短 不均而發(fā)生 應(yīng)力,即熱應(yīng)力。在熱應(yīng)力的感化 下,因為 表層最先 溫度低于心部,縮短 也年夜 于心部而使心部受拉,當(dāng)冷卻竣事 時，因為 心部最后冷卻體積縮短 不克不及 自由進行而使表層受壓心部受拉。即在熱應(yīng)力的感化 下終究 使工件表層受壓而心部受拉。這類 現(xiàn)象遭到 冷卻速度,材料成份 和熱處置工藝等身分 的影響。當(dāng)冷卻速度愈快,含碳量和合金成份 愈高,冷卻進程 中在熱應(yīng)力感化 下發(fā)生 的不平均 塑性變形愈年夜 ,最后構(gòu)成 的殘余應(yīng)力就愈年夜 。另外一 方面鋼在熱處置進程 中因為 組織的轉(zhuǎn)變 即奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時,因比容的增年夜 會陪伴工件體積的膨脹,&127;工件各部位前后 相變，造成體積終年 夜 紛歧 致而發(fā)生 組織應(yīng)力。組織應(yīng)力轉(zhuǎn)變 的終究 了局是表層受拉應(yīng)力,心部受壓應(yīng)力,正好 與熱應(yīng)力相反。組織應(yīng)力的年夜 小與工件在馬氏體相變區(qū)的冷卻速度,外形 ，材料的化學(xué)成份 等身分 有關(guān)。

　　實踐證實 ,任何工件在熱處置進程 中,&127;只要有相變,熱應(yīng)力和組織應(yīng)力城市發(fā)生。&127;只不外 熱應(yīng)力在組織轉(zhuǎn)變之前 就已 發(fā)生 了，而組織應(yīng)力則是在組織轉(zhuǎn)變進程 中發(fā)生 的,在全部 冷卻進程 中,熱應(yīng)力與組織應(yīng)力綜合感化 的了局,&127;就是工件中現(xiàn)實 存在的應(yīng)力。這兩種應(yīng)力綜合感化 的了局是十分復(fù)雜的,受著很多 身分 的影響,如成份 、外形 、熱處置工藝等。就其成長 進程 來講 只有兩種類型,即熱應(yīng)力和組織應(yīng)力,感化 偏向 相反時兩者 抵消,感化 偏向 溝通 時兩者 互相 迭加。不論是 互相 抵消還是互相 迭加,兩個應(yīng)力應(yīng)有一個占主導(dǎo)身分 ,熱應(yīng)力占主導(dǎo)地位時的感化 了局是工件心部受拉,外觀受壓。&127;組織應(yīng)力占主導(dǎo)地位時的感化 了局是工件心部受壓外觀受拉。

　　2、 熱處置應(yīng)力對淬火裂紋的影響

　　存在于淬火件分歧 部位上能引發(fā) 應(yīng)力集中的身分 (包羅冶金缺點 在內(nèi)),對淬火裂紋的發(fā)生 都有增進 感化 ,但只有在拉應(yīng)力場內(nèi)(&127;特別 是在最年夜 拉應(yīng)力下)才會施展闡發(fā)出來,&127;若在壓應(yīng)力場內(nèi)并沒有 促裂感化 。

　　淬火冷卻速度是一個能影響淬火質(zhì)量并決意 殘余應(yīng)力的主要 身分 ,也是一個能對淬火裂紋賦于主要 甚至 決意 性影響的身分 。為了到達 淬火的目標 ，平日 必需 加速零件在高溫段內(nèi)的冷卻速度,并使之跨越 鋼的臨界淬火冷卻速度才能獲得 馬氏體組織。就殘余應(yīng)力而論,如許 做因為 能增添 抵消組織應(yīng)力感化 的熱應(yīng)力值,故能削減 工件外觀上的拉應(yīng)力而到達 按捺 縱裂的目標 。其結(jié)果 將隨高溫冷卻速度的加速 而增年夜 。并且 ,在能淬透的情形 下,截面尺寸越年夜 的工件,固然 現(xiàn)實 冷卻速度更緩,開裂的危險性卻反而愈年夜 。這一切都是因為 這類鋼的熱應(yīng)力隨尺寸的增年夜 現(xiàn)實 冷卻速度減慢,熱應(yīng)力減小,&127;組織應(yīng)力隨尺寸的增年夜 而增添 ,最后構(gòu)成 以組織應(yīng)力為主的拉應(yīng)力感化 在工件外觀的感化 特點釀成的 。并與冷卻愈慢應(yīng)力愈小的傳統(tǒng)觀念年夜 相徑庭。對這類鋼件而言,在正常前提 下淬火的高淬透性鋼件中只能構(gòu)成 縱裂。避免淬裂的靠得住 原則是想法 盡可能 減小截面表里 馬氏體轉(zhuǎn)變的不等時性。僅僅實施馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)的緩冷卻不足以預(yù)防縱裂的構(gòu)成 。一般情形 下只能發(fā)生 在非淬透性件中的弧裂,雖以整體快速冷卻為需要 的構(gòu)成 前提 ，可是它的真正構(gòu)成 緣由 ,卻不在快速冷卻(包羅馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi))自己 ,而是淬火件局部位置(由幾何構(gòu)造 決意 ),在高溫臨界溫度區(qū)內(nèi)的冷卻速度顯著減緩,因此 沒有淬硬而至 &127;。發(fā)生 在年夜 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)力感化 在淬火件中間 &127;,而在淬火件末淬硬的截面中間 處,起首 構(gòu)成 裂紋并由內(nèi)往外擴大 而釀成的 。為了不 這類裂紋發(fā)生 ，常常 利用 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,目標 僅僅在于確保外層金屬獲得 馬氏體組織,&127;而從內(nèi)應(yīng)力的角度來看,這時候 快冷有害無益。其次,冷卻后期緩冷的目標 ,主要不是為了下降 馬氏體相變的膨脹速度和組織應(yīng)力值,而在于盡可能 減小截面溫差和截面中間 部位金屬的縮短 速度,從而到達 減小應(yīng)力值和終究 按捺 淬裂的目標 。

　　3、 殘余壓應(yīng)力對工件的影響

　　滲碳外觀強化作為提高工件的疲憊 強度的方式 運用 得很普遍 的緣由 。一方面是因為 它能有用 的增添 工件外觀的強度和硬度，提高工件的耐磨性，另外一 方面是滲碳能有用 的改良 工件的應(yīng)力散布 ,在工件外觀層獲得較年夜 的殘余壓應(yīng)力,&127;提高工件的疲憊 強度。若是在滲碳后再進行等溫淬火將會增添 表層殘余壓應(yīng)力,使疲憊 強度獲得 進一步的提高。有人對35SiMn2MoV鋼滲碳落后 行等溫淬火與滲碳后淬火低溫回火的殘余應(yīng)力進行過測試其了局如表1

熱處置工藝

殘余應(yīng)力值（kg/mm2)

滲碳后880-900度鹽浴加熱，260度等溫40分鐘

-65

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1.35SiMn2MoV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的測試了局可以看出等溫淬火比平日 的淬火低溫回火工藝具有更高的外觀殘余壓應(yīng)力。等溫淬火后即便 進行低溫回火,其外觀殘余壓應(yīng)力，也比淬火后低溫回火高。是以 可以得出如許 一個結(jié)論,即滲碳后等溫淬火比平日 的滲碳淬火低溫回火獲得的外觀殘余壓應(yīng)力更高,從外觀層殘余壓應(yīng)力對疲憊 抗力的有益 影響的概念 來看，滲碳等溫淬火工藝是提高滲碳件疲憊 強度的有用 方式 。滲碳淬火工藝為甚么 能獲得表層殘余壓應(yīng)力?滲碳等溫淬火為甚么 能獲得更年夜 的表層殘余壓應(yīng)力?其主要緣由 有兩個：一個緣由 是表層高碳馬氏體比容比心部低碳馬氏體的比容年夜 ,淬火后表層體積膨脹年夜 ,而心部低碳馬氏體體積膨脹小,制約了表層的自由膨脹,&127;造成表層受壓心部受拉的應(yīng)力狀況 。而另外一 個更主要 的緣由 是高碳過冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的最先 轉(zhuǎn)變溫度（Ms）,比心部含碳量低的過冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的最先 溫度（Ms）低。這就是說在淬火進程 中常常 是心部起首 發(fā)生 馬氏體轉(zhuǎn)變引發(fā) 心部體積膨脹,并獲得強化,而外觀還末冷卻到其對應(yīng)的馬氏體最先 轉(zhuǎn)變點（Ms）,故仍處于過冷奧氏體狀況 ,&127;具有杰出的塑性,不會對心部馬氏體轉(zhuǎn)變的體積膨脹起嚴重的壓抑 感化 。跟著 淬火冷卻溫度的接續(xù)下降使表層溫度降到該處的（Ms）點以下,表層發(fā)生 馬氏體轉(zhuǎn)變,引發(fā) 表層體積的膨脹。但心部此時早已轉(zhuǎn)變成 馬氏體而強化,所以心部對表層的體積膨脹將會起很年夜 的壓抑 感化 ,使表層獲得殘余壓應(yīng)力。&127;而在滲碳落后 行等溫淬火時，當(dāng)?shù)葴販囟仍跐B碳層的馬氏體最先 轉(zhuǎn)變溫度（Ms）以上,心部的馬氏體最先 轉(zhuǎn)變溫度（&127;Ms）點以下的恰當(dāng) 溫度等溫淬火,比陸續(xù)冷卻淬火更能包管 這類 轉(zhuǎn)變的前后 挨次的特點(&127;即包管 表層馬氏體轉(zhuǎn)變僅僅發(fā)生 于等溫后的冷卻進程 中)。&127;固然 滲碳后等溫淬火的等溫溫度和等溫時候 對表層殘余應(yīng)力的年夜 小有很年夜 的影響。

　　可見外觀殘余應(yīng)力狀況 對滲碳等溫淬火的等溫溫度是很敏感的。不但 等溫溫度對外觀殘余壓應(yīng)力狀況 有影響,并且 等溫時候 也有必然 的影響。有人對35SiMn2V鋼在310℃等溫2分鐘,10分鐘,90分鐘的殘余應(yīng)力進行過測試。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分鐘后再耽誤 等溫時候 殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)變 不年夜 。

　　從上面的計議表白,滲碳層與心部馬氏體轉(zhuǎn)變的前后 挨次對表層殘余應(yīng)力的年夜 小有主要 影響。滲碳后的等溫淬火對進一步提高零件的疲憊 壽命具有普遍意義。另外 能下降 表層馬氏體最先 轉(zhuǎn)變溫度（Ms）點的外觀化學(xué)熱處置如滲碳、氮化、氰化等都為造成表層殘余壓應(yīng)力供給了前提 ,如高碳鋼的氮化--淬火工藝,因為 表層,&127;氮含量的提高而下降 了表層馬氏體最先 轉(zhuǎn)變點（Ms）,淬火后獲得了較高的表層殘余壓應(yīng)力使疲憊 壽命獲得 提高。又如氰化工藝常常 比滲碳具有更高的疲憊 強度和利用 壽命,也是因氮含量的增添 可獲得比滲碳更高的外觀殘余壓應(yīng)力之故。另外 ,&127;從獲得表層殘余壓應(yīng)力的公道 散布 的概念 來看,單一的外觀強化工藝不輕易 獲得抱負的表層殘余壓應(yīng)力散布 ,而復(fù)合的外觀強化工藝則可以有用 的改良 表層殘余應(yīng)力的散布 。如滲碳淬火的殘余應(yīng)力一般在外觀壓應(yīng)力較低,最年夜 壓應(yīng)力則泛起 在離外觀必然 深度處,并且 殘余壓力層較厚。氮化后的外觀殘余壓應(yīng)力很高,但殘余壓應(yīng)力層很溥,往里急劇下降。若是采取 滲碳--&127;氮化復(fù)合強化工藝,則可獲得更公道 的應(yīng)力散布 狀況 。&127;因另外 觀復(fù)合強化工藝,如滲碳--氮化,滲碳--&127;高頻淬火等,都是值得正視 的偏向 。

　　按照上述計議可得出以下結(jié)論;

　　1、熱處置進程 中發(fā)生 的應(yīng)力是不成避免的,并且 常常 是有害的&127;。但我們可以節(jié)制 熱處置工藝盡可能 使應(yīng)力散布 公道 ,便可 將其有害水平 下降 到最低限度,甚至變有害為有益 。

　　2、當(dāng)熱應(yīng)力占主導(dǎo)地位時應(yīng)力散布 為心部受拉外觀受壓,當(dāng)組織應(yīng)力占主導(dǎo)地時應(yīng)力散布 為心部受壓外觀受拉。

　　3、在高淬透性鋼件中易構(gòu)成 縱裂,在非淬透性工件中常常 構(gòu)成 弧裂,在年夜 型非淬透工件中輕易 構(gòu)成 橫斷和縱劈。

　　4、滲碳使表層馬氏體最先 轉(zhuǎn)變溫度（Ms）點下降,可導(dǎo)至淬火時馬氏體轉(zhuǎn)變挨次倒置 ,心部起首 發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變爾后 才波及到外觀,可獲得表層殘余壓應(yīng)力而提高抗疲憊 強度。

　　5、滲碳落后 行等溫淬火可包管 心部馬氏體轉(zhuǎn)變充實進行今后 ,表層組織轉(zhuǎn)變才進行。&127;使工件獲得比直接淬火更年夜 的表層殘余壓應(yīng)力,可進一步提高滲碳件的疲憊 強度。

　　6、復(fù)合外觀強化工藝可以使 表層殘余壓應(yīng)力散布 更公道 ,可較著提高工件的疲憊 強度。